淺析鋁電解生產中陽極效應的危害性

　　當今社會，特別是西方國家，對鋁電解生產中陽極效應的控制極為嚴格。目前已從若干年的氟化物轉向溫室氣體PFCs＝CF4＋C2F6在陽極效應的發生量（USEPA）。[4]著名國際鋁專家Haupin提出的"瞄準零效應"的管理思路，值得我們思考，Haupin認為，根據鋁工業發展的現狀，"零效應"管理最為理想。為此筆者認為：在環保日益重要的今天，鋁電解生產中特別是在大型預焙槽生產中應嚴格控制陽極效應，只要電解槽槽況正常，就不必來效應。"零效應"管理是鋁電解生產今后發展的方向。


　　1．陽極效應發生的機理

　　到目前關于陽極效應發生的機理眾說紛紜，但是較好地解釋陽極效應的發生機理的是"陽極過程改變學說"這種觀點認為[1]：陽極效應的發生是由于隨著電解過程的進行，電解質中含氧離子逐漸減少，當達到一定程度后，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微的炭粒，這些炭粒附在陽極表面上，阻止了電解質與陽極的接觸，使電解質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－陽極間形成一層導電不良的氣膜，陽極過電壓增大，引起陽極效應。當加入新的氧化鋁后，在陽極上又析出氧，氧與炭粉反應，逐漸使陽極表面清靜，電阻減小，電解過程又趨于正常。


　　陽極效應的機理是[4]：


　　Zc＝RT/Fin{ic/ic－I}

　　式中Nc－產生陽極效應的濃度過電壓；


　　R－氣體常數；


　　T－溫度，0K；


　　F－法拉第常數；


　　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；然而也受電解質流動，電解質溫度，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，陽極上產生了氣泡，致使電解質表面張力增加，使陽極效應的過電壓升高。導致AE發生。


　　這種觀點較好地解釋了陽極效應發生的原因。為電解科技工作者所接受。


　　2．陽極效應危害

　　在鋁電解生產中陽極效應的危害性，不僅表現在對生產的危害上，而且對生態環境的危害極其嚴重。筆者將從幾個方面進行闡述。


　　2．1陽極效應危害性對生產的危害

　　生產中當陽極效應發生時，電解質的溫度急劇升高，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，影響電解槽的產量。電耗增加。生產中陽極效應的熄滅方法是：將效應棒即（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3～5分鐘，而此時電解的電化學過程是停止的，這也就是電解職工常說的"效應時間不產鋁，而且還要跑電耗的"原因所在。因此造成鋁液的嚴重損失。


　　以300KA中間下料預焙槽為例：效應系數0．3次/槽日，效應時間5min，電流效率93%，一個陽極效應少產原鋁：300×0．3355×5÷60＝8．4kg，噸鋁電耗增加158kwh，

　　這種能量在生產中大多轉化為熱能，使電解槽極距間溫度急劇升高，進而向陽極四周傳導，使的電解槽溫度升高，引起電解質中氟化鋁的大量揮發。以我公司電解槽為例：一個效應時間5min，分子比平均上升0．1．氟化鋁大約損失10～20kg．

　　傳統的觀點認為：利用陽極效應可以分離炭渣，清潔電解質，補充電解槽熱量的不足，化沉淀。但是隨著陽極質量的提高以及智能模糊控制計算機系統和點式下料技術的應用，陽極效應優點愈來愈變得渺小，因此傳統的這種觀點已不能適應當今現代電解槽生產。


　　2．2陽極效應對環境的危害

　　鋁電解生產中，陽極效應還伴隨著對大氣臭氧層有破壞性的PFCs（CF4．C2F6）氣體的產生。當今西方發達國家對鋁電解的環保要求極為嚴格。


　　國際著名鋁專家Haupin[4]認為PFCs的發生量與每天AE分鐘數和電壓高低成直線關系，但分析表明PFCsd散發量在高電壓效應時并未顯示出效應時間長散發量多的特定。而個別試驗顯示減少效應次數比減少效應時間更有效能減少PFCs的發生量。因為無論是CF4還是C2F6都是在陽極效應剛發生時產生，電解槽發展到中間下料預焙槽后，不僅陽極效應次數成倍降低，而且效應時間也大大縮短。目前國外陽極效應系數有的已低于0．1次/槽日。


　　產生PFCs＝CF4＋C2F6的根源是陽極效應（AE），但是我們國家在很長的時期內只注意控制技術。還停留在傳統的對氟化鹽的控制上。了解當今世界鋁工業的發展，特別是著名鋁專家Haupind的"瞄準零效應"[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《京都協議書》的簽署國家，減少溫室效應，保護大氣環境是義不容辭的責任。因此在控制有害氣體排放上，今后一定會加強的。鋁電解生產中，嚴格控制陽極效應是時代的要求。


　　2．3陽極效應對森林的危害

　　鋁電解生產中陽極效應的熄滅方法有三種：


　　（1）、用漏鏟熄滅陽極效應。


　　（2）、用大耙熄滅陽極效應。


　　（3）、用效應棒（木棒）熄滅陽極效應。


　　以上三種方法是鋁電解生產特別是自焙槽常用的方法。目前自焙槽國內已幾乎都改造成為中間下料預焙槽。而預焙槽采用多組陽極生產，大耙、漏鏟熄滅陽極效應的方法失去了作用。效應棒即大約2～3米直徑2～4cm的樹枝。成為熄滅效應的唯一方法。


　　當前國內鋁電解生產飛速發展，2003年已突破520噸，已成為世界第一產鋁國，效應棒的使用急劇增加。如不得到控制，必然會給森林帶來嚴重破壞。


　　以本企業為例，陽極效應系數控制為0．3次/槽日

　　每月1860槽日，共1860×0．3＝558個效應

　　而日常熄滅一個效應大約需要2～3根效應棒，以3根計算每月需要558×3＝1674根效應棒，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、壓負荷等因素，一年需要大約900～1000捆。


　　目前各家鋁廠效應棒基本是由市場來供應的，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棒賣給電解鋁廠，因此鋁電解陽極效應棒使用的急劇增加，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重破壞，土地沙漠化、揚塵暴天氣的發生就是大自然對人類亂砍亂伐的最大報復。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政策來嚴厲制止亂砍亂伐現象，國家投入巨資恢復森林植被，對破壞嚴重的地區進行封山育林，種樹種草。鋁電解生產中效應棒的來源必然會受到嚴格控制。像我國西部地區的鋁電解廠家，應該在鋁電解生產中嚴格控制陽極效應，最大限度地減少效應棒的使

　　3．控制陽極效應的途徑

　　綜合分析我國預焙槽的實際情況，吸收國外在預焙槽上控制陽極效應的經驗，筆者認為控制陽極效應，盡量減少陽極效應次數，應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數量，防止電解質萎縮。保證生產平穩。保持適當高的電解質水平。象我公司75KA中間下料預焙槽，筆者認為電解質水平應≧18cm．鋁水平<22cm．

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


　　4）平穩供電，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對電解槽控制，提高掛機率，減少手動次數。增大效應間隔時間。將效應間隔時間設定在100小時以上。


　　6）轉變陽極效應管理思路，擺正電解槽與效應的關系，樹立"只要槽況正常就不必來效應"的管理理念。


　　7）優化電解槽內襯結構，采用半石墨質陰極炭塊，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合材料。


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


　　9）提高陽極工作質量，規范操作規程，提高陽極更換速度，減少對電解槽的干擾。保存電解槽生產穩定。


　　4．結論

　　陽極效應的危害性值得我們關注，特別是其對環境、森林的破壞性是我們過去未曾考慮到的。時代在發展，社會在進步。鋁電解生產過去那種對陽極效應的理解。以及管理方法，是極其偏面的。已經不符合當今時代的要求。"零效應"管理是鋁電解生產今后發展的方向。


　　因此在鋁電解生產中，只要電解槽生產正常，陽極效應愈少愈好。考慮到目前國內陽極質量、氧化鋁物理性能，以及其他方面的因素，將陽極效應控制在0．2次/槽日以下是可以實現的。

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