500kA鋁電解槽陽極效應“趨零化”控制技術

相洋

摘 要：電解槽發生陽極效應時，槽電壓和電解溫度升高，電化學反應幾乎停止，鋁液局部發生氧化反應而燃燒，電流效率低下，電能、氟化鹽等消耗增加，爐幫熔化變薄，致使槽內襯侵蝕幾率增加而影響槽壽命，溫室氣體碳氟化合物（CF4和C2F6）排放量增多，系列電流波動等，對電解槽長壽高效運行、企業節能減排和職工的職業健康造成一定的不良影響。因此，各電解鋁企業非常重視陽極效應的控制。本文介紹了山西中潤陽極效應“趨零化”控制技術的研究以及在實踐中取得的效果。

關鍵詞：500kA鋁電解槽;陽極效應;“趨零化”;控制技術

1 SY500電解槽的特點

山西中潤使用的是沈陽鋁鎂設計研究院有限公司研究設計的SY500電解槽。由于在設計時充分考慮了相鄰列槽、周圍槽及槽殼的屏蔽作用，運用優化的電磁場與流動場模型的模擬，SY500電解槽采用大面六點進電非對稱配置母線，很好的解決了電解槽磁流體穩定性問題，使電解槽的鋁液-電解質界面變形小，鋁液流速低。并且利用成熟的三維電熱場耦合計算模型，很好地解決了電解槽本體內襯的等溫線分布和熱平衡問題，使電解槽在生產中可以保持規整的爐幫形狀和合理的爐幫厚度。

打殼下料裝置包括打殼機構和定容下料器組成，在設計時對該裝置進行了改進，打殼氣缸和定容下料器采用6個獨立的耐強磁控制閥體控制，使該系統實現了單點打殼、單點下料控制，對于超大容量鋁電解槽，更利于均化槽內的氧化鋁濃度分布，防止局部效應。計算機（槽控機）根據工藝狀況，自動控制實現氧化鋁和氟化鋁的下料量，即控制氧化鋁濃度和電解質分子比，實現“按需加料”，使氧化鋁濃度保持在 2～3%范圍內，保持槽內電解質中氧化鋁濃度的恒定，以獲得較高的電流效率。

這些先進的設計技術顯著提高了電解槽的穩定性，陽極效應系數設計值為0.03次/（槽·日）。

2 技術條件優化匹配技術

優化生產中的技術條件是持續降低陽極效應系數和持續時間以達到陽極效應“趨零化”的關鍵環節。

本文所采用的耦合匹配平衡優化原則就是要通過氧化鋁濃度、電解溫度、過熱度和初晶溫度等技術條件之間平衡作用而相互協調，保持低效應系數、高電流效率、少氧化鋁沉淀、使炭渣易分離。在陽極效應保持正常“趨零化”的情況下，降低氧化鋁濃度（以提高電流效率，并降低電解質對炭渣濕潤性，促進炭渣從電解質中分離、上浮及排出，降低炭渣含氟量，減少氧化鋁在電解質中的懸浮量和減少氧化鋁沉淀，提高電解質電導率），提高電解溫度（以提高臨界電流密度，彌補氧化鋁濃度降低帶來的臨界電流密度降低），降低過熱度（以提高電流效率，并減少熱損失來補償提高電流效率多產鋁帶走的熱量以及協助提高電解溫度），提高初晶溫度（以提高氧化鋁溶解度，減少氧化鋁在電解質中的懸浮量，提高電解質電導率，減少氧化鋁沉淀）。

當陽極效應不能正常保持“趨零化”而有所升高時，提高氧化鋁濃度（以提高臨界電流密度，減少陽極效應），降低電解溫度（以提高電流效率，補償氧化鋁濃度升高帶來的電流效率降低），提高過熱度（以提高氧化鋁溶解度，平衡補償氧化鋁濃度升高所增加的氧化鋁溶解量，減少氧化鋁在電解質中的懸浮量，并有助于炭渣從電解質中分離、上浮和排出，提高電解質電導率，減少氧化鋁沉淀），降低初晶溫度（以提高電流效率，進一步補償氧化鋁濃度升高帶來的電流效率降低;

2.1 確定技術條件合理范圍

氧化鋁濃度降低可提高電流效率，但氧化鋁濃度過低則會引發較多的陽極效應，因而應將氧化鋁濃度低窄化地控制在1.5%～2.5%。由于在所用原料氧化鋁中不同程度地含有Li2O、K2O、CaO、MgO等金屬氧化物，山西中潤電解質富集LiF2.5%～4.5%、KF2%～4%、CaF22%～3%、MgF21%～1.2%左右，在不剔除鋰、鎂、鉀鹽影響的情況下分子比按2.4～2.6控制。考慮鋰鹽等含量在富集中，因此取初晶溫度控制中值為930℃，控制波動范圍在925～935℃。選用過熱度小的電解質成分是提高電流效率的一個重要條件，將過熱度控制范圍確定為5～15℃。電解溫度控制范圍確定為935～945℃。

2.2 以氧化鋁濃度為中心實施耦合匹配控制

氧化鋁濃度是發生陽極效應的主要影響因素，以氧化鋁濃度為中心實施耦合匹配控制原則就是在保持較高電流效率、減少氧化鋁沉淀、使炭渣易于從電解質中分離并使電解質保持良好導電性的基礎上，穩定地對氧化鋁濃度控制在低窄范圍內。

2.3 控制溫度

（1）保持適當的陽極保溫料

當電解溫度處于降低態勢，而陽極保溫料又偏少時，適當增加保溫料厚度（粒度在0.5～10mm范圍內，混合均勻，將陽極全部覆蓋住），但最多到達陽極鋼爪橫梁下沿50mm（不要過厚以防鋼爪溫度過高導致爆炸焊脫落），即陽極上保溫料厚度不大于170mm，并穩定保持。

（2）保持適當的陰極保溫

當電解溫度處于降低態勢，而角部伸腿較長時，可用硅酸鋁纖維氈或保溫磚等保溫材料適當增加角部保溫。

2.4 保持適當鋁水平

（1）當電解溫度處于降低態勢，不僅角部伸腿較長，端部以及大面伸腿也普遍較長而鋁液水平偏高時，適當降低鋁液水平高度（不低于標準鋁水平21～23cm下限），減少通過鋁液的散熱量。

（2）當電解溫度處于上升態勢，大面以及端部伸腿熔化，而且角部伸腿也熔化，而鋁液水平偏低時，適當提高鋁液水平高度（不高于標準鋁水平21～23cm上限），增加通過鋁液的散熱量。

3 結語

通過對鋁電解工藝技術條件進行耦合匹配的優化平衡控制，及時有效地自動熄滅陽極效應，有效地推進了陽極效應系數和持續時間“趨零化”控制的技術進步，為山西中潤500kA大型鋁電解系列取得了良好的創經濟與環保效益，并形成一條行之有效的陽極效應“趨零化”控制技術路線，為電解鋁企業提供了一套重要的技術控制策略。

參考文獻

[1]劉芳玉.KF對鋁電解質性質的影響研究[D].長沙：中南大學，2011.

[2]中國鋁業鄭州研究院.甘肅山西中潤有限公司電解槽“物理場”測試報告[R].2013.