石墨、萤石等战略非金属矿产发展趋势研究

陈军元, 刘艳飞, 颜玲亚, 高树学, 欧阳友和, 龙 涛

1)中国建筑材料工业地质勘查中心, 北京 100035； 2)中国地质大学(北京), 北京 100083；3)中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队, 山东济南 250100； 4)中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037

战略性新兴产业(节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车)几乎或多或少都与非金属矿及其制品有关, 尤其是新材料产业中石墨、萤石、叶蜡石、石英及其制品更是起到不可替代的重要支撑作用。石墨、萤石等非金属矿产被中国、日本、澳大利亚等多个国家列为“战略性矿产”或“关键矿产”, 美国列为“危机矿产”。《全国矿产资源规划(2016—2020年)》将晶质石墨、萤石等 24种矿产列入战略性矿产名录。国务院办公厅《关于促进建材工业稳增长、调结构、增效益的指导意见》([2016]3号文)要求, 加快非金属矿行业“去产能、调结构、增效益”, 大力发展非金属矿物功能材料产业, 推动我国非金属矿业由“原料粗加工向材料深加工”“产品低值生产向中高端制造”“高耗加工向绿色加工”的转型升级,实现我国非金属矿工业的健康可持续发展。本文通过收集美国、日本、澳大利亚等全球主要国家或组织的关键矿产报告进行对比分析, 将石墨、萤石、高纯石英、叶蜡石列为我国战略非金属矿产(王登红,2019； 陈甲斌等, 2020； 郭娟等, 2021)。

1 石墨、萤石等战略非金属矿产的用途

1.1 石墨

石墨一直是军工和现代工业发展不可或缺的重要战略资源, 在新能源汽车产业主要用于生产锂离子电池负极材料、新型动力电池、超级电容等； 在新能源产业主要用于生产太阳能电池、风力发电储能用电池； 在高端装备制造产业主要用于生产密封材料、中子减速剂； 在新一代信息技术产业中用于生产高储能、关键电子材料等(陈其慎等, 2015)(表1)。石墨烯的开发利用又将石墨的用途提升到一个新的高度。未来石墨及其制品将广泛应用于宇航卫星、智能手机、平板电脑、混合动力汽车、电动汽车、太阳能电池等领域, 成为战略新兴材料。中国、日本、欧盟、印度、英国、澳大利亚、OECD(郭娟等, 2021)等国家相继出台了有关石墨发展的产业政策, 将石墨作为“关键矿产”或“战略性矿产”, 美国将石墨列为“危机矿产”。

表1 石墨在战略性新兴产业中的应用Table 1 Application of graphite in strategic emerging industries

1.2 高纯石英

高纯石英具有优异的物理化学性质, 高纯石英砂主要应用在石英玻璃和集成电路等行业, 其高档产品被广泛应用于新一代信息技术、高端装备制造、新材料等产业(表2)。石英是一直作为具有战略意义的材料存在的, 从二战时期开始, 通信电话和军用无线电话的电子元件都是石英制成的。全球公认的高纯、超高纯石英原料是当今高新科技产品的重要基础, 是一个国家高新技术可持续发展的必要条件。在德国, 已将超高纯石英原料列为战略物资而限制出口。

表2 高纯石英制品在战略性新兴产业中的应用Table 2 Application of high purity quartz products in strategic emerging industries

2018年 11月 7日, 国家统计局公布《战略性新兴产业分类(2018)》, 其中提到的电子核心产业、智能制造装备产业、先进无机非金属材料、高性能纤维及制品和复合材料、前沿新材料、风能产业、太阳能产业、高效节能产业将对高纯石英材料需求、行业发展和生产技术水平的提升产生重要影响。

1.3 萤石

萤石又称氟石, 其主要成分为氟化钙(CaF2)。萤石是与稀土类似的世界级稀缺资源, 中国、美国、欧盟、日本等国家都将萤石列为“战略性矿产”或者“关键矿产”, 美国将萤石列为“危机矿产”(张艳飞等, 2019)。萤石是氟原料, 含氟材料是化工新材料之一, 氟化工产品具有高性能、高附加值, 被誉为“黄金产业”, 并走向“贵族化”资源(商朋强和郑厚义, 2017)。其产品和材料除广泛应用于工业部门和日常生活外, 在新能源、生物、节能环保、新能源汽车等战略性新兴产业中也应用广泛(陈其慎等, 2016)(表3), 氟化工行业已被列入国家重点鼓励发展的高新技术产业范畴。

表3 萤石在战略性新兴产业中的应用Table 3 Correlation between fluorine materials and strategic emerging industries

1.4 叶蜡石

叶蜡石属层状硅酸盐矿物, 具有化学稳定性、低热胀性、低热传导性、低导电性、高绝缘性、高熔点、良好的抗腐蚀性等。叶蜡石是功能陶瓷(超硬陶瓷、超高压电瓷)、绿色新型耐火材料、高性能玻璃纤维、超硬材料(人造金刚石)等的重要生产原料之一, 是重要的新能源(风电, 风机叶片)材料和新型功能材料(表4)。

表4 叶蜡石在战略性新兴产业中应用Table 4 Application of pyrophyllite in strategic emerging industries

优质叶蜡石在战略性新兴产业主要应用于高强玻璃纤维生产及超硬材料(人造金刚石)。玻璃纤维主要是以叶蜡石、石英砂和石灰石等为原料, 其中叶蜡石含量占50%以上。高强玻璃纤维生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹盔甲、航空航天、海洋工程等新兴领域。

2 石墨、萤石等战略非金属矿产发展趋势

2.1 石墨

2.1.1 供应情况

我国一直是全球第一大石墨生产国, 在全球供应市场上具有重要的地位, 经过近30年的发展, 在高纯石墨、石墨负极材料等高端石墨产品研发和产业发展方面取得了较大突破, 青岛海达新能源材料有限公司、青岛泰达天润碳材料有限公司、内蒙古瑞盛新能源有限公司、鸡西市贝特瑞石墨产业园有限公司等企业的石墨深加工技术较为先进(刘艳飞等, 2019a, b)。2000年以来, 我国石墨产量整体呈先增长后下降再增长的趋势； 但在全球石墨产量中的占比一直在60.0%以上。2019年我国石墨产量90.0万t, 占全球石墨产量的62.2%, 其中晶质石墨产量约占56.0%, 隐晶质石墨约占44.0%(图1)。已形成黑龙江萝北、鸡西、山东平度和莱西、内蒙古兴和、湖南郴州和吉林磐石六大石墨生产加工基地。

图1 2000年以来我国石墨产量及全球占比(数据来源：USGS, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006,2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015,2016, 2017, 2018, 2019, 2020； 国土资源信息中心, 2016；本文综合整理)Fig.1 China's graphite output and global share since 2000(data source: USGS, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006,2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016,2017, 2018, 2019, 2020； Land and Resources Information Center, 2016； comprehensive arrangement of this paper)

2.1.2 消费情况

我国天然石墨主要应用于：石墨坩埚、石墨砖等耐火材料、炼钢工业约占41%, 电导材料(电池、燃料电池、膨胀石墨、电机电刷)约占23%, 铸造及润滑材料约占 12%,摩擦材料、石墨制品约占 10%,铅笔约占6%,密封材料约占1%。我国与全球石墨消费领域对比总体基本相同, 在石墨功能材料生产与应用方面与世界先进国家有一定的差距, 特别是在高纯石墨、氟化石墨、石墨乳、电池石墨等方面国内有很大的发展空间。

我国一直是全球第一大石墨消费国, 除 2014年我国石墨消费量全球占比仅为 40.5%外, 其余年份我国石墨消费量全球占比均在 48.0%以上。2000年以来我国石墨消费量整体呈先上升后下降再上升的趋势, 2019年石墨消费量为80.4万t, 全球消费占比 55.6%(图 2)。

图2 2000年以来我国石墨消费量及全球占比(数据来源：本文综合整理)Fig.2 China's graphite consumption and global share since 2000(data source: comprehensive arrangement of this paper)

2.1.3 需求趋势

(1)耐火材料、炼钢工业产业

我国天然石墨在耐火材料、炼钢工业产业消费占比约为 41%, 而目前使用较多的为低碳镁碳砖,当鳞片石墨加入6%左右时, 低碳镁碳砖具有最好的抗氧化性、抗剥落性等特性(左琪琳, 2019)。随着技术的发展, 耐火材料领域石墨需求量呈缓慢增长趋势, 预计2030年石墨需求量43.3万t。

(2)新能源汽车产业

在新能源汽车中, 每台锂离子电池的生产中需要40 kg的石墨(吴西顺, 2017), 据中新能源汽车行业战略研究报告, 2030年我国新能源汽车产销量将达到1700万辆, 需要的天然石墨约为68.0万t。

(3)新材料产业

新材料产业, 主要研究密封材料及摩擦材料。在密封材料行业中, 主要是用于制造汽车的汽缸垫,单位汽缸垫对于石墨的需求量约为1 kg, 预计2030年我国汽车产量将达到 7500万辆, 所需石墨约为7.5万 t(左琪琳, 2019), 其他密封材料所需石墨为2.0万 t。摩擦材料中, 随着汽车工业的发展, 预计未来呈增长趋势, 单位摩擦材料所需的石墨约为0.4%～1.3%(高天明等, 2015), 预计2030年摩擦材料行业所需的石墨约为5.0万t。预计2030年新材料领域石墨需求量为14.5万t。

(4)其他产业

其他产业, 如铅笔, 2019年消费量约为6.9万t,预计未来需求量较为稳定。其他石墨制品预计2030年石墨需求量为6.0万t左右。综上所述, 预计其他产业2030年石墨需求量将达到12.9万t。

综上所述, 预计 2030年石墨需求将会分别达到138.7万t(图3)。其中新能源汽车产业, 2030年石墨需求量占比将达到 49.0%。未来石墨需求领域的变化决定了我国的石墨产业政策由合理开发利用向战略性新兴领域石墨产品的研发(颜玲亚等, 2019),石墨产业将从材料级产品向深加工产品方向发展,重点培育电碳石墨材料产业链和战略新兴材料产业链(高天明等, 2015)。

图3 2020—2030年我国石墨需求量Fig.3 Demand of graphite in China from 2020 to 2030

2.1.4 贸易情况

2019年我国石墨突增为全球第一大石墨进口国, 进口来源国及进口产品均发生了较大改变, 首次成为鳞片天然石墨净进口国。2017年以前, 我国石墨进口来源的 90%以上为朝鲜, 主要从朝鲜进口天然石墨(粉末或粉片除外), 然后再出口, 赚取差价； 而2018年进口来源国向莫桑比克、马达加斯加转移, 进口产品也变为以鳞片天然石墨为主。2019年, 我国石墨进口量为19.7万t, 其中98.0%为鳞片天然石墨, 进口来源国主要为莫桑比克及马达加斯加(图4, 5)。其中鳞片天然石墨净进口量为7.9万t。这显示了我国优质鳞片天然石墨供应缺口大, 同时为刺激与非洲贸易, 对非洲原产的石墨实行零关税。未来将从非洲进口更多的鳞片天然石墨。

图4 2019年我国石墨进口产品占比情况(数据来源：中华人民共和国海关总署, 2020)Fig.4 Proportion of China's imported graphite products in 2019 (data source: The General Administration of Customs, PRC, 2020)

图5 2019年我国石墨进口来源情况(数据来源：中华人民共和国海关总署, 2020)Fig.5 Import sources of graphite in China in 2019(data source: The General Administration of Customs, PRC,2020)

我国一直是全球第一大石墨出口国, 2019年石墨出口量为 28.9万 t, 主要出口鳞片天然石墨、天然石墨(粉末与粉片除外)。

2.2 高纯石英

2.2.1 供应情况

我国目前尚无高纯石英矿产储量统计, 目前提纯高纯石英的原料主要以一、二级水晶资源和玻璃用脉石英为主, 但是水晶类查明资源储量仅0.7万t, 玻璃用脉石英查明资源储量1.0亿t； 而根据《矿产资源工业要求手册2010年版》及生产企业调研资料, SiO2含量在 98.8%及以上的玻璃用脉石英资源可提纯高纯石英。据此可提纯高纯石英的玻璃用脉石英资源仅为709.9万t, 仅占查明资源储量的7.8%, 因此我国可提纯高纯石英的玻璃用脉石英非常紧缺, 严重威胁着我国的高纯石英安全。

我国高纯石英生产技术虽然起步较晚, 但研究和开发也已经有 25年。2010年以前, 我国高纯石英一直依赖进口, 国内高纯石英砂市场基本被美国尤尼明公司所垄断。石英材料产业链中, 上游石英砂高度垄断, 中游石英玻璃和石英制品中低端产品厂商差别较小, 竞争激烈, 高端产品国内供应商较少。目前我国高纯石英生产企业中, 仅有江苏太平洋石英股份有限公司生产的高纯石英可以和美国尤尼明公司的高纯石英相比较, 其生产的 PQS级高纯石英砂杂质含量小于20.0×10-6, 已超过美国尤尼明的Ⅰ-OTA-STANDARD等级石英砂产品的等级。

据中国建筑玻璃与工业玻璃协会数据, 2014年以来, 我国高纯石英砂产量整体呈增长趋势, 普通高纯石英砂(SiO2≥99.5%)产量由 2014年的494.0万t增长到2018年的636.0万t, 年均增速为6.5%。2018年石英砂产量中, 普通高纯石英砂产量为 636.0万 t, 仅占 7.7%(图 6)。

图6 2014—2018年我国普通高纯石英砂产量(数据来源：颜玲亚等, 2020)Fig.6 Production of ordinary high purity quartz sand in China from 2014 to 2018 (data source: YAN et al., 2020)

2.2.2 需求情况

高纯石英是半导体行业、光伏、光纤、电光源、航天航空等领域不可或缺的重要支撑材料。我国是高纯石英消费大国, 2014年以来我国高纯石英消费呈增长趋势, 由2014年的517.8万t增长到2018年804.6万t, 年均增速高达 11.7%(图7)。未来, 高纯石英砂在大规模及超大规模集成电路制造、光纤光缆电子通讯半导体、LED照明制造封装、软件芯片制造材料、太阳能、电子产品及器件、国防、激光技术、化工合成、精密铸造应用前景也非常广阔, 预计 2019—2030年高纯石英需求增速约为10.0%～14.0%。但是我国石英砂加工厂的矿床成矿因素复杂, 矿源纯度较差, 石英含量中等, 且石英中流体杂质多、矿体规模小、矿品质不稳定等缺点。未来高纯石英砂供需形势较为严峻。

图7 高纯石英砂消费情况(数据来源: 颜玲亚等, 2020； 综合资料整理)Fig.7 Consumption of high purity quartz sand(data source: atter YAN et al., 2020)

2.2.3 贸易情况

我国中低端石英产品部分出口, 高端石英产品仍然依赖进口。我国超高纯石英(硅含量≥99.99%)严重依赖进口, 对外依存度较高, 2019年我国超高纯石英进口量是出口量的 104.2倍, 净进口量为14.4万t。进口主要来源于德国、韩国、马来西亚、美国、日本等国家, 2019年我国进口来源主要为德国(36.2%)、韩国(33.6%)、马来西亚(14.6%)、美国(6.4%)、日本(3.2%)等国家。

2.3 萤石

2.3.1 供应情况

我国共有 27个省份生产萤石, 一直是全球第一大萤石生产国, 除2008—2010年外, 萤石产量全球占比均在50.0%以上。2000年以来我国萤石产量总体呈先增长后下降再趋于稳定的趋势, 近几年稳定在 380～400万 t(图8)。目前, 我国萤石行业企业以民营企业为主, 目前生产的营山矿山 1200多个,以小型矿山为主(赵鹏等, 2020)。我国萤石产量大,以全球占比13.5%的储量生产了全球57.1%的产量,静态保障年限低, 2019年我国萤石静态保障年限仅为 10.5, 远远低于全球 44.3的静态保障年限。且随着多年的开采, 高品位、易开采的萤石资源减少过快的问题更加突出, 严重威胁着我国萤石资源的安全。

图8 我国萤石产量及全球萤石产量占比(数据来源：USGS, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006,2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015,2016, 2017, 2018, 2019, 2020)Fig.8 China's Fluorite production and the proportion of global fluorite production (data source: USGS, 2001, 2002,2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012,2013, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020)

2.3.2 需求前景

2000年左右, 我国萤石消费结构与欧美国家有所不同, 欧美主要将萤石用在氟化工行业, 全球著名的八大氟化工企业主要分布在美国、日本和西欧等工业发达国家(李敬等, 2019)； 而我国萤石消费结构正在与欧美接轨, 差异逐渐弱化, 2017年我国萤石消费量约为363.8万t, 消费领域仍以氟化工、冶金和建材等产业为主, 其中氟化工行业占比为50%,成为第一大消费产业。在传统的建材、冶金等产业,萤石需求量已越过顶峰开始呈现下降或趋于稳定的态势, 与新兴产业密切相关的氟化工行业则成为主导我国萤石需求形势的关键(图9)。

图9 我国近年萤石消费结构(数据来源：本文综合整理)Fig.9 Fluorite consumption structure in recent years in China (data source: comprehensive arrangement of this paper)

2000年以来我国萤石消费量呈增长的趋势, 由2000年的125.1万t增长到2019年的410.7万t, 年均增速高达6.5%, 主要是由于我国氟化工、钢铁、铝冶炼等行业对萤石的需求较为旺盛。同时, 随着国家将新材料、新能源等战略性新兴产业提升到国家战略的高度, 相关产业的发展又成为推动萤石消费增长的因素, 使得萤石产品的需求大大增加(图10)。

图10 2000年以来我国萤石消费变化(数据来源：本文综合整理)Fig.10 Changes of fluorite consumption in China since 2000(data source: comprehensive arrangement of this paper)

虽然萤石在传统的建材、冶金等产业的需求量已到达顶点并开始呈现下降或稳定的态势, 但萤石在新能源、新材料等战略性新兴产业中的需求成为主导我国萤石需求趋势的关键, 因此预计未来萤石需求仍呈增长趋势, 但是增长速率有所减慢, 预计2019—2030年需求增速约为3.0%, 2030年我国萤石需求量约为567.9万t(图11)。

图11 2019—2030年我国萤石需求Fig.11 Fluorite demand in China in 2019-2030

2.4 叶蜡石

2.4.1 供应情况

我国是全球第一大叶蜡石生产国, 2010年以来我国叶蜡石产量呈上升趋势, 由2010年的180.2万t增长至2017年的276.0万t, 2017年较2010年增加95.8万t, 年均增长速率为6.3%。其产量在全球叶蜡石产量中的占比也呈增长趋势, 由 2010年的55.4%增长到2017年的68.3%(图12)。叶蜡石是我国地质勘探工作开展较少, 开发利用较为落后的矿种之一(张莉丽等, 2014)。浙江省的叶蜡石资源储量居全国第一, 叶蜡石主要产于青田、泰顺、上虞、常山、景宁等地, 主要有：青田山口叶蜡石矿、泰顺县龟湖叶蜡石矿、上虞市梁岙叶蜡石矿、常山县芳村叶蜡石矿以及景宁县缪坑叶蜡石矿等, 是国内叶蜡石原料的主要供应地。北京、内蒙、福建、浙江、河北等地的叶蜡石矿均已大量开采。其中北京的门头沟叶蜡石属高铝型, 其最大特点是在高温下绝热性与导压性能较之国内同类矿石更为优越, 物理化学性能更为稳定, 因而被广泛用于合成金刚石制造业。

图12 我国叶蜡石产量及全球占比(数据来源: 本文综合整理)Fig.12 China's pyrophyllite production and global share(data source: comprehensive arrangement of this paper )

2.4.2 需求前景

叶蜡石作为一种非金属材料, 广泛应用于耐火材料、陶瓷、玻纤、农药载体、填料等各个领域。由于叶蜡石在每一个应用领域均具有相应的替代产品, 因此, 在不同的国家, 叶蜡石的需求结构相差非常大。美国和日本叶蜡石主要用于耐火材料； 而随着我国玻璃纤维行业的快速发展, 玻璃纤维用叶蜡石消费呈快速增长趋势, 2018年玻璃纤维用叶蜡石消费量为211.2万t(杨静, 2019), 约占叶蜡石消费总量的69.0%。

自 2010年以来, 我国叶蜡石消费呈较快增长态势, 由2010年的180.0万t增长到2018年的306.0万t(图13), 年均增速为6.9%, 主要是因为我国玻璃纤维行业的快速发展, 带动我国对叶蜡石需求量的快速增长。目前我国已是玻璃纤维生产第一大国,而生产玻璃纤维的原料中, 50%以上需要叶蜡石,因此对叶蜡石的需求急剧增加。根据我国经济发展阶段及国外玻璃纤维发展经验, 我国玻璃纤维行业正处于成长期向成熟期过渡时期(杨静, 2019), 预计未来我国玻璃纤维用叶蜡石需求呈先增长后略有下降的趋势； 但是随着战略性新兴产业的发展, 将带动叶蜡石在战略性新兴产业中的需求。因此总体而言, 预计未来叶蜡石需求仍呈增长趋势, 2019—2030年需求增速约为5.0%～7.0%。

图13 2010—2018年我国叶蜡石消费量(数据来源：本文综合整理)Fig.13 Pyrophyllite consumption in China from 2010 to 2018 (data source: comprehensive arrangement of this paper)

3 主要结论

(1)石墨是我国的优势矿产, 2019年同时拥有“五个第一”, 晶质石墨储量第一, 石墨产量、消费量、出口量、进口量均居全球第一, 是具有影响和改变全球供需格局的矿产, 与美、日、韩、欧等高度依赖国外资源的国家及地区相比, 在全球生产市场及贸易市场上占据主导地位, 但是存在初级产品产能过剩, 高端产品供应不足。未来, 传统领域石墨需求保持稳定； 而随着科技的发展, 新兴产业石墨需求将快速增长, 增长点主要为晶质石墨, 预计到2030年, 石墨需求量将达到138.7万t, 其中新能源汽车产业将达到 49.0%, 成为石墨第一大消费产业。因此, 要加大矿产资源开采管理, 同时提高石墨深加工技术, 使石墨产品逐渐向高端化发展,满足战略性新兴产业发展的需求, 提高国际话语权。

(2)我国是高纯石英生产、消费大国。中低端产品自给有余, 部分出口, 高端产品仍依赖进口。未来, 高纯石英砂在光纤光缆电子通讯半导体、LED照明制造封装、软件芯片制造材料、太阳能等战略新兴产业应用前景广阔, 预计 2019—2030年高纯石英需求增速约为10.0%～14.0%。但是我国可提纯高纯石英的原料资源禀赋差, 供需形势较为严峻。因此, 要加大矿产资源勘查力度, 寻找优质高纯石英原料。

(3)萤石是我国的战略性矿产, 2019年拥有“四个第一”, 第一大萤石生产国、消费国, 基础氟化工与氢氟酸产量全球第一, 是具有市场优势的矿产,但我国作为基础氟化工产品供应方的角色并未发生本质改变。预计未来几年伴随着萤石下游行业的进一步发展, 萤石消费量将呈现上升的态势, 预计2019—2030年萤石需求增速约为3.0%, 2030年萤石需求为567.9万t。建议增加勘查投入, 保障未来需求； 同时发展氟化工行业, 加强高端产品和环保产品的技术研究, 向精细化、轻量化产品发展, 由氟化工行业大国提升为氟化工强国。

(4)我国是全球第一大叶蜡石生产国, 叶蜡石产量呈快速增长趋势。目前叶蜡石供应地主要在浙江省。叶蜡石是功能陶瓷(超硬陶瓷、超高压电瓷)、绿色新型耐火材料、高性能玻璃纤维、超硬材料(人造金刚石)等的重要生产原料之一, 是重要的新能源(风电、风机叶片)材料和新型功能材料, 预计未来叶蜡石需求量呈增长趋势, 2019—2030年需求增速约为 5.0%～7.0%。建议增加勘查投入, 寻找优质叶蜡石, 保障未来需求。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD2016058).