我国炭电极行业现状及发展趋势

我国炭电极行业现状及发展趋势

作者：王金铎  陈国强 杨海春 唐济革 陶国新

1.炭电极产品概念

炭电极是以电煅无烟煤，石油焦，石墨碎，煤沥青等为主要原料，经配料，成型，焙烧，机械加工而成的炭质导电材料，它是21世纪以来在我国逐步推广运用的一种新型节能环保材料。作为矿热炉用导电电极可以广泛应用于工业硅，铁合金，电石，黄磷等金属或非金属冶炼过程中。

在炭电极产品出现之前。矿热炉一般使用石墨电极和电极糊作为导电材料。炭电极与传统石墨电极和电极糊相比，具有很多优点（见表1）。

表一 炭电极与石墨电极、电极糊相比的主要优点

项目	普通石墨电极	炭电极	电极糊
节能减排方面	生产工艺存在石墨化缓解，石墨化过程每吨产品耗电月3500KWh，消耗大量的冷却水	无石墨化、无自焙过程	自焙过程中排放大量沥青烟气、耗费大量电能
主流价格	12500元/t-13000元/t	7000元/t-9000元/t	3000元/t-4000元/t
最大规格	直径700mm	直径1400mm	-
安全性	安全性能好	安全性能好	容易发生“软断”或“硬断”事故
冶炼效率	高	高	较低

目前，我国工业硅冶炼行业已有70%以上使用炭电极，铁合金，钛合金行业使用炭电极已经起步，而电石，黄磷行业炭电极的研发，试验也在逐步推进。

2.炭电极的优势

根据冶炼品种不同，冶炼用矿热炉可选用石墨电极，炭电极或电极糊作为导电电极。目前，国外工业硅，黄磷冶炼基本全部使用炭电极，而我国仅在生产工业硅的敞口型矿热电炉上应用较为广泛，在生产黄磷发热封闭型矿热电炉上仍以使用石墨电极为主，在铁合金矿热炉及电石矿热炉上以使用电极糊为主。

炭电极研发，应用在我国虽然起步较晚，但发展迅速，由于其作用矿热炉用导电电极在降低成本，节能减排，提高冶炼效率火热安全性等方面具有明显发热比较优势，同时其理由化指标亦能完全满足下游行业生产产品的要求，因此具有替代石墨电极火热电极糊的巨大潜力。

炭电极生产过程需经过中碎、配料、混捏、成型、焙烧和机加工等环节，焙烧成型的半成品在机加工车间需根据订单规格进行切割，将产生约20%边角余料，这些余料依然可以全部作为原料循环使用。

2.1炭电极替代石墨电极的优势分析

（1）降低电耗、节约能源

炭电极是将原料经破碎、筛选分、混捏、成型、焙烧、机加工后而制成的产品，生产过程无石墨化工序。而石墨电极需要将焙烧品加热至2500℃~3000℃进行石墨化，石墨化1t电极约消耗电能6000kWh因为炭电极替代石墨电极可以极大地降低电耗、节约能源。

（2）炭电极规格大，能满足矿热炉向大功率发展的要求。

一般来说，由于生产工艺的差异石墨电极的直径在700mm（含）一下，而炭电极的直径可达700mm~1400mm,电极直径加大后，扩大了电极底面的有效熔炼范围，可以减少电炉的干烧，大大节约电能，并保持电炉有较长时间的稳产、高质、低耗，大幅提高经济效益。因此，炭电极更能满足我国矿热炉向大功率发展的要求。2007年以来，我国先后出台多项政策加快淘汰铁合金、电石、黄磷行业的小功率矿热炉，并制定行业准入政策。而铁合金、电石、黄磷冶炼行业技术装备的升级，将进一步促进炭电极产品在矿热炉冶炼过程中应用。导电点电极规定与矿热炉容量的配比关系如表2所示。

表2 导电电极规格与矿热炉容量的配比关系

矿热炉容量KVA	适合的电极直径规格mm
6300	780-800
8000	900
12500	960-1020
25000	1272

 

 

 

 

（3）成本更低、性价比高

生产石墨电极工艺流程长，石墨化耗电量大，因此价格也较高。而炭电极无需石墨化，生产成本及价格相对石墨电极电极更便宜，使用炭电极更经济。在吨产品电极消耗量基本相同的情况下，炭电极价格相当于石墨电极的2/3左右。

2.2炭电极替代电极糊的优势分析

目前，我国铁合金、电石生产企业的矿热炉大多使用价格较低廉的电极糊作为导电电极。炭电极与电极糊相比的主要优点有：

（1） 减少污染物排放

矿热炉冶炼时事把电极糊装入已安装在炉上的电极壳内 在生产过程中依靠电流通过时产生的热效应和炉内传导热自行焙烧焦化，便使用、边接长、边烧结成型、边消耗。电极糊在炉内焙烧时冒出大量沥青烟气，严重污染环境和人体健康。而炭电极无自焙过程，不存在沥青挥发，更节能环保。

（2）能源消耗小、冶炼效率高

电极糊的电阻率较大，允许电流密度较低，单位产品耗电量较大。炭电极相对于电极糊来说，电阻率低，电极自耗小，使用时节电近30%同时。炭电极体密度高灰分低、抗氧化性好，可以提高矿热炉热效率及单位时间产量，缩短冶炼时间。

（3）生产过程更安全

电极糊的物理性能较低，当质量不稳或冶炼操作不当时，容易发生扯断事故（软断或硬断）而炭电极抵抗热应力、防止电极断裂的性能优于电极糊，能够杜绝软断事故的发生。

在国家对“两高一资”行业环保要求日益严格的背景下，炭电极在铁合金、电石等冶炼行业中替代电极糊的大势所趋。

3.炭电极行业发展现状

当前。炭电极在我国主要应用于工业硅冶炼，其原理是依靠眼电极吧把经过炉用变压器输送来的底压大电流送到炉内，通过电极端部电弧、炉料电阻以及熔体，把电能转化成热能而进行高温冶炼，炭电极在矿热炉冶炼中是不断消耗的导体。

20世纪90年代末，为降低工业硅冶炼能耗、提高冶炼效率和品位，适应工业硅炉大功率化得发展趋势，我国开始研发炭电极产品以替代工业硅冶炼过程中使用的石墨电极。进入21世纪后，我国炭电极的生产技术、产品质量不断提高。炭电极与石墨电极相比，不仅规格更大，而且能够有效降低冶炼成本、减少能耗，同时还简化了生产工艺和操作流程，具有极高的性价比优势，因此，炭电极研制成功后很快在我国工业硅冶炼行业中得到普遍应用，且部分型号的产品已开始销往国际市场。

3.1我国炭电极行业销售请况

2006年~2010年，我国炭电极产量从4.02万增长到13.15万t，年均增长34.49%。炭电极行业生产一般采用订单模式，以销定产，除每年一部分吃口外，我国炭电极目前基本全部用于国内工业硅生产。2006年~2010年我国炭电极产量、国内销售如图1所示。

图1 2006年-2010年我国炭电极产量、国内销量

3.2炭电极行业主要生产企业

炭电极作为一种新型节能环保材料，在我国发展仅有10年的历史，炭电极产品生产工艺也经历了不断发展和完善的过程早期参与产品研发和生产的企业也具备了一定的规模。目前，炭电极在工业硅冶炼行业的应用已非常成熟并达到了国际先进水平，铁合金、电石、黄磷等行业的研发应用还处在进一步深化和和完善过程中。

我国炭电极行业的产业集中度很高，全国80%以上，分别为河北顺天电极有限公司（简称“河北顺天”）河北联冠电极股份有限公司（简称“联冠电极”），焦作市东星炭电极有限公司（简称“东星炭电极”），山西三元炭素有限责任公司（简称“三元炭素”）2010年我国各炭电极主要生产企业的国内市场见图2.

图2 2010年我国各炭电极主要生产企业的国内市场份额

在国际上，目前规模较大的生产炭电极的企业主要是在德国西格里集团（SGL Group），其生产炭电极的技术工艺水平一直处于行业领先地位。电煅无烟煤是生产炭电极的主要原料，它是由优质无烟煤经高温煅烧而成，我国是世界上优质无烟煤的主要生产基地，储量非常丰富，国外炭电极生产企业大多从我国进口无烟煤，原美国UCAR国际有限公司（现美国石墨技术公司，GIT）是最早生产炭电极的企业之一，但受到原材料来源的限制和今年来我国炭电极行业迅速发展的冲击，现已退出炭电极生产领域。

4.炭电极行业未来发展趋势

4.1 炭电极行业未来市场发展趋势

随着未来对工业生产中环保护要求的日益严格以及“两高以资”行业企业落后产能淘汰、技术升级和工艺设备的更新换代，炭电极的市场空间极为广阔。目前我国铁合金冶炼用炭电极已经成功研制，正进行规模化生产；电石、黄磷、钛渣等冶炼矿热炉用炭电极产品的生产技术正在开发应用。

根据中国炭素行业协会保守估计，2011年~2014年，我国炭电极国内销量年复合增长率将达到33%以上（图3）

图3 2011年-2014年我国炭电极国内销量及年增长率预估

4.2工业硅用炭电极市场发展前景

在20世纪90年代末，我国工业硅炉绝大部分都使用石墨电极，因受石墨电极直径的限制，工业硅炉容量的扩大也受到限制。1999年，在对国内外情况进行深入调查的基础上，我国研制开发出新型炭电极，使以往炭电极灰分含量高、强度较差等问题得到一定程度的解决，如今我国自主生产的Ø700mm~1400mm炭电极，在工业硅炉上已得到广泛应用。近几年，我国新建的8000kVA以上容量的工业硅炉均使用炭电极，炭电极比石墨电极的生产过程短、价格低，它的应用为降低工业硅的成本创造了条件，也有利于促进大容量工业硅炉的开发建设。

2005年~2009年，我国工业硅产量年复合增长率达到30.80%。截止2010年10月，我国工业硅出口量为50.41万t，预计2010年我国工业硅出口量将达60万t左右，产量将达120万t。

随着小容量工业硅炉改造为大容量硅炉进程的加快，工业硅用大规模炭电极的需求将速度增长。以为来4年工业硅产量年增长10%保守估计，到2014年，我国工业硅总产量将达到170万t工业硅用炭电极年耗量达到15.30万t。

4.3铁合金用炭电极市场发展前景

长期以来，我国铁合金矿热炉主要使用电极糊，生产过程污染较为严重。炭电极没有铁合金行业应用的主要原因，一方面是冶炼设备落后、结构不合理，另一方面是炭电极作为新型节能环保产品在铁合金行业的研发试验起步较晚且投入不足

我国铁合金行业产能庞大，但全行业工艺装备水平较低，产业集中度低。

据报道，我国铁合金行业2009年总产能达到3400万t/a左右，企业总数达到2000家以上，但年生产能力在10万t以上的企业数仅占1.8%，而年生产能力1万t以下企业数约占总数的50.10%，25000KVA以上铁合金冶炼矿炉数量仅占全国铁合金矿热总数的0.81%。

“十一五”期间，我国针对铁合金行业提出新建工业硅、硅铁、电炉锰铁、硅锰合金、高碳铬铁、硅铬合金等铁合金矿热电炉容量须大于25000KVA，新建硅铝铁合金电炉容量须大于165000KVA,新建钛铁熔炼炉产能为5t/炉以上，以及2010年底前全部淘汰6300KVA以下矿热炉的目标。因此，大规格大功率铁合金矿热炉的建设使炭电极在铁合金行业的应用成为可能。

2010年国内企业成功研制出适合铁合金矿热炉用炭电极，并开始规模化生产，炭电极在我国铁合金行业的使用已开始逐步推广。根据理论和经验数据，每生产1t铁合金约消耗30kg炭电极，以国家统计局公布的2009年我国铁合金产量2210万t计算，如果未来炭电极在铁合金行业全部取代电极糊，其潜在需求量在66.30万t/a以上。

4.4 电石生产用炭电极市场发展前景

我国是全球最大的电石生产和消费国，根据国家统计局数据，2009年电石产量已达1503万t，但产能分散、产能利用率低，小产量电石生产企业多、结构不合理。在电石生产企业用矿热炉中，一直广泛使用电极糊，主要原因有：第一，电极糊相对炭电极和石墨电极价格低廉，能够降低电石生产成本；第二，使用不同种类电极对电石用矿热炉内部构造的要求不同，生产企业需要对矿热炉进行改造，而改造成本较高；第三，炭电极近年来在我国是新兴产品，一方面推广力度不够，另一方面受炭电极行业自身产能限制，在矿热炉冶炼过程中还未得到大规模应用；第四，我国多年来小规模电石生产企业众多，生产设备落后，也限制了大规格炭电极在电石行业的应用。

由于生产过程中使用电极糊严重污染环境，国家有关部门自2004年就已将电石行业列为重点调控对象，先后出台了行业准入标准、落后产能淘汰要求等政策。随着国家加大在节能减排、环境污染治理等方面的监管力度，电石行业内一些规模小、工艺落后、环保不达标的电石企业将被强制关闭。

炭电极可能实现电石行业的清洁生产和节能减排，电石行业工艺装备的升级改造为炭电极进入该领域提供了良好的发展机遇。此外，虽然炭电极较电极糊价格较高，但点击的成本在电石生产中占比较小，一般约为4%，这使得炭电极在电石行业中应用完全具备了可行性。

以国家统计局公布的2009年我国电石产量1503万t为基础，按每生产1t电石约消耗16kg炭电极测算，如果未来炭电极在电石行业全部取代电极糊，其潜在需求量至少在24万t/a以上。

4.5黄磷生产用炭电极市场发展前景

我国也是全球最大的黄磷生产和出口国，黄磷产量约占全世界黄磷生产总量的80%以上，根据国家统计局数据，2009年我国黄磷产量已达92万t，但黄磷行业产业集中度低、装置水平差、单耗高、污染严重。在黄磷生产企业用矿热炉冶炼过程中，我国全部使用石墨电极，而国外黄磷生产企业已基本全部使用炭电极，造成这一差异的主要原因是：一方面炭电极在我国起步较晚，在此之前黄磷企业矿热炉一直使用石墨电极，需要对矿热炉进行大规模改造，改造成本与新建矿热炉几乎相当，会增加黄磷企业的成本；另一方面，我国规模以上黄磷生产企业占比过低，生产结构极不合理，因此大型黄磷炉建设进展缓慢。根据工信部统计信息，截止2009年底，我国大型黄磷炉（变压器容量2万KVA及以上，折年设计能力1万t及以上）不足50台（套），产能仅占全国总产能的25%左右，因此调整黄磷行业产业结构、促进装备和技术升级的要求已迫在眉睫。

2008年和2010年，国家发改委和工信部分别出台黄磷行业准入条件及落后产能淘汰要求，强制淘汰落后产能，促进产业结构调整。炭电极能够适应黄磷冶炼用矿热炉向大功率大容量的发展要求，是石墨电极最理想的替代品。以国家统计局公布的2009年我国黄磷产量92万t为基础，按每生产1t黄磷约消耗30kg炭电极测算，如果未来炭电极在黄磷行业全部取代石墨电极，其潜力需求量至少在2.76万t/a以上。

另外，炭电极具有极大的节能优势，炭电极替换石墨电极后，可以减少电极生产的石墨化环节，从而大幅节约电能消耗。按年产黄磷92万t消耗2.76万t电极测算，每年可以节约9660KWh，因此，炭电极产品能够适应黄磷行业的发展方向和国家节能环保的产业政策，其替代石墨电极是大势所趋。

综上所述，炭电极不仅在工业硅行业具有较好的市场前景，在铁合金、电石、黄磷行业具有更为广阔的市场空间。以2009年统计数据测算的各行业对炭电极的潜在需求量如图4所示。

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