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稀土不稀 重在創(chuàng )新應用

發(fā)布時(shí)間:2021-09-23 【字體大?。?a onclick="doZoom(16)" style="cursor:hand">大

稀土不稀 重在創(chuàng )新應用

郭詠梅 楊麗 張文燦

一、稀土不稀——全球稀土資源儲量豐富,可供開(kāi)采數百年

    1 稀土不稀

鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)及與鑭系同族的釔(Y)和鈧(Sc)共17種稀土元素已經(jīng)成為最新前沿高科技應用領(lǐng)域不可或缺的核心元素。根據稀土硫酸鹽溶解度的差異,稀土元素被分為輕稀土、中稀土和重稀土。稀土元素因其自身獨特的電子結構而賦予其優(yōu)異的光、磁、熱性能,可以與其他的材料形成性能各異、品種繁多的新型功能材料,并大幅度的提高其他產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

由于發(fā)現之初稀土提純技術(shù)和分析技術(shù)的水平較低,誤認為稀土元素在地殼中含量很稀少,被稱(chēng)為“稀土”,后經(jīng)科學(xué)勘探證實(shí),稀土元素的地殼豐度總和為0.016%,其中Ce、La、Nd的豐度比鎢(W)、錫(Sn)、鉬(Mo)、鉛(Pb)、鈷(Co)等常用金屬還高。其中Ce元素的儲存量在所有元素中占第25位,幾乎接近銅;而銩和镥的儲存量甚至高于銀。由此可見(jiàn),就稀土在地球的儲存量來(lái)說(shuō),實(shí)際上稀土并不“稀”,只是賦存狀態(tài)不同。

進(jìn)入21世紀,稀土應用領(lǐng)域不斷拓展,應用產(chǎn)業(yè)規模不斷擴大,稀土產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了快速發(fā)展期。以釹鐵硼材料和稀土永磁電機為代表的稀土新材料和器件的快速發(fā)展引領(lǐng)了整個(gè)稀土行業(yè)的迅猛發(fā)展。未來(lái)新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展對稀土永磁材料和電機的需求將持續增大。隨著(zhù)稀土永磁電機、國產(chǎn)汽車(chē)尾氣催化劑和器件、稀土脫硝催化劑、高端稀土激光晶體、閃爍晶體、超高純稀土金屬和化合物及高性能稀土合金等關(guān)鍵制備技術(shù)取得突破,也為稀土新材料應用注入了強勁動(dòng)力。因此,雖然稀土產(chǎn)業(yè)規模不大,國內市場(chǎng)每年僅有十幾萬(wàn)噸交易量,但卻涉及國民經(jīng)濟生產(chǎn)的方方面面及國防工業(yè)的關(guān)鍵部件,所以說(shuō)稀土元素的功能作用無(wú)法替代或替代后嚴重影響材料性?xún)r(jià)比,稀土材料“能量”巨大。

在世界范圍內已經(jīng)發(fā)現了眾多的稀土礦產(chǎn)資源,但分布極不均勻,具有經(jīng)濟開(kāi)采價(jià)值的稀土礦相對較少。目前大部分具有經(jīng)濟開(kāi)采價(jià)值的稀土資源主要源自中國、澳大利亞、美國、俄羅斯及東南亞部分地區,礦種有氟碳鈰礦、獨居石礦、離子型礦及磷釔礦等。隨著(zhù)開(kāi)采和選礦技術(shù)的進(jìn)步,世界范圍內的各種稀土資源將逐步得到開(kāi)發(fā)和利用。

2 中國稀土資源雄踞世界第一,全球稀土多元供應格局形成

我國是全球稀土資源儲量最大的國家,礦種和稀土元素齊全、品位高、礦點(diǎn)分布合理。目前,在全國22個(gè)省市區發(fā)現了上千處的礦床及礦化點(diǎn),主要稀土礦有內蒙古包頭白云鄂博混合型稀土礦、江西贛南離子型中重稀土礦、四川涼山及山東微山氟碳鈰稀土礦、湖南褐釔鈮礦、廣東粵北中重稀土礦以及近年來(lái)在陜西探測到的輕稀土礦、新疆鈮鉭鉿大型中重稀土礦和云南特大型稀土金屬風(fēng)化殼礦床等,形成了北、南、東、西的分布格局,具有“北輕南重”的分布特點(diǎn)。其中,內蒙古包頭白云鄂博礦區的稀土儲量占全國總儲量的83%以上,居世界第一;山東稀土礦儲量占比約8%;四川稀土礦儲量占比約3%;云南、廣西、廣東、福建、浙江、江西、湖南等南方七省儲量約占比3%左右;還有如廣西桂東北、桂東南等中重稀土也很可觀(guān)。

以世界最大的稀土礦白云鄂博礦為例,自1957年開(kāi)采以來(lái),一直按照鐵礦開(kāi)采,被開(kāi)采的鐵礦體選礦順序是先選鐵礦物再選稀土礦物。由于稀土的用量有限,稀土選礦只選出很小部分稀土精礦,大部分稀土礦物被排到尾礦庫。白云鄂博鐵礦石中稀土平均含量為6%,圍巖中白云巖稀土平均含量為4%,按年生產(chǎn)鐵礦石1000萬(wàn)噸計算,每年鐵礦石和圍巖中產(chǎn)出的稀土氧化物總量約100萬(wàn)噸。

白云鄂博是一個(gè)以氟碳鈰礦和獨居石礦為主的輕稀土礦床,但由于其總體稀土含量高,儲量大,中重稀土絕對儲量也不可小覷。白云鄂博鐵礦石中僅釔、銪、鏑、鋱四種元素含量(質(zhì)量分數)就超過(guò)500×10-6,部分中重稀土元素含量還超過(guò)了我國南方離子型礦。所以,白云鄂博稀土礦是以輕稀土為主、輕重兼顧的大型礦山,隨著(zhù)日后勘探技術(shù)的進(jìn)步提升,白云鄂博的稀土資源儲量也將會(huì )被重新認識。

全球稀土資源并不稀缺,但世界各國稀土儲量的數據說(shuō)法不一,很多國家沒(méi)有完全公布所擁有的稀土儲量,有些地質(zhì)地調工作還未開(kāi)展,國外儲量的真實(shí)數據并沒(méi)有體現出來(lái)。

根據美國地質(zhì)調查局(USGS)《礦產(chǎn)品概要2020》報告數據,截至2019年末,世界稀土資源儲量約1.2億噸,其中,中國稀土資源儲量4400萬(wàn)噸(REO),為世界最大稀土資源國;巴西和越南稀土儲量并列第二,各2200萬(wàn)噸(REO);其次是俄羅斯、印度、澳大利亞、格陵蘭島、美國等國也有眾多稀土儲量。這些稀土資源基本上構成了世界稀土資源的主體,全球稀土資源供應呈現出“一超多強”的多元化格局。美國地質(zhì)調查局(USGS)公布的2019年世界稀土資源儲量及分布見(jiàn)表1和圖1。

表1  2019年世界稀土儲量

單位:萬(wàn)噸,REO

國家

中國

巴西

越南

俄羅斯

印度

澳大利亞

格陵蘭

稀土儲量

4400

2200

2200

1200

690

330

150

國家

美國

南非

加拿大

坦桑尼亞

其他國家

合計

稀土儲量

140

79

83

89

31

11561

注:JORC(聯(lián)合礦石儲量委員會(huì ))公布的澳大利亞標準儲量大約為190萬(wàn)噸

圖1  全球稀土儲量分布結構

2.1美國稀土資源

美國是世界上稀土資源較為豐富的國家之一,主要有氟碳鈰礦、獨居石及在選別其他礦物時(shí)作為副產(chǎn)品可回收的黑稀金礦、硅鈹釔礦和磷釔礦等礦物。世界上最大的單一氟碳鈰礦是位于加州的芒廷帕斯礦,探明儲量1358.8萬(wàn)噸(REO),品位8.24%TREO。美國的獨居石開(kāi)采較早且儲量較為豐富,開(kāi)采的砂礦為佛羅里達州的格林科夫斯普林斯礦。2019年5月,美國化學(xué)品公司BlueLine與澳大利亞企業(yè)簽署了在美國境內建設稀土冶煉工廠(chǎng)的備忘錄。

2.2澳大利亞稀土資源

近年來(lái),澳大利亞逐漸成為中國以外全球主要的稀土供應國。澳大利亞存在大量具有高價(jià)值的稀有金屬礦藏,2016年公布的稀土資源量(EDR)為344萬(wàn)噸(REO+Y2O3)。澳大利亞大量的稀土資源賦存在含有獨居石成分的重礦砂礦床中,據估算獨居石資源儲量大約為780萬(wàn)噸(REO),假設獨居石中稀土氧化物含量約為60%,澳大利亞重礦砂礦床的稀土氧化物資源量大約為468萬(wàn)噸(REO)。目前澳大利亞尚無(wú)經(jīng)濟開(kāi)采價(jià)值的資源量為2957萬(wàn)噸(REO),大部分源自(主要為鑭和鈰)奧林匹克壩礦體(氧化鐵-銅-金礦,位于南澳大利亞),該礦的總資源量超過(guò)20億噸,稀土品位0.5%(REO),總稀土氧化物含量1000萬(wàn)噸以上,大約含0.17%(質(zhì)量分數)鑭和0.25%(質(zhì)量分數)鈰。該礦的稀土氧化物目前沒(méi)有回收,儲存在礦山的尾礦庫。

澳大利亞地球科學(xué)局網(wǎng)站公布了包括萊納斯公司擁有的韋爾德稀土礦在內的15個(gè)公司旗下的15個(gè)稀土項目。2018年8月6日,萊納斯公司發(fā)布公告,韋爾德山稀土資源量比2015年公布數據增長(cháng)60%,為5540萬(wàn)噸,平均品位5.4% TREO,折合300萬(wàn)噸TREO。韋爾德山稀土儲量目前為1970萬(wàn)噸,品位8.6%TREO,折合169萬(wàn)噸TREO。

萊納斯公司在馬來(lái)西亞關(guān)丹市進(jìn)行冶煉分離,目前該工廠(chǎng)價(jià)值最高的產(chǎn)品為鐠釹氧化物。公司2018年年報表明:氧化鐠釹產(chǎn)量為5444噸(2017年為5223噸);稀土氧化物(REO)的總產(chǎn)量為17753噸(2017年為16003噸)。氧化鐠釹產(chǎn)量突破設計產(chǎn)量。2019年氧化鐠釹生產(chǎn)能力增至600噸/月。萊納斯已經(jīng)與歐洲、美國和日本的四家機構簽署了協(xié)議,保證其稀土產(chǎn)品的銷(xiāo)售。

2.3巴西稀土資源

巴西主要稀土資源是獨居石重礦砂,分布于其東海岸。據美國地質(zhì)調查局公布的數據,巴西稀土儲量很大。2020年,美國稀土工業(yè)年評報告中公布巴西稀土儲量為2200萬(wàn)噸(REO)。美國地質(zhì)調查局列出的國外主要稀土礦中(不包括重砂礦及磷酸鹽礦),巴西占有6個(gè),均屬于未分類(lèi)資源,品位0.15%-10.5%,資源量在9-4350萬(wàn)噸TREO左右。

2.4俄羅斯稀土資源

美國地質(zhì)調查局2020年公布俄羅斯儲量為1800萬(wàn)噸(REO)。據報道,俄羅斯稀土礦超過(guò)35個(gè),但是大部分稀土礦稀土含量較低。俄羅斯多數稀土資源富集在磷灰巖中,如磷灰石和獨居石。俄羅斯的鈰鈮鈣鈦礦還含有大量的鈦、鈮和鉭,俄羅斯Lovozero礦生產(chǎn)鈰鈮鈣鈦礦和異性石,2014年生產(chǎn)了不足5000噸鈰鈮鈣鈦礦精礦。除了鈰鈮鈣鈦礦資源外,獨聯(lián)體還有大量的磷灰石,主要用于生產(chǎn)化肥,磷酸鹽精礦中稀土含量大約0.9%~1.1%,但是目前生產(chǎn)化肥時(shí)還未回收稀土,還處于試驗研究階段。此外,獨聯(lián)體留存有上世紀40年代的獨居石,約8.2萬(wàn)噸(4.4萬(wàn)噸TREO)。

2.5印度稀土資源

印度擁有大量的重礦砂礦床,其中獨居石和少量的磷釔礦含有稀土資源。獨居石是印度主要稀土來(lái)源,含大約58%稀土氧化物。印度國家海洋學(xué)院確認,沿著(zhù)印度7000公里長(cháng)的海岸線(xiàn)也有重礦砂礦床。2012年10月,印度原子礦物勘探與研究理事會(huì )報告,印度獨居石儲量約為1193萬(wàn)噸。按照獨居石約含58%(REO)計算,印度獨居石約有692萬(wàn)噸(REO)。印度稀土公司(印度政府企業(yè))是印度唯一經(jīng)過(guò)許可處理稀土礦的企業(yè),產(chǎn)品包括混合氯化稀土,產(chǎn)能為1.1萬(wàn)噸;此外,還有磷酸三鈉產(chǎn)能為1.35萬(wàn)噸;硝酸釷產(chǎn)能為150噸。

2.6加拿大稀土資源

加拿大擁有許多稀土礦,稀土精礦為采鈾作業(yè)后的副產(chǎn)品。2020年可能投產(chǎn)的項目包括阿瓦隆稀有金屬的Nechalacho重稀土項目、Matamec勘探公司的Kipawa重稀土—鋯項目、Quest稀有礦物的StrangeLake(怪湖)以及MiseryLake(苦難湖)稀土項目。

2.7越南稀土資源

越南稀土儲量豐富。2020年,美國地質(zhì)調查局報告越南稀土儲量為2200萬(wàn)噸(REO)。多數越南稀土礦集中在越南西北部,沿東海岸線(xiàn)靠近中國邊境的地帶,包括都巴奧礦、YenPhu礦以及從清化到BaRia-VungTau沿海岸的省份(鈦礦砂),未形成產(chǎn)業(yè)規模,目前只有萊州稀土合資公司(越南與日本豐田)進(jìn)行一些小規模、非系統性、季節性、非專(zhuān)業(yè)性的作業(yè),計劃每年向日本出口4000噸稀土。

2.8格陵蘭稀土資源

格陵蘭發(fā)現的許多稀土礦正處于勘探中。位于格陵蘭島西南部可凡灣(KKvanefjeld)的伊犁馬薩克雜巖體(Ilimaussaqcomplex)稀土礦探明資源量為215噸(REO),且重稀土所占比例較大。據GMEL的最新研究結果,可凡灣稀土礦的總資源遠景達619噸(REO),該雜巖體已探明的另外2個(gè)礦床的儲量和品位均相當可觀(guān)。

2.9南非稀土資源

南非稀土資源主要賦存在富集磷鈣土(獨居石和磷灰石)的重礦砂礦床以及碳酸巖侵入巖中。南非是非洲地區最重要的獨居石生產(chǎn)國,Steenkampskraal的磷灰石礦,伴生有獨居石,是世界上唯一單一脈狀型獨居石稀土礦。目前,Steenkampskraal礦已經(jīng)獲得了采礦所需的所有許可證,南非的稀土提取公司計劃在獲得融資后,使礦山年產(chǎn)量達到2700噸,并計劃進(jìn)一步擴大產(chǎn)量。

全球稀土資源的不斷開(kāi)發(fā)導致全球稀土產(chǎn)量逐年遞增。2018年增幅為28.8%。2019年增幅為11%,增量因素主要為中國增產(chǎn)、美國礦開(kāi)采重啟、獨居石礦增加。按照每年大約20萬(wàn)噸(REO)的消耗,全球稀土儲量可供開(kāi)采數百年。全球稀土供應格局多元化、稀土冶煉分離技術(shù)的先進(jìn)優(yōu)勢使得我國短期內仍然保持全球稀土供應大國的地位。

    3  2019年我國稀土初級產(chǎn)品產(chǎn)量增加,2020年預計持續增長(cháng)

     2018年和2019年,我國稀土冶煉分離總量控制計劃基本為12萬(wàn)噸(REO)。而2019年,中國稀土分離產(chǎn)品的市場(chǎng)供應大約為21.9萬(wàn)噸(REO),除控制計劃的12萬(wàn)噸(REO)外,2019年中國進(jìn)口的美國稀土礦大約2.3萬(wàn)噸(REO),進(jìn)口緬甸離子礦大約1.8萬(wàn)噸(REO);此外,由于我國鋯資源基本依賴(lài)進(jìn)口,2019年進(jìn)口的鋯中礦及鈦中礦副產(chǎn)的獨居石礦和單獨進(jìn)口釷礦砂(主要是獨居石)合計大約2萬(wàn)噸(REO),上述三種國外稀土礦在國內加工后供應的稀土產(chǎn)品量合計大約為6.1萬(wàn)噸(REO)。釹鐵硼廢料回收的鐠釹氧化物和氧化鋱、氧化鏑也成為原料市場(chǎng)非計劃的交易部分,通過(guò)對市場(chǎng)交易的中重稀土氧化物推斷,國內部分地區的離子礦還在開(kāi)采和生產(chǎn)。2019年我國稀土產(chǎn)量測算情況及2020年我國稀土產(chǎn)量預測詳見(jiàn)表2。

萊納斯公司是中國之外全球第二大稀土原料生產(chǎn)企業(yè)。2018年,萊納斯公司稀土氧化物總產(chǎn)量為17753噸(REO)。截止到2019年9月30日,該公司報告,2019年1季度產(chǎn)量5220噸(REO)、2季度4422噸(REO)、3季度5444噸(REO)、4季度4651噸(REO,預估),2019年稀土氧化物總產(chǎn)量為19737噸(REO)。

2019年中國和澳大利亞合計稀土初級產(chǎn)品的總產(chǎn)量超過(guò)23萬(wàn)噸,此外,越南、俄羅斯和印度生產(chǎn)的稀土初級產(chǎn)品數量?jì)H有幾千噸左右,主導市場(chǎng)供應還是中國和澳大利亞,中國生產(chǎn)的稀土初級產(chǎn)品占據全球市場(chǎng)份額的90%左右,澳大利亞占據8%左右。

中國生產(chǎn)的稀土初級產(chǎn)品中,總量控制計劃占據的比例只有55%左右,但是進(jìn)口的緬甸離子礦、美國礦原料基本由六大集團加工生產(chǎn),因此,由六大集團生產(chǎn)的稀土初級產(chǎn)品產(chǎn)量大約達到15.2萬(wàn)噸,占據我國稀土初級產(chǎn)品市場(chǎng)比例大約70%,其余部分主要由獨居石、國內未受控離子礦及釹鐵硼廢料等加工生產(chǎn)。2015年后我國政府取消了多項稀土產(chǎn)品的出口管理措施后,國家加強了稀土生產(chǎn)和流通環(huán)節的管理和監管,國內初級產(chǎn)品市場(chǎng)基本保持平穩態(tài)勢。

二、重在創(chuàng )新應用——稀土資源優(yōu)勢通過(guò)創(chuàng )新應用變經(jīng)濟優(yōu)勢

作為重要的戰略資源,稀土在石油、化工、金、紡織、陶瓷、玻璃、永磁新材料等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。全球稀土下游應用中,稀土永磁材料占比最高達到25%,其次為催化材料占比達到22%,冶金材料(含儲氫合金)和拋光材料占比分別為18%和14%。世界稀土消費結構如圖2所示。但是17個(gè)稀土元素應用不平衡問(wèn)題也是制約稀土產(chǎn)業(yè)下游發(fā)展的重要問(wèn)題,國家和企業(yè)在大力發(fā)展稀土永磁功能材料等稀土功能材料產(chǎn)業(yè)的同時(shí),必須更重力投入鑭鈰釔高豐度稀土元素的拓展應用。

圖2  世界稀土消費結構

1 稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“風(fēng)向標”——稀土永磁材料及稀土永磁電機

稀土永磁材料經(jīng)過(guò)三十多年研究、開(kāi)發(fā)和應用,已廣泛應用于風(fēng)力發(fā)電、消費電子、汽車(chē)工業(yè)、醫療設備、能源交通等眾多領(lǐng)域,已經(jīng)成為最具中國特色的戰略產(chǎn)業(yè)之一。稀土永磁材料性能的提高極大地促進(jìn)了永磁設備及器件向小型化、集成化發(fā)展,稀土磁性材料成為大數據工程、高速鐵路工程、新能源汽車(chē)工程等一系列“中國制造2025”、“一帶一路發(fā)展戰略”的實(shí)施無(wú)法替代的關(guān)鍵基礎材料,稀土永磁材料已成為稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“風(fēng)向標”。

稀土永磁材料無(wú)論是在內稟磁性理論方面、磁化反應機理方面、還是在稀土永磁體工藝技術(shù)和產(chǎn)能產(chǎn)量方面,都取得了長(cháng)足的進(jìn)步。據中國稀土行業(yè)協(xié)會(huì )統計,2019年稀土磁性材料產(chǎn)量保持平穩增長(cháng),其中燒結釹鐵硼毛坯產(chǎn)量17萬(wàn)噸,同比增長(cháng)9.7%;粘接釹鐵硼產(chǎn)量7900噸,同比增長(cháng)5%;釤鈷磁體產(chǎn)量2400噸,同比增長(cháng)4%。但是,長(cháng)期以來(lái)稀土永磁材料性能未得到重大突破,嚴重制約了一些國家重大工程項目的技術(shù)指標的提高。我國大部分企業(yè)已經(jīng)掌握了先進(jìn)的燒結釹鐵硼磁鐵速凝薄帶和氫淬制粉等生產(chǎn)技術(shù),具備了生產(chǎn)中高檔燒結釹鐵硼和釤鈷磁鐵產(chǎn)品的能力,并且高中檔產(chǎn)品的總體產(chǎn)量也在逐年提高。但是,與日本等發(fā)達國家相比,我國稀土永磁材料的產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)品一致性都還存在較大差距,裝備自動(dòng)化程度有待提升,高端稀土永磁材料國際競爭力不強。因此,作為支撐我國整個(gè)綠色能源等戰略性新興產(chǎn)業(yè)的核心材料,高性能稀土永磁材料仍是我國高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn),同時(shí)大力開(kāi)發(fā)稀土永磁材料的永磁電機下游應用也體現了我國戰略新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重大發(fā)展需求方向,對建立完整低碳減排綠色產(chǎn)業(yè)鏈具有長(cháng)遠的戰略意義。

由于稀土永磁電機具有高效節能、輕便節材、體積小、調速性好、可靠性強等特點(diǎn),極大地滿(mǎn)足了高端加工設備、機器人、航空航天、航海和軍工、高效風(fēng)機與泵、壓縮機、電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、數控機床等領(lǐng)域傳統電機無(wú)法達到的高性能需求。

同時(shí)稀土永磁電機也是國家提升電機效率、減少能源消耗重點(diǎn)建設方向之一。雖然我國永磁電機行業(yè)發(fā)展較快,但全球范圍內來(lái)看,日本、德國、美國、英國、瑞士、瑞典等國家仍占據主導地位,掌控著(zhù)大部分高檔、精密、新型永磁電機的技術(shù)和產(chǎn)品。我國主要掌握中低端永磁電機市場(chǎng),成為了全球主要永磁電機的生產(chǎn)國以及出口國。據統計,2017年,我國永磁電機產(chǎn)量首次突破1000萬(wàn)千瓦,達到1107.1萬(wàn)千瓦,成為全球永磁電機的主要生產(chǎn)國。2018年我國永磁電機產(chǎn)量達到1168萬(wàn)千瓦。

隨著(zhù)釹鐵硼永磁材料的裝備和制備工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步,高性能釹鐵硼磁體將稀土永磁電機的研究開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新的時(shí)期,在理論和應用領(lǐng)域都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。我國稀土永磁材料在伺服電機、直線(xiàn)電機、無(wú)刷電機等微小型電機領(lǐng)域的應用已經(jīng)相對成熟。由于中大型永磁電機在新能源汽車(chē)及風(fēng)電領(lǐng)域應用起步較早,技術(shù)水平已步入世界前列,稀土永磁大功率工業(yè)電機的開(kāi)發(fā)應用也日趨成熟。

近年來(lái),新能源汽車(chē)的快速發(fā)展給永磁驅動(dòng)電機帶來(lái)了巨大的發(fā)展機遇。稀土永磁電機的設計理論、計算方法、檢測技術(shù)和制造工藝的不斷完善和發(fā)展,永磁材料的性能和可靠性的不斷提高,電力電子技術(shù)、大規模集成電路和計算機技術(shù)的快速發(fā)展都對永磁驅動(dòng)電機的發(fā)展奠定了扎實(shí)的理論基礎,積極促進(jìn)了新能源永磁驅動(dòng)電機的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

憑借稀土資源優(yōu)勢,我國已經(jīng)在稀土永磁電機方面建立起了完整的產(chǎn)業(yè)鏈及完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統。相比歐美國家,我國自主研發(fā)的稀土永磁電機在原材料和生產(chǎn)成本都具有明顯優(yōu)勢,但是在電機設計和高端特種電機研發(fā)生產(chǎn)方面存在差距。因此,稀土永磁電機的研究開(kāi)發(fā)和應用普及推廣必須得到國家的大力支持。未來(lái)隨著(zhù)各國對新能源和節能環(huán)保項目的大力推動(dòng),稀土永磁電機在風(fēng)力發(fā)電和新能源汽車(chē)以及高鐵、地鐵、有軌電車(chē)等軌道交通領(lǐng)域的用量還將持續不斷增加;隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、家庭現代化、農業(yè)現代化及軍事武器裝備現代化的普及,作為這些技術(shù)和系統中重要基礎元件的永磁電機的需求量也將不斷增加,因此,稀土永磁電機未來(lái)廣闊的應用前景也會(huì )帶來(lái)巨大的市場(chǎng)前景。

2 藍天保衛戰、鑭鈰高豐度稀土元素應用重地——稀土催化材料

由于稀土元素具有獨特的電子層結構,在化學(xué)反應中具有良好的助催化性能,在石化、環(huán)境、能源、化工等催化應用領(lǐng)域已成為不可或缺的重要催化劑組分,含有鑭鈰等稀土元素的稀土化合物已成為石油裂化催化劑、機動(dòng)車(chē)、船舶、農用機械等移動(dòng)源尾氣凈化催化劑以及工業(yè)廢氣脫硝、天然氣燃燒、有機廢氣處理等固定源尾氣凈化催化劑等產(chǎn)品的重要原料。資源豐富的La、Ce稀土元素在技術(shù)含量較高的稀土催化材料的大量應用,提升了能源與環(huán)境技術(shù)發(fā)展,有效緩解我國稀土元素應用不平衡問(wèn)題,為改善人類(lèi)生存環(huán)境的藍天保衛戰做出了重要貢獻。

近幾年,由于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的高增速發(fā)展,我國稀土催化材料產(chǎn)業(yè)也不斷突破巴斯夫、優(yōu)美科、莊信萬(wàn)豐等國外公司的技術(shù)和市場(chǎng)壟斷,自主知識產(chǎn)權的綠色、環(huán)保、高性?xún)r(jià)比的稀土催化材料制備技術(shù)不斷創(chuàng )新提升,稀土催化材料產(chǎn)業(yè)持續發(fā)展壯大。石油裂化催化劑和機動(dòng)車(chē)尾氣凈化催化劑是稀土催化材料兩個(gè)最大的應用市場(chǎng)。在石油催化裂化方面,研發(fā)了石油催化裂化過(guò)程的硫轉移劑技術(shù),采用SOX轉移劑可減少催化裂化(FCC)裝置中SOX排放,既經(jīng)濟又有效;研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的催化裂化催化劑生產(chǎn)節能降耗成套技術(shù)。在機動(dòng)車(chē)尾氣凈化方面,研發(fā)滿(mǎn)足國Ⅵ尾氣排放標準的汽車(chē)尾氣凈化催化劑產(chǎn)業(yè)化技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化裝備,如高度自動(dòng)化催化劑制備生產(chǎn)線(xiàn)的涂覆量和涂層的準確控制技術(shù);利用資源豐富的稀土Ce元素的特殊性能,研發(fā)稀土改性無(wú)釩或少釩的工業(yè)廢氣脫硝催化材料及制備技術(shù)等。為了應對嚴格的機動(dòng)車(chē)尾氣排放國Ⅵ標準,滿(mǎn)足汽車(chē)尾氣凈化器的耐久性考驗和瞬態(tài)工況應變能力,提高催化劑熱穩定性和氧傳輸能力的鈰鋯儲氧材料新技術(shù)仍然是該領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)。

國外主要的汽油車(chē)尾氣催化劑生產(chǎn)企業(yè)巴斯夫、優(yōu)美科和莊信萬(wàn)豐壟斷了全球近90%的市場(chǎng)份額,擁有尾氣凈化催化劑的核心專(zhuān)有技術(shù),技術(shù)實(shí)力雄厚,在我國上海和江蘇建立了工廠(chǎng),壟斷了我國汽車(chē)尾氣凈化催化劑的市場(chǎng),利用我國低價(jià)的輕稀土產(chǎn)品作為催化劑重要原料,獲取高額利潤。無(wú)錫威孚力達催化凈化器有限責任公司、昆明貴研鉑業(yè)股份有限公司和四川中自尾氣凈化有限公司等十多家國內主要企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)和裝備集成方面也達到了國際先進(jìn)水平,國產(chǎn)催化轉化器在進(jìn)入新車(chē)市場(chǎng)、出口國外、迫使進(jìn)口產(chǎn)品降價(jià)等方面也取得了一定成績(jì)。

稀土催化材料的研究和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為高質(zhì)、高效利用好鑭鈰等輕稀土元素提供廣闊的應用市場(chǎng)。提高稀土的主催化性能,進(jìn)一步降低貴金屬的用量、合理穩定的稀土產(chǎn)品價(jià)格支撐以及拓展稀土元素應用領(lǐng)域都是未來(lái)催化材料產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。

3 交通裝備輕量化 節能減排“大明星”——稀土鎂/鋁合金

隨著(zhù)我國新能源汽車(chē)、軌道交通和航天航空工業(yè)的飛速發(fā)展,對輕合金的需求量快速增長(cháng)。用高性能輕合金取代部分鋼鐵和重金屬結構材料、實(shí)現材料輕量化以及材料結構比例科學(xué)化,是實(shí)現資源節約型社會(huì )的必由之路。目前工業(yè)化應用的輕量化材料主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕合金材料,稀土鎂合金、稀土鋁合金是實(shí)現輕量化合金大規模替代應用的突破關(guān)鍵材料。

鋁合金是目前汽車(chē)上應用較多的輕量化材料,如發(fā)動(dòng)機缸體、缸蓋、底盤(pán)、散熱器等部件。鎂合金作為輕量化材料主要應用在汽車(chē)方向盤(pán)、汽車(chē)儀表、中控支架等器件。未來(lái)鎂合金可以在不暴露表面如車(chē)內門(mén)板、座椅支架等方面進(jìn)行推廣。鎂合金在軌道交通領(lǐng)域的應用也開(kāi)始逐步擴大。鎂合金鍛造汽車(chē)輪轂是輕量化效益最高的部件,是新一代汽車(chē)特別是新能源汽車(chē)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)的必然選擇。

在輕量化材料中添加稀土元素可以有效提升鋁合金、鎂合金及鈦合金等材料的多種服役性能,拓寬其使用范圍。稀土元素與鎂具有著(zhù)相似的晶體結構,對鎂合金可以起到良好的固溶強化和時(shí)效強化作用,提高了鎂合金的強度、抗蠕變性能及耐腐蝕性能,稀土鎂合金產(chǎn)品能在更高外加應力及工作溫度下使用,目前國內外發(fā)展的高性能鎂合金(尤其是鑄造鎂合金)主要是稀土鎂合金,高強及超高強稀土鎂合金是未來(lái)鎂合金最有前景的應用材料。通過(guò)向鋁合金中添加稀土元素,可以同時(shí)起到凈化熔體和細化合金晶粒的作用,從而提高鋁合金的綜合力學(xué)性能。稀土元素能顯著(zhù)細化鈦及鈦合金的鑄態(tài)組織,延緩鈦合金的再結晶速率,阻礙晶粒長(cháng)大,改善高溫抗蠕變性能,并提高鈦合金熱穩定性。此外,稀土還可以?xún)艋撍?,顯著(zhù)提高鋼的韌塑性及耐磨、耐熱和耐蝕性,提升鋼鐵材料的品質(zhì)。

目前稀土鎂合金技術(shù)已經(jīng)成為助推鎂合金應用的關(guān)鍵技術(shù)之一。在高性能鎂合金材料方面,無(wú)論是已經(jīng)得到商業(yè)應用的鎂合金,還是正處于研發(fā)階段的鎂合金,甚至是在極端條件下獲得的超高強鎂合金(如快速凝固)幾乎都與稀土元素密不可分。傳統的稀土鎂合金中稀土元素的含量約在0.1%-4%,其中大多數是在2%-4%之間,新型的高強度稀土鎂合金中稀土元素的含量最高會(huì )達到10%以上,導致合金的成本較高,限制了其在民口方面的應用。我國鎂資源和稀土資源豐富,這兩大資源優(yōu)勢為高性能稀土鎂合金的開(kāi)發(fā)與應用提供了契機。開(kāi)展稀土鎂合金材料及相關(guān)技術(shù)的深入研究符合我國的基本國情,加快稀土在輕量化材料中的推廣應用也是解決大量積壓的稀土鑭鈰釔應用不平衡問(wèn)題的重要方向。

三、自主知識產(chǎn)權的科研開(kāi)發(fā)和應用推廣是稀土產(chǎn)業(yè)做大做強的核心原動(dòng)力

2011年,國務(wù)院下發(fā)《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)稀土行業(yè)持續健康發(fā)展的若干意見(jiàn)(國發(fā)〔2011〕12號)》至今,我國稀土行業(yè)歷經(jīng)9年多的共同努力,整個(gè)產(chǎn)業(yè)展現出規?;?、集中化、有序化發(fā)展局面,應用創(chuàng )新和綠色發(fā)展也取得了長(cháng)足進(jìn)步,以稀土功能材料為代表的稀土新材料在新能源汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、新型顯示與照明、機器人、電子信息、航空航天、國防軍工、節能環(huán)保及高端裝備制造等戰略性新興產(chǎn)業(yè)中均發(fā)揮著(zhù)不可或缺的核心基礎材料的作用。為了促進(jìn)我國稀土產(chǎn)業(yè)向高端化發(fā)展,不僅有國家科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部等有關(guān)部門(mén)出臺的相關(guān)政策對稀土新材料在科技研發(fā)、技術(shù)改造的大力支持,還有財政部、稅務(wù)總局將稀土永磁產(chǎn)品列入出口退稅范圍,鼓勵稀土新材料產(chǎn)品參與國際競爭,以及廣大稀土企業(yè)、高校、科研院在稀土新工藝、新產(chǎn)品、新功能的研發(fā)應用方面的不懈攻關(guān)。

但是從長(cháng)遠發(fā)展觀(guān)察,我國稀土冶煉分離產(chǎn)業(yè)新工藝的創(chuàng )新突破和下游應用科技創(chuàng )新能力仍然偏弱,稀土下游高價(jià)值應用與國際先進(jìn)差距明顯,資源優(yōu)勢還未充分有效轉化為價(jià)值優(yōu)勢,發(fā)展質(zhì)量與效益還需要進(jìn)一步提高。特別是2018年開(kāi)始的中美貿易摩擦和2020年初全球疫情的嚴重蔓延,全球經(jīng)濟發(fā)展的不確定性增加,我國稀土行業(yè)將面臨更多的外部挑戰。

冶煉分離產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、綠色環(huán)保新工藝創(chuàng )新突破,成為稀土產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)價(jià)廉最具競爭力的稀土資源大國。

2018年,美國最終出臺對中國商品征稅清單未包含稀土冶煉分離產(chǎn)品和稀土永磁材料,但電動(dòng)機、發(fā)電機、磁盤(pán)驅動(dòng)、磁控元件等稀土終端產(chǎn)品均加征10%關(guān)稅。短期看,美國對我國稀土原料還有較高的依存度。但中遠期看,中美貿易摩擦將成為常態(tài)化甚至摩擦會(huì )日益加劇,美國和日本等發(fā)達國家勢必會(huì )高度重視并解決稀土原料的來(lái)源問(wèn)題,在以軍事為代表的頂尖應用領(lǐng)域稀土元素的減量化和替代將是必然趨勢。因此,在目前全球稀土多元化供應格局已然形成、世界各地的稀土項目層出不窮的大背景下,我國稀土冶煉分離產(chǎn)業(yè)面臨的最大的挑戰就是提質(zhì)增效、綠色環(huán)保,保持稀土資源的優(yōu)勢競爭力。

盡管有眾多海外稀土礦山項目已經(jīng)開(kāi)發(fā),但由于投資成本和財務(wù)費用巨大,以及個(gè)別國家嚴格的環(huán)保要求,短期內無(wú)法與我國稀土冶煉產(chǎn)品的成本抗衡,在全球原料市場(chǎng)不具成本競爭優(yōu)勢,我國稀土原料產(chǎn)品供應大國地位相對穩定,但是長(cháng)遠來(lái)看,我國稀土行業(yè)應該站在全球一體化的高度來(lái)審視整個(gè)稀土產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,國外某些新開(kāi)發(fā)項目已經(jīng)采取了與我國不同的萃取分離技術(shù)路線(xiàn);未來(lái)美國和日本在布局稀土原料來(lái)源的基礎上開(kāi)發(fā)稀土的減量化和替代化技術(shù),因此,上游冶煉分離產(chǎn)業(yè)必須開(kāi)展綠色環(huán)保的自主知識產(chǎn)權的新技術(shù)、新裝備、新產(chǎn)品及新工藝的創(chuàng )新突破,通過(guò)不斷提升稀土原料產(chǎn)品的質(zhì)量,大幅降低成本,保證產(chǎn)品合理的性?xún)r(jià)比,為全球提供安全可靠的稀土原料資源才能保證我國整個(gè)稀土產(chǎn)業(yè)鏈持續穩定發(fā)展,成為稀土產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)價(jià)廉最具競爭力的稀土資源大國。

稀土新材料及終端應用堅持創(chuàng )新開(kāi)發(fā),不斷擴大稀土應用領(lǐng)域,成為自主知識產(chǎn)權世界領(lǐng)先的技術(shù)強國。

稀土材料作為核心關(guān)鍵新材料的一種添加劑或是助劑,在高端材料應用領(lǐng)域消費量還是有限的,稀土資源的價(jià)值主要通過(guò)添加稀土的材料或應用稀土材料的器件的應用端來(lái)體現。我國“戰略新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導目錄”中指出了高效照明、綠色建筑、防治污染、網(wǎng)絡(luò )設備、醫學(xué)影像、航空材料、新能源汽車(chē)等26個(gè)領(lǐng)域都是稀土及稀土功能材料和元器件的用武之地。國家幾部委聯(lián)合下發(fā)的《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》中也明確指出加快實(shí)現稀土磁性材料及應用器件產(chǎn)業(yè)化,因此,做大做強稀土產(chǎn)業(yè)的出路在于促進(jìn)稀土應用領(lǐng)域的擴大和產(chǎn)業(yè)鏈的延伸,即稀土高值創(chuàng )新應用。

事實(shí)上,稀土終端化和產(chǎn)業(yè)高端化往往密不可分。例如高效能稀土永磁材料幾乎帶動(dòng)所有領(lǐng)域發(fā)生了以綠色、智能為特征的技術(shù)革命,探月工程、載人航天、移動(dòng)通信、載人深潛、航空母艦、新能源汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)機器人、高端醫療診斷裝備及高速鐵路等工程技術(shù)領(lǐng)域都離不開(kāi)稀土及稀土功能材料。

通過(guò)提高科技創(chuàng )新能力和高端應用產(chǎn)品研發(fā)能力,生產(chǎn)高質(zhì)量、高附加值的產(chǎn)品,為我國稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有力的科技支持,將科研成果轉化為現實(shí)生產(chǎn)力并實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn),體現稀土資源的戰略?xún)r(jià)值。稀土原料產(chǎn)業(yè)應與下游應用行業(yè)共同推進(jìn),樹(shù)立開(kāi)放、共享和協(xié)同發(fā)展的理念。在重點(diǎn)應用領(lǐng)域加強技術(shù)創(chuàng )新,突破國外專(zhuān)利壁壘,提升裝備自動(dòng)化水平,讓自主知識產(chǎn)權的科研開(kāi)發(fā)和應用推廣成為稀土產(chǎn)業(yè)做大做強的核心原動(dòng)力,我國才能成為自主知識產(chǎn)權世界領(lǐng)先的技術(shù)強國。

聲明:本文僅代表作者觀(guān)點(diǎn)。