鋁電解陽極效應(yīng)控制技術(shù)淺探講課

鋁電解陽極效應(yīng)控制技術(shù)淺探講課課件第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

陽極效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理分析生產(chǎn)實(shí)踐陽極效應(yīng)發(fā)生因素各因素誘發(fā)效應(yīng)的理論分析控制陽極效應(yīng)的具體措施結(jié)論第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四引言陽極效應(yīng)對鋁電解生產(chǎn)本身的影響，業(yè)內(nèi)逐漸趨向一致，認(rèn)為陽極效應(yīng)對電解生產(chǎn)的危害是主要的，同時也是電解生產(chǎn)過程不穩(wěn)定的體現(xiàn)。實(shí)質(zhì)上，陽極效應(yīng)的更大危害在于陽極效應(yīng)發(fā)生過程中產(chǎn)生的全氟化碳（簡稱PFCs，主要是CF4

和C2F6）對環(huán)境的影響。研究表明，在鋁電解生產(chǎn)過程中，PFCs主要產(chǎn)生于發(fā)生陽極效應(yīng)的異常波動期間，在正常運(yùn)作期間檢測不到PFCs氣體，另外，PFCs也會產(chǎn)生于電解槽啟動時電壓在短時間內(nèi)上升加熱電解槽及槽內(nèi)原料的短暫時間內(nèi)。近二十年來，我國原鋁工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)能、產(chǎn)量均居世界第一,減少PFCs排放將是鋁行業(yè)面對節(jié)能減排的現(xiàn)實(shí)問題。第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四一、陽極效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理分析

到目前為止，對于陽極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理及陽極效應(yīng)發(fā)生時的反應(yīng)，還是眾說紛紜。有關(guān)效應(yīng)發(fā)生機(jī)理的觀點(diǎn)很多，但最受重視且能較好解釋陽極效應(yīng)現(xiàn)象的是濕潤性改變學(xué)說和陽極過程改變學(xué)說。第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四（一）濕潤性改變學(xué)說

濕潤性改變學(xué)說認(rèn)為，氧化鋁是一種能降低電解質(zhì)在炭陽極上界面張力的表面活性物質(zhì)。因此，在氧化鋁含量較高時，電解質(zhì)在炭陽極上的表面張力小，而能良好地濕潤陽極。此時陽極上析出的氣體被電解質(zhì)排擠以小氣泡形態(tài)逸出。當(dāng)氧化鋁含量降低至一定程度后，電解質(zhì)在炭陽極上的界面張力增加，此時電解質(zhì)的濕潤能力不足以排擠氣泡離開陽極表面，而使氣泡在陽極表面停留下來，逐漸連成一片并構(gòu)成氣體薄膜導(dǎo)致陽極效應(yīng)。第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四（二）陽極過程改變學(xué)說

陽極過程改變學(xué)說認(rèn)為，陽極效應(yīng)的發(fā)生是由于隨電解過程的進(jìn)行，電解質(zhì)中含氧離子逐漸減少，達(dá)到一定程度后，則有氟析出。所析出氟與陽極炭相互作用生成碳的氟化物。炭的氟化物在分解時又析出細(xì)微的炭粒附在陽極表面上，而后導(dǎo)致電解質(zhì)不能很好的濕潤陽極而引起陽極效應(yīng)。第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四（三）對陽極效應(yīng)發(fā)生機(jī)理的看法

對于各種陽極效應(yīng)發(fā)生機(jī)理，理論界各有說法。但對于實(shí)際生產(chǎn)，本人認(rèn)為可應(yīng)用研究性較差。我們不僅想知道如何發(fā)生，應(yīng)該更想知道為什么發(fā)生，我們具體如何控制，理論上如何能給一個可靠的支撐？第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四（四）發(fā)生陽極效應(yīng)的臨界電流密度

陽極效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理研究目前都還處于學(xué)術(shù)假說的階段，有許多合理的地方，同時也存在一定的缺陷，需要進(jìn)一步的完善。為了研究方便，在實(shí)踐工作中引入臨界電流密度分析影響陽極效應(yīng)發(fā)生的原因。臨界電流密度是指在一定條件下電解槽上發(fā)生陽極效應(yīng)時的陽極電流密度。若陽極電流密度達(dá)到或高于臨界電流密度時，則發(fā)生陽極效應(yīng)，反之則不發(fā)生陽極效應(yīng)。據(jù)此，對陽極效應(yīng)的發(fā)生原因可通過對臨界電流密度的研究取得定量或定性的依據(jù)。臨界電流密度是變化的，電解過程中的各種具體參數(shù)對臨界電流密度產(chǎn)生不同的影響。第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四臨界電流密度的說明

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臨界電流密度與以下因素有關(guān)：氧化鋁濃度對臨界電流密度的影響。電解質(zhì)中的氧化鋁濃度減小，臨界電流密度也減小。溫度對臨界電流密度的影響。電解質(zhì)溫度提高后，電解質(zhì)對陽極表面的濕潤性改善，因此使得臨界電流密度增大。電解質(zhì)性質(zhì)對臨界電流密度也有一定影響。分子比大小和添加劑對臨界電流密度的影響有影響，因為成分變化會影響?zhàn)ざ群捅砻鎻埩?/p>

電極材料對臨界電流密度的影響。由于電極材料的性質(zhì)將影響固-液和固-氣相間界面張力，必然對氣泡的生成、生長、脫離和在電解質(zhì)中電極表面的濕潤情況等產(chǎn)生影響，因而使臨界電流密度發(fā)生變化。能改善濕潤性質(zhì)的電極材料有較高的臨界電流密度。反應(yīng)器及電極的結(jié)構(gòu)對臨界電流密度也存在一定的影響。第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四二、生產(chǎn)實(shí)踐陽極效應(yīng)發(fā)生因素（一）氧化鋁濃度偏低誘發(fā)的陽極效應(yīng)現(xiàn)代大型預(yù)焙陽極電解槽采用計算機(jī)對氧化鋁濃度進(jìn)行控制,正常情況下,氧化鋁濃度能被較為精確的控制在1.5～2.5%以內(nèi)。但是一些現(xiàn)場因素導(dǎo)致控制不能達(dá)到預(yù)期目的，電解質(zhì)中氧化鋁不能及時補(bǔ)充而導(dǎo)致陽極效應(yīng)。這些因素主要有：料箱缺料下料口堵塞或下料器故障NB間隔設(shè)置不合理濃度過/欠變化率設(shè)置不合理。第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（二）溫度偏低誘發(fā)的陽極效應(yīng)

在電解生產(chǎn)過程中，由于電解槽溫度偏低也會導(dǎo)致陽極效應(yīng)發(fā)生。在電解槽溫度偏低的狀態(tài)下，電解槽電壓的變化也會表現(xiàn)出異常，進(jìn)而導(dǎo)致槽控過程失控。在這種失控條件下，現(xiàn)場將會出現(xiàn)惡性循環(huán)的情況，溫度低造成控制失控，氧化鋁下料量異常增大，而氧化鋁添加量的增加促進(jìn)了電解槽溫的進(jìn)一步下降，使失控狀態(tài)進(jìn)一步惡化。這種情況下陽極效應(yīng)也處于失控狀態(tài)，且很容易造成大量的爐底沉淀。第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（三）電解槽運(yùn)行狀況異常誘發(fā)的陽極效應(yīng)

電解槽運(yùn)行狀況異常也會導(dǎo)致陽極效應(yīng)的失控。諸如電解槽爐膛畸形、陽極換極定位異常、陽極電流分布異常、磁流體不穩(wěn)定等因素都會增加電解槽陽極效應(yīng)發(fā)生的幾率。第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（四）供電系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)異常誘發(fā)的陽極效應(yīng)

陽極效應(yīng)還會由于供電系統(tǒng)異常而出現(xiàn)失控。如直流停電、電流強(qiáng)度非計劃長時間下降以及電流長時間異常波動的情況出現(xiàn)時，電解系列的陽極效應(yīng)一般會有短期的大幅度增加。另外系列或單槽停風(fēng)，由于打殼下料機(jī)構(gòu)不能正常工作，也會導(dǎo)致陽極效應(yīng)失控。第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（五）其它因素誘發(fā)的陽極效應(yīng)

不是所有的陽極效應(yīng)發(fā)生都能明確的找出對應(yīng)原因來。有些陽極效應(yīng)發(fā)生還可能與其它一些沒能明確的因素相關(guān)。電解技術(shù)條件的綜合效果因素、陽極的因素、電解質(zhì)雜質(zhì)因素等，也可能會導(dǎo)致陽極效應(yīng)的發(fā)生。第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四三、各因素誘發(fā)效應(yīng)的理論分析

（一）氧化鋁濃度偏低誘發(fā)效應(yīng)的理論分析

研究表明，隨著氧化鋁含量的增加，臨界電流密度加大。因此，陽極效應(yīng)將可預(yù)期的在氧化鋁濃度小于0.5%的條件下到來。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于其它因素的影響，陽極效應(yīng)有可能在較高的氧化鋁含量之下發(fā)生。但可說明，在同樣的條件下，隨氧化鋁濃度的降低，陽極效應(yīng)的發(fā)生機(jī)率會增加。第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四冰晶石-氧化鋁熔液中臨界電流密度（D臨界）隨氧化鋁含量的變化趨勢

1-席施金，2-別略耶夫等，3-皮翁梯里等，4-托恩斯塔第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（二）溫度偏低誘發(fā)的陽極效應(yīng)理論分析

隨著溫度的降低，臨界電流密度降低。在其它條件同等的條件下，電解溫度低，容易誘發(fā)陽極效應(yīng)。同氧化鋁濃度影響陽極效應(yīng)的情況相似，電解溫度對陽極效應(yīng)的誘發(fā)也是其中原因之一。實(shí)際生產(chǎn)中也可以發(fā)現(xiàn)，有些電解槽長期處于較低溫度，但陽極效應(yīng)仍然是受控的，這只是表明其它生產(chǎn)條件的不同抵消了低溫影響的結(jié)果。第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（三）其它因素誘發(fā)效應(yīng)的理論分析

根據(jù)影響臨界電流密度的其它因素，誘發(fā)陽極效應(yīng)還有很多因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，電解質(zhì)的分子比、載氟氧化鋁的物理化學(xué)性質(zhì)、陽極質(zhì)量、陽極開槽與否等也會對陽極的產(chǎn)生存在一定的影響。第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（四）槽況異常誘發(fā)效應(yīng)的理論分析

導(dǎo)致陽極效應(yīng)發(fā)生的各種原因中，各因素的影響使臨界電流密度發(fā)生變化是誘發(fā)陽極效應(yīng)的一方面，而陽極電流密度的變化也是誘發(fā)陽極效應(yīng)不可忽視另一方面。在電解槽運(yùn)行狀況異常時，陽極電流分布將發(fā)生重要變化，在臨界電流密度沒有發(fā)生改變的情況下，出現(xiàn)個別陽極電流密度超過臨界電流密度發(fā)生陽極效應(yīng)，并進(jìn)而誘發(fā)全槽陽極效應(yīng)。我在電解生產(chǎn)過程中觀察到的兩個現(xiàn)象應(yīng)該可以這一論斷的重要支撐。陽極效應(yīng)發(fā)生時個別陽極沒有效應(yīng)特征正常生產(chǎn)中個別陽極有陽極效應(yīng)發(fā)生第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

陽極效應(yīng)發(fā)生時個別陽極沒有效應(yīng)特征

在進(jìn)行電解槽陽極電流全槽連續(xù)監(jiān)控分析的時候偶然發(fā)現(xiàn)，在陽極效應(yīng)發(fā)生時，不是所有的陽極都會表現(xiàn)出陽極效應(yīng)特征，個別陽極的電流會出現(xiàn)短時間異常升高的情況。這意味著在陽極效應(yīng)發(fā)生過程中，槽電壓升高，而這些陽極的導(dǎo)電性質(zhì)并沒有發(fā)生大的變化，電阻還是非效應(yīng)狀態(tài)的水平，似乎沒有發(fā)生陽極效應(yīng)。這些陽極一般是新?lián)Q陽極或非效應(yīng)狀態(tài)下導(dǎo)通電流偏小的陽極。第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四陽極效應(yīng)發(fā)生時陽極電流的變化情況

第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

正常生產(chǎn)中個別陽極有陽極效應(yīng)發(fā)生

在對電解煙氣進(jìn)行PFCs測試時發(fā)現(xiàn)，某電解系列在沒有陽極效應(yīng)的情況下也存在PFCs成份。而該系列與其它電解系列的不同之處除了大之外，主要還是穩(wěn)定性較差。這可能表明，在運(yùn)行不穩(wěn)定的電解槽內(nèi)，個別陽極可能處于類似陽極效應(yīng)的狀態(tài)，從而使電解煙氣中出現(xiàn)了PFCs。第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四四、控制陽極效應(yīng)的具體措施

根據(jù)對誘發(fā)陽極效應(yīng)的原因的分析及陽極效應(yīng)發(fā)生時表現(xiàn)出的特殊現(xiàn)象，減少陽極效應(yīng)主要可從提高臨界電流密度和降低相對陽極電流密度兩大方面進(jìn)行考慮。

第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（一）有效保證槽內(nèi)氧化鋁的補(bǔ)充氧化鋁供配料優(yōu)化計算機(jī)氧化鋁控制策略優(yōu)化如有可能盡量以砂狀氧化鋁替代中間狀氧化鋁第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（二）合理配置工藝技術(shù)條件

電解工藝技術(shù)條件的合理配置是控制陽極效應(yīng)的重要內(nèi)容。平穩(wěn)有序的工藝運(yùn)行狀況對降低陽極效應(yīng)系數(shù)非常必要。技術(shù)條件的合理配置主要有：規(guī)整的爐膛內(nèi)形。合理的能量耗散分布。穩(wěn)定的技術(shù)條件保持。第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（三）規(guī)范電解操作

電解操作實(shí)際操作質(zhì)量對陽極效應(yīng)的發(fā)生也有重要的影響，尤其是換極工作質(zhì)量影響最大。提高換極工作質(zhì)量，主要在于陽極定位準(zhǔn)確、物料異常落入少、炭渣及結(jié)殼塊打撈干凈、換極時間短等。通過對電解操作質(zhì)量的規(guī)范，減少對電解槽的干擾，保證電解槽生產(chǎn)穩(wěn)定，降低誘發(fā)陽極效應(yīng)的機(jī)率，對控制陽極效應(yīng)很有作用。第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（四）加強(qiáng)電解槽焙燒啟動管理

電解槽的焙燒啟動是電解生產(chǎn)的起點(diǎn)，是孕育良好生產(chǎn)狀況的重要環(huán)節(jié)。規(guī)范合理有序的生產(chǎn)操作對形成良好的電解槽爐膛、合理的散熱分布至關(guān)重要。在此過程中要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)；要克服急躁情緒、盲目調(diào)整，避免出現(xiàn)爐膛畸形、電解槽爐底“涼”等異常情況。只有電解槽順利正常啟動，后期有效控制陽極效應(yīng)才有保障。第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（五）改善陽極狀況

陽極狀況也是控制陽極效應(yīng)一個環(huán)節(jié)。陽極狀況分為陽極物化質(zhì)量和陽極表面狀態(tài)兩方面。陽極物化質(zhì)量對陽極掉渣、陽極消耗異常等有直接影響，進(jìn)而成為陽極效應(yīng)發(fā)生的誘因之一。因此在生產(chǎn)中要盡量使用高質(zhì)量陽極。陽極表面狀態(tài)主要是陽極表面的形狀，改變陽極氣體的溢出性質(zhì)，目前主要的措施有梯形陽極、開槽陽極、開孔陽極等，采用這些措施的主要目的是減少氣泡撓動，降低二次反應(yīng)而提高電流效率或減小無效極距實(shí)現(xiàn)降低電解槽工作電壓達(dá)到低電耗生產(chǎn)的目的，實(shí)踐表明這些措施對控制陽極效應(yīng)也有貢獻(xiàn)。第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（六）加強(qiáng)供電、供風(fēng)管理

對鋁電解生產(chǎn)而言，良好的供電包括持續(xù)供電和平穩(wěn)供電兩方面的內(nèi)容。在生產(chǎn)管理中加強(qiáng)供電質(zhì)量的管理對降低陽極效應(yīng)系數(shù)也很有意義。目前廣泛應(yīng)用的不停電啟停電解槽技術(shù)就是其中成功的范例。壓縮空氣對電解生產(chǎn)的影響不亞于電的影響。尤其是其對正常下料的影響直接會導(dǎo)致陽極效應(yīng)的發(fā)生。第30頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四

（七）關(guān)注電解槽設(shè)計關(guān)注電解槽磁流體穩(wěn)定性設(shè)計陽極電流分布均勻性與電解后期生產(chǎn)管理是否正常有著密切關(guān)系。但是電解槽的磁流體穩(wěn)定性設(shè)計也是影響陽極電流分布的重要方面，并且由于磁液化不穩(wěn)定產(chǎn)生的陽極電流分布異常很難通過后期的生產(chǎn)調(diào)整進(jìn)行調(diào)整。因此，為有效降低陽極效應(yīng)系數(shù)，在電解槽設(shè)計時，應(yīng)使陽極電流分布盡可能均勻。關(guān)注電解槽熱場設(shè)計合理的熱場設(shè)計對生產(chǎn)過程中保持規(guī)整的電解槽爐膛也非常重要。而規(guī)整的電解槽爐膛有利于陽極效應(yīng)的降低。優(yōu)秀的熱場設(shè)計要合理的選擇各種邊界條件，在此基礎(chǔ)上對各種材料進(jìn)行匹配，同時結(jié)合電解槽外環(huán)境（或適當(dāng)改變電解槽外環(huán)境），使實(shí)際運(yùn)行狀況盡可能接