鋁電解生產(chǎn)中陽(yáng)極效應(yīng)原因分析、危害性以及解決措施

1、鋁電解生產(chǎn)中陽(yáng)極效應(yīng)原因分析、危害性以及解決措施 陽(yáng)極效應(yīng)是熔鹽電解特有的現(xiàn)象，而以電解鋁生產(chǎn)表現(xiàn)優(yōu)為明顯。生產(chǎn)中當(dāng)陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)，電解槽電壓急劇升高，達(dá)到2050V，有時(shí)甚至更高。它的發(fā)生對(duì)整個(gè)電解系列產(chǎn)生很大影響，使電流效率降低，影響電解各個(gè)技術(shù)指標(biāo)，且使鋁的產(chǎn)量和質(zhì)量降低，破壞了整個(gè)電解系列的平穩(wěn)供電。在處理的方法上，不外乎有兩種：用效應(yīng)棒（木棒）熄滅，或降低陽(yáng)極，增加氧化鋁的下料量。達(dá)到熄滅陽(yáng)極效應(yīng)的目的。到目前還未發(fā)現(xiàn)有更好的處理方法。當(dāng)今社會(huì)，特別是西方國(guó)家，對(duì)鋁電解生產(chǎn)中陽(yáng)極效應(yīng)的控制極為嚴(yán)格。目前已從若干年的氟化物轉(zhuǎn)向溫室氣體PFCs=CF4C2F6在陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生量（USEP

2、A）。4著名國(guó)際鋁專(zhuān)家Haupin提出的瞄準(zhǔn)零效應(yīng)的管理思路，值得我們思考，Haupin認(rèn)為，根據(jù)鋁工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，零效應(yīng)管理最為理想。為此筆者認(rèn)為：在環(huán)保日益重要的今天，鋁電解生產(chǎn)中特別是在大型預(yù)焙槽生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制陽(yáng)極效應(yīng)，只要電解槽槽況正常，就不必來(lái)效應(yīng)。零效應(yīng)管理是鋁電解生產(chǎn)今后發(fā)展的方向。1.陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理到目前關(guān)于陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理眾說(shuō)紛紜，但是較好地解釋陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理的是陽(yáng)極過(guò)程改變學(xué)說(shuō) 這種觀點(diǎn)認(rèn)為1： 陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生是由于隨著電解過(guò)程的進(jìn)行，電解質(zhì)中含氧離子逐漸減少，當(dāng)達(dá)到一定程度后，則有氟析出且與陽(yáng)極炭作用生成炭的氟化物，炭的氟化物在分解時(shí)又析出細(xì)微的炭粒，這些炭粒

3、附在陽(yáng)極表面上，阻止了電解質(zhì)與陽(yáng)極的接觸，使電解質(zhì)不能很好地濕潤(rùn)陽(yáng)極，就像水不能濕潤(rùn)涂油的表面一樣，使電解質(zhì)-陽(yáng)極間形成一層導(dǎo)電不良的氣膜，陽(yáng)極過(guò)電壓增大，引起陽(yáng)極效應(yīng)。當(dāng)加入新的氧化鋁后，在陽(yáng)極上又析出氧，氧與炭粉反應(yīng)，逐漸使陽(yáng)極表面清靜，電阻減小，電解過(guò)程又趨于正常。陽(yáng)極效應(yīng)的機(jī)理是4：Zc=RT/Finic/icI式中Nc-產(chǎn)生陽(yáng)極效應(yīng)的濃度過(guò)電壓；R-氣體常數(shù)；T-溫度， 0K；F-法拉第常數(shù)；Ic-臨界電流密度；i-任一陽(yáng)極上的最大電流密度；Nc-0.00004308Tin ic/icI 臨界電流密度是溶解氧化鋁濃度的函數(shù)；然而也受電解質(zhì)流動(dòng)，電解質(zhì)溫度，陽(yáng)極尺寸（包括消耗后陽(yáng)極的界

4、面變化）和槽膛體積的影響。臨界電流密度隨著氧化鋁濃度的降低而降低（由于Nc隨著ic趨近于1）隨著氧化鋁濃度的降低，陽(yáng)極上產(chǎn)生了氣泡，致使電解質(zhì)表面張力增加，使陽(yáng)極效應(yīng)的過(guò)電壓升高。導(dǎo)致AE發(fā)生。這種觀點(diǎn)較好地解釋了陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的原因。為電解科技工作者所接受。2. 陽(yáng)極效應(yīng)危害在鋁電解生產(chǎn)中陽(yáng)極效應(yīng)的危害性，不僅表現(xiàn)在對(duì)生產(chǎn)的危害上，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害極其嚴(yán)重。筆者將從幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。 2.1陽(yáng)極效應(yīng)危害性對(duì)生產(chǎn)的危害生產(chǎn)中當(dāng)陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)，電解質(zhì)的溫度急劇升高，由正常值的940955急速升高到980990，爐幫熔化變薄，增加了側(cè)部炭塊被侵蝕的可能性。電壓的急劇升高，使系列電流波動(dòng)，影響電解

5、槽的產(chǎn)量。電耗增加。生產(chǎn)中陽(yáng)極效應(yīng)的熄滅方法是：將效應(yīng)棒即（大約23米直徑24cm的樹(shù)枝）插入鋁液中使木棒燃燒排除陽(yáng)極底掌的氣體薄膜，清潔陽(yáng)極底部，實(shí)際是在燃燒鋁液，整個(gè)過(guò)程大約持續(xù)35分鐘，而此時(shí)電解的電化學(xué)過(guò)程是停止的，這也就是電解職工常說(shuō)的效應(yīng)時(shí)間不產(chǎn)鋁，而且還要跑電耗的原因所在。因此造成鋁液的嚴(yán)重?fù)p失。以300KA中間下料預(yù)焙槽為例：效應(yīng)系數(shù)0.3次/槽日，效應(yīng)時(shí)間5min,電流效率93%，一個(gè)陽(yáng)極效應(yīng)少產(chǎn)原鋁：3000.3355560=8.4kg,噸鋁電耗增加158kwh,這種能量在生產(chǎn)中大多轉(zhuǎn)化為熱能，使電解槽極距間溫度急劇升高，進(jìn)而向陽(yáng)極四周傳導(dǎo)，使的電解槽溫度升高，引起電解質(zhì)中

6、氟化鋁的大量揮發(fā)。以我公司電解槽為例：一個(gè)效應(yīng)時(shí)間5min,分子比平均上升0.1。氟化鋁大約損失1020kg。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為：利用陽(yáng)極效應(yīng)可以分離炭渣，清潔電解質(zhì)，補(bǔ)充電解槽熱量的不足，化沉淀。但是隨著陽(yáng)極質(zhì)量的提高以及智能模糊控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和點(diǎn)式下料技術(shù)的應(yīng)用，陽(yáng)極效應(yīng)優(yōu)點(diǎn)愈來(lái)愈變得渺小，因此傳統(tǒng)的這種觀點(diǎn)已不能適應(yīng)當(dāng)今現(xiàn)代電解槽生產(chǎn)。 1.2陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)環(huán)境的危害鋁電解生產(chǎn)中，陽(yáng)極效應(yīng)還伴隨著對(duì)大氣臭氧層有破壞性的PFCs(CF4C2F6)氣體的產(chǎn)生。當(dāng)今西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)鋁電解的環(huán)保要求極為嚴(yán)格，已從傳統(tǒng)的對(duì)氟化鹽揮發(fā)控制，轉(zhuǎn)向效應(yīng)發(fā)生的PFCs=CF4+C2F6在陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)的發(fā)生量（USEP

7、A）見(jiàn)表1。國(guó)際著名鋁專(zhuān)家Haupin4認(rèn)為PFCs的發(fā)生量與每天AE分鐘數(shù)和電壓高低成直線關(guān)系，但分析表明PFCsd 散發(fā)量在高電壓效應(yīng)時(shí)并未顯示出效應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)散發(fā)量多的特定。而個(gè)別試驗(yàn)顯示減少效應(yīng)次數(shù)比減少效應(yīng)時(shí)間更有效能減少PFCs的發(fā)生量。因?yàn)闊o(wú)論是CF4還是C2F6都是在陽(yáng)極效應(yīng)剛發(fā)生時(shí)產(chǎn)生，電解槽發(fā)展到中間下料預(yù)焙槽后，不僅陽(yáng)極效應(yīng)次數(shù)成倍降低，而且效應(yīng)時(shí)間也大大縮短。目前國(guó)外陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)有的已低于0.1次/槽日。產(chǎn)生PFCs=CF4+C2F6的根源是陽(yáng)極效應(yīng)（AE），但是我們國(guó)家在很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)只注意控制技術(shù)。還停留在傳統(tǒng)的對(duì)氟化鹽的控制上。了解當(dāng)今世界鋁工業(yè)的發(fā)展，特別是著名鋁專(zhuān)家

8、Haupind的瞄準(zhǔn)零效應(yīng)4對(duì)提高我國(guó)鋁電解的整體水平是大有好處的。我們國(guó)家是國(guó)際京都協(xié)議書(shū)的簽署國(guó)家，減少溫室效應(yīng)，保護(hù)大氣環(huán)境是義不容辭的責(zé)任。因此在控制有害氣體排放上，今后一定會(huì)加強(qiáng)的。鋁電解生產(chǎn)中，嚴(yán)格控制陽(yáng)極效應(yīng)是時(shí)代的要求。1.3陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)森林的危害鋁電解生產(chǎn)中陽(yáng)極效應(yīng)的熄滅方法有三種：（1）、用漏鏟熄滅陽(yáng)極效應(yīng)。（2）、用大耙熄滅陽(yáng)極效應(yīng)。（3）、用效應(yīng)棒（木棒）熄滅陽(yáng)極效應(yīng)。以上三種方法是鋁電解生產(chǎn)特別是自焙槽常用的方法。目前自焙槽國(guó)內(nèi)已幾乎都改造成為中間下料預(yù)焙槽。而預(yù)焙槽采用多組陽(yáng)極生產(chǎn)，大耙、漏鏟熄滅陽(yáng)極效應(yīng)的方法失去了作用。效應(yīng)棒即大約23米直徑24cm的樹(shù)枝。成為熄滅

9、效應(yīng)的唯一方法。當(dāng)前國(guó)內(nèi)鋁電解生產(chǎn)飛速發(fā)展，2003年已突破520噸，已成為世界第一產(chǎn)鋁國(guó)，效應(yīng)棒的使用急劇增加。如不得到控制，必然會(huì)給森林帶來(lái)嚴(yán)重破壞。以本企業(yè)為例，陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)控制為0.3次/槽日每月1860槽日，共18600.3=558個(gè)效應(yīng)而日常熄滅一個(gè)效應(yīng)大約需要23根效應(yīng)棒，以3根計(jì)算每月需要5583=1674根效應(yīng)棒，以每捆30根計(jì)算一年大約需要16743012=672捆再加上抬大母線、壓負(fù)荷等因素，一年需要大約9001000捆。目前各家鋁廠效應(yīng)棒基本是由市場(chǎng)來(lái)供應(yīng)的，一些人為了謀取個(gè)人利益，亂砍甚至偷砍樹(shù)木做成鋁電解要求的效應(yīng)棒賣(mài)給電解鋁廠，因此鋁電解陽(yáng)極效應(yīng)棒使用的急劇增加，

10、必然助長(zhǎng)一些人謀取個(gè)人利益，亂砍亂伐樹(shù)木的行為，這將給國(guó)家森林帶來(lái)一場(chǎng)災(zāi)難。我國(guó)是森林覆蓋面積極其少的國(guó)家。5090年代由于過(guò)度的亂砍亂伐，使脆弱的森林植被受到嚴(yán)重破壞，土地沙漠化、揚(yáng)塵暴天氣的發(fā)生就是大自然對(duì)人類(lèi)亂砍亂伐的最大報(bào)復(fù)。隨著我國(guó)退耕還林，種樹(shù)種草政策的實(shí)施，國(guó)家制定了一系列的相關(guān)政策來(lái)嚴(yán)厲制止亂砍亂伐現(xiàn)象，國(guó)家投入巨資恢復(fù)森林植被，對(duì)破壞嚴(yán)重的地區(qū)進(jìn)行封山育林，種樹(shù)種草。鋁電解生產(chǎn)中效應(yīng)棒的來(lái)源必然會(huì)受到嚴(yán)格控制。像我國(guó)西部地區(qū)的鋁電解廠家，應(yīng)該在鋁電解生產(chǎn)中嚴(yán)格控制陽(yáng)極效應(yīng)，最大限度地減少效應(yīng)棒的使用、在處理陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)，如何減少效應(yīng)棒的使用，能否找到效應(yīng)棒的替代物是鋁電解科技工

11、作者思考的重大問(wèn)題。 2.控制陽(yáng)極效應(yīng)的條件分析當(dāng)前自焙電解槽已基本消失，中間下料預(yù)焙槽已成為鋁電解生產(chǎn)的主力。中間下料預(yù)焙槽采用低氧化鋁濃度生產(chǎn)，使用智能模糊計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)氧化鋁濃度控制，采用中間點(diǎn)式下料技術(shù)定時(shí)打殼下料，為降低陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)創(chuàng)造了有利條件。 Haupin認(rèn)為控制陽(yáng)極效應(yīng)4，實(shí)現(xiàn)零效應(yīng)主要取決于：1. 氧化鋁的質(zhì)量：主要是氧化鋁廠的電收塵料小于20微米（m）溶解速度慢。2. 現(xiàn)有的下料器是容積式的，而不是重量式的，所以下料不準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)重量式的下料器是零效應(yīng)的關(guān)鍵。3. 由于電解質(zhì)的過(guò)熱度很?。?10）,系列電流和電壓的變化時(shí)就會(huì)引起陽(yáng)極效應(yīng)。4. 電解槽內(nèi)襯不佳，例如陰極炭塊質(zhì)

12、量不好，陰極棒與炭塊接觸不良，導(dǎo)致陰極電流分布不均，也是造成陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的一個(gè)重要原因。5. 陽(yáng)極質(zhì)量差，跟換陽(yáng)極不還規(guī)范和不準(zhǔn)確。個(gè)別陽(yáng)極消耗過(guò)快，截面急劇減少，都會(huì)引起AE發(fā)生。根據(jù)的觀點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)鋁電解的實(shí)際情況，筆者認(rèn)為在鋁電解生產(chǎn)基礎(chǔ)條件相對(duì)穩(wěn)定的情況下，陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)的控制主要取決于陽(yáng)極炭塊的質(zhì)量和氧化鋁的特性。2.1陽(yáng)極質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)的陽(yáng)極炭塊有以下特點(diǎn)5：1. 良好的導(dǎo)電性。以保證提高陽(yáng)極電流密度，提高鋁電解槽的產(chǎn)能降低電耗。2. 有良好的熱沖擊性和抗氧化性。3. 陽(yáng)極質(zhì)量均勻、穩(wěn)定，以保證電解生產(chǎn)穩(wěn)定，高效低耗。4. 具有一定的抗張強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度和較大的熱膨脹率。同時(shí)還要求陽(yáng)極灰 分

13、少，比電阻低，氣孔率低，有害元素少，組織致密。國(guó)外先進(jìn)的預(yù)焙槽，由于陽(yáng)極質(zhì)量?jī)?yōu)良，電解質(zhì)中的炭渣較少，對(duì)生產(chǎn)夠不成影響，生產(chǎn)中幾乎不撈炭渣，沒(méi)有撈炭渣這項(xiàng)工序。陽(yáng)極效應(yīng)控制較低，一般在為0.050.1次/槽日。目前正趨向零效應(yīng)控制。國(guó)內(nèi)預(yù)焙陽(yáng)極質(zhì)量由于原料、技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外有一定的差距，陽(yáng)極抗氧化性差，脫落掉渣嚴(yán)重。撈炭渣作為做為生產(chǎn)中一項(xiàng)重要工序。傳統(tǒng)的管理技術(shù)認(rèn)為，利用陽(yáng)極效應(yīng)可促使電解質(zhì)中炭渣分離，還可以補(bǔ)充熱量，控制槽中的沉淀。因此提高國(guó)內(nèi)陽(yáng)極質(zhì)量是降低陽(yáng)極效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。2.2氧化鋁的質(zhì)量鋁電解生產(chǎn)要求氧化鋁具有較小的吸水性，能夠較快地溶解在熔融冰晶石里，同時(shí)要求具有較好的活性

14、和足夠的比表面積，以及粒度均勻，從而能夠有效地吸收HF氣體，能滿足這些條件的是砂狀氧化鋁。砂狀氧化鋁2具有熔解性能強(qiáng)，流動(dòng)性好，粒度均勻，磨損系數(shù)小，吸附氟化氫能力強(qiáng)的特點(diǎn)。而國(guó)內(nèi)由于生產(chǎn)氧化鋁的鋁土礦為一水硬鋁石型，氧化鋁生產(chǎn)的熔出溫度高達(dá)240以上，種分分解的種子活性較差，生產(chǎn)砂狀氧化鋁難度較大，中鋁公司雖然已試驗(yàn)成功，但個(gè)別技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外還有一定差距，特別是在摩損指數(shù)上與國(guó)外較大，國(guó)外摩損指數(shù)一般低于15%，而中鋁山西分公司試驗(yàn)的氧化鋁摩損指數(shù)在25%左右，況且還需要一定的時(shí)間實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，因此國(guó)內(nèi)鋁電解生產(chǎn)能使用砂狀氧化鋁還需要一定的時(shí)間?；陉?yáng)極質(zhì)量、氧化鋁的原因，生產(chǎn)中降低陽(yáng)極效

15、應(yīng)系數(shù)受到一定限制，但是筆者認(rèn)為將陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)控制在0.2次/槽日以下還是可以做到的。3. 控制陽(yáng)極效應(yīng)的途徑綜合分析我國(guó)預(yù)焙槽的實(shí)際情況，吸收國(guó)外在預(yù)焙槽上控制陽(yáng)極效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為控制陽(yáng)極效應(yīng)，盡量減少陽(yáng)極效應(yīng)次數(shù)，應(yīng)在下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。1) .有條件使用砂狀氧化鋁，完善加工下料制度，確保原料充足，保證電解槽下料口暢通，防止下料不均。2) . 確保電解槽中有足夠的電解質(zhì)數(shù)量，防止電解質(zhì)萎縮。保證生產(chǎn)平穩(wěn)。保持適當(dāng)高的電解質(zhì)水平。象我公司75KA中間下料預(yù)焙槽，筆者認(rèn)為電解質(zhì)水平應(yīng)18cm。鋁水平22cm。3) . 提高電解槽的保溫效果，減少熱量損失，適當(dāng)增加陽(yáng)極上保溫料的厚度。保持厚度

16、在12cm以上。4) .平穩(wěn)供電，減少電流波動(dòng)，選擇最佳的電流強(qiáng)度。5) .采用計(jì)算機(jī)智能模糊控制技術(shù)對(duì)電解槽控制，提高掛機(jī)率，減少手動(dòng)次數(shù)。增大效應(yīng)間隔時(shí)間。將效應(yīng)間隔時(shí)間設(shè)定在100小時(shí)以上。6) .轉(zhuǎn)變陽(yáng)極效應(yīng)管理思路，擺正電解槽與效應(yīng)的關(guān)系，樹(shù)立只要槽況正常就不必來(lái)效應(yīng) 的管理理念。7) .優(yōu)化電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，采用半石墨質(zhì)陰極炭塊，采用新型干式防滲材料，提高陰極底部的保溫效果，電解槽測(cè)部采用碳化硅復(fù)合材料。 8) .抓好電解槽焙燒啟動(dòng)工作，保證能使電解槽在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)建立高分子爐幫。9) . 提高陽(yáng)極工作質(zhì)量，規(guī)范操作規(guī)程，提高陽(yáng)極更換速度，減少對(duì)電解槽的干擾。保存電解槽生產(chǎn)穩(wěn)定。4.

17、結(jié)論陽(yáng)極效應(yīng)的危害性值得我們關(guān)注，特別是其對(duì)環(huán)境、森林的破壞性是我們過(guò)去未曾考慮到的。時(shí)代在發(fā)展，社會(huì)在進(jìn)步。鋁電解生產(chǎn)過(guò)去那種對(duì)陽(yáng)極效應(yīng)的理解。以及管理方法，是極其偏面的。已經(jīng)不符合當(dāng)今時(shí)代的要求。零效應(yīng)管理是鋁電解生產(chǎn)今后發(fā)展的方向。因此在鋁電解生產(chǎn)中，只要電解槽生產(chǎn)正常，陽(yáng)極效應(yīng)愈少愈好?？紤]到目前國(guó)內(nèi)陽(yáng)極質(zhì)量、氧化鋁物理性能，以及其他方面的因素， 將陽(yáng)極效應(yīng)控制在0.2次/槽日以下是可以實(shí)現(xiàn)的。劉建新(中國(guó)鋁業(yè)山西分公司 山西龍門(mén)鋁業(yè)有限公司 山西河津 043300)摘要： 本文從分析了鋁電解生產(chǎn)中陽(yáng)極效應(yīng)的危害性。指出隨著科技的不斷發(fā)展，在生產(chǎn)中，只要槽況正常，就無(wú)需利用效應(yīng)。零效應(yīng)

18、管理是鋁電解生產(chǎn)今后發(fā)展的方向。關(guān)鍵詞： 陽(yáng)極效應(yīng) ； 電解槽 ； 電壓； 零效應(yīng)；效應(yīng)棒。Brief talk in the aluminium electrolysis manufacture anode effect perniciousness Liu Jian-xin (Chinese branch corporation Shanxi of aluminium trade Shanxi Longmen aluminium trade limited company Shanxi hejin china 043300 ) Abstract ： The original through analyses in the aluminium electrolysis manufacture anode effect perniciousness 。Point out the continuously development in the wake of the science and tec