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中国天然石墨供需现状以及在未来传统领域的应用需求预测

发表时间:2018-12-11 人气:232
     天然石墨是传统工业和战略性新兴产业所必须的矿物原料,成为支撑高新技术发展的重要战略资源。本文从天然石墨消费的主要部门,核算各产业石墨的需求量及未来发展方向。对耐火材料、钢铁铸造、密封材料、制动材料、润滑剂、吸附剂、电池电极等产业的未来需求预测。
1 引言
石墨由于特殊的性质,是传统工业和战略性新兴产业所必须的矿物原料,广泛应用于科技工程领域。欧美等国家将天然石墨列为战略资源,严格限制其开采及技术出口。而我国石墨产业面临着开采秩序混乱,资源浪费严重;采选工艺落后,产能过剩,污染严重;原矿出口贸易失衡等问题。石墨产业发展得到了众多专家的高度重视,联名上书呼吁把石墨产业发展纳入国家战略地位。
未来天然石墨将越来越被广泛地应用到高新技术领域,成为支撑高新技术发展的重要战略资源。因此,石墨资源能否持续充足稳定供应关乎国家可持续发展。石墨是我国的优势矿产资源,产量、出口量在世界市场上占主导地位。出口是以天然石墨精矿及初级产品为主,而进口则以高、精、尖工艺需要的石墨产品为主。在石墨的应用方面,早期有学者预测了石墨在耐火材料、坩埚、铸造、炼钢等传统行业的需求发展态势,同时也指明了未来发展膨胀石墨、制动衬片、碳纤维等产品。此后,王文利分析了石墨的深加工主要产品:柔性石墨、石墨乳、锂电子负极材料、浸硅石墨等的技术及应用。随着近些年来对石墨结构性能的深入研究,石墨将跨越传统行业的应用,成为新兴环保材料、新兴热交换材料、储能、导电材料、石墨烯及新型超级电容器材料等。
早期学者在研究石墨的需求方面所取得的成果较少。隋金详预计国内石墨的需求量年增长率为3%~4%,到2010年石墨年需求量50.3万t。而王广驹预测2010 年中国石墨的总需求量为200万t。近年来中国建材地勘中心预测,到2015年中国晶质石墨产量将达到95万t1)。也有学者基于新能源新材料领域石墨的新需求,预测全球石墨年需求量将达160万t以上。学者对石墨需求的预测具有显著的差异,多数未能详细阐述预测的过程,且预测结果如冶金铸造、铅笔等领域的需求与实际需求量差距巨大。石墨的历史消费量保持相对稳定,但未来高技术产业和新能源领域将是石墨消费的主要增长领域。未来石墨战略意义也将凸显。基于以上研究,本文将从石墨消费的主要部门,核算产业未来发展对石墨的需求量,以期展望中国未来石墨的需求态势,并根据未来石墨在传统和新领域的发展形势,刻画未来中国石墨产业链的发展方向,为中国石墨产业可持续发展提供决策支持。
2 中国石墨供需现状
2.1 石墨应用领域

天然石墨是碳质元素结晶矿物,有晶质和隐晶质两种形态。其中,晶质石墨的可浮性、润滑性、可塑性均优于其他类型石墨。在19世纪以前,由于其耐高低温和导电性,石墨主要用于耐火材料、颜料等的原料。随着对石墨抗腐蚀、抗辐射、自润滑等性质认识的深入,其应用领域也愈加广泛(图1)。出现了高纯石墨、核工业用石墨、石墨纤维、浸硅石墨等。特别是近些年来石墨烯的发现,引起了电子通讯、锂离子电池、航天军工、生物医药、环保、太阳能、光电等新兴领域的广泛关注。这些新材料的发展,构成天然石墨产业现代化的重要内容。

2.2 中国晶质石墨生产、出口及消费情况

中国是世界上石墨的生产、消费和出口大国。截止2013年底,中国石墨储量5 500万t,是仅次于巴西的第二大国,占世界储量的42.31%。2012年底,中国晶质石墨矿物储量2 000万t,查明资源储量约2亿t;隐晶质石墨矿石储量约500万t,资源储量约3 500万t。中国是世界最大的石墨生产国,石墨产量由2000年的165万t,上升到2006年的192万t,而后逐渐降低。但不同种类的石墨生产呈现不同的态势:晶质石墨产量逐年递增,而隐晶质石墨产量呈减少态势。2012年中国石墨产量为87万t(图2),其中:晶质石墨47万t,微晶石墨40万t。

中国是石墨资源大国,但是长期以来却以生产原矿和低端产品为主。中国是世界石墨的主要出口国,占2000年以来世界出口规模63%以上。近年来受国际政治及经济环境影响,以及我国石墨产业的整合,石墨出口放缓,2012年中国石墨出口约26万t(图2)。

在深加工方面,向石墨高端应用产品发展。虽然我国在石墨资源整合和深加工方面已经实施了一些措施,但与发达国家的差距还很明显。十多年来中国天然石墨消费量呈增长的态势,由2002年的43万t增长到2012年的67万t(图2),年均增长4%。消费结构由传统耐火材料、铸造、铅笔等领域转向新能源新材料领域。中国与世界天然石墨消费结构基本相同,主要为耐火材料、冶金铸造、导电、润滑等领域(图3)。但在功能材料生产与应用方面与先进国家有一定的差距。

3 未来石墨资源部门需求形势
本研究从部门未来发展趋势、石墨在各行业产品的单位需求量来预测2020 年中国的石墨需求量。依据中国石墨消费格局,将石墨消费的主要领域分为:耐火材料、钢铁、密封、制动、电池等领域分别进行部门预测。并依据现阶段石墨烯发展现状,判断了石墨烯发展对未来石墨需求的影响。
3.1 天然石墨在传统领域的需求
天然石墨的一个主要用途是生产耐火材料,使得石墨需求与耐火材料和钢铁业紧密相连。虽然近年来石墨行业在其他新应用领域已经有长足的发展,钢铁、耐火材料行业石墨占总消费量的比重由20世纪80年代末期的67%~68%,减少为2012年的42%,但它仍然是石墨消费量最大的工业部门。而在铅笔行业石墨的需求仍将保持现在的状态。
3.1.1 耐火材料(镁碳砖)石墨的需求
耐火材料石墨的需求量与镁碳砖产量及其石墨加入量相关。石墨是生产镁碳砖所用的一种主要碳原料,其种类和纯度对镁碳砖的性能影响十分敏感。一般选择固定碳含量93%~95% ,粒度0~100目晶质石墨。石墨的需求量随钢炉种类、使用部位和操作条件不同而异(表1)。欧洲多采用碳含量10%左右的镁碳砖,而我国、日本一般都使用含碳量为12%~20%的镁碳砖。近年来,低碳镁碳砖成为人们研究和应用的热点。
李培等建议冶炼低碳钢应选择碳含量在6%~8%的镁碳砖。低镁碳砖正在我国主要大型钢铁企业推广应用,并将并逐步替代高碳镁碳砖。依此估算到2020年中国镁碳砖的石墨加入量将减少为7%。依据近5年来镁碳砖产量的年均增长率2.5%,预计2020年中国镁碳砖的产量将达到214万t。耐火材料产业对石墨的需求量降低到15万t,略低于现阶段的需求量。
耐火材料的主要碳源为晶质石墨,但一些镁碳砖厂还附带加入一些电极粉、土状石墨等。电极粉粉碎后,少量加入时可以得到致密度较高的耐火材料制品。土状石墨晶粒小,晶形不明显,杂质高,只能用来制造低档镁碳砖。
3.1.2 钢铁铸造增碳剂、电极的需求
(1)铸件对增碳剂的需求
铸铁是工程领域中的基础合金之一。我国是铸铁生产大国,但不是铸铁生产强国。2010年我国铸件总产量达到3 690万t,铸铁件材料约占世界的40%,人均铸铁产量约为30kg,显著的小于德国(53kg)、美国(45kg),这也说明我国的铸造生产尚有很大发展空间,特别是新风电、轨道交通对球墨铸铁铸件、以及汽车行业对蠕墨、灰铸铁需求。有学者分析到2020年中国将从铸铁大国真正变成铸铁强国。

对1989-2010年中国铸铁件产量进行拟合回顾,预测到2020年中国铸件产量将达到7 000万t(Y=728.5e0.07x,R2=0.912),届时人均产量将达到53kg。对于不同的铸铁,其增碳剂的加入量也各不相同(表2)。吨铸件增碳剂加入量为2%,则铸件增碳剂需求量将为140万t。

(2)炼钢对电极、增碳剂的需求。
钢铁的规模、结构及电炉电极单耗、增碳剂使用量等均决定了对石墨的需求。中国是世界钢铁生产第一大国,2013年粗钢产量达到8.22亿t,电炉钢产量为7 200万t,电炉钢所占比例为8.76%。依据《钢铁工业“十二五”发展规划》1)预测我国粗钢需求量最高峰(7.7~8.2亿t)可能出现在2015-2020年期间,此后峰值弧顶区仍将持续一个时期。
基于以上研究成果,并同时考虑到出口等因素,本文设定峰值年2016年和2020 年中国的粗钢产量分别为8.4 亿t 和8.2 亿t。一些学者预测2020 年中国电炉钢比例可望达到25%,但2010年后中国电炉钢发展缓慢,基于现阶段中国电炉钢占比重和人均钢铁消费量将达到峰值后废钢产量的增加,本文预计到2020年中国电炉钢所占比重将达到15%,吨电炉钢的电极消耗量由5.82kg/t降低为4.98kg/t,吨钢的增碳剂添加量为0.1%~0.4%时(增碳剂需求量取均值计算),预计到2020年炼钢电极和增碳剂的需求量分别为61万t和205万t。
(3)钢铁铸造对石墨的需求预测。
天然石墨制成的电极难以用于使用条件较苛刻的电炉炼钢,电炉用石墨电极主要是人造石墨。石墨和其他杂质材料用于炼钢工业时可作为增碳剂,而用作增碳剂的替代材料很多。20世纪90年代初期,我国开始试用微晶石墨作增碳剂。此后,国内开发出了生产优质石墨化石油焦增碳剂的技术。虽然石墨化石油焦的产量已完全满足了国内冶炼用优质石墨化石油焦的需要,但微晶石墨由于成本优势仍是增碳剂的来源之一。以2010年天然石墨占增碳剂消费总量的比重,预测了2020年天然石墨作为钢铁增碳剂的需求量为55.2万t。
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