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铝电解生产中阳极效应原因分析、危害性以及解决措施

　　阳极效应是熔盐电解特有的现象，而以电解铝生产表现优为明显。生产中当阳极效应发生时，电解槽电压急剧升高，达到20～50V，有时甚至更高。它的发生对整个电解系列产生很大影响，使电流效率降低，影响电解各个技术指标，且使铝的产量和质量降低，破坏了整个电解系列的平稳供电。在处理的方法上，不外乎有两种：用效应棒（木棒）熄灭，或降低阳极，增加氧化铝的下料量。达到熄灭阳极效应的目的。到目前还未发现有更好的处理方法。
　　当今社会，特别是西方国家，对铝电解生产中阳极效应的控制极为严格。目前已从若干年的氟化物转向温室气体PFCs=CF4＋C2F6在阳极效应的发生量（USEPA）。[4]著名国际铝专家Haupin提出的"瞄准零效应"的管理思路，值得我们思考，Haupin认为，根据铝工业发展的现状，"零效应"管理最为理想。为此笔者认为：在环保日益重要的今天，铝电解生产中特别是在大型预焙槽生产中应严格控制阳极效应，只要电解槽槽况正常，就不必来效应。"零效应"管理是铝电解生产今后发展的方向。
1.阳极效应发生的机理
　　到目前关于阳极效应发生的机理众说纷纭，但是较好地解释阳极效应的发生机理的是"阳极过程改变学说" 这种观点认为[1]： 阳极效应的发生是由于随着电解过程的进行，电解质中含氧离子逐渐减少，当达到一定程度后，则有氟析出且与阳极炭作用生成炭的氟化物，炭的氟化物在分解时又析出细微的炭粒，这些炭粒附在阳极表面上，阻止了电解质与阳极的接触，使电解质不能很好地湿润阳极，就像水不能湿润涂油的表面一样，使电解质-阳极间形成一层导电不良的气膜，阳极过电压增大，引起阳极效应。当加入新的氧化铝后，在阳极上又析出氧，氧与炭粉反应，逐渐使阳极表面清静，电阻减小，电解过程又趋于正常。
阳极效应的机理是[4]：
Zc=RT/Fin{ic/ic－I}
式中Nc-产生阳极效应的浓度过电压；
R-气体常数；
T-温度， 0K；
F-法拉第常数；
Ic--临界电流密度；
i--任一阳极上的最大电流密度；
Nc--0.00004308Tin{ ic/ic－I }
临界电流密度是溶解氧化铝浓度的函数；然而也受电解质流动，电解质温度，阳极尺寸（包括消耗后阳极的界面变化）和槽膛体积的影响。临界电流密度随着氧化铝浓度的降低而降低（由于Nc随着ic趋近于1）随着氧化铝浓度的降低，阳极上产生了气泡，致使电解质表面张力增加，使阳极效应的过电压升高。导致AE发生。
这种观点较好地解释了阳极效应发生的原因。为电解科技工作者所接受。
2. 阳极效应危害
　　在铝电解生产中阳极效应的危害性，不仅表现在对生产的危害上，而且对生态环境的危害极其严重。笔者将从几个方面进行阐述。
2.1阳极效应危害性对生产的危害
　　生产中当阳极效应发生时，电解质的温度急剧升高，由正常值的940℃～955℃急速升高到980℃～990℃，炉帮熔化变薄，增加了侧部炭块被侵蚀的可能性。电压的急剧升高，使系列电流波动，影响电解槽的产量。电耗增加。生产中阳极效应的熄灭方法是：将效应棒即（大约2～3米直径2～4cm的树枝）插入铝液中使木棒燃烧排除阳极底掌的气体薄膜，清洁阳极底部，实际是在燃烧铝液，整个过程大约持续3～5分钟，而此时电解的电化学过程是停止的，这也就是电解职工常说的"效应时间不产铝，而且还要跑电耗的"原因所在。因此造成铝液的严重损失。
　　以300KA中间下料预焙槽为例：效应系数0.3次/槽日，效应时间5min,电流效率93%，一个阳极效应少产原铝：3000.3355560=8.4kg,吨铝电耗增加158kwh,
　　这种能量在生产中大多转化为热能，使电解槽极距间温度急剧升高，进而向阳极四周传导，使的电解槽温度升高，引起电解质中氟化铝的大量挥发。以我公司电解槽为例：一个效应时间5min,分子比平均上升0.1。氟化铝大约损失10～20kg。
传统的观点认为：利用阳极效应可以分离炭渣，清洁电解质，补充电解槽热量的不足，化沉淀。但是随着阳极质量的提高以及智能模糊控制计算机系统和点式下料技术的应用，阳极效应优点愈来愈变得渺小，因此传统的这种观点已不能适应当今现代电解槽生产。
1.2阳极效应对环境的危害
　　铝电解生产中，阳极效应还伴随着对大气臭氧层有破坏性的PFCs(CF4C2F6)气体的产生。当今西方发达国家对铝电解的环保要求极为严格，已从传统的对氟化盐挥发控制，转向效应发生的PFCs=CF4+C2F6在阳极效应时的发生量（USEPA）见表1。
　　国际著名铝专家Haupin[4]认为PFCs的发生量与每天AE分钟数和电压高低成直线关系，但分析表明PFCsd 散发量在高电压效应时并未显示出效应时间长散发量多的特定。而个别试验显示减少效应次数比减少效应时间更有效能减少PFCs的发生量。因为无论是CF4还是C2F6都是在阳极效应刚发生时产生，电解槽发展到中间下料预焙槽后，不仅阳极效应次数成倍降低，而且效应时间也大大缩短。目前国外阳极效应系数有的已低于0.1次/槽日。
　　产生PFCs=CF4+C2F6的根源是阳极效应（AE），但是我们国家在很长的时期内只注意控制技术。还停留在传统的对氟化盐的控制上。了解当今世界铝工业的发展，特别是著名铝专家Haupind的"瞄准零效应"[4]对提高我国铝电解的整体水平是大有好处的。
　　我们国家是国际《京都协议书》的签署国家，减少温室效应，保护大气环境是义不容辞的责任。因此在控制有害气体排放上，今后一定会加强的。铝电解生产中，严格控制阳极效应是时代的要求。
1.3阳极效应对森林的危害
　　铝电解生产中阳极效应的熄灭方法有三种：
　　（1）、用漏铲熄灭阳极效应。（2）用大耙熄灭阳极效应。（3）、用效应棒（木棒）熄灭阳极效应。
　　以上三种方法是铝电解生产特别是自焙槽常用的方法。目前自焙槽国内已几乎都改造成为中间下料预焙槽。而预焙槽采用多组阳极生产，大耙、漏铲熄灭阳极效应的方法失去了作用。效应棒即大约2～3米直径2～4cm的树枝。成为熄灭效应的唯一方法。
当前国内铝电解生产飞速发展，2003年已突破520吨，已成为世界第一产铝国，效应棒的使用急剧增加。如不得到控制，必然会给森林带来严重破坏。
　　以本企业为例，阳极效应系数控制为0.3次/槽日
　　每月1860槽日，共18600.3=558个效应
　　而日常熄灭一个效应大约需要2～3根效应棒，以3根计算每月需要5583=1674根效应棒，以每捆30根计算一年大约需要16743012=672捆再加上抬大母线、压负荷等因素，一年需要大约900～1000捆。
　　目前各家铝厂效应棒基本是由市场来供应的，一些人为了谋取个人利益，乱砍甚至偷砍树木做成铝电解要求的效应棒卖给电解铝厂，因此铝电解阳极效应棒使用的急剧增加，必然助长一些人谋取个人利益，乱砍乱伐树木的行为，这将给国家森林带来一场灾难。
　　我国是森林覆盖面积极其少的国家。50～90年代由于过度的乱砍乱伐，使脆弱的森林植被受到严重破坏，土地沙漠化、扬尘暴天气的发生就是大自然对人类乱砍乱伐的最大报复。随着我国退耕还林，种树种草政策的实施，国家制定了一系列的相关政策来严厉制止乱砍乱伐现象，国家投入巨资恢复森林植被，对破坏严重的地区进行封山育林，种树种草。铝电解生产中效应棒的来源必然会受到严格控制。像我国西部地区的铝电解厂家，应该在铝电解生产中严格控制阳极效应，最大限度地减少效应棒的使用、在处理阳极效应时，如何减少效应棒的使用，能否找到效应棒的替代物是铝电解科技工作者思考的重大问题。
2.控制阳极效应的条件分析
　　当前自焙电解槽已基本消失，中间下料预焙槽已成为铝电解生产的主力。中间下料预焙槽采用低氧化铝浓度生产，使用智能模糊计算机控制系统对氧化铝浓度控制，采用中间点式下料技术定时打壳下料，为降低阳极效应系数创造了有利条件。
Haupin认为控制阳极效应[4]，实现零效应主要取决于：
　　1. 氧化铝的质量：主要是氧化铝厂的电收尘料小于20微米（μm）溶解速度慢。
　　2. 现有的下料器是容积式的，而不是重量式的，所以下料不准，开发重量式的下料器是"零效应"的关键。
　　3. 由于电解质的过热度很小（8℃～10℃）,系列电流和电压的变化时就会引起阳极效应。
　　4. 电解槽内衬不佳，例如阴极炭块质量不好，阴极棒与炭块接触不良，导致阴极电流分布不均，也是造成阳极效应发生的一个重要原因。
5. 阳极质量差，跟换阳极不还规范和不准确。个别阳极消耗过快，截面急剧减少，都会引起AE发生。
　　根据的观点，结合国内铝电解的实际情况，笔者认为在铝电解生产基础条件相对稳定的情况下，阳极效应系数的控制主要取决于阳极炭块的质量和氧化铝的特性。
2.1阳极质量
　　优质的阳极炭块有以下特点[5]：
　　1. 良好的导电性。以保证提高阳极电流密度，提高铝电解槽的产能降低电耗。
　　2. 有良好的热冲击性和抗氧化性。
　　3. 阳极质量均匀、稳定，以保证电解生产稳定，高效低耗。
　　4. 具有一定的抗张强度，抗弯强度和较大的热膨胀率。同时还要求阳极灰 分少，比电阻低，气孔率低，有害元素少，组织致密。
　　国外先进的预焙槽，由于阳极质量优良，电解质中的炭渣较少，对生产够不成影响，生产中几乎不捞炭渣，没有捞炭渣这项工序。阳极效应控制较低，一般在为0.05～0.1次/槽日。目前正趋向"零效应"控制。
国内预焙阳极质量由于原料、技术以及标准与国外有一定的差距，阳极抗氧化性差，脱落掉渣严重。捞炭渣作为做为生产中一项重要工序。传统的管理技术认为，利用阳极效应可促使电解质中炭渣分离，还可以补充热量，控制槽中的沉淀。因此提高国内阳极质量是降低阳极效应的一个关键因素。
2.2氧化铝的质量
　　铝电解生产要求氧化铝具有较小的吸水性，能够较快地溶解在熔融冰晶石里，同时要求具有较好的活性和足够的比表面积，以及粒度均匀，从而能够有效地吸收HF气体，能满足这些条件的是砂状氧化铝。
　　砂状氧化铝[2]具有熔解性能强，流动性好，粒度均匀，磨损系数小，吸附氟化氢能力强的特点。而国内由于生产氧化铝的铝土矿为一水硬铝石型，氧化铝生产的熔出温度高达240℃以上，种分分解的种子活性较差，生产砂状氧化铝难度较大，中铝公司虽然已试验成功，但个别技术指标与国外还有一定差距，特别是在摩损指数上与国外较大，国外摩损指数一般低于15%，而中铝山西分公司试验的氧化铝摩损指数在25%左右，况且还需要一定的时间实现工业化生产，因此国内铝电解生产能使用砂状氧化铝还需要一定的时间。
　　基于阳极质量、氧化铝的原因，生产中降低阳极效应系数受到一定限制，但是笔者认为将阳极效应系数控制在0.2次/槽日以下还是可以做到的。
3. 控制阳极效应的途径
　　综合分析我国预焙槽的实际情况，吸收国外在预焙槽上控制阳极效应的经验，笔者认为控制阳极效应，尽量减少阳极效应次数，应在下几个方面进行改进。
　　1) .有条件使用砂状氧化铝，完善加工下料制度，确保原料充足，保证电解槽下料口畅通，防止下料不均。
　　2) . 确保电解槽中有足够的电解质数量，防止电解质萎缩。保证生产平稳。保持适当高的电解质水平。象我公司75KA中间下料预焙槽，笔者认为电解质水平应≧18cm。铝水平<22cm。
　　3) . 提高电解槽的保温效果，减少热量损失，适当增加阳极上保温料的厚度。保持厚度在12cm以上。
　　4) .平稳供电，减少电流波动，选择最佳的电流强度。
　　5) .采用计算机智能模糊控制技术对电解槽控制，提高挂机率，减少手动次数。增大效应间隔时间。将效应间隔时间设定在100小时以上。
　　6) .转变阳极效应管理思路，摆正电解槽与效应的关系，树立"只要槽况正常就不必来效应" 的管理理念。
　　7) .优化电解槽内衬结构，采用半石墨质阴极炭块，采用新型干式防渗材料，提高阴极底部的保温效果，电解槽测部采用碳化硅复合材料。
　　8) .抓好电解槽焙烧启动工作，保证能使电解槽在规定的时间内建立高分子炉帮。
　　9) . 提高阳极工作质量，规范操作规程，提高阳极更换速度，减少对电解槽的干扰。保存电解槽生产稳定。
4.结论
　　阳极效应的危害性值得我们关注，特别是其对环境、森林的破坏性是我们过去未曾考虑到的。时代在发展，社会在进步。铝电解生产过去那种对阳极效应的理解。以及管理方法，是极其偏面的。已经不符合当今时代的要求。"零效应"管理是铝电解生产今后发展的方向。
　　因此在铝电解生产中，只要电解槽生产正常，阳极效应愈少愈好。考虑到目前国内阳极质量、氧化铝物理性能，以及其他方面的因素， 将阳极效应控制在0.2次/槽日以下是可以实现的。
刘建新
(中国铝业山西分公司 山西龙门铝业有限公司 山西河津 043300)
摘要： 本文从分析了铝电解生产中阳极效应的危害性。指出随着科技的不断发展，在生产中，只要槽况正常，就无需利用效应。"零效应"管理是铝电解生产今后发展的方向。
关键词： 阳极效应 ； 电解槽 ； 电压； 零效应；效应棒。
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 technology ，Be living in the manufacture ，Only the trough situation is regular ，Not have to not utilize the effect 。"Fragmentary effect "The administration is that the orientation which developed is in the days to come gived birth to in the alumin ium electrolysis 。
Key words ： Anode effect ； Electrolysis trough ； Tension ； Fragmentary effect ；Effect is strong 。
参考文献：
[1] 邱竹贤 .《铝电解》冶金出版社， 1982
[2] 杨重愚 . 《氧化铝生产工艺》.冶金出版社 ， 1990
[3] 殷恩生. 《160KA中间下料预焙槽生产技术管理》. 中南大学出版社，1997年
[4] 姚世焕. 大型预焙阳极电解槽发展中的几个问题， 第四届铝电解专业委员会2001年会暨学术交流会论文集， 中国. 昆明，2001.5
[5] 刘建新。 预焙阳极质量对铝电解生产的影响，南方金属，2004，4
笔者介绍：
刘建新 (1964～) 大学文化，轻金属冶炼专业毕业，中铝山西分公司山西龙门铝业有限公司电解车间技术主任、工艺工程师。