淺談鋁電解生產(chǎn)中陽極效應(yīng)的危害性

　　陽極效應(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)陽極效應(yīng)發(fā)生時，電解槽電壓急劇升高，達(dá)到20～50V，有時甚至更高。它的發(fā)生對整個電解系列產(chǎn)生很大影響，使電流效率降低，影響電解各個技術(shù)指標(biāo)，且使鋁的產(chǎn)量和質(zhì)量降低，破壞了整個電解系列的平穩(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，或降低陽極，增加氧化鋁的下料量。達(dá)到熄滅陽極效應(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，特別是西方國家，對鋁電解生產(chǎn)中陽極效應(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=CF4+C2F6在陽極效應(yīng)的發(fā)生量(USEPA)。[4]著名國際鋁老師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)格控制陽極效應(yīng)，只要電解槽槽況正常，就不必來效應(yīng)。"零效應(yīng)"管理是鋁電解生產(chǎn)今后發(fā)展的方向。

　　1.陽極效應(yīng)發(fā)生的機理

　　到目前關(guān)于陽極效應(yīng)發(fā)生的機理眾說紛紜，但是較好地解釋陽極效應(yīng)的發(fā)生機理的是"陽極過程改變學(xué)說" 這種觀點認(rèn)為[1]： 陽極效應(yīng)的發(fā)生是由于隨著電解過程的進行，電解質(zhì)中含氧離子逐漸減少，當(dāng)達(dá)到一定程度后，則有氟析出且與陽極炭作用生成炭的氟化物，炭的氟化物在分解時又析出細(xì)微的炭粒，這些炭粒附在陽極表面上，阻止了電解質(zhì)與陽極的接觸，使電解質(zhì)不能很好地濕潤陽極，就像水不能濕潤涂油的表面一樣，使電解質(zhì)-陽極間形成一層導(dǎo)電不良的氣膜，陽極過電壓增大，引起陽極效應(yīng)。當(dāng)加入新的氧化鋁后，在陽極上又析出氧，氧與炭粉反應(yīng)，逐漸使陽極表面清靜，電阻減小，電解過程又趨于正常。

　　陽極效應(yīng)的機理是[4]：

　　Zc=RT/Fin{ic/ic-I}

　　式中Nc-產(chǎn)生陽極效應(yīng)的濃度過電壓;

　　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――任一陽極上的最大電流密度;

　　Nc――0.00004308Tin{ ic/ic-I }

　　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，電解質(zhì)溫度，陽極尺寸(包括消耗后陽極的界面變化)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，陽極上產(chǎn)生了氣泡，致使電解質(zhì)表面張力增加，使陽極效應(yīng)的過電壓升高。導(dǎo)致AE發(fā)生。

　　這種觀點較好地解釋了陽極效應(yīng)發(fā)生的原因。為電解科技工作者所接受。

　　2. 陽極效應(yīng)危害

　　在鋁電解生產(chǎn)中陽極效應(yīng)的危害性，不僅表現(xiàn)在對生產(chǎn)的危害上，而且對生態(tài)環(huán)境的危害極其嚴(yán)重。筆者將從幾個方面進行闡述。

　　2.1陽極效應(yīng)危害性對生產(chǎn)的危害

　　生產(chǎn)中當(dāng)陽極效應(yīng)發(fā)生時，電解質(zhì)的溫度急劇升高，由正常值的940℃～955℃急速升高到980℃～990℃，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，影響電解槽的產(chǎn)量。電耗增加。生產(chǎn)中陽極效應(yīng)的熄滅方法是：將效應(yīng)棒即(大約2～3米直徑2～4cm的樹枝)插入鋁液中使木棒燃燒排除陽極底掌的氣體薄膜，清潔陽極底部，實際是在燃燒鋁液，整個過程大約持續(xù)3～5分鐘，而此時電解的電化學(xué)過程是停止的，這也就是電解職工常說的"效應(yīng)時間不產(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)時間5min，電流效率93%，一個陽極效應(yīng)少產(chǎn)原鋁：300×0.3355×5÷60=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，進而向陽極四周傳導(dǎo)，使的電解槽溫度升高，引起電解質(zhì)中氟化鋁的大量揮發(fā)。以我公司電解槽為例：一個效應(yīng)時間5min，分子比平均上升0.1.氟化鋁大約損失10～20kg.

　　傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為：利用陽極效應(yīng)可以分離炭渣，清潔電解質(zhì)，補充電解槽熱量的不足，化沉淀。但是隨著陽極質(zhì)量的提高以及智能模糊控制計算機系統(tǒng)和點式下料技術(shù)的應(yīng)用，陽極效應(yīng)優(yōu)點愈來愈變得渺小，因此傳統(tǒng)的這種觀點已不能適應(yīng)當(dāng)今現(xiàn)代電解槽生產(chǎn)。

　　2.2陽極效應(yīng)對環(huán)境的危害

　　鋁電解生產(chǎn)中，陽極效應(yīng)還伴隨著對大氣臭氧層有破壞性的PFCs(CF4.C2F6)氣體的產(chǎn)生。當(dāng)今西方發(fā)達(dá)國家對鋁電解的環(huán)保要求極為嚴(yán)格。

　　國際著名鋁老師Haupin[4]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)時并未顯示出效應(yīng)時間長散發(fā)量多的特定。而個別試驗顯示減少效應(yīng)次數(shù)比減少效應(yīng)時間更有效能減少PFCs的發(fā)生量。因為無論是CF4還是C2F6都是在陽極效應(yīng)剛發(fā)生時產(chǎn)生，電解槽發(fā)展到中間下料預(yù)焙槽后，不僅陽極效應(yīng)次數(shù)成倍降低，而且效應(yīng)時間也大大縮短。目前國外陽極效應(yīng)系數(shù)有的已低于0.1次/槽日。

　　產(chǎn)生PFCs=CF4+C2F6的根源是陽極效應(yīng)(AE)，但是我們國家在很長的時期內(nèi)只注意控制技術(shù)。還停留在傳統(tǒng)的對氟化鹽的控制上。了解當(dāng)今世界鋁工業(yè)的發(fā)展，特別是著名鋁老師Haupind的"瞄準(zhǔn)零效應(yīng)"[4]對提高我國鋁電解的整體水平是大有好處的。

　　我們國家是國際《京都協(xié)議書》的簽署國家，減少溫室效應(yīng)，保護大氣環(huán)境是義不容辭的責(zé)任。因此在控制有害氣體排放上，今后一定會加強的。鋁電解生產(chǎn)中，嚴(yán)格控制陽極效應(yīng)是時代的要求。

　　2.3陽極效應(yīng)對森林的危害

　　鋁電解生產(chǎn)中陽極效應(yīng)的熄滅方法有三種：

　　(1)、用漏鏟熄滅陽極效應(yīng)。

　　(2)、用大耙熄滅陽極效應(yīng)。

　　(3)、用效應(yīng)棒(木棒)熄滅陽極效應(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)焙槽采用多組陽極生產(chǎn)，大耙、漏鏟熄滅陽極效應(yīng)的方法失去了作用。效應(yīng)棒即大約2～3米直徑2～4cm的樹枝。成為熄滅效應(yīng)的唯一方法。

　　當(dāng)前國內(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，效應(yīng)棒的使用急劇增加。如不得到控制，必然會給森林帶來嚴(yán)重破壞。

　　以本企業(yè)為例，陽極效應(yīng)系數(shù)控制為0.3次/槽日

　　每月1860槽日，共1860×0.3=558個效應(yīng)

　　而日常熄滅一個效應(yīng)大約需要2～3根效應(yīng)棒，以3根計算每月需要558×3=1674根效應(yīng)棒，以每捆30根計算一年大約需要1674÷30×12=672捆再加上抬大母線、壓負(fù)荷等因素，一年需要大約900～1000捆。

　　目前各家鋁廠效應(yīng)棒基本是由市場來供應(yīng)的，一些人為了謀取個人利益，亂砍甚至偷砍樹木做成鋁電解要求的效應(yīng)棒賣給電解鋁廠，因此鋁電解陽極效應(yīng)棒使用的急劇增加，必然助長一些人謀取個人利益，亂砍亂伐樹木的行為，這將給國家森林帶來一場災(zāi)難。

　　我國是森林覆蓋面積極其少的國家。50～90年代由于過度的亂砍亂伐，使脆弱的森林植被受到嚴(yán)重破壞，土地沙漠化、揚塵暴天氣的發(fā)生就是大自然對人類亂砍亂伐的最大報復(fù)。隨著我國退耕還林，種樹種草政策的實施，國家制定了一系列的相關(guān)政策來嚴(yán)厲制止亂砍亂伐現(xiàn)象，國家投入巨資恢復(fù)森林植被，對破壞嚴(yán)重的地區(qū)進行封山育林，種樹種草。鋁電解生產(chǎn)中效應(yīng)棒的來源必然會受到嚴(yán)格控制。像我國西部地區(qū)的鋁電解廠家，應(yīng)該在鋁電解生產(chǎn)中嚴(yán)格控制陽極效應(yīng)，最大限度地減少效應(yīng)棒的使

　　3. 控制陽極效應(yīng)的途徑

　　綜合分析我國預(yù)焙槽的實際情況，吸收國外在預(yù)焙槽上控制陽極效應(yīng)的經(jīng)驗，筆者認(rèn)為控制陽極效應(yīng)，盡量減少陽極效應(yīng)次數(shù)，應(yīng)在下幾個方面進行改進。

　　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)ㄒ18cm.鋁水平<22cm.

　　3)提高電解槽的保溫效果，減少熱量損失，適當(dāng)增加陽極上保溫料的厚度。保持厚度在12cm以上。

　　4)平穩(wěn)供電，減少電流波動，選擇最佳的電流強度。

　　5)采用計算機智能模糊控制技術(shù)對電解槽控制，提高掛機率，減少手動次數(shù)。增大效應(yīng)間隔時間。將效應(yīng)間隔時間設(shè)定在100小時以上。

　　6)轉(zhuǎn)變陽極效應(yīng)管理思路，擺正電解槽與效應(yīng)的關(guān)系，樹立"只要槽況正常就不必來效應(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，電解槽測部采用碳化硅復(fù)合材料。

　　8)抓好電解槽焙燒啟動工作，保證能使電解槽在規(guī)定的時間內(nèi)建立高分子爐幫。

　　9)提高陽極工作質(zhì)量，規(guī)范操作規(guī)程，提高陽極更換速度，減少對電解槽的干擾。保存電解槽生產(chǎn)穩(wěn)定。

　　4.結(jié)論

　　陽極效應(yīng)的危害性值得我們關(guān)注，特別是其對環(huán)境、森林的破壞性是我們過去未曾考慮到的。時代在發(fā)展，社會在進步。鋁電解生產(chǎn)過去那種對陽極效應(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，陽極效應(yīng)愈少愈好。考慮到目前國內(nèi)陽極質(zhì)量、氧化鋁物理性能，以及其他方面的因素， 將陽極效應(yīng)控制在0.2次/槽日以下是可以實現(xiàn)的。

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