碳素行业知识

碳素行业知识(一)碳素炭和石墨材料是以碳元素为主的非金属固体材料，其中炭材料基本上由非石墨质碳组成的材料，而石墨材料则是基本上由石墨质碳组成的材料。为了简便起见，有时也把炭和石墨材料统称为炭素材料（或碳材料）。 炭素制品按产品用途可分为石墨电极类、炭块类、石墨阳极类、炭电极类、糊类、电炭类、炭素纤维类、特种石墨类、石墨热交换器类等。石墨电极类根据允许使用电流密度大小，可分为普通功率石墨电极。高功率电极、超高功率电极。炭块按用途可分为高炉炭块、铝用炭块、电炉块等。炭素制品按加工深度高低可分为炭制品、石墨制品、炭纤维和石墨纤维等。炭素制品按原料和生产工艺不同，可分为石墨制品、炭制品、炭素纤维、特种石墨制品等。炭素制品按其所含灰分大小，又可分为多灰制品和少灰制品（含灰分低于l）。 我国炭素制品的国家技术标准和部颁技术标准是按产品不同的用途和不同的生产工艺过程进行分类的。这种分类方法，基本上反映了产品的不同用途和不同生产过程，也便于进行核算，因此其计算方法也采用这种分类标准。下面介绍炭素制品的分类及说明。 一、炭和石墨制品 (一)石墨电极类 主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。石墨电极包括： （1）普通功率石墨电极。允许使用电流密度低于 17A厘米2的石墨电极，主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。 （2）抗氧化涂层石墨电极。表面涂覆一层抗氧化保护层的石墨电极，形成既能导电又耐高温氧化的保护层，降低炼钢时的电极消耗。 （3）高功率石墨电极。允许使用电流密度为1825A厘米2的石墨电极，主要用于炼钢的高功率电弧炉。 （4）超高功率石墨电极。允许使用电流密度大于 25A厘米 2的石墨电极。主要用于超高功率炼钢电弧炉。 （二）石墨阳极类 主要以石油焦为原料，煤沥青作粘结剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、浸渍、石墨化、机加工而制成。一般用于电化学工业中电解设备的导电阳极。包括： （1）各种化工用阳极板。 （2）各种阳极棒。 （三）特种石墨类 主要以优质石油焦为原料，煤沥青或合成树脂为粘结剂，经原料制备、配料、混捏、压片、粉碎、再混捏、成型、多次焙烧、多次侵渍、纯化及石墨化、机加工而制成。一般用于航天、电子、核工业部门。 它包括光谱纯石墨，高纯、高强、高密以及热解石墨等。 （四）石墨热交换器 将人造石墨加工成所需要的形状，再用树脂浸渍和固化而制成的用于热交换的不透性石墨制品，它是以人造不透性石墨为基体加工而成的换热设备，主要用于化学工业。包括： （1）块孔式热交换器； （2）径向式热交换器； （3）降膜式热交换器； （4）列管式热交换器。 （五）炭电极类 以炭质材料如无烟煤和冶金焦（或石油焦）为原料、煤沥青为粘结剂，不经过石墨化，经压制成型而烧成的导电电极。它不适合熔炼高级合金钢的电炉。包括： （l）多灰电极（用无烟煤、冶金焦、沥青焦生产的电极）； （2）再生电极（用人造石墨、天然石墨生产的电极）； （3）炭电阻棒（即炭素格子砖）； （4）炭阳极（用石油焦生产的预焙阳极）； （5）焙烧电极毛坯。 （六）炭块类 以无烟煤、冶金焦为主要原料，煤沥青为粘结剂，经原料制备、配料、混粘、成型、焙烧、机加工而制成。其中高炉炭块作为耐高温抗腐蚀材料用于砌筑高炉内衬；底部炭块、侧部炭块、电炉块则用于铝电解槽和铁合金电炉等。包括： （1）高炉炭块； （2）铝槽炭块（底部炭块及侧部炭块）； （3）电炉炭块。 （七）炭糊类 以石油焦、无烟煤、冶金焦为主要原料，煤沥青为粘结剂而制成。有的用于各种连续自焙电炉作为导电电极使用的电极糊；有的用于连续自焙式铝槽作为导电阳极使用的阳极糊；有的用于高炉砌筑的填料和耐火泥浆的粗缝糊和细缝糊。高炉用自焙炭块虽用途不同，但和糊类制品的生产工艺相仿，暂归在糊类制品内。包括： （1）阳极糊； （2）电极糊（包括标准、非标准电极糊）； （3）底糊（包括多灰、少灰底糊）； （4）密闭糊（包括多灰、少灰密闭糊）； （5）其它糊（包括粗缝糊、细缝糊、自焙炭砖等）。 （八）非标准炭、石墨制品类 这是指用炭、石墨制品经过进一步加工而改制成的各种异型炭、石墨制品。包括铲型阳极、制氟阳极以及各种规格的坩埚、板、棒、块等异型品。 （九）不透性石墨类 这是指经树脂及各种有机物浸渍、加工而制成的各种石墨异型品，包括热交换器的基体块。 （十）电炭产品类 这是指炭精棒、电刷等产品。 二、炭素纤维 它包括各种炭纤维、石墨纤维、预氧丝、炭布、炭带、炭绳、炭毡及其复合材料。其中炭纤维为含碳量高于93的纤维。用聚丙烯睛纤维、粘胶丝和沥青纤维经碳化制成。热处理温度由低至高，可分别制成耐热纤维、碳化纤维和石墨纤维。二、碳素行业常用原料石油焦（PETroleum coke）是原油经蒸馏将轻重质油分离后，重质油再经热裂的过程，转化而成的产品，从外观上看，焦炭为形状不规则，大小不一的黑色块状（或颗粒），有金属光泽，焦炭的颗粒具多孔隙结构，主要的元素组成为碳，占有80%以上，其余的为氢、氧、氮、硫和金属元素。石油焦具有其特有的物理、化学性质及机械性质本身是发热部份的不挥发性碳，挥发物和矿物杂质（硫、金属化合物、水、灰等）这些指标决定焦炭的化学性质。性状：石油焦的形态随制程、操作条件及进料性质的不同而有所差异。从石油焦工场所生产的石油焦均称为生焦（green cokes），含一些未碳化的碳烃化合物的挥发份，生焦就可当做燃料级的石油焦，如果要做炼铝的阳极或炼钢用的电极，则需再经高温煅烧，使其完成碳化，降低挥发份至最少程度。大部份石油焦工场所生产的焦外观为黑褐色多孔固体不规则块状，此种焦又称为海绵焦（sponge coke）。第二种品质较佳的石油焦叫做针状焦（needle coke）与海绵焦比，由于其具较低的电阻及热膨胀系数，因此更适合做电极。有时另一种坚硬石油焦亦会产生，称之为球状焦（shot coke）。这种焦形如弹丸，表面积少，不易焦化，故用途不多。加工工艺：石油焦是以原油经蒸馏后的重油或其它重油为原料,以高流速通过5001加热炉的炉管,使裂解和缩合反应在焦炭塔内进行,再经生焦到一定时间冷焦、除焦生产出石油焦。石油焦用途用途：主要用于制取炭素制品，如石墨电极、阳极弧，提供炼钢、有色金属、炼铝之用；制取炭化硅制品，如各种砂轮、砂皮、砂纸等；制取商品电石供制作合成纤维、乙炔等产品；也可做为燃料。 球状焦（shot coke）。这种焦形如弹丸，表面积少，不易焦化，故用途不多。三、炭素生产工艺流程1、生产工艺# G) F8 . h+ f, h8 u; q$ c预焙阳极的生产是以石油焦为原料，以煤沥青为粘结剂，经过石油焦煅烧、中碎、筛分、细碎、沥青的熔化、配料、混捏、成型、焙烧等工序加工制作而成。该项目的整体概念设计由国外设计公司完成，整体工艺达到国际先进水平。6 r5 T5 T. p* O8 D. S; K2、主要工序工艺技术装备、引进设备7 8 D9 f l9 g) l% h8 Da. 煅烧：由于罐式炉煅烧石油焦质量稳定、热耗低、碳质烧损低，且长城铝对罐式煅烧炉的使用有丰富的经验，因此，采用24罐8火道罐式炉煅烧石油焦。: g# o8 n; O0 I bb. 中碎筛分：采用两套系统，石油焦中碎筛分系统和返回料中碎筛分系统。每个系统都由可调速的反击式破碎机和振动筛构成。 H* M% _4 K# 9 nc. 磨粉系统：采用碳素专用球磨机。* v& v; N2 : ! P+ i! gd. 配料：采用液体沥青配料，石油焦粒料和残极粒料在流程中不混合，采用（6-7台）连续配料秤精确控制石油焦和残极各种粒级之间的配入比例。混合料干料经预热后加入液体沥青。8 e8 F$ S( f! M* we. 混捏：采用50吨小时的K600 CP连续混捏机（含配套预热螺旋机）。8 h! J O% X9 n, Hf. 成型：采用模压成型机。3 x! j. P4 Ay9 cg. 焙烧炉：采用新型敞开式焙烧炉，焙烧多功能机组和燃烧装置自动控制系统是阳极焙烧工序的关键设备。其特点是：炉室料箱尺寸大，火道温度均匀、产量达、能耗低、质量好。基建投资省，环保效果好。5 V& / VK; o0 u9 f主 要工序引进设备：8台连续配料秤、K600 CP连续混捏机（含配套预热螺旋机）、模压成型机、焙烧多功能机组和燃烧装置自动控制系统可视具体情况考虑引进或国产。在引进设备中，50吨小时的 K600 CP混捏机和模压成型机，均为国际领先、工艺成熟的设备，且首次在国内使用。; 5 w8 v% z1 B该 项目克服了国内多数厂家只注重引进设备，而不注重引进工艺技术的问题，致力打造碳素行业的核心技术和核心竞争力；通过引进工艺和设备，将建成国内最大，国 际一流的碳素生产、研发基地，成为行业龙头和标准制定者，进一步获得规模效益和质量效益；同时，通过股份制引进合作伙伴，形成企业联盟，降低市场风险。石墨化graphitization制备石墨化纤维的后道工序。一般是在20003300的氩气气氛中进行，在该过程中分子结构在原碳化基础上，进一步形成类石墨的“乱层结构”，除碳以外的其他杂原子进一步气化而降至1%以下，因此碳纯度较高，纤维模量和耐热性和导电性等随石墨化温度的提高而提高，而强度和伸长率有所下降。通常把铸铁中的石墨形成过程成为石墨化过程。四、我国炭素行业生产经营情况分析和发展趋势发布: 2008-9-22 10:29| 作者: 文/中华商务网冶金原料咨询部 杨雪| 来源: 行情 一、炭素行业生产经营现状分析 （一）2008年1至7月主要指标创历史新高 据中国炭素行业协会不完全统计（以下未指明处均如此），工业总产值57.38亿元，同比增长43.27%。工业销售产值61.70亿元，同比增长54.02%。 今年1至7月，炭素制品总产量62.56万吨（未含非会员铝用炭素企业产量，估计铝用阳极 470 万吨）。 今年1-7月，石墨电极产量34.92万吨，同比增长27.16%。在石墨电极中，超高功率电极产量8.81万吨， 同比增长28.76%；高功率电极产量14.58万吨，同比增长31.38%；普通功率电极产量11.53万吨，同比增长21.10%。 超高功率石墨电极增长率比普通石墨电极的增长率高7%，在石墨电极中所占比重又有所加大，既适应了炼钢电炉大型化的要求，又部分地消化了原材料涨价带来的成本压力。 根据炭素协会不完全统计，炭制品产量24.94万吨，同比增长10.34%；特种石墨制品963吨，同比增长4.45%（见表1、表2）。 （二）销售增幅较大，库存减幅也不小 销售石墨电极31.76万吨，同比增长18.36%，其中，销售高功率、超高功率石墨电极22.75万吨，同比增长34.69%。 截至7月底，全行业炭素制品库存总量7.69万吨，同比减少12.84%。石墨电极库存为5.08万吨，同比减少16.27%，其中，高功率、超高功率石墨电极库存为3.86万吨，同比减少18.43%。 （三）开拓国际市场见成效，出口创汇增幅较大 我国炭素制品向80多个国家和地区出口。 今年1-7月，石墨电极出口量9.15万吨，同比降低7.52%，占产量的比重为26.19%；铝用炭制品出口约62万吨。 在石墨电极出口中，高功率、超高功率石墨电极出口量分别为4.06万吨和2.33万吨，占产量的比重分别为27.84%和26.43%（见图1）。 （四）主要原料石油焦、针状焦用量比上年同期增加约35% 炭素行业使用石油焦量比较大的产品是石墨制品和电解铝用预焙阳极。 2008年上半年生产石墨制品使用石油焦和针状焦约351.345万吨，生产预焙阳极使用石油焦约4001.3520万吨，两者合计约565万吨，比上年同期增加约35%。 2008年上半年生产预焙阳极使用煤沥青约4000.25100万吨，生产石墨制品和其它炭制品使用沥青约630.3220万吨，两者合计约120万吨，比上年同期增加约33%。 （五）原材料价格暴涨，成本上升较快 近年来炭素行业用主要原材料价格上涨较快（见图2-图4，表3、表4）。 原材料的上涨造成成本上升，2008年1-7月成本费用总额58.65亿元，同比增长40.17%。从以上数据可以看到，行业正面临着越来越大的原料成本压力，尤其是石油焦的涨价所带来的成本压力。全行业有约1/8的企业处在亏损状态中。 二、2008年炭素行业运行趋势 （一）我国炭素工业今年的增长率应在15%以上 根据上述对国际国内经济的分析预测，并根据有关机构对钢铁、铝等工业的预测，我国炭素工业今年的增长率应在15%以上。 （二）08年炭素行业经济运行趋势 1冶金类炭素制品需求增加，成本上升，价格上涨据中国钢铁工业协会预测，今年预计全年粗钢产量5.2亿吨左右，比2007年增加3100万吨，由于国内钢材需求以及钢材出口尚存在变数，全年粗钢生产总量也可能有一定程度提高。1至7月，全国粗钢产量3.08亿吨，同比增长9.3%。此外，金属硅、黄磷、有色产业对石墨电极的需求旺盛。 在钢产量增长的因素之外，电炉和炉外精炼工艺也将继续发展。因此，下一阶段超高功率石墨电极、高功率石墨电极的需求量将会进一步增大（见图5）。 由于原料石油焦、煅后焦、针状焦价格的不断上涨以及其它原燃材料等的上涨，企业原料成本、制造成本大幅上升。 由于超高功率石墨电极等高档炭素制品制造周期长达三四个月，所以，原料成本增大反映到销售价格上涨要有一个滞后期。再考虑到世界范围针状焦供应趋紧将影响市场供求关系的因素,以及进口石墨电极价格上涨因素，石墨电极价格在成本的推动下上扬。 08年二季度石墨电极整体市场受原料石油焦价格不断大幅上涨（石油焦涨幅为1500-1600元/吨）的影响，整体市场价格出现大幅上调。 2预焙阳极需求将有一定增长，08年1-3季度出口量较07年同期大幅增加2007年预焙阳极整体市场供不应求，使得很多预焙阳极企业相继扩建增产，致使2008年3、4月份预焙阳极整体市场供求情况出现转变，供大于求的局面逐渐形成。 在此情况下，一季度预焙阳极价格基本稳定在去年年底水平，个别地区（山东、河南）价格一度出现小幅回落。受原料石油焦价格不断大幅上涨的影响，二季度预焙阳极价格在原料大幅上涨的强烈推动下被迫上调，但上调幅度有限。受原料石油焦和煤沥青价格大幅上调，企业成本压力急剧增加的影响，8月份预焙阳极市场主流价格稳定在4550-4600元/吨。 07年预焙阳极供不应求，主要原因是铝产量和铝冶炼投资一直保持较高增速，其归因于：一是全国电力供需形势明显缓解；二是随着国内新建氧化铝项目相继投产，氧化铝价格下跌，电解铝生产成本下降；三是电解铝价格较高而且相对比较稳定；四是小型电解铝企业经过改造后，纷纷扩大产能。 08年随着电解铝新增产能相继投产，对预焙阳极的需求量将会进一步增大；但预焙阳极增加的产能要高于电解铝产业增加的需求量，08年下半年预焙阳极出现供大于求的局面。 为确保8月份奥运会成功召开，及保证赛事地区的空气质量和充足的用电量，7月初，国内20家电解铝骨干企业决定联合减产5%-10%。据中国有色金属工业协会获悉，到目前为止全国电解铝停产产能达到35万吨以上。这种局面更加减少了对预焙阳极的采购，国内预别阳极市场需求形势不容乐观，但目前山东、河南、山西一些预焙阳极企业受前期电力和环保的影响，产量较前期也有所下降（见图6）。 3炭素行业石油焦、针状焦、煤沥青使用量将有一定增长 2008年全行业原料石油焦的用量较2007年将进一步增加。今年生产石墨电极使用石油焦和针状焦预计约701.391万吨，生产预焙阳极（含阴极）使用石油焦约8101.31053万吨，两者合计约1144万吨，将比去年增加约24%。 408年二季度以来石油焦、煤沥青价格呈现高位快速增长的现象，8月份整体市场出现回落（见图7）。 08年1-7月以来石油焦整体市场价格出现大幅上涨，其中低硫石油焦出现1500-1600元/吨的上涨，中硫石油焦出现500元/吨的上涨，高硫焦出现近500元/吨的上涨；08年中高硫石油焦价格之所以大幅上涨，中石化不断人为推价占主要因素。8月份受下游需求疲软的影响，高中低硫石油焦价格出现回落。 08年1-7月煤沥青受原料焦油价格上涨的影响，到目前为止其整体上市场价格呈现上升的趋势；中温沥青价格3700-3800元/吨，改质沥青高价格3800-3900元/吨。进入8月份煤沥青受煤焦油价格下行的影响价格出现回落。 5炭素制品出口量有一定大幅度增长 由于一些发达国家放弃对中低端、附加值较低部分炭素制品的生产；我国炭素制品在国际市场竞争中存在一定的价格优势，因此炭素制品出口量将有一定幅度增长。考虑到从8月1日起炉用炭电极出口退税的取消，企业在半年的缓冲期内有可能增大出口量。 以铝用炭素制品为例，08年1-7月预焙阳极出口量达到59.41万吨，和07年同期相比增长率达到97.23%（见图8）。五、炭素行业结构性发展机会降临，高端新型炭素产品将迎来黄金时期（1）行业现状 上世纪80年代，由于炭素制品供不应求，产品利润率很高，炭素企业的经济效益普遍看好，炭素企业在全国各地迅速崛起。然而，目前我国整个炭素行业企业规模小，难以形成有效的竞争力，而且低端产品产能过剩、高端产品供不应求，炭素行业结构不合理。截至2006年5月底，我国已发展炭素企业近400家，但具有工序配套、形成规模的企业只有不到30家，主导产品超过5万吨的更是屈指可数。以炭素行业的普通产品石墨电极为例，全国近400家炭素企业的生产能力已达100万吨，远远超过目前国内需求量的一倍。由于供需矛盾突出，各炭素企业的市场竞争也越来越激烈，甚至出现了低端产品竞相压价、无序竞争的局面，这使得炭素行业的整体效益受到很大的损失。在低端产品生产量大于市场需求量的情况下，高功率和超高功率石墨电极却存在很大的需求缺口。超高功率石墨电极(主要是椎600以上)因技术、实物质量等原因，我国每年需要进口2万吨左右。而高科技含量、高附加值产品如碳纤维及其制品、纳米石墨材料、特种炭素材料等与发达国家相比，在质和量上都存在差距。炭素行业的结构调整已迫在眉睫。今年以来，我国炭素行业低端产品之所以出现需求逐渐趋缓过剩的局面，与国家宏观调控和产业政策，特别是出口政策的调控有着很大的关系。据分析，目前我国炭素产品的下游用户电炉钢、电解铝、工业硅、铁合金等行业受国家宏观调控的影响，产能产量锐减。受此影响，国内的炭素行业大中型骨干企业生产出的一般炭素产品石墨电极、铝用阳极和阴极炭块大量过剩。而作为炭素行业的高端产品超高功率石墨电极产品，由于原料针状焦、沥青、优质低硫石油焦价格一路飙升，制造成本大幅攀升。加上目前我国的针状石油焦和针状沥青焦过份依赖进口，由于国际市场上针状焦资源不足价格暴涨，炭素产品价格有所上扬。在资源、价格、需求三重因素的影响下，国内大型电弧炉用超高功率石墨电极、核石墨、航天用碳纤维复合材料、航空用炭材料等出现了严重供不应求的局面。另外，由于炭素行业在生产过程中会产生污染，因此，一般国外发达国家都不愿发展该产业。所以，受能源、环保等因素的影响，世界少数能生产超高功率石墨电极产品的国家均在缩减炭素生产规模，导致国际市场出现了难得的增量空间，因此，超高功率石墨电极产品在今后一个相当长的时期内，仍将会出现继续增长的态势。（2） 新型炭材料新型炭材料有着比普通炭材料更加独特的结构、更加优异的性能及更广阔的应用前景和领域。以碳纤维、球状活性炭、炭纳米材料、储能炭材料、核石墨为代表的高附加值的新型炭材料正得到越来越多的应用。新型炭材料的生产具有比较高的技术壁垒，产品对外依赖度较高、供不应求，因此拥有相关技术的上市公司将获得较高的经济效益。沥青基球状活性炭大展拳脚于医药和军事领域 。 沥青基球状活性炭（俗称炭小球）在日本医药领域已得到广泛应用，炭小球在军事防护方面也得到北约组织的应用，未来具有较大技术壁垒的炭小球产品在我国医药和军事领域将有相当大的市场。如当年北约轰炸南斯拉夫时就使用了内藏炭素纤维的炸弹：美国空军F-117隐形歼击机在空袭南斯拉夫时，向发电厂和变电所投下了内装炭素纤维的炸弹，导电性炭素纤维造成电线短路，使南丧失了供电能力。超级电容器电极材料带来环保节能的新风 。 随着国家对环保节能的日益重视，节能业绩考核体系的实施，超级电容车的示范运行将有力的推动超级电容器业的发展，而决定超级电容器的电极材料将面临着巨大的发展机遇。而谁掌握了电极材料技术，谁也就获得了超级电容器产业的主导权。碳纤维是新材料的典型代表。 碳纤维对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代有着重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。世界碳纤维行业随着航空业的复苏和新能源的兴起而复苏，国内碳纤维产能不足，长期依赖进口，同时随着碳纤维原丝技术的突破，国内碳纤维行业将迎来飞速发展。核石墨将伴随着中国高温气冷堆核电站的建设迅猛发展。核石墨在核能的发展过程中起着举足轻重的作用，而随着第四代核反应堆高温气冷堆示范电站的建设，核石墨将获得大量应用，从而推动我国核石墨行业的迅猛发展。国家“十一五”规划，决定加速核电站建设，到年，计划新增核电站万千瓦，总发电达万千万。按照国家的总体规划，建造这些和电站所需要的核石墨大约在亿元。核石墨主要是用作高温气冷堆中慢化和反射材料,又是结构材料。高温气冷堆是国际公认的新一代先进核反应堆,被世界原子能机构认定为未