El 16 de abril, en el Foro de Alúmina y Materias Primas de Aluminio de la Conferencia de la Industria del Aluminio y la Exposición de la Industria del Aluminio AICE 2025 SMM (20.ª), organizado por SMM Information & Technology Co., Ltd., SMM Metal Trading Center y Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., y coorganizado por Zhongyifeng Jinyi (Suzhou) Technology Co., Ltd. y Lezhi Qianrun Investment Service Co., Ltd., Wang Zhaoyang, gerente general de Luoyang Wanji Carbon Co., Ltd., analizó las tendencias tecnológicas y de desarrollo del mercado de los cátodos grafitizados.
**Aplicaciones, procesos y estándares de los cátodos de aluminio**
Cátodos de aluminio: bloques de carbono de cátodo de alto contenido de grafito, bloques de carbono de cátodo totalmente grafitizado.
Clasificación de los bloques de carbono de cátodo de aluminio:
Cátodos semigrafitizados: Este producto, que utiliza antracita calcinada eléctricamente a alta temperatura como agregado y brea de media o alta temperatura como adhesivo, tiene una conductividad deficiente, una resistencia a la corrosión débil y una vida útil de celda corta (alrededor de 1000 días). Ya no cumple con las políticas industriales actuales ni las demandas del mercado y ha sido eliminado gradualmente.
Cátodos de alto contenido de grafito: Este producto, que utiliza antracita calcinada eléctricamente a alta temperatura y restos de grafito como agregado y brea de media o alta temperatura como adhesivo, tiene una conductividad media, una resistencia a la corrosión ligeramente mejor y una vida útil de celda moderada (alrededor de 1800 días). Sigue siendo una buena opción para las empresas de aluminio centradas en el precio, pero se espera que sea eliminada gradualmente en un futuro próximo.
Cátodos grafitizados: Este producto, que utiliza coque de petróleo calcinado como agregado y brea de media o alta temperatura como adhesivo, con un tratamiento térmico de grafitización a alta temperatura a 3000 °C, ofrece una excelente conductividad, un ahorro de energía considerable y una vida útil de celda superior a 3500 días. Se está convirtiendo gradualmente en el producto dominante en el mercado.
**Máquina de moldeo por vibración de cátodos KHD (Alemania)**
Características clave: 1. Extracción continua de vacío; 2. Baja porosidad de los productos; 3. Textura uniforme de los productos; 4. Alta densidad aparente de los productos.
**Horno de cocción cubierto de tipo anular**
Características clave: 1. Excelente aislamiento, calentamiento uniforme de los productos; 2. Estructura interna estable; 3. Alto valor de coquización de los productos, 2-3% más alto que los hornos abiertos.
**Horno de grafitización de la serie de calor interno**
Características clave: 1. Alta eficiencia energética; 2. Grafitización uniforme; 3. Calidad estable del producto.
**Horno de grafitización de la serie interna tipo U**
Proceso de grafitización: Al combinar los productos de cátodo cocido en un circuito como conductores, utilizando energía eléctrica para calentar el cátodo a alrededor de 3000 °C y utilizando la activación térmica para transformar los átomos de carbono termodinámicamente inestables de una estructura laminada desordenada a una estructura cristalina de grafito ordenada, mientras se eliminan impurezas como azufre, vanadio, hierro y silicio, se produce grafito de alta calidad.
**Unidad de procesamiento**
Características clave: 1. Alta precisión de procesamiento; 2. Aspecto exquisito del producto; 3. Alta automatización y capacidad; 4. Recolección eficaz de polvo.
También presentó los estándares para los bloques de carbono de cátodo de aluminio.
**El importante papel de los cátodos en las cubas de electrólisis de aluminio**
Aplicaciones de los bloques de carbono de cátodo:
1. Los bloques de carbono de cátodo son un componente esencial del revestimiento de las cubas de electrólisis de aluminio.
2. El rendimiento de los bloques de carbono de cátodo afecta significativamente el consumo de energía y la vida útil de las cubas de electrólisis.
3. Como recipiente, los bloques de carbono de cátodo deben resistir la corrosión del aluminio fundido y del electrólito, al tiempo que garantizan una distribución uniforme de la corriente en el aluminio y el electrólito.
Los bloques de carbono de cátodo desempeñan un papel crucial en las cubas de electrólisis, a menudo denominados los "riñones" de la celda. La calidad del cátodo afecta directamente la vida útil y la eficiencia económica de la celda, y es fundamental para su mantenimiento.
►Función de recipiente: Los cátodos, la pasta y los bloques de carbono laterales forman conjuntamente un recipiente donde se mantienen el aluminio fundido y el electrólito, y se llevan a cabo procesos como el calentamiento, la electrólisis y la colada de aluminio.
►Conductividad térmica y resistencia a altas temperaturas: Las cubas de electrólisis de aluminio funcionan a temperaturas superiores a 930 °C, lo que requiere materiales resistentes al calor para soportar el calor y una buena conductividad térmica para distribuir el calor uniformemente a través del cátodo, evitando tensiones térmicas y deformaciones significativas.
►Conductividad: La corriente entra en la celda a través de la barra de acero en la parte inferior del cátodo, distribuyéndose de manera relativamente uniforme a través de la base de la celda. Después de pasar a través del aluminio fundido y el electrólito, forma un circuito con el ánodo, permitiendo las reacciones electroquímicas y completando el proceso de electrólisis. La caída de voltaje del cátodo es un parámetro clave para el funcionamiento de la celda.
►Resistencia a la corrosión: Los cátodos deben resistir la erosión por sales de sodio en sales fundidas y evitar la formación de Al₄C₃, lo que requiere una alta estabilidad en la estructura de átomos de carbono del revestimiento del cátodo.
**Razones para el aumento de los cátodos grafitizados**
¿Por qué utilizar grafito para fabricar cátodos de aluminio?
El grafito es un excelente conductor del calor y la electricidad, con una conductividad térmica y eléctrica comparable a la de la mayoría de los metales, pero con características únicas. Mientras que la conductividad térmica de la mayoría de los metales aumenta con la temperatura, la conductividad térmica del grafito disminuye. A temperaturas extremadamente altas, el grafito se vuelve térmicamente aislante, lo que lo convierte en un material de aislamiento térmico confiable bajo temperaturas ultraaltas.
**Propiedades del grafito**
►Resistencia a altas temperaturas: El grafito tiene un punto de fusión de 3850 °C y un punto de ebullición de 4250 °C, y su resistencia aumenta con la temperatura. Se utiliza comúnmente en materiales para la garganta de quemadores de misiles y cohetes y es un material importante en las industrias aeroespacial y militar.
►Alta conductividad eléctrica y térmica: La conductividad eléctrica del grafito es 100 veces mayor que la de la mayoría de los minerales no metálicos. Su conductividad térmica supera la del acero, el hierro y el plomo. La conductividad térmica disminuye con la temperatura, y a temperaturas extremadamente altas, el grafito se convierte en un aislante.
►Lubricidad: Las propiedades lubricantes del grafito dependen del tamaño de sus escamas. Escamas más grandes dan como resultado un menor coeficiente de fricción y una mejor lubricación. A menudo se utiliza en cojinetes de alta temperatura sin necesidad de lubricantes adicionales.
►Estabilidad química y plasticidad: El grafito tiene una excelente estabilidad química a temperatura ambiente, resistiendo la corrosión por ácidos, álcalis y disolventes orgánicos. También es muy maleable y se puede procesar en láminas delgadas y diversas formas.
►Resistencia a los choques térmicos: El grafito puede soportar cambios drásticos de temperatura sin daños. Su volumen cambia mínimamente durante cambios repentinos de temperatura, evitando grietas.
**Ventajas de los materiales de grafito en la producción de cátodos**
Vida útil prolongada de la celda: La primera serie de cubas de electrólisis de cátodos grafitizados en China (Wanji Aluminum) comenzó a funcionar el 18 de enero de 2006, con una vida útil media de la celda superior a 3730 días. La vida útil más larga fue de 5696 días, finalizando el 31 de octubre de 2021. En contraste, las empresas que utilizan cátodos de alto contenido de grafito han experimentado en su mayoría una o dos revisiones mayores, y algunas incluso han requerido tres revisiones, cada una con un costo de alrededor de 2 millones de yuanes.
Ahorro de energía superior: Después de adoptar cátodos grafitizados y tecnología de fundición, la caída de voltaje en la parte inferior de la celda alcanzó un mínimo de 175 mV, más de 90 mV inferior a la de los cátodos de alto contenido de grafito. La naturaleza estable del grafito también da como resultado un aumento relativamente pequeño en la caída de voltaje en la parte inferior de la celda durante el uso, ahorrando 300 kWh por tonelada de aluminio producido. La inversión adicional puede recuperarse en poco tiempo.
Funcionamiento estable: Debido a la baja absorción de sodio de los cátodos grafitizados, su coeficiente de expansión por sodio es muy bajo, lo que resulta en una expansión horizontal mínima y una deformación correspondiente de la carcasa de la celda después del arranque de la celda, reduciendo el daño temprano de la celda. Además, la excelente conductividad térmica del grafito ayuda a formar una buena pared del horno, protegiendo eficazmente los lados y reduciendo el consumo de corriente horizontal, garantizando un funcionamiento estable de la celda.
Corriente mejorada para aumentar la capacidad: Debido a las estrictas políticas gubernamentales contra la producción ilegal de aluminio, se espera que el mercado de aluminio de China enfrente una brecha de suministro, lo que llevará a una fuerte rentabilidad. Por lo tanto, aumentar la capacidad se convertirá en una prioridad para las plantas de aluminio. Tanto los ejemplos internacionales como los nacionales muestran que la adopción de cátodos grafitizados puede aumentar la capacidad fortaleciendo la corriente.
Beneficios ambientales: Los materiales de revestimiento generados después de las revisiones de las cubas contienen grandes cantidades de elementos peligrosos, causando graves daños ambientales. Han sido clasificados como residuos peligrosos, lo que requiere una eliminación costosa por parte de las empresas de aluminio. Los cátodos grafitizados, con su mayor vida útil, producen menos residuos peligrosos, lo que atrae la atención de las autoridades ambientales y las plantas de aluminio, y potencialmente se convertirán en una necesidad debido a las demandas ambientales.
Tres equilibrios: Los cátodos grafitizados mantienen mejor el equilibrio de ingresos y gastos térmicos de las cubas de electrólisis, garantizan el equilibrio material de la concentración de electrólito y alúmina y logran un equilibrio entre el ánodo (el corazón de la celda) y el cátodo (los riñones de la celda).
**Estado actual, oportunidades y desafíos en la industria de cátodos de aluminio**
Estado actual de la industria de cátodos de aluminio:
1. La capacidad de cátodos grafitizados aumentó a 850 000 t/año.
En los últimos años, la capacidad de cátodos se ha mantenido en alrededor de 700 000 t. En 2021, la capacidad fue de 740 000 t/año, aumentando a 850 000 t/año en 2022, un aumento interanual del 14,8 %, proveniente de los productos de cátodos grafitizados.
Además de las empresas tradicionales de cátodos, algunos productores de electrodos también han ajustado sus estructuras de productos para ingresar al negocio de cátodos grafitizados.
2. La producción de cátodos grafitizados ha aumentado significativamente, representando más del 70 % de la producción total de cátodos.
En 2023, la producción de cátodos de aluminio de China se acercó a 400 000 t, con un crecimiento interanual de menos del 1 %. La producción de cátodos grafitizados fue de 270 000 t, un aumento interanual del 30 %, representando el 70 % de la producción total de cátodos.
Tendencias de los precios del mercado de cátodos en los últimos cinco años:
3. Los precios de los cátodos grafitizados han sido muy volátiles, con una competencia feroz que se intensifica.
En los últimos cinco años, los precios de los cátodos han fluctuado drásticamente, de casi 20 000 yuanes/t en 2019 a alrededor de 14 000 yuanes/t en 2021, para luego aumentar bruscamente a alrededor de 36 000 yuanes/t, antes de retroceder gradualmente en 2023, desencadenando una serie de colapsos de precios. Las empresas de cátodos han estado compitiendo para bajar los precios, y el precio más bajo actual ha caído por debajo de 15 000 yuanes/t, dejando a la mayoría de las empresas de cátodos enfrentando pérdidas.
La extrema volatilidad de los precios ha desalentado a algunas empresas de invertir en cátodos. Con el tiempo, a medida que las pérdidas se expanden, se espera que la industria vuelva a la racionalidad y se dirija hacia una competencia saludable.**Oferta y demanda en el mercado de cátodos de aluminio**
La capacidad total de aluminio de China es de aproximadamente 45 millones de toneladas. Si toda la producción de aluminio utiliza cátodos grafitizados, con un consumo de 6-8 kg de cátodo por tonelada de aluminio, el consumo nacional anual sería de 250.000-340.000 toneladas. Con la puesta en marcha de todos los nuevos proyectos nacionales, es poco probable que la demanda interna cambie significativamente.
El mercado de cátodos de China se concentra principalmente en Jinzhong, Shanxi, Henan y Ningxia, con una capacidad total de 800.000 toneladas. Desde el año pasado, algunas empresas de electrodos de grafito han entrado en la industria de cátodos, lo que ha aumentado aún más la capacidad total. En general, el mercado sigue teniendo un grave exceso de oferta y una competencia feroz.
También presentó la situación de las empresas chinas que construyen proyectos de aluminio en el extranjero.
**Estado actual del mercado de coque de petróleo con bajo contenido de azufre para cátodos grafitizados**
Crecimiento limitado de la producción de coque de bajo contenido de azufre:
1. La producción nacional de coque de petróleo con bajo contenido de azufre ha ido disminuyendo. En los últimos años, las importaciones de crudo pesado de China han aumentado considerablemente, y la proporción de crudo con alto contenido de azufre ha aumentado, lo que ha llevado a una tendencia clara de aumento de la producción de coque de petróleo de alta calidad y bajo contenido de azufre.
2. Los recursos de coque de petróleo con bajo contenido de azufre en el extranjero son limitados. Los datos de importación de los últimos años muestran importaciones anuales de alrededor de 4 millones de toneladas, con poco espacio para el crecimiento.
③ Debido a los recursos limitados de coque de petróleo con bajo contenido de azufre, China ha importado una gran cantidad de coque esponjoso con alto contenido de azufre. A través de la tecnología de desulfurización y mezcla precisa, se ha abordado el problema de la disminución de la calidad de la materia prima.
Aplicación de nuevas tecnologías en cátodos de aluminio
Aplicaciones de nuevas tecnologías en cátodos de aluminio
1. Tecnología de fundición de barra de acero ancha + hierro fundido con fósforo
Al alterar el método de conexión y la forma de montaje entre la barra de acero del cátodo y el bloque de carbono del cátodo, se ha optimizado la estructura conductora del cátodo. Esto ayuda a reducir la corriente horizontal en el líquido de aluminio, aumentar la corriente vertical, ampliar el área de la sección transversal conductora, disminuir la resistencia de la barra de acero, mejorar la conductividad, reducir el consumo de corriente continua (CC) en la celda electrolítica y lograr una reducción significativa tanto de la corriente horizontal en el líquido de aluminio como de la caída de voltaje del cátodo. La distribución de la corriente del cátodo se vuelve más uniforme y estable, lo que prolonga la vida útil de la celda electrolítica.
2. Fundición de barra de acero incrustada con cobre
Siguiendo utilizando cátodos grafitizados como portador, el objetivo es optimizar la estructura conductora del cátodo y reducir la corriente horizontal y la caída de voltaje del cátodo. Esta tecnología se encuentra actualmente en fase exploratoria, con la participación de varios institutos de diseño, y se están llevando a cabo de manera ordenada células de prueba a pequeña escala.
3. También se están aplicando cátodos de alta resistencia, alta conductividad y alta densidad de volumen
Actualmente, algunas empresas de aluminio han implementado adquisiciones clasificadas para bloques de carbono del cátodo, siendo la primera categoría la mejor y la segunda categoría la que cumple con los estándares nacionales. Se han proporcionado medidas de incentivo para la primera categoría, lo que, hasta cierto punto, promueve el desarrollo saludable de la industria de cátodos. Mientras tanto, algunos usuarios han expresado demanda de mercado para cátodos impregnados, que también ocuparán un lugar en el futuro.
Haga clic para ver el Informe Especial de la Conferencia de Aluminio y Exposición de la Industria del Aluminio AICE 2025 SMM (20ª)
