500kA铝电解槽阳极效应“趋零化”控制技术探讨

成正斌

【摘 要】在工业生产中，铝电解槽的阳极效应与工艺技术、生产流程等存在一定关联，通过降低铝电解槽阳极效应的方式，能够提升生产组织效果，实现节能减排目标，促进企业经济效益的提高。本文以某企业500kA铝電解槽为例，就其阳极效应“趋零化”控制技术进行了分析和讨论，希望能够为工艺技术的改进提供一些参考和借鉴。

【关键词】500kA；铝电解槽；阳极效应；“趋零化”；控制技术

当电解槽出现阳极效应时，槽电压与电解温度会有所提升，导致电化学反应几乎停止，铝液局部因为氧化反应而出现燃烧现象，不仅电流效率相对较低，电能以及氟化盐等的消耗增加，炉帮也会因为熔化反应而变得更加薄弱，继而影响电解槽的使用寿命，还可能引发一系列的不良影响。基于此，电解铝企业必须重视对于电解槽阳极效应的控制。

一、概况

某电解铝企业采用的是SY500电解槽，该电解槽在设计环节充分考虑了周边槽、列槽以及槽壳的屏蔽作用，以大面六点进电非对称的方式进行母线配置和布局，可以对传统电解槽中存在的磁流体不稳定的问题进行解决，在减低铝液流速的同时，也能够减少电解槽铝液-电解质界面的变形情况。运用相对成熟的三维电热场耦合计算模型，能够对电解槽内衬等温线分布及热平衡问题进行解决，确保电解槽在生产过程中能够保持相对规整的炉帮形状以及合理安全的炉帮厚度。该电解槽中使用的阴极炭块宽度达到了740mm，能够与阳极炭块的正投影实现彼此重合，考虑到电解槽采用了超长阴极结构，将阴极钢棒与炭块组合在一起，能够有效减少水平电流，在保证电解槽运行稳定性的同时，也可以将阳极效应系数控制在0.05次/（槽.日）

二、控制技术

从实现电解槽阳极效应“趋零化”的角度，需要对生产中的技术条件进行优化。基于耦合匹配的平衡优化原则，针对阳极效应系数的主要影响因素，如电解温度、初晶温度、氧化铝浓度、过热度等进行耦合匹配，能够将阳极效应系数降低到0.02次/（槽.日），阳极效应的持续时间也可以缩短到小于90s[1]。

（一）明确技术范围

通过降低氧化铝浓度的方式，能够显著提升电流效率，不过若氧化铝浓度过低，则可能导致阳极效应的增大，因此，结合相关实践，应该将氧化铝浓度控制在1.5%-2.5%之间。生产环节，原来氧化铝中含有诸如CaO、MgO等金属氧化物，在不考虑剔除锂、镁、钾盐等的影响下，将分子比控制在2.7-2.9，折合过剩AlF3为1%-4%。因为锂盐等含量在福集中，出境温度应该控制在925℃，将其波动范围控制在±10℃，选择过热度较小的电解质成分，控制过热度温度为5-15℃。

（二）耦合匹配控制

一是控制原则。阳极反应发生的主要影响因素是氧化铝浓度，因此，如果将氧化铝浓度作为耦合匹配控制的核心，需要坚持的基本原则就是应该尽量减少氧化铝沉淀，保持较高电流效率，将氧化铝浓度控制在适当范围内；二是低浓度控制。想要在提高电流效率的同时对阳极效应发生的几率进行控制，必须将氧化铝浓度控制在一定范围内，因为相同氧化铝浓度下，温度的上升会导致临界电流密度增大，因此当氧化铝浓度相对较低（1.5%-2%）时，应该适当提高电解温度（935-945℃）。不过，若一直保持较高的电解温度以及过热度，则会对电流效率以及槽结合产生不良影响，这种情况下，应该以较高的电解温度耦合匹配较低的过热度；三是高浓度控制。当氧化铝浓度偏高（2%-2.5%），需要适当降低电解温度（925-935℃），以较低的初晶温度和较高的过热度来实现耦合匹配。

（三）工艺条件优化

1.初晶温度控制

一是需要对金属氧化物含量进行控制。电解质中金属氧化物的含量会对初晶温度产生影响，因此，企业应该定期对不同厂商提供的氧化铝原材料中的金属氧化物含量进行检测，做好管控工作，确保原料的合理使用，以此来完成对于电解质中LiF、KF等富集量的控制；二是应该做好分子比调节。企业需要对电解质中金属氧化物含量进行定期分析，做好初晶温度的测量或者计算，例如，可以利用X衍射仪，对每一台电解槽电解质中的金属氧化物含量进行分析，配合专业计算软件，实现对电解质试样初晶温度的自动分析计算。在这个过程中，不能仅仅考虑正常调节氧化铝浓度的影响，还应该重视分子比调节，结合相应的分析计算结果，通过调整分子比（过剩AlF3%）的方式，完成初晶温度调节[2]。

2.温度控制

一是保温措施。相关研究表明，500kA电解槽阴极区域的平均散热为0.786V，阳极区域平均散热为0.968V，在保温处理中，一方面需要保持恰当的阳极保温料，若电解温度呈现降低趋势，阳极保温聊偏少，则应该适当增加其厚度，不过最大不能超过阳极钢爪横梁的下沿（≤175mm）。另一方面需要保持阴极温度，若电解温度降低，角部伸腿较长，则可以利用硅酸铝纤维毡，或者保温砖等材料，提高角部温度；二是铝水平控制。若电解温度降低且角部伸腿较长，大面伸腿同样较长，则应该适当降低铝液水平高度，减少铝液散热量。若点击温度上上，角部伸腿与大面伸腿熔化，铝液水平较低，则需适当提高铝液水平高度，增加铝液散热量；三是电流强度控制。电解槽设计电流强度为500kA，能够满足热平衡平均热收入条件，如果做好相关措施后，发现电解温度持续偏低且保持下降态势，则应该适当提高电流强度，保持热平衡。在现有技术条件下，阳极电流最大密度可以达到1A/cm2，相比较而言，该企业的0.815A/cm2，存在22.7%左右的提升空间，如果需要对热平衡进行改善，提升电流效率，则在优质阳极的配合下，可以直接将阳极电流密度提升到可以满足现实需求的程度。通过提升阳极电流密度的方式，能够对热平衡所需的能量进行补充和改善，促进生产效率的提高。伴随着环境温度的升高，电解槽热平衡状态会发生变化，当常规措施无法满足热平衡调节需求时，会引发全系列电解槽偏热的情况，导致电解温度偏高，此时应该降低电流强度，对热平衡进行改善，将电解温度控制在合理范围内。

三、效益分析

在引入“趋零化”控制技术前，电解槽阳极效应的系数为0.08次/（槽.日），持续时间平均为300s/次，受控率75%；引入“趋零化”控制技术后，阳极效应系数逐月降低，仅一年左右的时间，就达到0.047次/（槽.日），已经降低到了设计值以内，之后依然呈现出稳步下降的趋势，目前已经能够保持在0.018次/（槽.日）的水平。同时，阳极效应持续时间从原本的300s/次降低到了90s/次，受控率达到90%以上。对比企业效益，每年能够为企业增加675万元的经济收益[3]。

四、结语

总而言之，在电解铝生产中，通过对工艺技术条件的耦合匹配优化平衡控制，能够自动熄灭阳极效应，降低阳极效应系数和持续时间，在提高生产效率的同时，也能够实现节能降耗，提升企业技术水平，从而为电解铝企业的稳定健康发展提供重要的技术支撑。

【参考文献】

[1]成庚.铝电解阳极效应“趋零化”耦合控制技术研究与应用[J].世界有色金属，2014，（12）：37-40.

[2]张宝光，王洪波.400kA铝电解槽降低阳极效应系数生产实践[J].中国有色金属，2015，（S1）：388-90.

[3]陈伟，张宁.关于降低预焙铝电解槽阳极效应的探讨[J].世界有色金属，2017，（18）：35.