Em 16 de abril, na Conferência da Indústria de Alumínio e Exposição da Indústria de Alumínio AICE 2025 SMM (20ª) — Fórum de Alumina e Matérias-Primas de Alumínio, organizada pela SMM Information & Technology Co., Ltd., SMM Metal Trading Center e Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., e co-organizada pela Zhongyifeng Jinyi (Suzhou) Technology Co., Ltd. e Lezhi Qianrun Investment Service Co., Ltd., Wang Zhaoyang, gerente-geral da Luoyang Wanji Carbon Co., Ltd., analisou as tendências tecnológicas e de desenvolvimento de mercado dos cátodos grafitizados.
**Aplicações, Processos e Padrões dos Cátodos de Alumínio**
Cátodos de alumínio: blocos de carbono de cátodo de alto teor de grafite, blocos de carbono de cátodo totalmente grafitizado.
Classificação dos blocos de carbono de cátodo de alumínio:
Cátodos semigrafitizados: Utilizando antracito calcinado eletricamente a alta temperatura como agregado e breu de média ou alta temperatura como adesivo, este produto apresenta baixa condutividade, resistência à corrosão fraca e vida útil curta da célula (cerca de 1.000 dias). Já não atende às atuais políticas industriais e demandas do mercado e foi descontinuado.
Cátodos de alto teor de grafite: Utilizando antracito calcinado eletricamente a alta temperatura e restos de grafite como agregado e breu de média ou alta temperatura como adesivo, este produto apresenta condutividade média, resistência à corrosão ligeiramente melhor e vida útil moderada da célula (cerca de 1.800 dias). Continua sendo uma boa escolha para empresas de alumínio que priorizam o preço, mas espera-se que seja descontinuado em um futuro próximo.
Cátodos grafitizados: Utilizando coque de petróleo calcinado como agregado e breu de média ou alta temperatura como adesivo, com tratamento térmico de grafitização a alta temperatura a 3.000°C, este produto oferece excelente condutividade, economia significativa de energia e vida útil da célula superior a 3.500 dias. Está gradualmente se tornando o principal no mercado.
**Máquina de Moldagem por Vibração de Cátodo KHD (Alemanha)**
Características principais: 1. Extração de vácuo contínua; 2. Baixa porosidade dos produtos; 3. Textura uniforme dos produtos; 4. Alta densidade aparente dos produtos.
**Forno de Torrefação com Tampa em Anel**
Características principais: 1. Excelente isolamento, aquecimento uniforme dos produtos; 2. Estrutura interna estável; 3. Alto valor de coquização dos produtos, 2-3% maior do que fornos abertos.
**Forno de Grafitização da Série de Calor Interno**
Características principais: 1. Alta eficiência energética; 2. Grafitização uniforme; 3. Qualidade estável do produto.
**Forno de Grafitização da Série Interna em U**
Processo de grafitização: Combinando produtos de cátodo torrefados em um circuito como condutores, usando energia elétrica para aquecer o cátodo a cerca de 3.000°C e utilizando ativação térmica para transformar átomos de carbono termodinamicamente instáveis de uma estrutura em camadas desordenadas para uma estrutura cristalina de grafite ordenada, enquanto remove impurezas como enxofre, vanádio, ferro e silício, é produzido grafite de alta qualidade.
**Unidade de Processamento**
Características principais: 1. Alta precisão de processamento; 2. Aparência requintada do produto; 3. Alta automação e capacidade; 4. Coleta eficaz de poeira.
Ele também apresentou os padrões para blocos de carbono de cátodo de alumínio.
**O Papel Importante dos Cátodos nas Células de Eletrólise de Alumínio**
Aplicações dos blocos de carbono de cátodo:
1. Os blocos de carbono de cátodo são um componente essencial do revestimento nas células de eletrólise de alumínio.
2. O desempenho dos blocos de carbono de cátodo impacta significativamente o consumo de energia e a vida útil das células de eletrólise.
3. Como recipiente, os blocos de carbono de cátodo devem resistir à corrosão do alumínio fundido e do eletrólito, garantindo uma distribuição uniforme da corrente no alumínio e no eletrólito.
Os blocos de carbono de cátodo desempenham um papel crucial nas células de eletrólise, frequentemente referidos como os "rins" da célula. A qualidade do cátodo afeta diretamente a vida útil e a eficiência econômica da célula e é fundamental para a manutenção da célula.
►Função de recipiente: Cátodos, pasta e blocos de carbono laterais formam juntos um recipiente onde o alumínio fundido e o eletrólito são mantidos, passando por processos como aquecimento, eletrólise e extração de alumínio.
►Condutividade térmica e resistência a altas temperaturas: As células de eletrólise de alumínio operam a temperaturas acima de 930°C, exigindo materiais resistentes ao calor para suportar o calor e boa condutividade térmica para distribuir o calor uniformemente pelo cátodo, evitando tensão térmica e deformação significativas.
►Condutividade: A corrente entra na célula através da haste de aço na parte inferior do cátodo, distribuindo-se relativamente uniformemente pela base da célula. Depois de passar pelo alumínio fundido e pelo eletrólito, forma um circuito com o ânodo, permitindo reações eletroquímicas e completando o processo de eletrólise. A queda de tensão no cátodo é um parâmetro-chave para a operação da célula.
►Resistência à corrosão: Os cátodos devem resistir à erosão por sais de sódio em sais fundidos e evitar a formação de Al₄C₃, exigindo alta estabilidade na estrutura de átomos de carbono do revestimento do cátodo.
**Razões para a Ascensão dos Cátodos Grafitizados**
Por que usar grafite para fabricar cátodos de alumínio?
O grafite é um excelente condutor de calor e eletricidade, com condutividade térmica e elétrica comparável à da maioria dos metais, mas com características únicas. Enquanto a condutividade térmica da maioria dos metais aumenta com a temperatura, a condutividade térmica do grafite diminui. A temperaturas extremamente altas, o grafite se torna termicamente isolante, tornando-se um material de isolamento térmico confiável sob temperaturas ultra-altas.
**Propriedades do Grafite**
►Resistência a altas temperaturas: O grafite tem ponto de fusão de 3.850°C e ponto de ebulição de 4.250°C, com resistência aumentando com a temperatura. É comumente usado em materiais de garganta de queimadores de mísseis e foguetes e é um material importante nas indústrias aeroespacial e militar.
►Alta condutividade elétrica e térmica: A condutividade elétrica do grafite é 100 vezes maior do que a da maioria dos minérios não metálicos. Sua condutividade térmica excede a do aço, ferro e chumbo. A condutividade térmica diminui com a temperatura e, a temperaturas extremamente altas, o grafite se torna um isolante.
►Lubricidade: As propriedades lubrificantes do grafite dependem do tamanho de suas flocos. Flocos maiores resultam em menor coeficiente de atrito e melhor lubrificação. É frequentemente usado em rolamentos de alta temperatura sem a necessidade de lubrificantes adicionais.
►Estabilidade química e plasticidade: O grafite apresenta excelente estabilidade química à temperatura ambiente, resistindo à corrosão por ácidos, álcalis e solventes orgânicos. Também é altamente maleável e pode ser processado em folhas finas e várias formas.
►Resistência ao choque térmico: O grafite pode suportar mudanças drásticas de temperatura sem danos. Seu volume muda minimamente durante mudanças repentinas de temperatura, evitando rachaduras.
**Vantagens dos Materiais de Grafite na Produção de Cátodos**
Vida útil prolongada da célula: A primeira série de células de eletrólise de cátodo grafitizado na China (Wanji Aluminum) começou a operar em 18 de janeiro de 2006, com uma vida útil média da célula superior a 3.730 dias. A vida útil mais longa foi de 5.696 dias, terminando em 31 de outubro de 2021. Em contraste, empresas que usam cátodos de alto teor de grafite passaram principalmente por uma ou duas revisões principais, com algumas exigindo até três revisões, cada uma custando cerca de 2 milhões de yuan.
Economia de energia superior: Após a adoção de cátodos grafitizados e tecnologia de fundição, a queda de tensão no fundo da célula atingiu um mínimo de 175 mV, mais de 90 mV menor do que a de cátodos de alto teor de grafite. A natureza estável do grafite também resulta em um aumento relativamente pequeno na queda de tensão no fundo da célula durante o uso, economizando 300 kWh por tonelada de alumínio produzido. O investimento adicional pode ser recuperado em pouco tempo.
Operação estável: Devido à baixa absorção de sódio dos cátodos grafitizados, seu coeficiente de expansão de sódio é muito baixo, resultando em expansão horizontal mínima e correspondente deformação da carcaça da célula após a inicialização da célula, reduzindo danos precoces na célula. Além disso, a excelente condutividade térmica do grafite ajuda a formar uma boa parede da fornalha, protegendo eficazmente os lados e reduzindo o consumo de corrente horizontal, garantindo uma operação estável da célula.
Corrente aumentada para aumentar a capacidade: Devido a políticas governamentais rigorosas contra a produção ilegal de alumínio, espera-se que o mercado de alumínio da China enfrente um déficit de oferta, levando a uma forte rentabilidade. Portanto, aumentar a capacidade se tornará uma prioridade para as fábricas de alumínio. Exemplos internacionais e domésticos mostram que a adoção de cátodos grafitizados pode aumentar a capacidade fortalecendo a corrente.
Benefícios ambientais: Os materiais de revestimento gerados após as revisões das células contêm grandes quantidades de elementos perigosos, causando graves danos ambientais. Eles foram classificados como resíduos perigosos, exigindo descarte caro pelas empresas de alumínio. Os cátodos grafitizados, com sua vida útil mais longa, produzem menos resíduos perigosos, atraindo a atenção das autoridades ambientais e das fábricas de alumínio, potencialmente se tornando uma necessidade devido às demandas ambientais.
Três equilíbrios: Os cátodos grafitizados mantêm melhor o equilíbrio de renda e despesa térmica das células de eletrólise, garantem o equilíbrio material da concentração de eletrólito e alumina e alcançam um equilíbrio entre o ânodo (o coração da célula) e o cátodo (os rins da célula).
**Status Atual, Oportunidades e Desafios na Indústria de Cátodos de Alumínio**
Status atual da indústria de cátodos de alumínio:
1. A capacidade de cátodo grafitizado aumentou para 850.000 toneladas/ano.
Nos últimos anos, a capacidade de cátodo permaneceu em torno de 700.000 toneladas. Em 2021, a capacidade foi de 740.000 toneladas/ano, aumentando para 850.000 toneladas/ano em 2022, um aumento de 14,8% em relação ao ano anterior, com o aumento proveniente de produtos de cátodo grafitizado.
Além das empresas tradicionais de cátodo, alguns produtores de eletrodos também ajustaram suas estruturas de produtos para entrar no negócio de cátodo grafitizado.
2. A produção de cátodo grafitizado cresceu significativamente, representando mais de 70% da produção total de cátodo.
Em 2023, a produção de cátodo de alumínio na China se aproximou de 400.000 toneladas, com crescimento anual inferior a 1%. A produção de cátodo grafitizado foi de 270.000 toneladas, um aumento de 30% em relação ao ano anterior, representando 70% da produção total de cátodo.
Tendências de preços no mercado de cátodo nos últimos cinco anos:
3. Os preços dos cátodos grafitizados têm sido altamente voláteis, com a concorrência feroz intensificando.
Nos últimos cinco anos, os preços dos cátodos flutuaram dramaticamente, de quase 20.000 yuan/tonelada em 2019 para cerca de 14.000 yuan/tonelada em 2021, depois subindo acentuadamente para cerca de 36.000 yuan/tonelada, antes de recuar gradualmente em 2023, desencadeando uma série de quedas de preços. As empresas de cátodo têm competido para baixar os preços, com o preço mais baixo atual caindo abaixo de 15.000 yuan/tonelada, deixando a maioria das empresas de cátodo enfrentando perdas.
A volatilidade extrema dos preços desencorajou algumas empresas de investir em cátodos. Com o tempo, à medida que as perdas se expandirem, espera-se que a indústria volte à racionalidade e mude para uma concorrência saudável.**Oferta e Demanda no Mercado de Cátodos de Alumínio**
A capacidade total de alumínio da China é de aproximadamente 45 milhões de toneladas. Se toda a produção de alumínio adotar cátodos grafitizados, com um consumo de 6-8 kg de cátodo por tonelada de alumínio, o consumo nacional anual seria de 250.000-340.000 toneladas. Com todos os novos projetos domésticos entrando em operação, é improvável que a demanda interna mude significativamente.
O mercado de cátodos da China está concentrado principalmente em Jinzhong, Shanxi, Henan e Ningxia, com uma capacidade total de 800.000 toneladas. Desde o ano passado, algumas empresas de eletrodos de grafite entraram no setor de cátodos, expandindo ainda mais a capacidade total. No geral, o mercado permanece gravemente sobressuprido, com uma concorrência feroz.
Ele também apresentou a situação das empresas chinesas que estão construindo projetos de alumínio no exterior.
**Status Atual do Mercado de Coque de Petróleo com Baixo Teor de Enxofre para Cátodos Grafitizados**
Crescimento limitado na produção de coque de baixo teor de enxofre:
1. A produção doméstica de coque de petróleo com baixo teor de enxofre tem diminuído. Nos últimos anos, as importações de petróleo bruto pesado pela China aumentaram significativamente, com a proporção de petróleo bruto com alto teor de enxofre aumentando, levando a uma tendência clara de aumento na produção de coque de petróleo com alto teor de enxofre e baixa qualidade.
2. Os recursos de coque de petróleo com baixo teor de enxofre no exterior são limitados. Os dados de importação dos últimos anos mostram importações anuais de cerca de 4 milhões de toneladas, com pouco espaço para crescimento.
③ Devido aos recursos limitados de coque de petróleo com baixo teor de enxofre, a China importou uma grande quantidade de coque esponjoso com alto teor de enxofre. Através da tecnologia de dessulfurização e mistura precisa, a questão da diminuição da qualidade da matéria-prima foi resolvida.
Aplicação de Novas Tecnologias em Cátodos de Alumínio
Aplicações de Novas Tecnologias em Cátodos de Alumínio
1. Tecnologia de Fundição de Barra de Aço Larga + Ferro Fundido com Fósforo
Alterando o método de conexão e a forma de montagem entre a barra de aço do cátodo e o bloco de carbono do cátodo, a estrutura condutora do cátodo foi otimizada. Isso ajuda a reduzir a corrente horizontal no líquido de alumínio, aumentar a corrente vertical, expandir a área de seção transversal condutora, diminuir a resistência da barra de aço, aumentar a condutividade, reduzir o consumo de corrente contínua (CC) na célula eletrolítica e alcançar uma redução significativa tanto na corrente horizontal no líquido de alumínio quanto na queda de tensão do cátodo. A distribuição da corrente no cátodo torna-se mais uniforme e estável, prolongando a vida útil da célula eletrolítica.
2. Fundição de Barra de Aço Incrustada com Cobre
Ainda usando cátodos grafitizados como suporte, o objetivo é otimizar a estrutura condutora do cátodo e reduzir a corrente horizontal e a queda de tensão do cátodo. Esta tecnologia está atualmente em fase exploratória, com vários institutos de design envolvidos, e células de teste em pequena escala estão sendo conduzidas de maneira ordenada.
3. Cátodos de Alta Resistência, Alta Condutividade e Alta Densidade de Volume Também Estão Sendo Aplicados
Atualmente, algumas empresas de alumínio implementaram compras classificadas para blocos de carbono do cátodo, sendo a primeira classe a melhor e a segunda classe atendendo aos padrões nacionais. Foram fornecidas medidas de incentivo para a primeira classe, o que, em certa medida, promove o desenvolvimento saudável do setor de cátodos. Enquanto isso, alguns usuários expressaram demanda de mercado por cátodos impregnados, que também ocuparão um lugar no futuro.
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