铝电解中阳极效应的原因分析及控制措施探讨

（中国铝业连城分公司，甘肃 兰州 730335）

1 阳极效应的危害

（1）在工业电解槽上，阳极效应发生时电压上升（一般为30～50V），在高电压和高电流密度下，电解质和阳极都处于过热状态。大大增加了能源的浪费，W=UIT=30＊500＊0.05=750kwh/次。（ 按 照 目 前 普 遍500KA电解槽每个效应持续3分钟且平均电压为30v计算）（0.3355＊500＊24＊0.92=3704kg，吨铝单耗增加202 kwh电，成本增加81元）同时，破坏了正常电解槽的能量平衡和稳定的炉膛。

（2）阳极效应对相关指标的影响

表1

以上数据为某系列5月份效应总数及工作电压、吨铝直流电单耗的对应关系。

2 阳极效应相关理论基础

2.1 阳极效应机理

在电解冰晶石-氧化铝熔体的条件下，采用炭阳极时，只有当电解质中氧化铝的浓度降低到某个限度（例如Al2O30.5%）时，才会产生阳极效应，此时阳极的电流密度超过该条件下的临界电流密度。为什么阳极电流密度会增大，主要是阳极的导电面积减小了，导电面积减小的原因归结于电极和电解质的界面性质发生了变化。当氧化铝浓度降低时，电解质同炭阳极之间的湿润性变差，析出的气体容易进入阳极和电解质的界面上，随着阳极气泡的逐渐增多，由小气泡聚合成较大气泡，形成连续的气体膜，由于气体的绝缘性，阻碍了电流的通过。当阳极的导电面积有相当部分被气膜覆盖，其有效面积减少，使其电流密度增大，超过该条件下的临界电流密度，于是阳极效应发生。在阳极电流密度升高的同时，阳极电位也相应增高，达到氟离子放电的电位，可先后生成绝缘的表面化合物CxFy（先后以气体CF4，C2F6排放），它们的存在使阳极的界面性质变差，使气体能够停留在界面上。

2.2 铝电解阳极效应的外观特征

①在阳极周围发生明亮的小火花，并带有特别的响声和吱吱声；②阳极周围的电解质有如被气体拨开似的，阳极与电解质界面上的气泡不再大量析出，电解质沸腾停止；③排出的气体除CO和CO2外，还有炭氟化合物气体如CF4和C2F[1]。④在恒电压供电情况下，阳极效应发生时电解槽系列电流急剧降低。

3 发生阳极效应的类型

3.1 换极作业过程中的阳极效应

图1 换极引发效应图

①氧化铝浓度较低，吊开阳极，阳极电流密度必然增大，且很容易当其大于此低氧化铝对应的低临界电流密度，由此引发阳极效应。②电解质水平偏低，吊出阳极，电解质回落后，增大阳极电流密度，（电流导电面积小）从而引发阳极效应。见现场图1。

3.2 出铝过程中的阳极效应效应（见图2）

①与计算机联系（按槽控机上的“出铝”键）时机不当，过早或过晚。此时铝液回落，而阳极未同步下降，结果：电解质回落，阳极电流密度增大，当其大于临界电流密度时，便引发阳极效应。②因出铝是过量加工，此时过料量不够，造成阳极效应。③因出铝会带走大量热能，加之有冷料滑入，导致槽温走低，对槽温本就偏低的槽子此时极易发生阳极效应。

图2 出铝引发效应图

3.3 减量期发生的阳极效应

①电压摆时，一方面实施欠料加工（减量期），另一方面上抬阳极。如果电压摆时间过长，欠料时间过长，上抬阳极过多，则一方面电解质中氧化铝浓度降低，使临界电流密度降低；另一方面，上抬阳极后，实际电流密度增大。此时，阳极电流密度很容易大于临界电流密度，于是引发阳极效应。②误操作，工作中误按“扎边”等会减量加工的大操作，致使不该减量时减量了，结果电解质中氧化铝浓度不断降低，引发阳极效应。

3.4 增量期发生阳极效应 （见图3）

①下料口过硬、过小，发生堵卡现象：即氧化铝未下到电解质中，尽管程序发出“增量”指令，槽控机也不断“增量”加工，电解质内氧化铝浓度仍然很低，于是产生了阳极效应。②下料器性能不良，且下料量长期偏小，尽管大部分时段都在“增量”加工，仍可能在“增量期”发生阳极效应。③电解质“不干净”（槽内炭渣多、“脏料”多）：氧化铝浮在炭渣上，未全部进入到电解质内（电解槽一般会进入“增量期”），使电解质与炭阳极界面张力过大，气泡不易排出，产生阳极效应。④停电（或降负荷）时间过长，槽温下降较严重，仅管此时可能处于“增量加工期”，仍可能发生阳极效应。⑤基础NB设定偏大：当进行了“换极”、“抬母线”等大操作后，控制程序在进行重新“寻迹”时需采用基础NB，如此时基础NB设定偏大太多，之后的“过量加工”很可能是“积重难返”，来不及“补救”，于是在产生了多个AEPB（效应预报加工）后仍发生了阳极效应，尽管此时处于“过量加工期”。参数设定不合理：在进行“抬母线”、“出铝”等需“过量加工”的操作时，由于过量比例不合理，未达防范效应的目的，也就说：“量不够，质难变”。

图3 NB设定大引发增量期效应图

4 降低阳极效应次数的措施

4.1 加强自控系统的预报

现代铝电解槽的自动控制中已经有阳极效应预报程序，它是根据氧化铝浓度和电解槽电阻的关系曲线进行控制的。与此同时，同点式下料技术配合，可以做到阳极效应的预报，并控制每天的效应次数为最低。由于氧化铝浓度同槽电阻的关系曲线中，槽电阻除氧化铝浓度因素外，还受其它因素的影响，因此该曲线不能精确反映出电解槽中氧化铝浓度的真实变化。因此还需作进一步改进。

4.2 规范现场操作

现场操作过程中，提高换极精度，减少异常物料落入电解槽，加强炭渣和壳面块打捞，减少换极操作时间，做好电解槽保温。同时加强巡视力度，随时保证打壳下料系统正常，避免因设备等问题造成电解槽氧化铝浓度偏低，引发突发效应。特别是加强夜班巡视力度（设备稳定性）。

下表为某厂房2018年5月三个班次效应统计结果。

表2

4.3 合理保持参数设定

现场工程技术人员，勤看监控曲线，并在掌握现场情况的前提下，及时准确的修改下料间隔等参数，减少因参数设定不合理引发效应。

4.4 加强供电管理

对于铝电解生产而言，稳定良好的供电在生产中可以很好的降低突发阳极效应次数。目前广泛应用的不停电停开槽技术就是其中很成功的范例，另外还有稳定的系列电流，也能保证电解槽整体电流稳定[2]。

5 结论

①通过对阳极效应类型的分析总结，从根本上来降低阳极效应发生的机会。②通过合理的预防措施可以很好的降低阳极效应系数，直至实现零效应生产。