陽極效應

陽極效應是指陽極和電解質之間電流的傳輸受到抑制而產生的阻塞現象。恆電流條件下，槽電壓突然增大。不同電流密度下，其值增到15 V甚至130 V；高頻下，槽電壓在很大範圍內變化；高壓下，聽到爆裂聲，陽極表面產生火花。此時除了CO2、CO外，陽極氣體中還包含有碳氟化物，如CF4和C2F6。

基本介紹

• 中文名：陽極效應
• 外文名：anode effect
• 特徵：熔鹽電解時發生在碳質陽極上
• 用途：工業鋁電解槽
• 特點：電解質停止沸騰
• 性質：化學反應
• 領域：化工
• 學科：化學

特殊現象

陽極效應（以下簡稱效應）是熔鹽電解過程中發生在陽極上的特殊現象。陽極效應發生時的現象如下：

（1）火眼冒出的火苗顏色由淡藍色變紫進而變黃，電解質與陽極接觸周邊有弧光放電，並伴有劈啪響聲；

（2）槽電壓急劇升高到30-60V，陽極四周的電解質停止沸騰。

（3）與電解槽並聯的效應信號燈閃亮。

機理

發生陽極效應的機理比較複雜，人們尚未得到統一共識，而就實踐結果來看，當電解質中的氧化鋁含量低於1%~2%時，便可能發生陽極效應。

造成氧化鋁含量過低可能是以下幾點原因：①電解加工下料不足；②電解質溫度低，氧化鋁在電解質中溶解度降低；③電解質水平低，電解質數量少，溶於電解質中的氧化鋁數量少；④加工時間滯後。

產生陽極效應的機理尚未探明，但此現象早已熟知。鋁電解時發生陽極效應，顯然同陽極表面生成某些化合物和積聚氣體有關。

當電解質中的氧化鋁濃度降低到0. 5%～ 1. 0%時,處於陽極近層液中的離子可能是橋式[AlF5- O- F5Al] 6-離子。在這種情況下,陽極氣體中已有少量的四氟化碳(0. 4%～ 2%),由於氟離子在陽極上放電逐漸增多,陽極過程愈加遲滯,陽極過電壓愈增大,陽極便從活化狀態轉向鈍化狀態。也就是說電解質對陽極的濕潤性變壞,陽極氣體開始大量積聚在陽極上,使陽極電阻增大,於是陽極電流密度增大,當達到或超過某一臨界值時,便產生許多細小電弧,於是陽極效應就發生了。

特徵

外觀特徵

1、在陽極周圍出現明亮小火花，並帶有特別的響聲和吱吱聲；

2、陽極周圍的氣體有如被撥開似的，陽極與電解質界面上的氣泡不再大量析出，電解質沸騰停止。

3、排出CO2和CO外，還有CF4和C2F6；

4、電壓上升，電解槽並聯的低壓燈泡發亮。在高電壓和高電流密度下，電解質和陽極都處於過熱狀態。在恆電壓供電情況下，陽極效應發生時電解槽系列電流急劇降低。

槽內特徵

（1）在陽極周圍發生明亮的小火花，並有特別的劈啪聲；

（2）陽極周圍的電解質如被氣體撥開似的，陽極與電解質的界面上的氣體不再大量析出；

（3）電解質停止沸騰；

（4）電壓升高，一般為10－50V，個別的可達100V，與電解槽並接的低壓燈泡發亮，同時發生聲音報警。

影響

正面影響：融化槽底沉澱；有利於碳渣分離；有利於粘附在陽極底部的碳渣清理；規整槽膛。

負面影響：使結殼融化，分子比CR上升；四氟化碳和六氟化二碳析出；電能消耗增加，電解溫度升高；增加鋁的損失。

利弊

有利因素

①可以利用效應檢測電解槽的靈敏程度，判斷電解槽好壞；

②可以利用效應清亮電解質，減少能耗；

③可利用效應將底掌凸出部分燒平，達到均流的目的；

④可利用其燒效應使低溫電解槽溫度達到正常水平；

不利因素

①發生效應時，槽電壓升高，電流效率下降，鋁電耗增加；

②影響系列的正常平穩供電；

③影響系列產量與質量，發生陽極效應時，不生產鋁，影響效率；

④增加了原材料的消耗‘

⑤增加工人勞動強度；

顯然，陽極效應的發生弊大於利，在實際生產中，我們應該儘量減少效應的發生。

措施

①保持合理的技術條件,節電降耗

電解鋁生產技術條件包括電流、電壓、極距、鋁液水平、電解質水平、電解溫度、電解質成分等。技術條件是根據電解槽的容量、槽型和操作人員的素質、技術水平等具體情況而定的。制定技術條件也不能從單一方面考慮,要考慮到綜合經濟效益,否則,就會顧此失彼。根據電解鋁廠多年來的實踐和研究分析,對電解生產進行了多方面的改進,有力地降低了陽極效應係數,降低了噸鋁電耗。一般來講,效應分攤電壓在0.075～ 0.1V之間,控制陽極效應係數、減少陽極效應時間,是節省電能的途徑之一。實踐證明陽極效應係數控制在0.25～ 0.30次/槽· d比較適宜,既能滿足電解槽利用效應澄清和清除電解質中炭渣,提高電解質的導電率,又能起到節能降耗的作用。

②提高電流效率

陽極效應發生時,槽電壓明顯提高,一般都在30V左右,有的高達60～ 70V,導致了陽極電流密度過大,槽溫迅速提高。一般來說,溫度每升高10℃ ,電流效率降低1% ,而且,效應發生時鋁在電解質中的溶解增多,鋁的擴散速度加快,二次反應加劇,嚴重降低了電流效率。陽極效應發生時,還會影響系列電流的穩定。鋁電解是一個串聯線路,如果鋁電解槽系恆功率供電,效應發生時系列總電壓就會升高,導致系列電流下降,就會嚴重破壞電解生產的電平衡和熱平衡,還會導致系列冷行程,影響系列電解槽的穩定運行。因此在限電壓負荷時,就要減少陽極效應係數和陽極效應持續時間,避免效應連續發生,儘可能地確保系列電流的穩定,提高電流效率,這是保證電解槽平穩生產的重要舉措。

③減少電解槽幫上口的損失

從電解工藝要求角度來講,電解槽能建立一個內形對稱、上口不空、爐幫“高、陡、平、硬、齊”的爐膛,對於穩定生產,提高電流效率大有益處。電解過程中,在槽殼散熱良好的情況下,爐幫是槽內電解質凝固後附著在側部碳塊及其附近而形成的,它具有保護側部碳塊及減少電解槽散熱、杜絕側部漏電、收縮鋁液鏡面、提高陰極電流密度、提高電流效率的功效。由於陽極效應使槽溫迅速升高(有時槽溫達1000℃以上),造成爐幫熔化,化空上口,破壞了槽膛內形,引起水平電流增大,側部漏電以及陰極電流密度分布不均現象的發生,增強了電磁力對鋁液的干擾,使鋁的鏡面波動增大,從而造成鋁的溶解、氧化鋁損失的增加,並導致了電流效率的下降。電解槽的爐幫上口遭到破壞後,熔融的電解質直接接觸側部碳塊,側部碳塊受電解質和鋁液以及鈉氧化,侵蝕速度加快,縮短了槽子壽命,嚴重時還會造成側部漏爐事故的發生,影響電解安全生產。因此,為減少電解槽爐幫上口的損失,就必須使電解槽具有相對穩定的完整的側部爐幫,就要從電解槽設計、施工、焙燒啟動、建爐幫這些因素入手,從而降低陽極效應係數和效應持續時間,方能從根本上解決問題。

除此之外,還應採取提高加工質量,確保電解質中適宜的氧化鋁含量;合理匹配電解質水平和鋁水平,調整好分子比,使電解溫度控制在正常範圍內,以保證氧化鋁的溶解度;增強槽底部和陰極鋼棒的保溫能力,加槽面保溫,特別是陽級碳塊與殼面連線的保溫層,以減少電解槽的熱量損失等措施來減少陽極效應對生產產生的不良影響。

作業規程

大型中心下料預焙槽人工熄滅效應採用插入木棒的方法。實質是木棒插入高溫電解質中燃燒產生的氣泡擠走陽極底面上的滯氣層，使陽極重新淨化恢復正常工作，前提是電解質中的氧化鋁濃度應先達到正常範圍內，目的是是電解質對陽極表面的濕潤性變好。 熄滅陽極效應的作業規程：

（1）取來木棒，到槽控箱前確認效應電壓是否穩定，確認槽控箱處於何種狀態。

（2）確認下料閥、風機充氣閥是否打開，圍繞電解槽巡視一圈，觀察槽上下料氣閥是否打開，回到出鋁端。

（3）揭開槽罩，打開出鋁口，等待計算機自動進行效應加工，觀察每個下料點打殼下料情況是否正常。

（4）幾次下料完畢後，立即將木棒插到陽極底掌下，到槽控箱旁觀察效應熄滅情況。 （5）確認效應熄滅後，拔出木棒，打撈炭渣，收拾清掃出鋁端，蓋上槽罩。

（6）再次觀察槽電壓情況：電壓低時應及時上抬至設定電壓；電壓高時，可由計算機自動調整。

（7）效應發生時出現電壓擺時，必須待電壓平穩後，才能插入木棒熄滅，否則將發生難滅效應。若電壓不穩，可適當地抬高電壓，若電壓很低持續不上升，應檢查陽極是否下滑。

從效應發生到熄滅的時間成為效應持續時間，即為計算機檢出時間、效應加工時間和熄滅操作的最少時間之和，計算機檢出和加料程式上一般為2-3分鐘，熄滅效應操作時間、效應持續時間在5分鐘左右，一般不應超過8分鐘，超過則視為效應時間過長。

熄滅陽極效應的操作控制點是效應電壓是否穩定和控制效應持續時間的長短。