1、铝用阴极炭块市场与发展沈阳铝镁设计研究院有限公司沈阳铝镁设计研究院有限公司中铝国际工程股份有限公司沈阳分公司中铝国际工程股份有限公司沈阳分公司中国有色金属工业协会轻金属编辑部中国有色金属工业协会轻金属编辑部20242024年年4 4月月23-2523-25日日 中国中国 重庆重庆 孙孙 毅毅 2024 2024 SMMSMM(第十九届第十九届)铝业大会暨首届铝产业博览会铝业大会暨首届铝产业博览会电解铝与铝用阴极市场电解铝与铝用阴极市场0102铝用阴极炭块分类与特点铝用阴极炭块分类与特点03铝用阴极的发展铝用阴极的发展 -绿色低碳的石墨化复合阴极绿色
2、低碳的石墨化复合阴极04公司简介公司简介目目 录录电解铝与铝用阴极市场电解铝与铝用阴极市场011、全球电解铝产能全球电解铝产能数据来源：百川盈孚2、中国电解铝产量中国电解铝产量数据来源：百川盈孚3、国外铝用阴极生产、国外铝用阴极生产国外阴极总国外阴极总产能约为：产能约为：25万吨万吨70-80%：国外石墨化炭块产量占总产量比例国外石墨化炭块产量占总产量比例10家：国外阴极炭块生产厂家总计家：国外阴极炭块生产厂家总计西方产品特点：质优，价高，性能稳定西方产品特点：质优，价高，性能稳定占据国外主要市场。占据国外主要市场。石墨化炭块产量：石墨化炭块产量：16万吨万吨SGL石墨化石墨化:已经进入国内市
3、场已经进入国内市场 也在寻找中国合作伙伴，欲开拓国内市场也在寻找中国合作伙伴，欲开拓国内市场3、国外铝用阴极生产、国外铝用阴极生产u-2021年产能为年产能为7070万吨万吨/年；年；2022-2023 2022-2023年增至年增至80-8580-85万吨万吨/年，年，增量为石墨化增量为石墨化。20232023有效产量约有效产量约35-4535-45万吨，石墨化产量占比万吨，石墨化产量占比60%60%。阴极出口约占阴极出口约占8-10%8-10%（3-43-4万吨）。万吨）。u阴极糊料产能约为：阴极糊料产能约为：1010万吨万吨u全国阴极炭块厂家共计全国阴极炭块厂家
4、共计2020家；阴极糊企业家；阴极糊企业有有3 3家（埃肯碳素家（埃肯碳素+河南河南薪旺薪旺+宁夏中兴）宁夏中兴）u除传统阴极企业外，一些电极生产企业也在除传统阴极企业外，一些电极生产企业也在调整产品结构，进军调整产品结构，进军石墨化阴极业务。石墨化阴极业务。阴极产能严重过剩、开工率低阴极产能严重过剩、开工率低4、国内铝用阴极生产、国内铝用阴极生产4、国内铝用阴极生产、国内铝用阴极生产日常生产用阴极（槽大修）:6-7公斤/吨铝；建设期间一次性用阴极20-22公斤/吨铝中国电解铝总产能约4430万吨，正常生产，平均每年全国的消耗量为25-30万吨左右2022-2023年中国铝用阴极市场月度均价5
5、、铝用阴极价格、铝用阴极价格铝用阴极炭块分类与特点铝用阴极炭块分类与特点02铝电解槽剖面示意图 预焙炭阳极预焙炭阳极 阴极炭块阴极炭块 捣固糊捣固糊铝铝用用炭炭素素材材料料铝用炭素材料的种类覆盖电解质 Bath Cover电化学反应电化学反应2Al2O3+3C4Al+3CO2 950氟化盐电解质 Bath强大电流 CurrentCO2气体炭阳极 Anode 铝液（阴极）Metal导入强大直流电；在强腐蚀、高温氧化气氛环境中工作；参与阳极电化学反应而不断被消耗；炭阳极被公认为铝电解槽的“心脏”。预焙炭阳极的作用铝电解用阴极炭块 阴极铝液面上进行析出铝的电阴极铝液面上进行析出铝的电解反应；解反应；
6、直流电流经铝液、阴极炭块和直流电流经铝液、阴极炭块和阴极钢棒导出槽外；阴极钢棒导出槽外；阴极炭块承受熔盐和铝液的侵阴极炭块承受熔盐和铝液的侵蚀和冲击及各种应力作用蚀和冲击及各种应力作用电化学反应电化学反应Al3+3e Al阴极炭块的作用阴极炭块的分类阴极炭块生产工艺流程高石墨质阴极（高石墨质阴极（30%）导电性能差、耐腐蚀性差、槽寿命，已不能适应当前产业政策及市场需求，将逐步退出市场高石墨质阴极（高石墨质阴极（50%）导电性能一般、耐腐蚀性稍好、槽寿命一般，对于一些在意价格的铝业公司来讲，也是不错的选择，但预计会在近两年被市场淘汰。全石墨质阴极全石墨质阴极全石墨质阴极以其适中的价格和良好的性能
7、正在被研究机构所关注，存在一定的应用空间。石墨化阴极石墨化阴极具有良好的导电性能和明显的节电效果，槽寿命达2600天以上，正逐步成为市场主流。阴极炭块性能指标与选择导电导热性石墨导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高温度下，石墨成绝热体。石墨熔点为385050，沸点为4250，即使经超高温电弧灼烧，重量损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，和一般金属不同，当温度升高时，它不趋于软化，在2000时，石墨强度提高一倍。耐高温性可塑性石 墨 韧性好，硬度不大，可以很轻易的被加工成各种精度很高的形状。对于阴极行业来讲，生产难度
8、较小。抗热震性石墨在常温下使用时能经受住温度剧烈变化而不致破坏，石墨具有突出的耐高温和耐低温性质，膨胀系数很小，因此，急冷急热变化时，石墨体积变化不大，不会产生裂纹。化学稳定性石墨在常温下有良好化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂腐蚀。石墨的特性相比于石墨质炭块电解槽：炉底压降更低炉底压降更低，特别是与节能技术相结合时，节能效果更好；更优的抗钠腐蚀性能更优的抗钠腐蚀性能，有利于保证电解槽长期的高性能运行；导热性能更好导热性能更好，投入运行后局部早期破损的概率更小；性质更均一、稳定性质更均一、稳定，阴极电流分布更均匀，有利于电解槽稳定运行。指标指标单位单位30%石墨质石墨质 50%石墨质石墨质全
9、石墨化全石墨化真密度真密度g/cm31.942.002.18体积密度体积密度g/cm31.581.601.62总气孔率总气孔率%192026灰分灰分%3.33.00.4耐压强度耐压强度MPa282620抗折强度抗折强度MPa7.98.08.0杨式模量杨式模量Gpa7.37.06.820电阻率电阻率m3129121000电阻率电阻率m19.517.010.020导热率导热率W/mK导热率导热率W/mK平均平均热膨胀率热膨胀率10-6/(300)3.53.53.3钠膨胀率钠膨胀率%0.570.650.35石墨化阴极炭块的优势特点石墨化阴极在电解铝节能技术
10、应用中的重要性石墨化阴极在电解铝节能技术应用中的重要性如何大幅度降低铝液中水平电流提高磁流体稳定性CVD阳极电流密度0.804A/cm2的500kA电解槽：50%石墨质阴极炭块炭糊扎固CVD-306mV，50%石墨质阴极炭块生铁浇铸CVD-238mV，石墨化阴极炭块生铁浇铸CVD-196mV，石墨化阴极炭块加铜钢棒生铁浇铸CVD-150mV.在所有外部条件相同的情况下，与50%石墨质阴极相比，石墨化阴极电解槽运行稳定，电流效率提高 1%；吨铝电耗降低 150 kWh；预期槽寿命较石墨质阴极槽有提升。0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0-4000-3000-2000
11、-0030004000500060007000 Jy(A/m2)Y(m)系列槽CVD=303mV Jymax=3190 方案一CVD=196mV Jymax=5539 方案二CVD=173mV Jymax=2207石墨化阴极在电解铝节能技术应用中的重要性石墨化阴极在电解铝节能技术应用中的重要性不同材料在钠浸蚀下的保持情况左图是各种制作阴极炭块材料在钠浸蚀下的情况，从图中可以看出，纯石墨在钠浸蚀的情况下表观最为稳定、无烟煤次之，冶金焦和石油焦易表现最差，会导致电解槽出现漏槽现象。铝用阴极的发展铝用阴极的发展-绿色低碳的石墨化复合阴极绿色低碳的石墨化复合阴极03一、一、“绿色
12、低碳、双控增效绿色低碳、双控增效”战略背景及相关政策战略背景及相关政策 随着国家碳达峰、碳中和“3060”战略目标的提出和逐步实施，电解铝行业所面临的“能耗双控”压力愈发增大，尤其是2021年8月26日国家发改委印发了关于完善电解铝行业阶梯电价政策的通知（发改价格20211239号）后，节能降碳成为当前电解铝企业生存和发展的首要议题。自2022年1月1日起，按铝液综合交流电耗对阶梯电价进行分档，高于分档标准的，每超过20kwh，每千瓦时加价0.01元。不高于分档标准的，铝液生产用电量不加价；不足20千瓦时的，按20千瓦时计算。自2022年起，分档标准为每吨13650千瓦时；自2023年起，分档
13、标准为每吨13450千瓦时（不含脱硫电耗）；自2025年起，分档标准调整为铝液综合交流电耗每吨13300千瓦时（不含脱硫电耗）。年份电价加价电力成本增量20220元/kWh0 元/t2023-20240.05元/kWh677 元元/t20250.13元/kWh1761 元元/t碳达峰、碳中和提出背景一、一、“绿色低碳、双控增效绿色低碳、双控增效”战略背景及相关政策战略背景及相关政策7 7月月4 4日，国家发改委等部门发布关于日，国家发改委等部门发布关于工业重点领域能效标杆水平和基准水平（工业重点领域能效标杆水平和基准水平（20232023年版）年版）的通知。的通知。“在在规定时限内规定时限内将
14、能效改造升级到将能效改造升级到基准水平基准水平以上以上，对于不能按期改造完毕的项目进行淘，对于不能按期改造完毕的项目进行淘汰汰”电解铝：铝液交流电耗13350kWh/t-Al13350kWh/t-Al（基准水平）。（基准水平）。原则上应在20252025年底前年底前完成技术改造或淘汰退出碳交易提出背景二、二、石墨化复合阴极内衬深度节能技术石墨化复合阴极内衬深度节能技术 作为新中国铝工业技术发展的开拓者和主力军，沈阳铝镁院研发设计了135kA、160kA、190/200kA、230/240kA、280kA、300kA、350kA、400kA、500kA和600kA系列铝电解槽及配套技术，为新中国
15、及世界铝工业的高质量发展做出了卓越贡献。在推动国家铝电解技术快速发展的同时，沈阳院始终坚持面向国家高质量发展战略需求，形成了一整套系统完备、科学规范的绿色低碳铝电解技术体系。其中，“石墨化复合阴极内衬深度节能技术石墨化复合阴极内衬深度节能技术”是沈阳院铝电解技术体系中节能效果最显著、适用范围最广泛、市场认可度最高的核心技术之一。沈阳院电解铝节能技术的发展过程2008年前后，我国掀起一轮节能降耗的浪潮，新技术陆续涌现（异形阴极、阻流块、双钢棒等）极大提升了我国电解铝企业在节能方面的国际竞争力石墨化复合阴极内衬深度石墨化复合阴极内衬深度 节能技术节能技术新式阴极钢棒结构技术新式阴极钢棒结构技术（双
16、钢棒）（双钢棒）阻流阴极技术阻流阴极技术 增加电解槽阻尼特性增加电解槽阻尼特性 降低铝液流速降低铝液流速 降低铝液水平电流降低铝液水平电流 30%-50%30%-50%提高电解槽磁流体稳定性提高电解槽磁流体稳定性 降低铝液水平电流降低铝液水平电流 30%-50%30%-50%进一步降低阴极压降（进一步降低阴极压降（CVDCVD）提高电解槽健康寿命提高电解槽健康寿命123国内电解铝多以火电为主，电价相对较高国家宏观产业政策持续缩紧，电解铝企业单位产品能源消耗限额，新建电解铝企业-铝液交流电耗：12650 kWh/t-Al关于电解铝行业阶梯电价政策的通知，改造电解铝企业-铝液交流电耗：13300k
17、Wh/t-Al决定槽寿命直接影响磁流体稳定性和热平衡阴极是电解槽的心脏二、石墨化复合阴极内衬深度节能技术二、石墨化复合阴极内衬深度节能技术二、石墨化复合阴极内衬深度节能技术二、石墨化复合阴极内衬深度节能技术 SAMI将降低并均化铝液中水平电流和炉底压降的设计理念融入到石墨化复合阴极内衬深度节能技术的设计之中，并通过工业化试验摸索出一整套的阴极组装-浇铸工艺及配套设备。实现电解槽铝液中水平电流与阴极压降双重大幅降低。通过实现阴极电流分布更加均匀和稳定，从而延长电解槽使用寿命。不同阴极结构水平电流比较及阴极组电-热-应力多维耦合模型磷铁成分磷铁成分磷铁温度磷铁温度升温速率及温度分布升温速率及温度分
18、布阴极预热温度阴极预热温度浇铸点位置浇铸点位置阴极预热温度均匀性控制阴极预热温度均匀性控制磷铁浇铸过程中技术要点磷铁浇铸过程中技术要点二、石墨化复合阴极内衬深度节能技术二、石墨化复合阴极内衬深度节能技术 为实现石墨化复合阴极内衬深度节能技术的顺利应用，针对石墨化阴极特性，自主研发了一套先进的阴极浇铸工艺过程控制理论和燃气预热装置等装备，形成了一整套成熟的工艺及配套装备，阴极浇铸组装成品率接近100%。二、石墨化复合阴极内衬深度节能技术二、石墨化复合阴极内衬深度节能技术14阴极浇铸探索性试验 探索电加热及石墨化阴极浇铸的可行性明确燃气预热的方向信发500kA成功进行
19、浇铸试验 确定了阴极炭块组结构 确定了浇铸工艺 提出燃气预热设备的改进方向对预热设备进行改进，在青海试验槽上成功应用在印尼INALUM电解改造项目上成功应用2017-2005中润、ETI、蒙泰等铝厂系列化、大规模应用 宽 钢 棒+磷 生 铁 浇 铸 技 术 镶 镶 铜 钢 棒 技 术 高 强 度、高 导 电 性、高 体积 密 度 石 墨 化 阴 极三、石墨化复合阴极内衬深度节能技术应用情况及效果三、石墨化复合阴极内衬深度节能技术应用情况及效果技术效果及工业应用阴极压降比之前技术低50 150mV技术效果技术效果阴极炭块预热升温曲线精确可控，满足不同工况浇铸要求消除浇铸过程产生的裂纹和破损，组装
20、成品率99.9%阴极炭块和钢棒内应力有效释放，Fe-C间隙均一适中组装成本相比电加热节省约30%，安全可靠技术适用性强，投资成本低，移动和运输方便，23天可组装吨铝可平均节电约200800kWh/t-Al，最高节电约1000kWh/t-A电解槽预期寿命将超过2600天工业生产证明采用该技术与工业生产证明采用该技术与装备的铝电解槽装备的铝电解槽 三、铝电解节能技术应用情况及效果三、铝电解节能技术应用情况及效果部分节能型长寿命石墨化阴极浇铸技术应用案例序号序号工程系列工程系列石墨化石墨化槽数（台）槽数（台）首批首批/台台投运时间投运时间技术指标技术指标1新疆信发500kA2015.10阴极压降19
21、0mV、电流效率93%、直流电耗12500kWh/tAl2内蒙古锦联500kA2016.11阴极压降190mV、电流效率93%、直流电耗12750kWh/tAl3印尼Inalum235kA2017.03阴极压降170mV、电流效率95%、直流电耗12600kWh/tAl4营口忠旺二系列500kA2018.09阴极压降190mV、电流效率94%、直流电耗12650kWh/tAl5广西华磊500kA2021.01阴极压降216mV、电流效率95.2%、直流电耗12298kWh/tAl6包铝华云500kA2022.01阴极压降195mV、电流效率93.5%、直流电耗12297kWh/tAl7云铝泽鑫
22、400kA2022.01阴极压降162mV、电流效率93.8%、直流电耗12133kWh/tAl8中铝青海180kA2022.01阴极压降186mV、电流效率95.6%、直流电耗12268kWh/tAl9云南文山500kA2022.01阴极压降205mV、电流效率93.5%、直流电耗12450kWh/tAl10云南溢鑫500kA2023.01阴极压降202mV、电流效率94.2%、直流电耗12300kWh/tAl 上表中显示采用本技术的电解槽，特别是启动较早的新疆信发大容量电解槽自2015年启动以来，槽寿命已经超过2900天天，并且电解槽仍在健康稳定运行，技术指标优秀。结合以往电解槽的运行经验
23、和运行数据推算，采用该技术的电解槽预期平均寿命将超过2600天。若能实现氧化铝、炭阳极及电解质体系等原材料和设计、工艺条件、人员管理的优选优配、科学管控，并因厂施策、因时因地制宜地进一步挖掘升级槽控下料系统等配套节能技术措施，采用该技术的电解槽预期原铝液直流电耗低于12300 kWh/tAl，可实现系列化运行原铝液直流电耗低于12450 kWh/tAl。工业应用工业应用印尼INALUM电解升级改造项目采用了本技术，2023年4月10日点火启动。三、三、石墨化复合阴极内衬深度节能技术应用情况及效果石墨化复合阴极内衬深度节能技术应用情况及效果序号序号项目名称项目名称槽型槽型/kA阴极组材质阴极组材
24、质投运时间投运时间24云铝泽鑫铝业400石墨化2022.0125中铝包头华云铝业400石墨化2022.0126中铝包头铝业400石墨化2022.0127中铝遵义铝业400石墨化2023.0428内蒙古锦联铝业500石墨化2016.1129内蒙古蒙泰铝业500石墨化2021.0930山东魏桥集团500石墨化2022.1131新疆其亚铝业500石墨化建设中32新疆神火铝业500石墨化2023.0733新疆信发农六师铝业500石墨化2015.1034印尼力勤铝业500石墨化建设中35营口忠旺铝业500石墨化2018.0936云铝文山铝业500石墨化2022.0137云铝溢鑫铝业500石墨化2023.
25、0138云南神火铝业500石墨化建设中39中铝包头华云铝业500石墨化2021.1140中铝广西华磊铝业500石墨化2021.1041中铝贵州华仁铝业500石墨化2023.0442中铝连城分公司500石墨化2022.0643中铝山西中润铝业500石墨化2023.0644山东魏桥集团600石墨化2022.1145中铝包头华云铝业600石墨化建设中序号序号项目名称项目名称槽型槽型/kA阴极组材质阴极组材质投运时间投运时间1中铝青海分公司180石墨化2022.032国电投青铜峡铝业200石墨化2022.073新疆天龙铝业200石墨化2023.044中铝兰州铝业200石墨化2023.015中铝连城分公
26、司200石墨化2021.116印尼国家铝业INALUM235石墨化2017.037广西百色银海铝业260石墨化2022.088国电投霍煤鸿骏铝业300石墨化2022.119土耳其ETI铝业300石墨化2018.1210广西来宾银海铝业350石墨化2022.1111国电投霍煤鸿骏铝业350石墨化2022.0712国电投宁东铝业350石墨化2022.0813国电投青铜峡铝业350石墨化2022.0714云铝淯鑫铝业350石墨化2023.0415中铝兰州铝业350石墨化2021.1116广西来宾银海铝业400石墨化2022.0417国电投霍煤鸿骏铝业400石墨化2022.0618国电投宁东铝业400
27、石墨化2022.0819内蒙古大唐国际铝业400石墨化建设中20山东魏桥集团400石墨化2022.1021新疆天龙铝业400石墨化2023.0422云铝海鑫铝业400石墨化2023.0623云铝涌鑫铝业400石墨化2023.01该技术获得国家发明专利3项，实用新型专利3项，通过中国有色金属工业协会组织的成果鉴定，并被评为科学技术奖一等奖，并成功入选有色行业低碳技术路线图。目前该技术的先进性已得到国内外企业的广泛认可。三、石墨化复合阴极内衬深度节能技术应用情况及效果三、石墨化复合阴极内衬深度节能技术应用情况及效果高强高导高密的复合石墨化阴极技术前景广阔 实现电解铝生产深度节能降耗、大幅降本增效，
28、已经成为关系我国电解铝工业绿色高质量发展的根本问题。石墨化阴极作为电解铝生产中的核心材料，优质的石墨化阴极产品的使用对我国电解铝行业的技术进步起到至关重要的作用。采用石墨化复合阴极内衬深度节能技术应用于电解生产，可实现吨铝节电200800 kWh，2022年全国电解铝产量4021.4万吨，如应用于国内所有电解铝厂，保守估计，每年可实现节电约110亿度、减少二氧化碳排放量约620万吨，充分响应了国家“双碳政策”和国家发展改革委关于完善电解铝行业阶梯电价政策的通知，实现了铝电解节能技术的飞跃，助力实现“2030年碳达峰目标、2060年碳中和愿景”。按照国内电解铝产能4430万吨，按照每个电解槽的大
29、修周期为6年计算，国内每年将有5000台电解槽需进行大修。按每台电解槽需要50吨石墨化阴极估算，理论上，国内电解铝企业为满足国家阶梯电价要求，均采用石墨化阴极，那么每年需要至少需要25万石墨化阴极。另外，国外电解铝企业普遍采用石墨化阴极，沈阳院在意大利、土耳其、印尼等项目上也使用了石墨化阴极。因此石墨化阴极，特别是高强度、高导电、高密度的复合石墨化阴极，应用市场推广前景将非常广阔，公司简介公司简介04SAMI 简介371新中国第一家国营设计企业73经历了73年的风雨历程；拥有一个700余人设计团队；设置了30多个专业；700306000完成了6000余项工程咨询/设计 SAMI 成立于1951
30、年，我国最早建立的大型综合性甲级设计研究单位之一，全国勘察设计综合实力百强单位，拥有冶金、建筑、市政、公用等甲级工程设计、咨询等资质SAMI 简介 全国中文核心期刊、中国科学引文数据库(CSCD)等录入CN 21-1217/TG，ISSN 1002-1752 月刊 THANK YOU沈阳铝镁设计研究院有限公司 孙 毅 正高级工程师，中铝国际工程股份有限公司沈阳分公司/沈阳铝镁设计研究院有限公司副总工程师、全国有色金属行业设计大师，中文核心期刊轻金属杂志副主编；国家科技奖励专家库评审专家，中国有色金属学会常务理事,中国金属学会炭素材料分会副主任委员、炭素技术杂志编委。研究方向：炭素材料（石油焦与针状焦、铝用阳极与阴极；石墨电极；特炭；负极等）、铝冶炼（电解铝和氧化铝）、环境工程的研发、咨询、设计，工程承包、技术服务。获得省部级科技进步一等奖4项、二等奖4项、三等奖2项，省部级优秀设计一等奖3项、二等奖3项；获得国家授权专利48项；在国内外核心刊物上发表学术论文30余篇。电话： QQ：1294690207
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