Le 16 avril, lors de la Conférence de l'industrie de l'aluminium AICE 2025 SMM (20ème) et de l'Exposition de l'industrie de l'aluminium - Forum sur l'alumine et les matières premières de l'aluminium, organisée par SMM Information & Technology Co., Ltd., SMM Metal Trading Center et Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., et co-organisée par Zhongyifeng Jinyi (Suzhou) Technology Co., Ltd. et Lezhi Qianrun Investment Service Co., Ltd., Wang Zhaoyang, directeur général de Luoyang Wanji Carbon Co., Ltd., a analysé les tendances technologiques et de développement du marché des cathodes graphitées.
**Applications, procédés et normes des cathodes d'aluminium**
Cathodes d'aluminium : blocs de carbone à cathode à haute teneur en graphite, blocs de carbone à cathode entièrement graphités.
Classification des blocs de carbone à cathode d'aluminium :
Cathodes semi-graphitées : Utilisant de l'anthracite calciné électriquement à haute température comme agrégat et du brai à moyenne ou haute température comme liant, ce produit présente une conductivité médiocre, une résistance à la corrosion faible et une durée de vie de cellule courte (environ 1 000 jours). Il ne répond plus aux politiques industrielles et aux demandes du marché actuelles et a été progressivement éliminé.
Cathodes à haute teneur en graphite : Utilisant de l'anthracite calciné électriquement à haute température et des déchets de graphite comme agrégat et du brai à moyenne ou haute température comme liant, ce produit présente une conductivité moyenne, une résistance à la corrosion légèrement meilleure et une durée de vie de cellule modérée (environ 1 800 jours). Il reste un bon choix pour les entreprises d'aluminium axées sur le prix, mais devrait être progressivement éliminé dans un proche avenir.
Cathodes graphitées : Utilisant du coke de pétrole calciné comme agrégat et du brai à moyenne ou haute température comme liant, avec un traitement thermique de graphitisation à haute température à 3 000 °C, ce produit offre une excellente conductivité, des économies d'énergie importantes et une durée de vie de cellule dépassant 3 500 jours. Il devient progressivement le principal produit sur le marché.
**Machine de moulage par vibration de cathode KHD (Allemagne)**
Caractéristiques clés : 1. Extraction continue sous vide ; 2. Faible porosité des produits ; 3. Texture uniforme des produits ; 4. Densité apparente élevée des produits.
**Four de torréfaction à couvercle annulaire**
Caractéristiques clés : 1. Excellente isolation, chauffage uniforme des produits ; 2. Structure interne stable ; 3. Valeur de cokéfaction élevée des produits, 2 à 3 % plus élevée que celle des fours ouverts.
**Four de graphitisation de la série interne à chaleur**
Caractéristiques clés : 1. Haut rendement énergétique ; 2. Graphitisation uniforme ; 3. Qualité stable des produits.
**Four de graphitisation interne de type U**
Processus de graphitisation : En combinant les produits de torréfaction de cathode en un circuit comme conducteurs, en utilisant l'énergie électrique pour chauffer la cathode à environ 3 000 °C et en utilisant l'activation thermique pour transformer les atomes de carbone thermodynamiquement instables d'une structure stratifiée désordonnée en une structure cristalline de graphite ordonnée, tout en éliminant les impuretés telles que le soufre, le vanadium, le fer et le silicium, du graphite de haute qualité est produit.
**Unité de traitement**
Caractéristiques clés : 1. Haute précision de traitement ; 2. Apparence exquise des produits ; 3. Haut niveau d'automatisation et de capacité ; 4. Collecte efficace de la poussière.
Il a également présenté les normes relatives aux blocs de carbone à cathode d'aluminium.
**Le rôle important des cathodes dans les cellules d'électrolyse de l'aluminium**
Applications des blocs de carbone à cathode :
1. Les blocs de carbone à cathode sont un composant essentiel de la doublure des cellules d'électrolyse de l'aluminium.
2. Les performances des blocs de carbone à cathode ont un impact significatif sur la consommation d'énergie et la durée de vie des cellules d'électrolyse.
3. En tant que conteneur, les blocs de carbone à cathode doivent résister à la corrosion par l'aluminium fondu et l'électrolyte tout en assurant une distribution uniforme du courant dans l'aluminium et l'électrolyte.
Les blocs de carbone à cathode jouent un rôle crucial dans les cellules d'électrolyse, souvent appelés les « reins » de la cellule. La qualité de la cathode affecte directement la durée de vie et l'efficacité économique de la cellule et est essentielle pour son entretien.
►Fonction de conteneur : Les cathodes, la pâte et les blocs de carbone latéraux forment ensemble un conteneur dans lequel l'aluminium fondu et l'électrolyte sont contenus, subissant des processus tels que le chauffage, l'électrolyse et le coulée de l'aluminium.
►Conductivité thermique et résistance aux hautes températures : Les cellules d'électrolyse de l'aluminium fonctionnent à des températures supérieures à 930 °C, nécessitant des matériaux résistants à la chaleur pour résister à la chaleur et une bonne conductivité thermique pour distribuer uniformément la chaleur à travers la cathode, évitant d'importants contraintes thermiques et déformations.
►Conductivité : Le courant pénètre dans la cellule par la tige d'acier située au fond de la cathode, se distribuant de manière relativement uniforme à travers la base de la cellule. Après avoir traversé l'aluminium fondu et l'électrolyte, il forme un circuit avec l'anode, permettant des réactions électrochimiques et complétant le processus d'électrolyse. La chute de tension à la cathode est un paramètre clé pour le fonctionnement de la cellule.
►Résistance à la corrosion : Les cathodes doivent résister à l'érosion par les sels de sodium dans les sels fondus et empêcher la formation d'Al₄C₃, nécessitant une grande stabilité dans la structure des atomes de carbone de la doublure de la cathode.
**Raisons de la montée en puissance des cathodes graphitées**
Pourquoi utiliser du graphite pour fabriquer des cathodes d'aluminium ?
Le graphite est un excellent conducteur de chaleur et d'électricité, avec une conductivité thermique et électrique comparable à celle de la plupart des métaux, mais avec des caractéristiques uniques. Alors que la conductivité thermique de la plupart des métaux augmente avec la température, celle du graphite diminue. À des températures extrêmement élevées, le graphite devient thermo-isolant, ce qui en fait un matériau d'isolation thermique fiable à ultra-haute température.
**Propriétés du graphite**
►Résistance aux hautes températures : Le graphite a un point de fusion de 3 850 °C et un point d'ébullition de 4 250 °C, sa résistance augmentant avec la température. Il est couramment utilisé dans les matériaux de gorge de brûleur de missiles et de fusées et est un matériau important dans les industries aérospatiale et militaire.
►Haute conductivité électrique et thermique : La conductivité électrique du graphite est 100 fois plus élevée que celle de la plupart des minerais non métalliques. Sa conductivité thermique dépasse celle de l'acier, du fer et du plomb. La conductivité thermique diminue avec la température et, à des températures extrêmement élevées, le graphite devient un isolant.
►Lubrification : Les propriétés lubrifiantes du graphite dépendent de la taille de ses flocons. Des flocons plus grands entraînent un coefficient de friction plus faible et une meilleure lubrification. Il est souvent utilisé dans des roulements à haute température sans besoin de lubrifiants supplémentaires.
►Stabilité chimique et plasticité : Le graphite présente une excellente stabilité chimique à température ambiante, résistant à la corrosion par les acides, les bases et les solvants organiques. Il est également très malléable et peut être transformé en fines feuilles et en diverses formes.
►Résistance aux chocs thermiques : Le graphite peut résister à des changements de température drastiques sans dommages. Son volume change très peu lors de changements de température soudains, évitant les fissures.
**Avantages des matériaux graphitiques dans la production de cathodes**
Allongement de la durée de vie des cellules : La première série de cellules d'électrolyse à cathode graphitée en Chine (Wanji Aluminum) a commencé à fonctionner le 18 janvier 2006, avec une durée de vie moyenne des cellules dépassant 3 730 jours. La durée de vie la plus longue a été de 5 696 jours, prenant fin le 31 octobre 2021. En revanche, les entreprises utilisant des cathodes à haute teneur en graphite ont pour la plupart subi une ou deux révisions majeures, certaines nécessitant même trois révisions, chacune coûtant environ 2 millions de yuans.
Économies d'énergie supérieures : Après l'adoption de cathodes graphitées et de la technologie de coulée, la chute de tension au fond de la cellule a atteint un minimum de 175 mV, soit plus de 90 mV de moins que celle des cathodes à haute teneur en graphite. La nature stable du graphite entraîne également une augmentation relativement faible de la chute de tension au fond de la cellule pendant l'utilisation, économisant 300 kWh par tonne d'aluminium produit. L'investissement supplémentaire peut être récupéré en peu de temps.
Fonctionnement stable : En raison de la faible absorption de sodium des cathodes graphitées, leur coefficient d'expansion au sodium est très faible, entraînant une expansion horizontale minimale et une déformation correspondante de la coque de la cellule après le démarrage de la cellule, réduisant les dommages précoces de la cellule. De plus, l'excellente conductivité thermique du graphite aide à former une bonne paroi de four, protégeant efficacement les côtés et réduisant la consommation de courant horizontal, assurant un fonctionnement stable de la cellule.
Augmentation du courant pour augmenter la capacité : En raison des politiques gouvernementales strictes contre la production illégale d'aluminium, le marché de l'aluminium en Chine devrait faire face à un déficit d'approvisionnement, entraînant une forte rentabilité. Par conséquent, l'augmentation de la capacité deviendra une priorité pour les usines d'aluminium. Les exemples nationaux et internationaux montrent que l'adoption de cathodes graphitées peut augmenter la capacité en renforçant le courant.
Avantages environnementaux : Les matériaux de doublure générés après les révisions des cellules contiennent de grandes quantités d'éléments dangereux, causant de graves dommages à l'environnement. Ils ont été classés comme déchets dangereux, nécessitant une élimination coûteuse par les entreprises d'aluminium. Les cathodes graphitées, avec leur durée de vie plus longue, produisent moins de déchets dangereux, attirant l'attention des autorités environnementales et des usines d'aluminium, pouvant devenir une nécessité en raison des exigences environnementales.
Trois équilibres : Les cathodes graphitées maintiennent mieux l'équilibre des entrées et des sorties thermiques des cellules d'électrolyse, assurent l'équilibre matériel de la concentration d'électrolyte et d'alumine et atteignent un équilibre entre l'anode (le cœur de la cellule) et la cathode (les reins de la cellule).
**État actuel, opportunités et défis de l'industrie des cathodes d'aluminium**
État actuel de l'industrie des cathodes d'aluminium :
1. La capacité de production de cathodes graphitées a augmenté à 850 000 tonnes par an.
Ces dernières années, la capacité de production de cathodes est restée autour de 700 000 tonnes. En 2021, la capacité était de 740 000 tonnes par an, augmentant à 850 000 tonnes par an en 2022, soit une augmentation de 14,8 % en glissement annuel, provenant des produits de cathodes graphitées.
En plus des entreprises traditionnelles de cathodes, certains producteurs d'électrodes ont également ajusté leurs structures de produits pour entrer dans le secteur des cathodes graphitées.
2. La production de cathodes graphitées a considérablement augmenté, représentant plus de 70 % de la production totale de cathodes.
En 2023, la production chinoise de cathodes d'aluminium a atteint près de 400 000 tonnes, avec une croissance annuelle de moins de 1 %. La production de cathodes graphitées était de 270 000 tonnes, en hausse de 30 % en glissement annuel, représentant 70 % de la production totale de cathodes.
Tendances des prix du marché des cathodes au cours des cinq dernières années :
3. Les prix des cathodes graphitées ont été très volatils, avec une concurrence féroce s'intensifiant.
Au cours des cinq dernières années, les prix des cathodes ont fluctué considérablement, passant de près de 20 000 yuans par tonne en 2019 à environ 14 000 yuans par tonne en 2021, puis augmentant brusquement à environ 36 000 yuans par tonne, avant de se stabiliser progressivement en 2023, déclenchant une série d'effondrements des prix. Les entreprises de cathodes ont rivalisé pour baisser les prix, le prix actuel le plus bas tombant en dessous de 15 000 yuans par tonne, laissant la plupart des entreprises de cathodes subir des pertes.
La volatilité extrême des prix a découragé certaines entreprises d'investir dans les cathodes. Au fil du temps, à mesure que les pertes s'accroissent, l'industrie devrait revenir à la rationalité et évoluer vers une concurrence saine.**Offre et demande sur le marché des cathodes en aluminium**
La capacité de production d'aluminium totale de la Chine est d'environ 45 millions de tonnes métalliques. Si toute la production d'aluminium utilise des cathodes graphitées, avec une consommation de 6 à 8 kg de cathode par tonne d'aluminium, la consommation nationale annuelle serait de 250 000 à 340 000 tonnes métalliques. Avec la mise en service de tous les nouveaux projets nationaux, la demande intérieure ne devrait pas changer de manière significative.
Le marché des cathodes en Chine est principalement concentré dans les régions de Jinzhong (Shanxi), Henan et Ningxia, avec une capacité totale atteignant 800 000 tonnes métalliques. Depuis l'année dernière, certaines entreprises d'électrodes en graphite sont entrées dans l'industrie des cathodes, augmentant encore la capacité totale. Dans l'ensemble, le marché reste gravement surapprovisionné, avec une concurrence féroce.
Il a également présenté la situation des entreprises chinoises qui construisent des projets d'aluminium à l'étranger.
**État actuel du marché du coke de pétrole à faible teneur en soufre pour les cathodes graphitées**
Croissance limitée de la production de coke à faible teneur en soufre :
1. La production intérieure de coke de pétrole à faible teneur en soufre a diminué. Ces dernières années, les importations de brut lourd en Chine ont considérablement augmenté, avec une augmentation de la proportion de brut à haute teneur en soufre, entraînant une nette tendance à l'augmentation de la production de coke de pétrole à haute teneur en soufre et de faible qualité.
2. Les ressources de coke de pétrole à faible teneur en soufre à l'étranger sont limitées. Les données d'importation de ces dernières années montrent des importations annuelles d'environ 4 millions de tonnes métalliques, avec peu de marge de croissance.
③ En raison de la rareté des ressources de coke de pétrole à faible teneur en soufre, la Chine a importé une grande quantité de coke spongieux à haute teneur en soufre. Grâce à la technologie de désulfuration et de mélange précis, le problème de la baisse de la qualité des matières premières a été résolu.
Application de nouvelles technologies dans les cathodes d'aluminium
Applications de nouvelles technologies dans les cathodes d'aluminium
1. Technologie de coulée de barre d'acier large + fonte de fer à phosphore
En modifiant la méthode de connexion et la forme d'assemblage entre la barre d'acier de la cathode et le bloc de carbone de la cathode, la structure conductrice de la cathode a été optimisée. Cela permet de réduire le courant horizontal dans le bain d'aluminium, d'augmenter le courant vertical, d'élargir la surface de section conductrice, de réduire la résistance de la barre d'acier, d'améliorer la conductivité, de réduire la consommation de courant continu (CC) dans la cellule d'électrolyse et de parvenir à une réduction significative du courant horizontal dans le bain d'aluminium et de la chute de tension de la cathode. La distribution du courant de la cathode devient plus uniforme et stable, prolongeant ainsi la durée de vie de la cellule d'électrolyse.
2. Coulée de barre d'acier incrustée de cuivre
En utilisant toujours les cathodes graphitées comme support, l'objectif est d'optimiser la structure conductrice de la cathode et de réduire le courant horizontal et la chute de tension de la cathode. Cette technologie en est actuellement au stade exploratoire, avec la participation de divers instituts de conception, et des cellules d'essai à petite échelle sont menées de manière ordonnée.
3. Des cathodes à haute résistance, à haute conductivité et à haute densité volumique sont également utilisées
Actuellement, certaines entreprises d'aluminium ont mis en place un système d'achat par catégories pour les blocs de carbone de la cathode, la première catégorie étant la meilleure et la deuxième catégorie répondant aux normes nationales. Des mesures incitatives ont été mises en place pour la première catégorie, ce qui favorise dans une certaine mesure le développement sain de l'industrie des cathodes. Dans le même temps, certains utilisateurs ont exprimé une demande du marché pour les cathodes imprégnées, qui occuperont également une place à l'avenir.
Cliquez ici pour consulter le rapport spécial de la Conférence de l'aluminium AICE 2025 SMM (20ème) et de l'Exposition de l'industrie de l'aluminium
