鋁電解槽滾鋁原因分析及預防措施

曹韶峰

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司， 河南 鄭州 450041)

0 前言

鋁電解的穩定運行是獲得良好技術經濟指標的前提和保障，影響鋁電解穩定運行的因素主要是電、熱、磁三方面，即鋁電解行業所說的三場[1-2]。當電場槽的電磁場平衡狀態遭到破壞時，不平衡的磁場力推動鋁液旋轉、翻滾，從而形成滾鋁[3]。滾鋁是鋁電解病槽的一種體現，一旦電解槽發生滾鋁現象，電解槽的運行穩定性降低，波動幅度變大，增加安全風險；同時由于陰、陽極大范圍發生短路，產生電流空耗，降低電流效率，加之電壓升高，能耗指標受到影響[4]。若處理不好，電解槽長時間無法達到穩定狀態，可能導致停槽。如果鋁液和電解質溢出，沖刷陰極母線，嚴重時則會造成系列停電。可見，鋁電解槽發生滾鋁對生產造成諸多不利影響，甚至發生停槽、停電的嚴重后果[5]，因此應高度重視鋁電解槽的滾鋁，并預防滾鋁事故的發生。

本文結合現場生產實踐經驗，分析了滾鋁發生的具體原因，針對性提出了相應的預防措施，給出了滾鋁事故的處理建議。

1 滾鋁

1.1 滾鋁特征

滾鋁是電解槽一種可怕的惡性病狀，也是引起電解槽漏槽、短路口爆炸的重要原因。電解槽滾鋁時，鋁液從槽底泛上來，然后沿四周或一定方向沉下去，形成巨大的漩渦，嚴重時鋁液上下翻騰，產生強烈沖擊，甚至連同電解質一起翻騰到槽外。

由于鋁液的波動，極距急劇變化，引起嚴重的電壓擺動，擺幅在500 mV以上；火苗時冒時回，同時在槽壁上可以觀察到返上來的鋁液；陰、陽極電流分布紊亂，尤其是陽極電流分布變化無常，部分陽極停止工作。

1.2 滾鋁的根本原因

滾鋁的根本原因在于電解槽內理想的電流分布狀態遭到破壞，形成不平衡的磁場。正常運行的電解槽，槽膛規整，槽底干凈，電流可按設計的大小和路徑流經電解槽各處，使各個方向上的磁場基本平衡，磁場力較小，鋁液規律地緩慢運動，相對平靜。但當電解槽的槽膛遭到破壞時，槽底沉淀多而且厚薄不均勻，造成陰、陽極電流紊亂，破壞磁場的平衡，從而產生不平衡的磁場力，作用于鋁液，使鋁液加速不規則運動，特別是鋁液層中縱向水平電流增加，產生的磁場力將局部鋁液推向槽外，導致鋁液發生劇烈翻滾。

1.3 滾鋁前電解槽特點

電解槽發生滾鋁是可以預見的。一般情況下，電解槽發生滾鋁前有以下特點：1)槽膛畸形，槽底沉淀多而且分布不均勻，使鋁液運動局部受阻，形成強烈偏流；2)槽內鋁液淺，鋁液中水平電流密度大(特別在出鋁后易產生滾鋁)；3)陽極、陰極電流分布極不均勻，尤其是陽極電流分布變化無常，陽極停止工作。

2 滾鋁事故原因與預防措施

2.1 電解槽爐底、爐膛嚴重惡化

鋁電解啟動后，如果出現熱平衡或者物料平衡失衡，則會導致爐膛或爐底惡化，突出表現為工藝匹配不合理，爐幫薄且不規則，側部散熱大，爐底偏涼，電解槽易產生結殼或沉淀。另外，在啟動后期，如果電解槽溫度下降太快且低溫保持，加上電解質水平長期偏低，電解質溶解氧化鋁的能力變差，電解槽就會頻繁出現堵料、漏料等現象，電解槽中縫有大量沉淀，加之作業質量得不到保證，導致電解槽運行長期不穩定。這種電解槽鋁液液面變形嚴重，水平電流大，稍有波動，易發生滾鋁。

預防的主體思路是做好焙燒啟動和后期管理，以及正常生產期的精細管理，防止電解槽出現波動。

電解槽的生產狀況大部分取決于前期的焙燒啟動和后期管理。1)焙燒時保持爐底焙燒溫度的均勻，防止過燒或過涼，以免對爐底散熱和導電均勻產生影響。一定要保證高溫、高分子比啟動，確保啟動過程中高溫、高分子比的電解質充分滲透到焙燒時產生的內襯裂縫中，形成均勻堅固的防滲屏障。2)要嚴格執行后期管理方案，使各項技術條件緩慢過渡到正常生產條件，形成堅固均勻的爐膛。

正常生產期間，電解槽要做好的是熱平衡和物料平衡管理，主要以技術條件的合理平穩和現場操作的高質量管理為抓手。1)在技術條件方面，要求從電解槽啟動開始就必須制定統一的技術路線并長期穩定執行，電流、電壓、鋁量、電解質體系保持合理匹配。堅持“穩定即是高效”的管理原則，減少電解生產控制變量，避免多個控制參數同時、大幅度、不系統調整。 2)現場操作是技術條件平穩保持的重要支撐。換極操作設立質量控制點，跟蹤監控陽極定位、卡具壓降、撈塊質量、極上保溫料；嚴格把控出鋁精度，防止為追求效益需要大量出鋁，破壞技術條件；防止為追求高效，不顧生產實際，降低分子比，低溫生產。

2.2 電解質中鋰、鉀含量高

由于目前國內氧化鋁中鋰、鉀含量高，電解質中鋰、鉀含量也較高。采用這種電解質體系啟動的電解槽，典型的特點是啟動初期溫度大幅下降，降至920 ℃以下，但過熱度較大，電解槽形成不了規整的爐膛。典型的表現是不長伸腿，導致電解槽易產生沉淀，鋁液中水平電流過大，容易發生滾鋁。

鑒于目前國內氧化鋁的狀況，對于鋰、鉀含量高的氧化鋁，要搭配鋰、鉀含量低的氧化鋁使用，一般30%即可；啟動時盡量采用低鋰、低鉀電解質，保證建立高溫、高分子比的規整爐膛，盡量采用高分子比生產策略。

2.3 壓槽導致極距過低

產生壓槽時，若不及時處理，極距過低，鋁液和電解質不能良好分層，導致電解質性質惡化，局部鋁液直接接觸陽極，惡化陰極電流分布，使鋁液發生翻滾，導致滾鋁。

壓槽產生主要是現場巡視不力、氧化鋁濃度不均導致的，因此現場要設置專門觀察電壓曲線的人員，一旦遇到異常，馬上結合現場處理。

2.4 陽極、陰極電流分布不均勻

陽極電流分布一方面受到爐底結殼、沉淀的影響，另一方面受換極質量、卡具壓降和陽極設置均勻性的影響。另外，陽極大母線和導桿表面不平整也會惡化陽極電流分布的均勻性。陰極電流分布一方面受爐底結殼、沉淀的影響，另一方面受大修槽時陰極鋼棒連接片的焊接質量影響。陰、陽極電流分布不均造成電解槽內磁場分布紊亂，鋁液波動幅度加劇且沒有規律性，最終導致滾鋁發生。

為了保證陽極電流分布的均勻，首先要保持規整爐膛，前面已敘述；其次要嚴格把關、考核換極質量，要適時維護陽極大母線和陽極導桿的接觸面。此外，大修槽時陰極鋼棒連接片的焊接質量要有專人監控。

2.5 鋁量過低

低溫生產的小爐膛，在產鋁量本身就小，如果出鋁精度把握不好，或出鋁任務過大，都會導致鋁量大幅減少，槽內鋁水平降幅過大，使鋁液對抗磁場力的作用減弱，導致滾鋁。

生產時應盡量采用合適的分子比和溫度，過熱度保持在10～15 ℃，并對出鋁精度嚴格把控，發現過多出鋁，馬上采取措施，出鋁任務要貼近生產實際效率，使在產鋁量保持長期穩定。

3 滾鋁事故的處理

1)出現滾鋁槽必須保持合理電壓。電壓保持以擺動基本保持穩定為準，提升電壓必須堅持小幅調整原則。每次調整后觀察槽狀態變化，如需要，再次小幅調整電壓，嚴禁一次性提升。在電解槽發生劇烈滾鋁情況下，電壓波動幅度很大，一次性大幅提升電壓容易造成陽極斷路，導致電解槽爆炸。

2)若出鋁后出現滾鋁，應根據現場判斷，若鋁量少，電壓擺動不超過300 mV，要適當增加鋁量，灌鋁也要堅持少量多次調整原則，嚴禁一次性灌鋁太多。電解槽兩水平總高太高，電解質不容易保持，在劇烈滾鋁情況下鋁液大量噴出，易出現人身安全事故或熔斷母線事故。

3)電壓穩定后適度調整陽極，由于滾鋁狀態下電流分布紊亂，切忌大幅度亂調陽極，必須堅持少調小調原則。

4)堅決杜絕下料。出現滾鋁槽，要關閉電解槽下料口，避免形成新的沉淀。

5)由于滾鋁會產生大量的熱量，使爐幫和伸腿熔化，電解槽的散熱隨之增加，要保持較高的穩定電壓。滾鋁時電解槽電壓高而極距不高，因此不能手動降電壓。由于電解質潔凈是一個緩慢過程，電壓隨著電解質潔凈逐漸下降，應適當抬高電壓，拉高極距，待電壓不再下降，保持一段時間，再根據穩定原則，在電解槽穩定后再降電壓，切忌電壓忽高忽低，以免形成新的滾鋁。

6)電解槽穩定后，槽溫下降，應根據灌鋁量，適當加大出鋁量，以免爐底發涼。

7)滾鋁槽的處理過程中必須高度關注安全，對人身及系列潛在安全必須作出周密安排，如果人工干預沒有效果，果斷停槽，防止出現更大事故。

4 結束語

本文總結現場生產經驗，對電解槽發生滾鋁時的現象進行了詳細介紹，為判斷電解槽是否發生滾鋁提供依據。分析了發生滾鋁的根本原因，指出滾鋁發生前電解槽的特點，并對電解生產過程中可能導致滾鋁的5種常見原因進行了具體分析，針對性提出了相應的預防措施，最后給出了滾鋁事故的處理建議和措施。通過本文的介紹，可根據現場生產情況采取相應的有效措施降低電解槽滾鋁事故的發生，提高預判電解槽發生滾鋁的準確性，為鋁電解槽穩定運行和節能降耗提供保障。