淺談大型鋁電解槽效應控制

（中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041）

電解鋁行業是我國的耗電大戶。據統計,2019年電解鋁行業耗電量約占全國總發電量的7.0%，鋁電解耗電成本占企業總成本約為40%。因此，節能降耗一直是鋁工業重點發展的方向。目前每生產一噸鋁約耗電13500kWh～14000kWh，這與工信部發布的《鋁行業規范條件》中關于電解鋁企業鋁液電耗要求有一定差距。陽極效應是鋁電解生產中的一種普遍現象。效應發生時槽電壓可升高至30V以上，遠高于正常生產電壓。單個陽極效應將多消耗電能300kWh～1000kWh，造成電能嚴重浪費。如能有效控制效應次數，則可以減少效應發生時空耗的電量，為降低鋁液電耗做出一定貢獻。

1 陽極效應對電解生產的影響

1.1 有利方面

（1）規整電解槽爐膛、補充電解槽能量。對電解槽爐膛的規整主要體現在電解槽啟動初期，陽極效應能夠保障爐幫相對均衡生長，有助于形成良好的爐膛內型，為電解槽平穩運行打下基礎。當電解槽處于冷行程時，陽極效應產生的熱量可補充電解槽所需能量，提高槽內溫度，使電解槽正常運行。

（2）重置電解槽內氧化鋁濃度、消除部分爐底沉淀。陽極效應發生時，電解槽內氧化鋁濃度一般為1%左右，效應后槽控機以該氧化鋁濃度下的槽電阻為基準進行下料，能夠更好控制電解槽中氧化鋁濃度。當電解槽內爐底沉淀較多的情況下，陽極效應時產生的熱量，有部分可用于溶解氧化鋁及爐底沉淀。

（3）清理陽極底掌和促進碳渣同電解質分離。陽極效應發生時，陽極周圍的電弧可以清理陽極底掌下的雜質，平衡陽極消耗，達到陽極電流均衡的目的。同時陽極效應發生時，電解質對碳渣的潤濕性大大降低，促使電解質與碳渣分離，清潔電解質并降低電解質電阻。

1.2 不利方面

（1）造成系列電流波動，影響技術條件穩定。陽極效應發生時，電解槽電壓瞬間升高至30V以上，在系列總電壓保持不變的條件下，造成電解系列電流大幅波動，破壞正常生產技術條件。

（2）產生PFC（四氟甲烷和六氟乙烷等）氣體，對環境造成危害。陽極效應時會產生大量PFC氣體，PFC氣體排放量與陽極效應電壓和效應持續時間成正比關系。據報道，四氟甲烷和六氟乙烷氣體的溫室效應作用分別是二氧化碳的6500和9200倍[1，2]。因此陽極效應過高，將使環境遭到更嚴重破壞。

（3）浪費大量電能，造成電解槽溫度波動。以300kA系列計，陽極效應電壓為30V時每分鐘消耗電能為150kWh。陽極效應浪費的能量一般能使槽溫升高5℃～20℃，這將對電解槽側壁產生較大沖擊，側部爐幫有熔化的潛在可能。

隨著人們對下料控制系統的優化，陽極效應的有利作用在電解生產中日趨弱化，其帶來的不利影響日益顯現。因此合理控制效應系數不但能夠降低部分電耗，而且能減少溫室氣體排放[3]。

2 陽極效應的影響因素

關于陽極效應發生的機理有潤濕性學說、氟離子放電學說、靜電引力學說等[4]，但總的來說陽極效應最直接的原因是氧化鋁濃度過低。在正常的工藝技術條件下，計算機控制系統具有將氧化鋁控制在合理范圍內的能力，但若電解槽的熱平衡和槽電阻穩定性遭到破壞，氧化鋁濃度控制效果就會急劇惡化，使熱平衡、物料平衡及電解槽的穩定性與理想狀態的偏差愈來愈大。此時應找出和消除導致電解槽運行狀況惡化的根源，針對性提出調整方案使工藝技術條件逐步回歸正常。本文將結合某300kA系列電解槽生產實踐，從熱量散失、電解質、人工操作幾個方面分析對陽極效應的影響。

2.1 熱量散失對效應的影響

輸入電解槽的電能約有50%被用于電解生產鋁，其余部分則以熱量的方式擴散至槽外。在電解槽的散熱體系中，側壁散熱量占比約為41%，上部散熱量占比約為51%，底部散熱量占比約為8%[5]。

側壁散熱的影響因素主要為爐幫厚度和伸腿長度。由于各槽在槽齡、工藝條件控制等方面存在差異，導致不同電解槽爐幫厚度及伸腿尺寸都不相同，所以槽與槽之間的側壁散熱情況可能存在較大差異。圖1為某公司電解廠一個工區電解槽爐幫厚度、伸腿長度與效應次數的關系圖。

圖1 爐幫、伸腿與效應次數關系

從圖中看到，伸腿長度與陽極效應次數有明顯相關性。1～5月效應次數平均達到60次/月，伸腿長度平均為12.4cm；隨著效應系數的降低伸腿逐步生長，15個月以后，效應次數降至14次/月，伸腿長度生長至17cm，并保持相對穩定。爐幫厚度與效應次數相關性不太明顯，效應次數高時，爐幫厚度平均達到13.5cm；效應次數低時爐幫厚度反而降低至平均10cm。推測主要原因為換極作業對爐幫影響較大，爐幫厚度難以保持持續生長。當效應頻發時，應以縮短效應持續時間為突破口，促進爐膛的再次發育，使電解槽緩慢達到理想熱平衡狀態，效應次數將得到明顯控制。

上部散熱的影響因素有覆蓋料厚度、煙氣流量及槽蓋板密封程度。覆蓋料厚度及煙氣流量按照操作標準統一執行，各槽之間差異細微；槽罩板密封性差別是電解槽上部散熱存在差別的主要原因。槽罩的密閉性不強或無組織敞開，會嚴重的擾亂電壓管理及氧化鋁濃度控制，增大槽控機降電壓和氧化鋁濃度走入反區的概率，從而導致壓縮極距現象的產生，如持續惡化則誘發陽極效應。

2.2 電解質對效應的影響

電解質的影響表現在壓縮極距、電解質含碳和電解質物料平衡三個方面。

極距被壓縮時，電解質沸騰劇烈，頻繁從火眼處噴濺而出，火眼處電解質聚集嚴重；因氣體排出不暢，下料口處大量氣體噴出，氧化鋁飛揚損失嚴重。為保持電解質中氧化鋁濃度，下料量被迫增加。雙重作用下，卡錘頭及堵料概率增大，氧化鋁濃度不受控，電解質粘度大，溶解氧化鋁性能差，碳渣不易分離，電解質電阻大導致效應頻發。

發現壓槽首先應及時手動抬電壓30mV～50mV，持續時間1h～2h。為電解質在槽內循環創造空間使電解質平靜，初步緩解壓槽現象。其次要及時清理火眼周圍積料，擴大火眼，保障打殼、下料順暢。最后電解質平靜后，通過拉大下料間隔尋找合適的氧化鋁濃度，改善氧化鋁濃度紊亂狀況。通過前三步操作碳渣開始逐步分離，趁機打撈碳渣，降低電解質電阻、為釋放極距提供幫助。待槽況穩定后將電壓歸位，從而效應得到有效控制。

電解質的電阻隨碳渣量增多而增加，在相同極距下導致電壓走高，從而影響槽控機對氧化鋁濃度的判斷，此時槽控機試圖降低電壓而長時間過量下料造成氧化鋁濃度紊亂、電壓不受控，被迫降電壓的概率增加，導致極距被壓縮誘發效應發生。

要減少碳渣導致的效應次數應提升員工碳渣管理意識，從碳渣會導致壓槽、錘頭卡堵增加工作量的角度培養打撈碳渣的積極性。同時充分利用自動化工具，為碳渣打撈提供便利，增加員工主觀能動性。

電解質物料平衡誘發陽極效應一般發生在電解槽冷行程階段。開始由于冷趨勢的原因，大量電解質粘附在殼面上被帶出電解槽。此時為維持熱量平衡，采取快速撤鋁的策略。鋁水平降低后并未補充足夠量的電解質，此時電解質水平還未上升，就出現鋁水平低、電解質水平低的“雙低現象”。由于總高度不夠，即使電解槽回暖，熱平衡成立，有能力溶化殼面，但也因高度差的存在，殼面中的電解質也難以回到電解槽內。

圖2為“雙低”槽殘極和正常槽殘極對比情況，可以看出雙低殘極殼面明顯厚于正常殘極，電解質以殼面料的形式脫離電解槽，造成槽內電解質及液面總高減少。

圖2 “ 雙低”槽殘極與正常槽殘極

“雙低現象”的起因是冷趨勢，但造成“雙低現象”的主要原因是出鋁節奏控制出現了問題，快速大幅撤鋁而引發的“雙低現象”比單純的冷趨勢更加難以控制，會將電解槽帶入電解質物料失衡的不穩定狀態。在有冷趨勢的痕跡時提前入手，但節奏上要放緩。出鋁量變化應以周或月為單位進行調整，調整的偏差要有梯度，在冷趨勢撤鋁過程中盡可能的避免“雙低現象”的出現。

若“雙低現象”的局面已經形成，應采取緩慢回鋁的方式提高液面總高，同時使電解槽處于微熱狀態，保持稍高過熱度，促進槽內液體電解質與殼面電解質循環，解決電解質物料失衡狀態。

2.3 人工操作對效應的影響

手動控制、效應預報加工是現場人為的不良操作習慣，濫用會造成火眼卡堵的增加和爐底沉淀的惡化，經常出現“頻繁卡堵、頻繁補料”的惡性循環。但此項操作又因客觀需求的存在，無法簡單的完全禁止，應提倡減少手動NB和手動AEB的次數。

圖3 不同班組各數據比較

圖3為某公司電解廠各班組手動次數、效應預報加工及效應次數占比情況。

從圖中看出各組呈現明顯的差異性，尋找并縮小作業組差異也是進一步降低效應的突破口。從占比情況看，手動次數和效應次數有較強相關性。手動次數多的班組，發生陽極效應占比明顯大。

雖然效應預報加工與效應次數沒有相關性，但效應預報加工時造成短時間內大量冷氧化鋁進入槽內，大部分氧化鋁未能溶解，以爐底沉淀的形式聚集在下料口附近，所以應盡可能減少效應預報加工次數。

3 結語

生產成本壓力與環保要求使得電解鋁企業保持低效應系數運行。企業應通過維持理想的工藝技術條件尤其是保持理想的熱平衡與物料平衡使效應系數達到預定目標。

在追求低效應系數的同時，應通過對比各生產單元的差異分析效應發生的均勻性，縮小各單元操作的差距是系列效應參數均保持理想狀態，以實現節能降耗和改進環保指標的效果。