3 铝电解的基础理论知识—0

第三章铝电解的基础理论知识

3.1 铝电解槽的主要工艺技术条件（技术参数）

理解铝电解槽的主要工艺技术条件（或称主要技术参数），是深入了解和掌握铝电解原理和操作技术的基础。为此，我们首先回顾一下，在第一章“铝电解概述”中已介绍的铝电解槽的主要特征（图1-1）。

图1-1 铝电解槽的主要特征示意图

从该特征图出发，我们来讨论如下描绘铝电解工艺特征的主要技术参数（工艺技术条件）。

3.1.1 槽工作电压（槽电压）

槽工作电压，简称槽电压，是指电解槽的进电端与出电端之间的电压降。现代预焙槽的槽电压一般在4.0～4.4V之间。在系列电流基本恒定的情况下，电解槽的电压高低直接决定着电解槽的能量收入，因此，调整槽电压是调整电解槽能量收入的最直接和最主要的手段。

（1）关于槽电压及相关参数的检测

槽电压是电解槽上唯一可由仪表或计算机控制系统直接地、实时地进行检测的参数，也是最能反应电解槽状态变化的参数。另一个可由仪表或计算机控制系统直接地、实时地进行检测的参数是系列电流，但它不是在电解槽上直接检测的，而是在整流车间集中检测，因为电解槽是串联的，通过各槽的系列电流强度是一样大的。

对于现场操作人员和计算机控制系统来说，槽电压和系列电流是用于分析和控制电解槽的最重要的参数。还有一个与槽电压密切相关的参数是槽电阻，它是由槽电压和系列电流计算得来的。

（2）关于槽电压的内涵

关于槽电压的内涵，将在本章第11节“铝电解的电压平衡”中详细讨论。关于槽电阻的有关概念将在第五章中讨论。

3.1.2 极距

极距是指铝电解槽阳极底部（常称为阳极底掌）到阴极铝液镜面（即铝液与电解质的界面）之间的距离，简而言之，就是电解槽阴、阳两极之间的距离。它既是电解过程中的电化学反应区域，又是维持电解温度的热源中心。铝电解槽只有保持一定的极距才能正常生产。正常生产过程的极距一般在4cm ～5cm 之间。

（1）关于极距与槽电压之间的关系

由于改变极距便改变了阴阳两极间电解质的电阻，于是便改变了极间电解质的电压降。极距改变1mm ，引起槽电压的变化约30～40mV ，这是非常显著的。因此，调整极距是调整槽电压的主要手段。生产中所指的槽电压调节意指通过调整极距来改变槽电压。这便是生产中常把极距调节与槽电压调节两个概念等同起来的原因。

（2）关于极距与技术经济指标间的关系

提高极距一方面能减少铝在电解质中的溶解损失，因而对提高电流效率有利；另一方面因为增大电解质压降而升高槽电压，而对降低能耗指标不利。因此，生产中有一个如何选择最佳极距的问题。研究表明，当极距低于4.5cm 时，提高极距对电流效率的作用非常明显，并且提高电流效率对降低能耗的作用大于槽电压升高对能耗的不利作用。反之，若极距高于 4.5cm ，则极距升高对电流效率的作用逐渐变得不明显，因而提高电流效率带来的好处不能抵消升高槽电压（因而升高槽温）所带来的坏处。极距对电流效率的影响如图3-1所示。

基于上述分析可知，极距调节（或槽电压调节）需兼顾两个目的：一是维持合适的极距；一是0 1 2 3 4 5 6 7

极距／cm

电

流

效率

% 92

图3-1 极距对电流效率的影响（示意图）

80

维持合适的槽电压从而维持合适的能量收入（最终维持电解槽的能量平衡）。由于预焙槽的平均极距一般容易保证在4.5cm以上，所以实际生产中极距的确定主要以保持稳定的能量平衡（热平衡）为目标。

关于极距及槽电压与电解槽的电流效率和电能消耗指标的关系将在第六章“提高铝电解槽技术经济指标的措施分析”中讨论。

（3）关于极距的（间接）检测与控制

工业生产中，一般很少对极距直接进行测定。一是因为直接测定较困难；二是因为正常情况下只要槽电压在一定的范围便能保证极距在合适的范围，调整极距主要从电压上进行考虑；三是因为生产中主要是防止极距过低，而极距过低往往能从槽电压的稳定性（电压是否波动）上间接反应出来。当槽电压波动时，往往需要上抬极距。

预焙槽的极距一般比自焙槽稍高，因为预焙槽的阳极块数目多，很难使每块阳极都保持在同一极距。同时也不应有极距过低的炭块，这会引起电流分布不均，造成局部过热，电压摆动，阳极掉块，降低电流效率。由于出现这种问题的电解槽会表现出电压摆动，因此检测阳极电流密度分布（及各阳极块的电流分布的大小）可以找出极距过低的炭块。

极距调节（或槽电压调节）是现代铝电解槽计算机控制的主要内容之一，这将在第五章“铝电解槽的计算机控制”中详述。

3.1.3 电解质成份（分子比）

（1）电解质的基本成份

铝电解生产采用的是“冰晶石（为主体）—氧化铝”电解质，其中氧化铝是炼铝的原料，冰晶石是溶剂。此外，在电解质熔体中还含有一些游离的添加剂成份，主要有氟化铝（AlF3）、氟化钙（CaF2）、氟化镁（MgF2）、氟化锂（LiF）等。这些添加剂主要用于改善电解质的物理化学性能，其中主要目的是用来降低电解质的熔点（将在“电解质温度”中详细讨论），氟化锂则还用于改善电解质导电率。

冰晶石的化学式为Na3AlF6，从分子结构上讲，它是由3mol氟化钠（NaF）与1mol氟化铝（AlF3）结合而成，所以又可写成3NaF·AlF3，此种配比的冰晶石称为正冰晶石。冰晶石中所含氟化钠摩尔数与氟化铝摩尔数之比，称为冰晶石的摩尔比（俗称分子比）。正冰晶石的分子比等于3，冰晶石的分子比既可大于3，也可小于3，分子比等于3的冰晶石又称为中性冰晶石，大于3的称为碱性冰晶石，小于3的称为酸性冰晶石。

当在中性冰晶石（分子比等于3）中添加氟化铝时，便使分子比降低，电解质酸度提高。氟化镁也提高电解质酸度，而氟化锂则降低电解质酸度（提高碱度）。氧化铝和氟化钙则对电解质酸碱度影响很小。

（2）关于电解质成份的演变

铝电解方法刚被发明出来的时候（1888年），采用酸度很高（分子比为1）的电解质，电流效率很低。其后直至20世纪40年代，采用弱碱性至中性（分子比≥3）的电解质，电流效率达80%以上。其后，因发现降低电解质温度可以显著提高电流效率，所以逐步采用弱酸性（分子比 2.9）至酸性电解质，到20世纪80年代，分子比降低到接近2.4，电流效率提高到85～90%。后来，随

着自动下料技术（尤其是点式下料器）和烟气干法净化技术的问世和不断改进，继续降低分子比所带来的氧化铝浓度控制问题和氟化铝的挥发损失问题得到了解决，于是导致了强酸性电解质（分子比小于2.4）在预焙铝电解槽上的广泛应用，使电流效率提高到92～95%。

我国预焙槽从20世纪90年代初期，随着自动化水平的提高和对现代工艺技术条件认识的深入，开始试用强酸性电解质。特别是90年代中期以来，随着现代化大型槽生产系列的应用，已广泛采用强酸性电解质（分子比2.1～2.4），这是电流效率突破92%的重要原因。

人们对电解质成份的研究除了研究其酸碱度（分子比）外，还包括对数种用于改善电解质性质的添加剂（如氟化钙、氟化镁、氟化锂等）的研究。这些添加剂（尤其是氟化镁）曾被普遍地采用（尤其是在自焙槽上应用较普遍），但后来随着强酸性电解质在预焙槽上的采用，现代预焙槽不再提倡使用除氟化铝以外的添加剂。第三章第8节还将详细讨论“铝电解质及其性质”。

从铝电解100多年的历史来看，电解质组成的演变是渐进的，常常是一种组成风行一时，随后逐步改成另外一种组成，而原先的组成照样为许多工厂所采用。所以在同一时期内，各个工厂采用多大的分子比，要视各厂的电解槽类型、所采用的加料方式、所用的氧化铝品种和来源、烟气净化方式与水平、操作设备和自动控制系统的自动化程度与水平、操作人员的观念与操作水平等多方面因素而定。

今后是否还会继续提高电解质酸度呢？继续提高酸度无疑还能降低电解质熔点，从而可望继续降低电解质温度，但会带来电解质其他理化性能的恶化（如氧化铝的溶解度和溶解速度的降低使沉淀问题无法解决，电解质导电率的降低使槽电压大幅升高等）。这些问题在现行技术水平下还无法解决。关于这一问题将会在“电解质温度与过热度”中继续讨论。

（3）电解生产中引起电解质成份（分子比）变化的因素

在生产中，即使只添加分子比固定不变的冰晶石，也不能保证液体电解质的分子比不发生变化，这是因为存在下列影响因素：

●熔融电解质不断向外挥发损失的主要成份是氟化铝（AlF3），这是导致电解质容易碱度提

高（分子比升高）的因素。现代预焙槽生产工艺采用分子比小于3的酸性电解质（相对于正冰晶石而言，电解质中含有过剩的AlF3），这更增大了AlF3的挥发损失，即更容易导致电解质碱度提高（分子比升高）。

●氧化铝原料中含有钠元素等碱性杂质，进入电解槽中后与电解质发生化学反应，其作用相

当于添加了NaF。这也是一个导致电解质碱度提高（分子比升高）的因素。

●电解质温度变化（热平衡变化）会改变液体电解质的成份。这主要是因为温度的变化（即

热平衡的变化）会打破液体电解质与电解槽周边凝固的电解质（槽膛）之间的动态平衡。

由于偏析的缘故，液体电解质凝固时是以接近中性冰晶石的成份进行的，因此对于现代采用酸性电解质（低分子比）的生产工艺，液态电解质的分子比总是低于结壳的分子比。温度升高导致电解槽周边结壳熔化，从而引起液态电解质碱度提高（分子比升高）；反之，温度降低会导致液体电解质在槽膛周边凝固，从而引起电解质酸度提高（分子比降低）。

●电解槽内衬吸收钠。这是使电解质酸度提高（分子比降低）的因素，对于新启动的电解

槽，内衬吸钠非常强烈，以后逐渐减弱。

●其他因素，如电解质中氧化铝浓度的变化等，对电解质分子比的影响较为复杂。

综合上述分析可知，在电解槽渡过了起动期后，引起分子比升高的因素占据主导地位，尤其是现代铝电解工艺采用低分子比（2.2～2.5），因此补充电解质成份主要以补充氟化铝的形式进行。

（4）关于电解质成份的检测与控制

由于电解质成份的改变会导致电解质一系列的物理化学性质（如初晶温度、导电率、对氧化铝的溶解度和溶解速度等）发生变化，从而对电解技术经济指标产生重大影响，因此需要对电解质成份（主要是分子比）进行检测和控制。

遗憾的是，直到今天，尚无能在工业现场直接、快速测定分子比的仪器，因此工业生产中，只能定期从电解槽中取电解质样品，到分析室进行检测。目前，工厂一般每隔4～7天取样检测一次。

对于现代采用酸性（低分子比）电解质成份的生产工艺，总的来说，使电解质碱度提高的因素强于使电解质酸度提高的因素，因此正常情况下一般需要不断补充氟化铝（AlF3），这也是现代大型铝电解槽上安装有氟化铝添加装置的原因。

随着技术的进步，电解质成份控制已逐步从过去完全由人工进行，发展到由计算机根据某些参数和控制模型来控制氟化铝添加装置的动作，实现氟化铝添加控制。

氟化铝添加控制是现代铝电解槽计算机控制的重要要内容之一，这将在第五章“铝电解槽的计算机控制”中讨论。

3.1.4 氧化铝浓度

氧化铝浓度是指液体电解质中已溶解的氧化铝的含量，一般用重量百分比来表示。氧化铝浓度只有处在一个正常的范围，电解过程才能正常进行。对于现代预焙槽，氧化铝浓度范围一般在1.0%～5.5%。

（1）关于氧化铝浓度的变化范围

当氧化铝浓度达到某一下限时，电解过程将会发生一种被称为“阳极效应”的现象（本章第4节将详细介绍），导致电解过程无法正常进行。这个下限值称为阳极效应临界浓度，一般在1%左右。因此，在电解生产中，氧化铝浓度必须控制在阳极效应临界浓度之上。

当氧化铝浓度达到某一上限值后，电解质将不能再溶解氧化铝原料，这个上限值便称为氧化铝饱和浓度（或称饱和溶解度），即电解质中的氧化铝含量已饱和，不能再溶解新加入的氧化铝。换言之，如果氧化铝浓度达到了饱和浓度，那么继续下料便会造成沉淀，或者氧化铝以固体形式悬浮在电解质中。因此，生产中氧化铝浓度的上限便是饱和浓度。

随着氧化铝浓度向饱和浓度靠近，产生沉淀的机会便会增大，因为一方面氧化铝的溶解速度随着之变小；另一方面电解质的“容纳能力”变小，容易出现局部电解质中氧化铝浓度达到饱和，例如当从某一局部（如下料点）加入的氧化铝原料未及时分散开时，该局部的电解质中氧化铝浓度达到过饱和，导致沉淀产生。考虑到上述原因，氧化铝浓度一般控制在显著低于饱和浓度的区域。

氧化铝的饱和浓度主要与电解质组成和温度有关。分子比降低，电解质温度降低，都会引起氧化铝饱和浓度降低。现代预焙槽为追求高电流效率而采用低分子比、低温技术条件，因此氧化铝的饱和浓度较低，这是相应地选择较低的氧化铝浓度（1.5～3.5%）的重要原因。

（2）关于氧化铝浓度的检测与控制问题

氧化铝浓度是最重要的工艺参数之一，遗憾的是，直到今天，尚无能在工业现场直接、快速测定氧化铝浓度的仪器。目前的主要检测方法与分子比的检测类似，即从电解槽中取电解质样品，到

分析室进行检测。但工业生产中一般不对氧化铝浓度进行检测，一方面是因为电解过程允许氧化铝浓度在一定范围内变化；另一方面是可以通过一些间接的手段来判断氧化铝浓度是否在合适的范围，并加以控制。

自上个世纪70年代以来，预焙槽的氧化铝浓度控制便主要依靠计算机控制系统。由控制系统控制下料器的下料速率（即下料器的动作间隔时间）来控制原料的添加。理论上，当下料速率大于电解过程中氧化铝的消耗速率时，氧化铝浓度便会上升，反之则下降。只有当下料速率从整体上与消耗速率持平，才能维持电解槽的物料平衡。事实上存在许多因素引起氧化铝浓度发生变化，相关内容将在本章第9节“铝电解的物料平衡”中讨论。

氧化铝浓度是现代铝电解槽计算机控制的主要内容之一，这将在第五章“铝电解槽的计算机控制”中详述。

3.1.5 电解质温度与过热度

电解质温度是电解过程最重要的工艺参数之一。另一个与电解质温度密切相关的参数是电解质过热度，它是指电解质温度与电解质的熔点（或称初晶点、初晶温度）之差。

（1）关于合适的过热度选择问题

电解质温度必须高出熔点若干度（如10～15℃），也就是说，必须有一定过热度，电解生产才能正常进行。

由于凝固的电解质是不导电的，过热度过低时，电解槽的热平衡稍有波动（如出铝、换阳极等人工作业干扰、槽面保温料变化、下料量变化等引起温度波动）就会引起槽况出现很大的波动，如电压波动，沉淀产生等，使电解槽无法正常运行。当然，过热度也不能过高，过高会影响电流效率，并加大能量消耗。

至于要保持多高的过热度合适，要看电解槽操作与控制的平稳程度，以前全靠人工来控制下料和调整电压的电解槽，因为温度波动较大，所以过热度保持较高（20～25℃）。现代预焙槽采用点式下料器实现准连续的下料，并由先进控制系统精细地调节电压和控制下料过程，因而过热度可以保持较低（10～12℃），这是电流效率提高的重要原因之一。

（2）关于降低电解质温度

铝业界一直在想方设法降低电解质温度，因为温度降低意味着电能消耗的降低，并且，研究表明，降低电解质温度能提高电流效率。研究表明，电解质温度每降低10℃，电流效率可以提高2%左右（但前提是降低温度不带来其他工艺条件的恶化）。

降低电解质温度无疑通过两个途径：降低电解质过热度和降低电解质初晶点。

上面的讨论表明，降低过热度的程度是有限的，因为现代采用点式下料和计算机控制系统已经将过热度降低到10℃，再将降的空间不大。因此，要实现较大幅度的降低电解质温度，就必须设法降低电解质熔点。

（3）关于降低电解质熔点

电解质熔点由电解质的成份所决定，例如正冰晶石的熔点是1009℃。如果其中加入氧化铝，使氧化铝浓度保持在5%～10%，则对应的熔点降低到980℃～960℃，相应地，电解质温度需要保

持在1000～980℃。

为了降低熔点，人们研究了多种可以改进电解质物理化学性质（包括降低熔点）的添加剂，这导致了AlF3、CaF2、MgF2、LiF等添加剂的使用使现代铝电解的电解质熔点降低到了950℃以下，相应地，电解质温度降低到了970℃以下。

特别是添加AlF3，实质就是降低分子比，在现代大型预焙槽上得到了广泛应用。目前，一些工厂采用了2.1～2.2的分子比（相当于在正冰晶石中加入14.7%～12.7%的AlF3），再加之来电解质中还含有其他一些成份（如自氧化铝原料中元素Ca使电解质中自然积累了约5%的CaF2），使电解质熔点降低到930℃～945℃，相应地电解质温度降低到945℃～955℃。

（4）关于降低电解质熔点的相关问题

然而，电解质熔点的过分降低会带来电解质其他方面性能的恶化。明显遇到的第一个问题是，氧化铝的溶解度和溶解速度显著降低，使现行下料控制技术无法避免沉淀的产生，这也是为什么现代采用低分子比生产的预焙槽需要采用低氧化铝浓度（1.5%～3.5%）的重要原因。

明显遇到的第二个问题，是与槽电压和极距的保持相关的问题。多数添加剂在降低电解质熔点的同时还使电解质的电导率降低，这导致同等极距下电解质的电压降升高，因而槽电压升高。因此，分子比降低后，往往使铝电解操作者面临两种选择，要么降低极距维持槽电压不变，要么维持极距不变，让槽电压升高。前种做法可能导致极距不够，槽电压摆动，抵消了降低槽温带来的好处；后种做法可能因电压升高而看不到降低槽温对电能消耗指标带来的好处，并且如果电压升高过多的话，还可能因能量收入增加过多，使降低槽温的目的事实上无法实现，或者会发现槽温虽然降低了，但槽膛却化空了（因为热收入增多，必定需要热支出相应增多，才能维持电解槽的能量平衡）。基于上述原因，操作者一般采取折中的方案，即降低分子比的同时，允许槽电压适当升高，但同时允许极距适当降低，只要槽电压不发生明显波动即可。这个度如何把握，需要操作者在生产实践中去探索。

（5）关于最佳电解质温度

显然，最佳电解质温度应该是最佳的电解质成份所对应的熔点加上最佳的过热度。

从上述降低过热度和降低电解质熔点所遇到的困难可知，电解质温度的确定要从多方面考虑，它有赖于其他技术参数的配合，其温度范围要视电解槽的类型、工艺制度和电解质成份而定。一般地，电解槽的工艺技术条件和电解槽的操作与控制越平稳，则通过调整电解质成份和适当降低过热度来降低电解质温度的空间便越大。

（6）低温铝电解──铝工业依然追求的目标

尽管大幅度降低槽温遇到了上述的困难，但低温铝电解依然是铝工业追求的目标。因为铝的熔点是660℃，要得到液体铝，电解温度只要达到800～850℃即可，大约高出铝的熔点150～180℃。要实现如此低的电解温度，可能需要对现行电解工艺（包括铝电解质体系、电极材料以及电解槽结构）进行重大变革，否则降低电解质温度与保持合适的氧化铝浓度和合适的极距（槽电压）之间的矛盾无法解决。

（6）关于电解质温度的检测与控制问题

虽然电解质温度是最重要的工艺参数之一，但遗憾的是，直到今天，尚未找到既经济，又准确

的连续检测电解质温度的方法与装置，这是因为电解质熔体的腐蚀性太强烈，各类接触式测温方法（如采用热电偶测温）都只能短时间将探头插入电解质中，时间稍长便腐蚀掉了。而各类非接触式测温方法（如红外测温）又因受到电解质表面的结壳、炭渣等因素干扰而误差太大。目前，工业生产中，由人工用热电偶仪表定期检测电解质温度，例如每天检测一次。

由于连续测温问题未解决，电解质温度的控制是通过控制槽电压（或槽电阻）等参数来间接控制的。相关的内容将在第五章“铝电解槽的计算机控制”中讨论。

（7）其他相关问题

关于电解质成份与电解质熔点及其他理化性能的关系将在本章第8节“铝电解质及其性质”中讨论。

关于下料对电解质温度（热平衡）的影响，将在本章第9节“铝电解的物料平衡”中讨论。

与电解质温度和过热度相关的许多问题将在本章第10节“铝电解的能量平衡”中讨论。

3.1.6 铝水平与电解质水平

铝水平与电解质水平分别指铝电解槽中铝液的高度和电解质熔体的高度。这两层液体在电解槽内因密度的差异而分层。现代预焙槽的铝水平和电解质水平一般均在18～22cm之间。

（1）电解槽内保持足够高度电解质水平的作用

●首先，电解槽需要足量的液体电解质来获得电解质成份（包括氧化铝浓度）稳定性。由于

电解质熔体起着溶解氧化铝的作用，只有足量的电解质熔体才对加入的氧化铝原料有足量的“容纳”能力，氧化铝浓度的稳定性才好，电解槽适应下料速率变化的能力较强（经得起“饿”，也经得起“撑”）。对于现代中间点式下料电解槽，原料几乎全靠中间点式下料器加入，这不同于边部加工的自焙槽（原料从边部加入后很大部分先沉积在槽帮，其后慢慢溶解），因此若电解质水平低，则加入的原料沉淀到槽底的比例迅速增大，并且氧化铝浓度波动大，阳极效应次数增加，电解槽的下料控制进入恶性循环。此外，由于电解槽中的液体电解质与凝固的电解质处于一种动态平衡之中，当槽温等参数变化时，动态平衡会被打破，例如槽温升高会引起固相熔化成液相，反之液相凝固成固相。由于固相与液相的组成是有差异的，因此若液体电解质的量过少，则固相与液相之间的转化会引起电解质成份较大的波动，这对生产过程的稳定不利。

●其次，电解质熔体是电解槽中热量的主要载体，只有足量的电解质熔体才能使电解槽保持

足够好的热稳定性，即电解槽适应热量变化的能力较强。

●再者，电解质水平高则阳极与电解质接触面积较大，使槽电压降低。

（2）电解质水平过低与过高所带来的问题

●通过上面的分析可知，电解质水平过低所带来的问题是，电解槽内的（液体）电解质成份

（包括氧化铝浓度）的稳定性较差，热稳定性也较差，电解槽技术条件容易波动，容易产生沉淀，容易产生阳极效应，并且不利于降低槽电压。

●电解质水平过高带来的问题是，阳极埋入电解质太深，阳极气体不易排出，使铝与阳极气

体发生二次反应加剧（参见本章第3节“铝电解过程的两极副反应”），引起电流效率降低。同时还易造成阳极长包，电解槽的槽膛上口容易化空。此外，电解质水平太高意味着电解槽的能量收入偏高，不符合尽可能降低能量消耗的原则。

（3）电解槽内保持足够高度铝水平的作用

●首先，电解槽内必须有一层铝液作为电解槽的阴极。因为在电解槽内，电解质中铝离子放

电成为金属铝的反应是在铝液镜面上进行的，而不是在阴极炭块的表面进行的。也就是说，电解槽真正的阴极是铝，而不是阴极炭块。这便是为什么电解槽启动的时候要向电解槽中灌铝的原因。

●其次，电解槽内需要一定高度的铝液保护阴极炭块和均匀槽底电流。由于金属Al液与炭

阴极材料表面的润湿性很差，为了不使炭阴极表面暴露于电解质中，电解槽中不得不保持一定高度的铝液。如果铝直接在阴极炭块上析出，还会腐蚀阴极炭块。此外，还需考虑到电解槽随槽龄增长而出现槽底变形，铝液能填平槽底坑洼不平之处，使电流比较均匀地通过槽底。

●电解槽内需要有足够高度的铝液才能保持电解槽中铝液的稳定（进而保持槽电压稳定）。

若单从保护阴极炭块和均匀槽底电流的目的考虑，就没有必要保持20cm左右的铝水平，保持如此高的铝水平的更重要原因是，铝液在电磁力的作用下发生运动并导致铝液与电解质界面的变形，并且铝液高度越低，铝液运动越强烈。现代铝电解槽的电磁场平衡设计得较好，已能实现将铝水平降低到15cm左右，但继续降低仍然克服不了铝液波动，槽子稳定性差的问题。

●再者，保持适量的铝液是保持良好热平衡的重要基础。由于铝液是热的良好导体，因此能

起到均衡槽内温度的作用。特别是，阳极中央部位多余的热量可通过这层良好导体输送到阳极四周，从而使槽内各部分铝液温度趋于均匀。调整槽内铝量可起到调整热平衡的作用，提高铝水平可增大槽子的散热量，有利于降低槽温；相反，降低铝水平可减小槽子的散热量，有利于提高槽温。现场操作人员常利用这一特性来调整电解槽的热平衡，但属于不得以而为之的措施。正常情况下应该尽量保持电解槽的工艺技术条件稳定。

（4）铝水平过低与过高所带来的问题

●通过上面的分析可知，铝水平过低带来的主要问题是，槽电压波动，电解槽不稳定，不利

于槽内热量的均匀与及时疏散，槽温升高，槽膛熔化，容易形成热槽（一种病槽）。

●铝水平过高所带来的问题是，传导槽内热量多，槽温下降，槽底变冷而有沉淀，槽底状况

恶化等系列问题。关于此部分内容将在第四章第4节“铝电解槽的正常生产管理”中继续讨论。

（5）关于电解质水平与铝水平的检测与控制

电解质水平与铝水平虽然是重要的工艺参数，但直到今天依然靠手工使用铁钎来检测（详见第四章第5节“铝电解生产中的常规测量”）。

由于电解质水平的高低受热平衡的影响很大，因此，在按照电解质的吨铝消耗量及时补充冰晶石和氟化铝的基础上，合适的电解质水平还需要通过保持合适的热平衡来维持。当电解质过高或过低时，也可以通过从电解质中抽出（撤走）液体电解质，或向电解槽中灌入取自其他槽的液体电解

质来调整电解质水平。

铝水平的调整主要通过调整出铝量来实现。大型预焙槽一般每天出铝一次，出铝时按照下达的出铝量指标，使用真空抬包从槽中抽取铝液。出铝前后，铝水平一般相差3～4cm。热平衡变化引起槽膛变化是导致铝水平变化异常的主要原因，因此象电解质水平一样，合适的铝水平还需要通过保持合适的热平衡来维持。此外，上面已提及，现场操作人员也可以利用调整铝水平来调整电解槽的热平衡，但一般只有对于热平衡已经不正常的电解槽才采用多出铝或少出铝（甚至向电解槽中灌入取自其他电解槽的液体铝，或直接加入固体铝）的手段来调整电解槽的热平衡状态。

3.1.7 阳极效应系数

阳极效应（简称效应）是指当氧化铝浓度过低（或其他参数异常）时，阳极工作面上的过电位突然异常升高，导致槽电压异常升高，电解槽不能正常工作的一种特殊状态。本章第4节“铝电解中的阳极效应”中将详细介绍。效应发生后，一般需要立即采取措施（添加氧化铝，搅动熔体，运动阳极等）来消除（成为熄灭效应）。现行工艺下，效应的持续时间一般为3～6分钟。

阳极效应系数是指每台电解槽平均每日发生的效应次数。

现代铝电解工艺希望效应系数越低越好，因为效应发生会导致槽电压高达30～50V直到效应熄灭，引起槽温急剧升高，能量损失和铝损失严重，特别是效应期间产生大量的严重破坏大气臭氧层的炭氟化合物气体，故此受到现代环保政策的严格控制。因此，现代电解工艺要求效应系数在0.3以下。西方发达国家的铝厂由于受到环保政策的控制，要求效应系数在0.1以下。

效应系数大小主要取决于氧化铝浓度控制的好坏，同时还受热平衡控制的好坏和阳极质量的好坏的影响。我国大型预焙槽随着自控技术和阳极质量的改进，效应系数可以控制到0.3以下。

传统的电解工艺保持较高的效应系数（1.0左右），这一方面是受过去的自控技术和阳极质量等因素的限制；另一方面是基于对效应的认识。传统观念认为，效应虽然对电解槽有上述不利影响，但也有好的一面：首先，效应发生是氧化铝浓度达到低限的标志，利用它可校正电解槽的物料平衡，消除电解槽中可能产生的沉淀（这一点对过去的采用人工下料方式或无先进控制系统的电解生产系列而言，是控制物料平衡的有效手段）；其次，利用阳极效应发生时阳极底掌下的炭渣容易排出的特点，可达到起到清理阳极底掌的目的。随着现代工艺技术的改进和操作观念的更新，特别是随着环保要求的严格，效应的弊大于利的观点已普遍被人们接受，未来定会追求无效应操作。

3.1.8 槽膛内形

电解槽达到正常生产阶段的一个重要标志是槽膛（或称炉膛）内壁上已经牢固地长着一层电解质结壳（“槽帮”），使槽膛有稳定的内形。这层结壳是由沉积在电解槽侧壁上的刚玉（α-Al2O3）和冰晶石等组成，它均匀地分布在电解槽侧壁上，形成一个椭圆形的环。由这一圈结壳所规定的槽膛内壁形状，称为“槽膛内形”。

（1）槽膛的作用

构成槽膛的这层结壳是电和热的不良导体，能够阻止电流从槽侧部通过，抑制电流漏损，并减少电解槽的热损失，同时它还能保护着阳极四周的槽底。另一个重要作用是把槽底上的铝液挤到槽中央部位，使铝液的表面收缩，有利于提高电流效率。因此，现代铝电解生产上十分重视槽膛内形，要求槽膛规整而又稳定，让电流均匀地通过槽底，防止其局部集中。

铝电解槽因有槽帮的存在而在一定范围内具有很强的自我调节能力。最突出的是电解质温度和热平衡自我调节。因此，正常电解生产中某些操作不当，乃至槽况某时的较小波动，都会因有槽帮的存在，而由电解槽自我调节，重新向平衡状态靠拢，无需太多的人工干预。这就确保了正常生产和操作的顺利进行，乃至控制系统的容错运行，降低了操作和维护的强度。

槽帮在电解槽中对于侧部内衬材料来说相当于一种永远不受侵蚀的保护层，保护内衬不受电解质熔体的侵蚀。在电解槽中，保证槽帮的存在是延长铝电解槽寿命的重要条件和手段。

（2）槽膛内形的特征尺寸

槽膛内形的典型尺寸如图3-2所示，主要有：

●槽帮厚度：指槽膛侧部（槽帮）最薄部位的厚度。该部位一般在电解质与铝液界面附近。

●伸腿长度：指槽膛底部的“伸腿”进入阳极投影之下的部分的长度。

●伸腿高度：指槽膛底部的“伸腿”进入阳极投影之下的部分的高度。

图3-2 槽膛内形的特征尺寸

槽帮厚度能反映槽膛大小，因此重要。伸腿的大小和形状之所以重要，是因为理论研究和生产实践均表明，伸腿如果太平坦和太长，会导致铝液中产生很大的水平电流，从而产生很大的垂直磁力，引起铝液波动，最后结果是造成槽况不稳定（主要表现为槽电压波动），因而降低电流效率。