（中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041）

電解鋁行業(yè)是我國的耗電大戶。據(jù)統(tǒng)計,2019年電解鋁行業(yè)耗電量約占全國總發(fā)電量的7.0%，鋁電解耗電成本占企業(yè)總成本約為40%。因此，節(jié)能降耗一直是鋁工業(yè)重點發(fā)展的方向。目前每生產(chǎn)一噸鋁約耗電13500kWh～14000kWh，這與工信部發(fā)布的《鋁行業(yè)規(guī)范條件》中關(guān)于電解鋁企業(yè)鋁液電耗要求有一定差距。陽極效應(yīng)是鋁電解生產(chǎn)中的一種普遍現(xiàn)象。效應(yīng)發(fā)生時槽電壓可升高至30V以上，遠高于正常生產(chǎn)電壓。單個陽極效應(yīng)將多消耗電能300kWh～1000kWh，造成電能嚴重浪費。如能有效控制效應(yīng)次數(shù)，則可以減少效應(yīng)發(fā)生時空耗的電量，為降低鋁液電耗做出一定貢獻。

1 陽極效應(yīng)對電解生產(chǎn)的影響

1.1 有利方面

（1）規(guī)整電解槽爐膛、補充電解槽能量。對電解槽爐膛的規(guī)整主要體現(xiàn)在電解槽啟動初期，陽極效應(yīng)能夠保障爐幫相對均衡生長，有助于形成良好的爐膛內(nèi)型，為電解槽平穩(wěn)運行打下基礎(chǔ)。當電解槽處于冷行程時，陽極效應(yīng)產(chǎn)生的熱量可補充電解槽所需能量，提高槽內(nèi)溫度，使電解槽正常運行。

（2）重置電解槽內(nèi)氧化鋁濃度、消除部分爐底沉淀。陽極效應(yīng)發(fā)生時，電解槽內(nèi)氧化鋁濃度一般為1%左右，效應(yīng)后槽控機以該氧化鋁濃度下的槽電阻為基準進行下料，能夠更好控制電解槽中氧化鋁濃度。當電解槽內(nèi)爐底沉淀較多的情況下，陽極效應(yīng)時產(chǎn)生的熱量，有部分可用于溶解氧化鋁及爐底沉淀。

（3）清理陽極底掌和促進碳渣同電解質(zhì)分離。陽極效應(yīng)發(fā)生時，陽極周圍的電弧可以清理陽極底掌下的雜質(zhì)，平衡陽極消耗，達到陽極電流均衡的目的。同時陽極效應(yīng)發(fā)生時，電解質(zhì)對碳渣的潤濕性大大降低，促使電解質(zhì)與碳渣分離，清潔電解質(zhì)并降低電解質(zhì)電阻。

1.2 不利方面

（1）造成系列電流波動，影響技術(shù)條件穩(wěn)定。陽極效應(yīng)發(fā)生時，電解槽電壓瞬間升高至30V以上，在系列總電壓保持不變的條件下，造成電解系列電流大幅波動，破壞正常生產(chǎn)技術(shù)條件。

（2）產(chǎn)生PFC（四氟甲烷和六氟乙烷等）氣體，對環(huán)境造成危害。陽極效應(yīng)時會產(chǎn)生大量PFC氣體，PFC氣體排放量與陽極效應(yīng)電壓和效應(yīng)持續(xù)時間成正比關(guān)系。據(jù)報道，四氟甲烷和六氟乙烷氣體的溫室效應(yīng)作用分別是二氧化碳的6500和9200倍[1，2]。因此陽極效應(yīng)過高，將使環(huán)境遭到更嚴重破壞。

（3）浪費大量電能，造成電解槽溫度波動。以300kA系列計，陽極效應(yīng)電壓為30V時每分鐘消耗電能為150kWh。陽極效應(yīng)浪費的能量一般能使槽溫升高5℃～20℃，這將對電解槽側(cè)壁產(chǎn)生較大沖擊，側(cè)部爐幫有熔化的潛在可能。

隨著人們對下料控制系統(tǒng)的優(yōu)化，陽極效應(yīng)的有利作用在電解生產(chǎn)中日趨弱化，其帶來的不利影響日益顯現(xiàn)。因此合理控制效應(yīng)系數(shù)不但能夠降低部分電耗，而且能減少溫室氣體排放[3]。

2 陽極效應(yīng)的影響因素

關(guān)于陽極效應(yīng)發(fā)生的機理有潤濕性學說、氟離子放電學說、靜電引力學說等[4]，但總的來說陽極效應(yīng)最直接的原因是氧化鋁濃度過低。在正常的工藝技術(shù)條件下，計算機控制系統(tǒng)具有將氧化鋁控制在合理范圍內(nèi)的能力，但若電解槽的熱平衡和槽電阻穩(wěn)定性遭到破壞，氧化鋁濃度控制效果就會急劇惡化，使熱平衡、物料平衡及電解槽的穩(wěn)定性與理想狀態(tài)的偏差愈來愈大。此時應(yīng)找出和消除導致電解槽運行狀況惡化的根源，針對性提出調(diào)整方案使工藝技術(shù)條件逐步回歸正常。本文將結(jié)合某300kA系列電解槽生產(chǎn)實踐，從熱量散失、電解質(zhì)、人工操作幾個方面分析對陽極效應(yīng)的影響。

2.1 熱量散失對效應(yīng)的影響

輸入電解槽的電能約有50%被用于電解生產(chǎn)鋁，其余部分則以熱量的方式擴散至槽外。在電解槽的散熱體系中，側(cè)壁散熱量占比約為41%，上部散熱量占比約為51%，底部散熱量占比約為8%[5]。

側(cè)壁散熱的影響因素主要為爐幫厚度和伸腿長度。由于各槽在槽齡、工藝條件控制等方面存在差異，導致不同電解槽爐幫厚度及伸腿尺寸都不相同，所以槽與槽之間的側(cè)壁散熱情況可能存在較大差異。圖1為某公司電解廠一個工區(qū)電解槽爐幫厚度、伸腿長度與效應(yīng)次數(shù)的關(guān)系圖。

圖1 爐幫、伸腿與效應(yīng)次數(shù)關(guān)系

從圖中看到，伸腿長度與陽極效應(yīng)次數(shù)有明顯相關(guān)性。1～5月效應(yīng)次數(shù)平均達到60次/月，伸腿長度平均為12.4cm；隨著效應(yīng)系數(shù)的降低伸腿逐步生長，15個月以后，效應(yīng)次數(shù)降至14次/月，伸腿長度生長至17cm，并保持相對穩(wěn)定。爐幫厚度與效應(yīng)次數(shù)相關(guān)性不太明顯，效應(yīng)次數(shù)高時，爐幫厚度平均達到13.5cm；效應(yīng)次數(shù)低時爐幫厚度反而降低至平均10cm。推測主要原因為換極作業(yè)對爐幫影響較大，爐幫厚度難以保持持續(xù)生長。當效應(yīng)頻發(fā)時，應(yīng)以縮短效應(yīng)持續(xù)時間為突破口，促進爐膛的再次發(fā)育，使電解槽緩慢達到理想熱平衡狀態(tài)，效應(yīng)次數(shù)將得到明顯控制。

上部散熱的影響因素有覆蓋料厚度、煙氣流量及槽蓋板密封程度。覆蓋料厚度及煙氣流量按照操作標準統(tǒng)一執(zhí)行，各槽之間差異細微；槽罩板密封性差別是電解槽上部散熱存在差別的主要原因。槽罩的密閉性不強或無組織敞開，會嚴重的擾亂電壓管理及氧化鋁濃度控制，增大槽控機降電壓和氧化鋁濃度走入反區(qū)的概率，從而導致壓縮極距現(xiàn)象的產(chǎn)生，如持續(xù)惡化則誘發(fā)陽極效應(yīng)。

2.2 電解質(zhì)對效應(yīng)的影響

電解質(zhì)的影響表現(xiàn)在壓縮極距、電解質(zhì)含碳和電解質(zhì)物料平衡三個方面。

極距被壓縮時，電解質(zhì)沸騰劇烈，頻繁從火眼處噴濺而出，火眼處電解質(zhì)聚集嚴重；因氣體排出不暢，下料口處大量氣體噴出，氧化鋁飛揚損失嚴重。為保持電解質(zhì)中氧化鋁濃度，下料量被迫增加。雙重作用下，卡錘頭及堵料概率增大，氧化鋁濃度不受控，電解質(zhì)粘度大，溶解氧化鋁性能差，碳渣不易分離，電解質(zhì)電阻大導致效應(yīng)頻發(fā)。

發(fā)現(xiàn)壓槽首先應(yīng)及時手動抬電壓30mV～50mV，持續(xù)時間1h～2h。為電解質(zhì)在槽內(nèi)循環(huán)創(chuàng)造空間使電解質(zhì)平靜，初步緩解壓槽現(xiàn)象。其次要及時清理火眼周圍積料，擴大火眼，保障打殼、下料順暢。最后電解質(zhì)平靜后，通過拉大下料間隔尋找合適的氧化鋁濃度，改善氧化鋁濃度紊亂狀況。通過前三步操作碳渣開始逐步分離，趁機打撈碳渣，降低電解質(zhì)電阻、為釋放極距提供幫助。待槽況穩(wěn)定后將電壓歸位，從而效應(yīng)得到有效控制。

電解質(zhì)的電阻隨碳渣量增多而增加，在相同極距下導致電壓走高，從而影響槽控機對氧化鋁濃度的判斷，此時槽控機試圖降低電壓而長時間過量下料造成氧化鋁濃度紊亂、電壓不受控，被迫降電壓的概率增加，導致極距被壓縮誘發(fā)效應(yīng)發(fā)生。

要減少碳渣導致的效應(yīng)次數(shù)應(yīng)提升員工碳渣管理意識，從碳渣會導致壓槽、錘頭卡堵增加工作量的角度培養(yǎng)打撈碳渣的積極性。同時充分利用自動化工具，為碳渣打撈提供便利，增加員工主觀能動性。

電解質(zhì)物料平衡誘發(fā)陽極效應(yīng)一般發(fā)生在電解槽冷行程階段。開始由于冷趨勢的原因，大量電解質(zhì)粘附在殼面上被帶出電解槽。此時為維持熱量平衡，采取快速撤鋁的策略。鋁水平降低后并未補充足夠量的電解質(zhì)，此時電解質(zhì)水平還未上升，就出現(xiàn)鋁水平低、電解質(zhì)水平低的“雙低現(xiàn)象”。由于總高度不夠，即使電解槽回暖，熱平衡成立，有能力溶化殼面，但也因高度差的存在，殼面中的電解質(zhì)也難以回到電解槽內(nèi)。

圖2為“雙低”槽殘極和正常槽殘極對比情況，可以看出雙低殘極殼面明顯厚于正常殘極，電解質(zhì)以殼面料的形式脫離電解槽，造成槽內(nèi)電解質(zhì)及液面總高減少。

圖2 “ 雙低”槽殘極與正常槽殘極

“雙低現(xiàn)象”的起因是冷趨勢，但造成“雙低現(xiàn)象”的主要原因是出鋁節(jié)奏控制出現(xiàn)了問題，快速大幅撤鋁而引發(fā)的“雙低現(xiàn)象”比單純的冷趨勢更加難以控制，會將電解槽帶入電解質(zhì)物料失衡的不穩(wěn)定狀態(tài)。在有冷趨勢的痕跡時提前入手，但節(jié)奏上要放緩。出鋁量變化應(yīng)以周或月為單位進行調(diào)整，調(diào)整的偏差要有梯度，在冷趨勢撤鋁過程中盡可能的避免“雙低現(xiàn)象”的出現(xiàn)。

若“雙低現(xiàn)象”的局面已經(jīng)形成，應(yīng)采取緩慢回鋁的方式提高液面總高，同時使電解槽處于微熱狀態(tài)，保持稍高過熱度，促進槽內(nèi)液體電解質(zhì)與殼面電解質(zhì)循環(huán)，解決電解質(zhì)物料失衡狀態(tài)。

2.3 人工操作對效應(yīng)的影響

手動控制、效應(yīng)預報加工是現(xiàn)場人為的不良操作習慣，濫用會造成火眼卡堵的增加和爐底沉淀的惡化，經(jīng)常出現(xiàn)“頻繁卡堵、頻繁補料”的惡性循環(huán)。但此項操作又因客觀需求的存在，無法簡單的完全禁止，應(yīng)提倡減少手動NB和手動AEB的次數(shù)。

圖3 不同班組各數(shù)據(jù)比較

圖3為某公司電解廠各班組手動次數(shù)、效應(yīng)預報加工及效應(yīng)次數(shù)占比情況。

從圖中看出各組呈現(xiàn)明顯的差異性，尋找并縮小作業(yè)組差異也是進一步降低效應(yīng)的突破口。從占比情況看，手動次數(shù)和效應(yīng)次數(shù)有較強相關(guān)性。手動次數(shù)多的班組，發(fā)生陽極效應(yīng)占比明顯大。

雖然效應(yīng)預報加工與效應(yīng)次數(shù)沒有相關(guān)性，但效應(yīng)預報加工時造成短時間內(nèi)大量冷氧化鋁進入槽內(nèi)，大部分氧化鋁未能溶解，以爐底沉淀的形式聚集在下料口附近，所以應(yīng)盡可能減少效應(yīng)預報加工次數(shù)。

3 結(jié)語

生產(chǎn)成本壓力與環(huán)保要求使得電解鋁企業(yè)保持低效應(yīng)系數(shù)運行。企業(yè)應(yīng)通過維持理想的工藝技術(shù)條件尤其是保持理想的熱平衡與物料平衡使效應(yīng)系數(shù)達到預定目標。

在追求低效應(yīng)系數(shù)的同時，應(yīng)通過對比各生產(chǎn)單元的差異分析效應(yīng)發(fā)生的均勻性，縮小各單元操作的差距是系列效應(yīng)參數(shù)均保持理想狀態(tài)，以實現(xiàn)節(jié)能降耗和改進環(huán)保指標的效果。