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          稀土不稀 重在創新應用

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

          稀土不稀 重在創新應用

          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種稀土元素已經成為最新前沿高科技應用領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品的性能和質量。

          由于發現之初稀土提純技術和分析技術的水平較低,誤認為稀土元素在地殼中含量很稀少,被稱為“稀土”,后經科學勘探證實,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,就稀土在地球的儲存量來說,實際上稀土并不“稀”,只是賦存狀態不同。

          進入21世紀,稀土應用領域不斷拓展,應用產業規模不斷擴大,稀土產業迎來了快速發展期。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展引領了整個稀土行業的迅猛發展。未來新能源汽車行業的發展對稀土永磁材料和電機的需求將持續增大。隨著稀土永磁電機、國產汽車尾氣催化劑和器件、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鍵制備技術取得突破,也為稀土新材料應用注入了強勁動力。因此,雖然稀土產業規模不大,國內市場每年僅有十幾萬噸交易量,但卻涉及國民經濟生產的方方面面及國防工業的關鍵部件,所以說稀土元素的功能作用無法替代或替代后嚴重影響材料性價比,稀土材料“能量”巨大。

          在世界范圍內已經發現了眾多的稀土礦產資源,但分布極不均勻,具有經濟開采價值的稀土礦相對較少。目前大部分具有經濟開采價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。隨著開采和選礦技術的進步,世界范圍內的各種稀土資源將逐步得到開發和利用。

          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、礦點分布合理。目前,在全國22個省市區發現了上千處的礦床及礦化點,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。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。

          以世界最大的稀土礦白云鄂博礦為例,自1957年開采以來,一直按照鐵礦開采,被開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%,按年生產鐵礦石1000萬噸計算,每年鐵礦石和圍巖中產出的稀土氧化物總量約100萬噸。

          白云鄂博是一個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(質量分數)就超過500×10-6,部分中重稀土元素含量還超過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,隨著日后勘探技術的進步提升,白云鄂博的稀土資源儲量也將會被重新認識。

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

          根據美國地質調查局(USGS)《礦產品概要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。美國地質調查局(USGS)公布的2019年世界稀土資源儲量及分布見表1和圖1。

          表1  2019年世界稀土儲量

          單位:萬噸,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(聯合礦石儲量委員會)公布的澳大利亞標準儲量大約為190萬噸

          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作為副產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1358.8萬噸(REO),品位8.24%TREO。美國的獨居石開采較早且儲量較為豐富,開采的砂礦為佛羅里達州的格林科夫斯普林斯礦。2019年5月,美國化學品公司BlueLine與澳大利亞企業簽署了在美國境內建設稀土冶煉工廠的備忘錄。

          2.2澳大利亞稀土資源

          近年來,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值的稀有金屬礦藏,2016年公布的稀土資源量(EDR)為344萬噸(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468萬噸(REO)。目前澳大利亞尚無經濟開采價值的資源量為2957萬噸(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20億噸,稀土品位0.5%(REO),總稀土氧化物含量1000萬噸以上,大約含0.17%(質量分數)鑭和0.25%(質量分數)鈰。該礦的稀土氧化物目前沒有回收,儲存在礦山的尾礦庫。

          澳大利亞地球科學局網站公布了包括萊納斯公司擁有的韋爾德稀土礦在內的15個公司旗下的15個稀土項目。2018年8月6日,萊納斯公司發布公告,韋爾德山稀土資源量比2015年公布數據增長60%,為5540萬噸,平均品位5.4% TREO,折合300萬噸TREO。韋爾德山稀土儲量目前為1970萬噸,品位8.6%TREO,折合169萬噸TREO。

          萊納斯公司在馬來西亞關丹市進行冶煉分離,目前該工廠價值最高的產品為鐠釹氧化物。公司2018年年報表明:氧化鐠釹產量為5444噸(2017年為5223噸);稀土氧化物(REO)的總產量為17753噸(2017年為16003噸)。氧化鐠釹產量突破設計產量。2019年氧化鐠釹生產能力增至600噸/月。萊納斯已經與歐洲、美國和日本的四家機構簽署了協議,保證其稀土產品的銷售。

          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。據美國地質調查局公布的數據,巴西稀土儲量很大。2020年,美國稀土工業年評報告中公布巴西稀土儲量為2200萬噸(REO)。美國地質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,均屬于未分類資源,品位0.15%-10.5%,資源量在9-4350萬噸TREO左右。

          2.4俄羅斯稀土資源

          美國地質調查局2020年公布俄羅斯儲量為1800萬噸(REO)。據報道,俄羅斯稀土礦超過35個,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礦生產鈰鈮鈣鈦礦和異性石,2014年生產了不足5000噸鈰鈮鈣鈦礦精礦。除了鈰鈮鈣鈦礦資源外,獨聯體還有大量的磷灰石,主要用于生產化肥,磷酸鹽精礦中稀土含量大約0.9%~1.1%,但是目前生產化肥時還未回收稀土,還處于試驗研究階段。此外,獨聯體留存有上世紀40年代的獨居石,約8.2萬噸(4.4萬噸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源,含大約58%稀土氧化物。印度國家海洋學院確認,沿著印度7000公里長的海岸線也有重礦砂礦床。2012年10月,印度原子礦物勘探與研究理事會報告,印度獨居石儲量約為1193萬噸。按照獨居石約含58%(REO)計算,印度獨居石約有692萬噸(REO)。印度稀土公司(印度政府企業)是印度唯一經過許可處理稀土礦的企業,產品包括混合氯化稀土,產能為1.1萬噸;此外,還有磷酸三鈉產能為1.35萬噸;硝酸釷產能為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后的副產品。2020年可能投產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,美國地質調查局報告越南稀土儲量為2200萬噸(REO)。多數越南稀土礦集中在越南西北部,沿東海岸線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),未形成產業規模,目前只有萊州稀土合資公司(越南與日本豐田)進行一些小規模、非系統性、季節性、非專業性的作業,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個礦床的儲量和品位均相當可觀。

          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,使礦山年產量達到2700噸,并計劃進一步擴大產量。

          全球稀土資源的不斷開發導致全球稀土產量逐年遞增。2018年增幅為28.8%。2019年增幅為11%,增量因素主要為中國增產、美國礦開采重啟、獨居石礦增加。按照每年大約20萬噸(REO)的消耗,全球稀土儲量可供開采數百年。全球稀土供應格局多元化、稀土冶煉分離技術的先進優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年我國稀土初級產品產量增加,2020年預計持續增長

               2018年和2019年,我國稀土冶煉分離總量控制計劃基本為12萬噸(REO)。而2019年,中國稀土分離產品的市場供應大約為21.9萬噸(REO),除控制計劃的12萬噸(REO)外,2019年中國進口的美國稀土礦大約2.3萬噸(REO),進口緬甸離子礦大約1.8萬噸(REO);此外,由于我國鋯資源基本依賴進口,2019年進口的鋯中礦及鈦中礦副產的獨居石礦和單獨進口釷礦砂(主要是獨居石)合計大約2萬噸(REO),上述三種國外稀土礦在國內加工后供應的稀土產品量合計大約為6.1萬噸(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非計劃的交易部分,通過對市場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采和生產。2019年我國稀土產量測算情況及2020年我國稀土產量預測詳見表2。

          萊納斯公司是中國之外全球第二大稀土原料生產企業。2018年,萊納斯公司稀土氧化物總產量為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年稀土氧化物總產量為19737噸(REO)。

          2019年中國和澳大利亞合計稀土初級產品的總產量超過23萬噸,此外,越南、俄羅斯和印度生產的稀土初級產品數量僅有幾千噸左右,主導市場供應還是中國和澳大利亞,中國生產的稀土初級產品占據全球市場份額的90%左右,澳大利亞占據8%左右。

          中國生產的稀土初級產品中,總量控制計劃占據的比例只有55%左右,但是進口的緬甸離子礦、美國礦原料基本由六大集團加工生產,因此,由六大集團生產的稀土初級產品產量大約達到15.2萬噸,占據我國稀土初級產品市場比例大約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。2015年后我國政府取消了多項稀土產品的出口管理措施后,國家加強了稀土生產和流通環節的管理和監管,國內初級產品市場基本保持平穩態勢。

          二、重在創新應用——稀土資源優勢通過創新應用變經濟優勢

          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個稀土元素應用不平衡問題也是制約稀土產業下游發展的重要問題,國家和企業在大力發展稀土永磁功能材料等稀土功能材料產業的同時,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 稀土產業發展的“風向標”——稀土永磁材料及稀土永磁電機

          稀土永磁材料經過三十多年研究、開發和應用,已廣泛應用于風力發電、消費電子、汽車工業、醫療設備、能源交通等眾多領域,已經成為最具中國特色的戰略產業之一。稀土永磁材料性能的提高極大地促進了永磁設備及器件向小型化、集成化發展,稀土磁性材料成為大數據工程、高速鐵路工程、新能源汽車工程等一系列“中國制造2025”、“一帶一路發展戰略”的實施無法替代的關鍵基礎材料,稀土永磁材料已成為稀土產業發展的“風向標”。

          稀土永磁材料無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和產能產量方面,都取得了長足的進步。據中國稀土行業協會統計,2019年稀土磁性材料產量保持平穩增長,其中燒結釹鐵硼毛坯產量17萬噸,同比增長9.7%;粘接釹鐵硼產量7900噸,同比增長5%;釤鈷磁體產量2400噸,同比增長4%。但是,長期以來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指標的提高。我國大部分企業已經掌握了先進的燒結釹鐵硼磁鐵速凝薄帶和氫淬制粉等生產技術,具備了生產中高檔燒結釹鐵硼和釤鈷磁鐵產品的能力,并且高中檔產品的總體產量也在逐年提高。但是,與日本等發達國家相比,我國稀土永磁材料的產品質量與產品一致性都還存在較大差距,裝備自動化程度有待提升,高端稀土永磁材料國際競爭力不強。因此,作為支撐我國整個綠色能源等戰略性新興產業的核心材料,高性能稀土永磁材料仍是我國高技術產業的發展重點,同時大力開發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業領域的重大發展需求方向,對建立完整低碳減排綠色產業鏈具有長遠的戰略意義。

          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,極大地滿足了高端加工設備、機器人、航空航天、航海和軍工、高效風機與泵、壓縮機、電動汽車、風力發電、數控機床等領域傳統電機無法達到的高性能需求。

          同時稀土永磁電機也是國家提升電機效率、減少能源消耗重點建設方向之一。雖然我國永磁電機行業發展較快,但全球范圍內來看,日本、德國、美國、英國、瑞士、瑞典等國家仍占據主導地位,掌控著大部分高檔、精密、新型永磁電機的技術和產品。我國主要掌握中低端永磁電機市場,成為了全球主要永磁電機的生產國以及出口國。據統計,2017年,我國永磁電機產量首次突破1000萬千瓦,達到1107.1萬千瓦,成為全球永磁電機的主要生產國。2018年我國永磁電機產量達到1168萬千瓦。

          隨著釹鐵硼永磁材料的裝備和制備工藝技術的不斷進步,高性能釹鐵硼磁體將稀土永磁電機的研究開發推向一個新的時期,在理論和應用領域都將產生質的飛躍。我國稀土永磁材料在伺服電機、直線電機、無刷電機等微小型電機領域的應用已經相對成熟。由于中大型永磁電機在新能源汽車及風電領域應用起步較早,技術水平已步入世界前列,稀土永磁大功率工業電機的開發應用也日趨成熟。

          近年來,新能源汽車的快速發展給永磁驅動電機帶來了巨大的發展機遇。稀土永磁電機的設計理論、計算方法、檢測技術和制造工藝的不斷完善和發展,永磁材料的性能和可靠性的不斷提高,電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的快速發展都對永磁驅動電機的發展奠定了扎實的理論基礎,積極促進了新能源永磁驅動電機的產業發展。

          憑借稀土資源優勢,我國已經在稀土永磁電機方面建立起了完整的產業鏈及完善的產業生態系統。相比歐美國家,我國自主研發的稀土永磁電機在原材料和生產成本都具有明顯優勢,但是在電機設計和高端特種電機研發生產方面存在差距。因此,稀土永磁電機的研究開發和應用普及推廣必須得到國家的大力支持。未來隨著各國對新能源和節能環保項目的大力推動,稀土永磁電機在風力發電和新能源汽車以及高鐵、地鐵、有軌電車等軌道交通領域的用量還將持續不斷增加;隨著工業自動化、辦公自動化、家庭現代化、農業現代化及軍事武器裝備現代化的普及,作為這些技術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,稀土永磁電機未來廣闊的應用前景也會帶來巨大的市場前景。

          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,在化學反應中具有良好的助催化性能,在石化、環境、能源、化工等催化應用領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、機動車、船舶、農用機械等移動源尾氣凈化催化劑以及工業廢氣脫硝、天然氣燃燒、有機廢氣處理等固定源尾氣凈化催化劑等產品的重要原料。資源豐富的La、Ce稀土元素在技術含量較高的稀土催化材料的大量應用,提升了能源與環境技術發展,有效緩解我國稀土元素應用不平衡問題,為改善人類生存環境的藍天保衛戰做出了重要貢獻。

          近幾年,由于汽車產業的高增速發展,我國稀土催化材料產業也不斷突破巴斯夫、優美科、莊信萬豐等國外公司的技術和市場壟斷,自主知識產權的綠色、環保、高性價比的稀土催化材料制備技術不斷創新提升,稀土催化材料產業持續發展壯大。石油裂化催化劑和機動車尾氣凈化催化劑是稀土催化材料兩個最大的應用市場。在石油催化裂化方面,研發了石油催化裂化過程的硫轉移劑技術,采用SOX轉移劑可減少催化裂化(FCC)裝置中SOX排放,既經濟又有效;研發了具有自主知識產權的催化裂化催化劑生產節能降耗成套技術。在機動車尾氣凈化方面,研發滿足國Ⅵ尾氣排放標準的汽車尾氣凈化催化劑產業化技術和產業化裝備,如高度自動化催化劑制備生產線的涂覆量和涂層的準確控制技術;利用資源豐富的稀土Ce元素的特殊性能,研發稀土改性無釩或少釩的工業廢氣脫硝催化材料及制備技術等。為了應對嚴格的機動車尾氣排放國Ⅵ標準,滿足汽車尾氣凈化器的耐久性考驗和瞬態工況應變能力,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仍然是該領域的研發重點。

          國外主要的汽油車尾氣催化劑生產企業巴斯夫、優美科和莊信萬豐壟斷了全球近90%的市場份額,擁有尾氣凈化催化劑的核心專有技術,技術實力雄厚,在我國上海和江蘇建立了工廠,壟斷了我國汽車尾氣凈化催化劑的市場,利用我國低價的輕稀土產品作為催化劑重要原料,獲取高額利潤。無錫威孚力達催化凈化器有限責任公司、昆明貴研鉑業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在產業化關鍵技術和裝備集成方面也達到了國際先進水平,國產催化轉化器在進入新車市場、出口國外、迫使進口產品降價等方面也取得了一定成績。

          稀土催化材料的研究和產業的發展為高質、高效利用好鑭鈰等輕稀土元素提供廣闊的應用市場。提高稀土的主催化性能,進一步降低貴金屬的用量、合理穩定的稀土產品價格支撐以及拓展稀土元素應用領域都是未來催化材料產業的重要發展方向。

          3 交通裝備輕量化 節能減排“大明星”——稀土鎂/鋁合金

          隨著我國新能源汽車、軌道交通和航天航空工業的飛速發展,對輕合金的需求量快速增長。用高性能輕合金取代部分鋼鐵和重金屬結構材料、實現材料輕量化以及材料結構比例科學化,是實現資源節約型社會的必由之路。目前工業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、稀土鋁合金是實現輕量化合金大規模替代應用的突破關鍵材料。

          鋁合金是目前汽車上應用較多的輕量化材料,如發動機缸體、缸蓋、底盤、散熱器等部件。鎂合金作為輕量化材料主要應用在汽車方向盤、汽車儀表、中控支架等器件。未來鎂合金可以在不暴露表面如車內門板、座椅支架等方面進行推廣。鎂合金在軌道交通領域的應用也開始逐步擴大。鎂合金鍛造汽車輪轂是輕量化效益最高的部件,是新一代汽車特別是新能源汽車、自動駕駛汽車的必然選擇。

          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相似的晶體結構,對鎂合金可以起到良好的固溶強化和時效強化作用,提高了鎂合金的強度、抗蠕變性能及耐腐蝕性能,稀土鎂合金產品能在更高外加應力及工作溫度下使用,目前國內外發展的高性能鎂合金(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鎂合金最有前景的應用材料。通過向鋁合金中添加稀土元素,可以同時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性能。稀土元素能顯著細化鈦及鈦合金的鑄態組織,延緩鈦合金的再結晶速率,阻礙晶粒長大,改善高溫抗蠕變性能,并提高鈦合金熱穩定性。此外,稀土還可以凈化鋼水,顯著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。

          目前稀土鎂合金技術已經成為助推鎂合金應用的關鍵技術之一。在高性能鎂合金材料方面,無論是已經得到商業應用的鎂合金,還是正處于研發階段的鎂合金,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,這兩大資源優勢為高性能稀土鎂合金的開發與應用提供了契機。開展稀土鎂合金材料及相關技術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題的重要方向。

          三、自主知識產權的科研開發和應用推廣是稀土產業做大做強的核心原動力

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

          但是從長遠發展觀察,我國稀土冶煉分離產業新工藝的創新突破和下游應用科技創新能力仍然偏弱,稀土下游高價值應用與國際先進差距明顯,資源優勢還未充分有效轉化為價值優勢,發展質量與效益還需要進一步提高。特別是2018年開始的中美貿易摩擦和2020年初全球疫情的嚴重蔓延,全球經濟發展的不確定性增加,我國稀土行業將面臨更多的外部挑戰。

          冶煉分離產業提質增效、綠色環保新工藝創新突破,成為稀土產品質優價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品和稀土永磁材料,但電動機、發電機、磁盤驅動、磁控元件等稀土終端產品均加征10%關稅。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化甚至摩擦會日益加劇,美國和日本等發達國家勢必會高度重視并解決稀土原料的來源問題,在以軍事為代表的頂尖應用領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業面臨的最大的挑戰就是提質增效、綠色環保,保持稀土資源的優勢競爭力。

          盡管有眾多海外稀土礦山項目已經開發,但由于投資成本和財務費用巨大,以及個別國家嚴格的環保要求,短期內無法與我國稀土冶煉產品的成本抗衡,在全球原料市場不具成本競爭優勢,我國稀土原料產品供應大國地位相對穩定,但是長遠來看,我國稀土行業應該站在全球一體化的高度來審視整個稀土產業鏈的發展,國外某些新開發項目已經采取了與我國不同的萃取分離技術路線;未來美國和日本在布局稀土原料來源的基礎上開發稀土的減量化和替代化技術,因此,上游冶煉分離產業必須開展綠色環保的自主知識產權的新技術、新裝備、新產品及新工藝的創新突破,通過不斷提升稀土原料產品的質量,大幅降低成本,保證產品合理的性價比,為全球提供安全可靠的稀土原料資源才能保證我國整個稀土產業鏈持續穩定發展,成為稀土產品質優價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新開發,不斷擴大稀土應用領域,成為自主知識產權世界領先的技術強國。

          稀土材料作為核心關鍵新材料的一種添加劑或是助劑,在高端材料應用領域消費量還是有限的,稀土資源的價值主要通過添加稀土的材料或應用稀土材料的器件的應用端來體現。我國“戰略新興產業重點產品和服務指導目錄”中指出了高效照明、綠色建筑、防治污染、網絡設備、醫學影像、航空材料、新能源汽車等26個領域都是稀土及稀土功能材料和元器件的用武之地。國家幾部委聯合下發的《新材料產業發展指南》中也明確指出加快實現稀土磁性材料及應用器件產業化,因此,做大做強稀土產業的出路在于促進稀土應用領域的擴大和產業鏈的延伸,即稀土高值創新應用。

          事實上,稀土終端化和產業高端化往往密不可分。例如高效能稀土永磁材料幾乎帶動所有領域發生了以綠色、智能為特征的技術革命,探月工程、載人航天、移動通信、載人深潛、航空母艦、新能源汽車、風力發電、工業機器人、高端醫療診斷裝備及高速鐵路等工程技術領域都離不開稀土及稀土功能材料。

          通過提高科技創新能力和高端應用產品研發能力,生產高質量、高附加值的產品,為我國稀土產業的發展提供有力的科技支持,將科研成果轉化為現實生產力并實現工業化生產,體現稀土資源的戰略價值。稀土原料產業應與下游應用行業共同推進,樹立開放、共享和協同發展的理念。在重點應用領域加強技術創新,突破國外專利壁壘,提升裝備自動化水平,讓自主知識產權的科研開發和應用推廣成為稀土產業做大做強的核心原動力,我國才能成為自主知識產權世界領先的技術強國。

          聲明:本文僅代表作者觀點。