淺談大型鋁電解槽效應(yīng)控制

（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(guó)的耗電大戶。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年電解鋁行業(yè)耗電量約占全國(guó)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(diǎn)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(yáng)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(shí)槽電壓可升高至30V以上，遠(yuǎn)高于正常生產(chǎn)電壓。單個(gè)陽(yáng)極效應(yīng)將多消耗電能300kWh～1000kWh，造成電能?chē)?yán)重浪費(fèi)。如能有效控制效應(yīng)次數(shù)，則可以減少效應(yīng)發(fā)生時(shí)空耗的電量，為降低鋁液電耗做出一定貢獻(xiàn)。

1 陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)電解生產(chǎn)的影響

1.1 有利方面

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

（2）重置電解槽內(nèi)氧化鋁濃度、消除部分爐底沉淀。陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)，電解槽內(nèi)氧化鋁濃度一般為1%左右，效應(yīng)后槽控機(jī)以該氧化鋁濃度下的槽電阻為基準(zhǔn)進(jìn)行下料，能夠更好控制電解槽中氧化鋁濃度。當(dāng)電解槽內(nèi)爐底沉淀較多的情況下，陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)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(yáng)極底掌和促進(jìn)碳渣同電解質(zhì)分離。陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)，陽(yáng)極周?chē)碾娀】梢郧謇黻?yáng)極底掌下的雜質(zhì)，平衡陽(yáng)極消耗，達(dá)到陽(yáng)極電流均衡的目的。同時(shí)陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)，電解質(zhì)對(duì)碳渣的潤(rùn)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(dòng)，影響技術(shù)條件穩(wěn)定。陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)，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(dòng)，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(duì)環(huán)境造成危害。陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量PFC氣體，PFC氣體排放量與陽(yáng)極效應(yīng)電壓和效應(yīng)持續(xù)時(shí)間成正比關(guān)系。據(jù)報(bào)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(yáng)極效應(yīng)過(guò)高，將使環(huán)境遭到更嚴(yán)重破壞。

（3）浪費(fèi)大量電能，造成電解槽溫度波動(dòng)。以300kA系列計(jì)，陽(yáng)極效應(yīng)電壓為30V時(shí)每分鐘消耗電能為150kWh。陽(yáng)極效應(yīng)浪費(fèi)的能量一般能使槽溫升高5℃～20℃，這將對(duì)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(duì)下料控制系統(tǒng)的優(yōu)化，陽(yáng)極效應(yīng)的有利作用在電解生產(chǎn)中日趨弱化，其帶來(lái)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(yáng)極效應(yīng)的影響因素

關(guān)于陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理有潤(rùn)濕性學(xué)說(shuō)、氟離子放電學(xué)說(shuō)、靜電引力學(xué)說(shuō)等[4]，但總的來(lái)說(shuō)陽(yáng)極效應(yīng)最直接的原因是氧化鋁濃度過(guò)低。在正常的工藝技術(shù)條件下，計(jì)算機(jī)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(huì)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(lái)愈大。此時(shí)應(yīng)找出和消除導(dǎo)致電解槽運(yùn)行狀況惡化的根源，針對(duì)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(shí)踐，從熱量散失、電解質(zhì)、人工操作幾個(gè)方面分析對(duì)陽(yáng)極效應(yīng)的影響。

2.1 熱量散失對(duì)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(kuò)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(zhǎng)度。由于各槽在槽齡、工藝條件控制等方面存在差異，導(dǎo)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(gè)工區(qū)電解槽爐幫厚度、伸腿長(zhǎng)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(zhǎng)度與陽(yáng)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(dá)到60次/月，伸腿長(zhǎng)度平均為12.4cm；隨著效應(yīng)系數(shù)的降低伸腿逐步生長(zhǎng)，15個(gè)月以后，效應(yīng)次數(shù)降至14次/月，伸腿長(zhǎng)度生長(zhǎng)至17cm，并保持相對(duì)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(shí)，爐幫厚度平均達(dá)到13.5cm；效應(yīng)次數(shù)低時(shí)爐幫厚度反而降低至平均10cm。推測(cè)主要原因?yàn)閾Q極作業(yè)對(duì)爐幫影響較大，爐幫厚度難以保持持續(xù)生長(zhǎng)。當(dāng)效應(yīng)頻發(fā)時(shí)，應(yīng)以縮短效應(yīng)持續(xù)時(shí)間為突破口，促進(jìn)爐膛的再次發(fā)育，使電解槽緩慢達(dá)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(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一執(zhí)行，各槽之間差異細(xì)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(qiáng)或無(wú)組織敞開(kāi)，會(huì)嚴(yán)重的擾亂電壓管理及氧化鋁濃度控制，增大槽控機(jī)降電壓和氧化鋁濃度走入反區(qū)的概率，從而導(dǎo)致壓縮極距現(xiàn)象的產(chǎn)生，如持續(xù)惡化則誘發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)。

2.2 電解質(zhì)對(duì)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(gè)方面。

極距被壓縮時(shí)，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(yán)重；因氣體排出不暢，下料口處大量氣體噴出，氧化鋁飛揚(yáng)損失嚴(yán)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(dǎo)致效應(yīng)頻發(fā)。

發(fā)現(xiàn)壓槽首先應(yīng)及時(shí)手動(dòng)抬電壓30mV～50mV，持續(xù)時(shí)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(shí)清理火眼周?chē)e料，擴(kuò)大火眼，保障打殼、下料順暢。最后電解質(zhì)平靜后，通過(guò)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(guò)前三步操作碳渣開(kāi)始逐步分離，趁機(jī)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(dǎo)致電壓走高，從而影響槽控機(jī)對(duì)氧化鋁濃度的判斷，此時(shí)槽控機(jī)試圖降低電壓而長(zhǎng)時(shí)間過(guò)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(dǎo)致極距被壓縮誘發(fā)效應(yīng)發(fā)生。

要減少碳渣導(dǎo)致的效應(yīng)次數(shù)應(yīng)提升員工碳渣管理意識(shí)，從碳渣會(huì)導(dǎo)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(shí)充分利用自動(dòng)化工具，為碳渣打撈提供便利，增加員工主觀能動(dòng)性。

電解質(zhì)物料平衡誘發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)一般發(fā)生在電解槽冷行程階段。開(kāi)始由于冷趨勢(shì)的原因，大量電解質(zhì)粘附在殼面上被帶出電解槽。此時(shí)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(bǔ)充足夠量的電解質(zhì)，此時(shí)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(duì)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(shì)，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(wèn)題，快速大幅撤鋁而引發(fā)的“雙低現(xiàn)象”比單純的冷趨勢(shì)更加難以控制，會(huì)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(shì)的痕跡時(shí)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(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的偏差要有梯度，在冷趨勢(shì)撤鋁過(guò)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(shí)使電解槽處于微熱狀態(tài)，保持稍高過(guò)熱度，促進(jìn)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(duì)效應(yīng)的影響

手動(dòng)控制、效應(yīng)預(yù)報(bào)加工是現(xiàn)場(chǎng)人為的不良操作習(xí)慣，濫用會(huì)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(bǔ)料”的惡性循環(huán)。但此項(xiàng)操作又因客觀需求的存在，無(wú)法簡(jiǎn)單的完全禁止，應(yīng)提倡減少手動(dòng)NB和手動(dòng)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(dòng)次數(shù)、效應(yīng)預(yù)報(bào)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(jìn)一步降低效應(yīng)的突破口。從占比情況看，手動(dòng)次數(shù)和效應(yīng)次數(shù)有較強(qiáng)相關(guān)性。手動(dòng)次數(shù)多的班組，發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)占比明顯大。

雖然效應(yīng)預(yù)報(bào)加工與效應(yīng)次數(shù)沒(méi)有相關(guān)性，但效應(yīng)預(yù)報(bào)加工時(shí)造成短時(shí)間內(nèi)大量冷氧化鋁進(jìn)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(yù)報(bào)加工次數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

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(yùn)行。企業(yè)應(yīng)通過(guò)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(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

在追求低效應(yīng)系數(shù)的同時(shí)，應(yīng)通過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和改進(jìn)環(huán)保指標(biāo)的效果。