【原创】你好,我们叫稀土


来源:中国粉体网   长安

[导读]  稀土元素因其自身独特的电子结构而赋予其优异的光、磁、热性能,且难以被替代,可以同其他材料组合成性能卓越、品类繁杂的新型材料,进而大幅改善下游产品的质量和性能,被誉为“现代工业的维生素”。

中国粉体网讯  稀土元素因其自身独特的电子结构而赋予其优异的光、磁、热性能,且难以被替代,可以同其他材料组合成性能卓越、品类繁杂的新型材料,进而大幅改善下游产品的质量和性能,被誉为“现代工业的维生素”。


进入21世纪,稀土应用领域不断拓展,应用产业规模不断扩大,稀土产业迎来了快速发展期。在新材料领域,稀土主要应用在永磁材料、储氢材料、催化材料、发光材料,永磁材料是稀土新材料最大的消费领域,占稀土新材料领域消费量的64%,占稀土总消费量的42%。以钕铁硼材料和稀土永磁电机为代表的稀土新材料和器件的快速发展引领了整个稀土行业的迅猛发展。 


▲稀土产业链


1、稀土之大,一锅放不下


稀土元素(REE)是化学元素周期表ⅢB族中原子序数为21、39和57~71的17种金属元素的总称,是化学性质相似的一组元素。因为18世纪发现的稀土矿物较少,当时只能用化学法制得少量不溶于水的氧化物,历史上习惯地把这种氧化物称为“土”,因而得名稀土,通常分为轻稀土和重稀土两类。轻稀土:镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕;重稀土:钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。轻稀土应用广泛、商业价值突出、用量相对更大;重稀土则相对更稀缺、可替代性小、价格更昂贵。


▲稀土分类及应用


2、稀土不稀


世界稀土资源丰富,但分布很不均匀。根据美国地质调查局(USGS)《矿产品概要 2020》报告数据,截至2019年末,世界稀土资源储量约1.2亿吨,主要集中在美国、澳大利亚、巴西、中国、印度、马来西亚、俄罗斯和越南这8个国家。上述8个国家稀土资源储量总和为1.1173亿吨,约占世界总储量的93.11%;其中中国稀土成矿地质条件优越,是世界上稀土资源最丰富的国家,稀土储量约为4400万吨,占全球总储量的36.67%。


▲2009—2019年世界主要国家(地区)稀土资源储量概况


我国稀土品位较高,成矿条件十分有利、分布面广而又相对集中,更易于规模化开采。同时国内稀土矿种和元素非常齐全,目前呈现出“北轻南重”的特点:1)轻稀土:主要分布在内蒙古包头的白云鄂博矿区和四川冕宁,其中白云鄂博矿区稀土储量占全国稀土总储量的83%,居世界第一,是我国轻稀土的主要生产基地;2)离子型重稀土:以江西为代表的南方七省区尽管总储量占比仅有3%,却是重要的重稀土产区,我国超过90%的重稀土资源都分布于此。尤其是在南岭地区分布可观的离子吸附型重稀土矿,易采、易提取,已成为我国重要的重稀土生产基地。


▲我国稀土矿资源分布


我国稀土采取开采指标配额制度,国内供应量由配额政策决定。尽管我国的稀土资源储量丰富,但是由于早年盲目地过度开采,加之许多稀土生产商为了维持微薄的利润,以低廉的价格大量将富有战略价值的稀土出口到国外,导致我国的稀土资源储量逐步减少。为了保护珍贵的稀土资源,2007年起,国土资源部收回对稀土的探矿、采矿权;2009 年起,暂停对稀土颁发新的探矿权和采矿权许可证,并颁布《保护性开采的特定矿种勘查开采管理暂行办法》,对特定矿种的勘探、开采实行统一规划、总量控制和综合利用的政策。


目前国内稀土开采指标集中在六大稀土集团手中。工信部2017年牵头制定了稀 土大集团组建方案,将国内的稀土资源和企业集中整合,共整合稀土矿山22家,冶炼分离企业54家,最终形成六大稀土集团。包括北方的北方稀土,重点覆盖内蒙古自治区和甘肃的稀土资源与企业,主要产品以轻稀土为主;南方的南方稀土、中国铝业(中国稀有稀土股份有限公司)、五矿稀土、厦门钨业、广东稀土,重点覆盖江西、湖南、广东、福建、云南、广西、江苏、山东、四川等地的稀土资源与企业,主要产品以重稀土为主。


▲2021年六大稀土集团第一批稀土冶炼指标


3、稀土永磁材料


永磁材料指在被磁化后,即使受到外界的磁场、温度以及振动等干扰仍可以长久、稳定的保持磁性的材料。稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属(如钴、铁等)组成的合金,用粉末冶金方法等工艺制备,经磁场充磁后制得的一种磁性材料。稀土永磁材料性能的提高极大地促进了永磁设备及器件向小型化、集成化的发展,成为大数据工程、高速铁路工程、新能源汽车工程等一系列“中国制造2025”、“一带一路发展战略”的实施无法替代的关键基础材料,稀土永磁材料已成为稀土产业发展的“风向标”。


稀土永磁材料自上个世纪60年代问世以来,按其开发应用的时间顺序可分为四代。据业内专家估计,被寄予厚望的第四代稀土永磁材料形成成熟工艺走向实用至少还需几十年。


                                                                            图片来源:前瞻网


稀土永磁分为:钐钴(SmCo)永磁体和钕铁硼(NdFeB)永磁体。其中SmCo磁体的磁能积在15--30MGOe之间,NdFeB系磁体的磁能积在27--50MGOe之间,被称为“永磁王”,是磁性最高的永磁材料。钐钴永磁体,尽管其磁性能优异,但含有储量稀少的稀土金属钐、昂贵的战略金属钴,因此,它的发展受到了很大的限制,所以目前普遍应用的为钕铁硼永磁材料。


钕铁硼永磁材料是以金属间化合物Nd2Fe14B为基础的永磁材料。其中稀土元素主要为钕(Nd),为了获得不同性能可部分用镝(Dy)、镨(Pr)等稀土金属替代,硼的含量较小,但却对形成四方晶体结构金属间化合物起着重要作用,使得化合物具有高饱和磁化强度,高的单轴各向异性和高的居里温度。


稀土永磁材料的制备工艺主要分三大类:烧结、粘结和热压。


▲钕铁硼永磁材料制备工艺


烧结磁体和热压磁体的特点是磁性能高;粘结磁体的特点是性能一致性好、尺寸精确、形状复杂、材料利用率高、易与金属/塑料零件集成等。其中烧结钕铁硼占比最大,产量超90%。


4、稀土永磁电机


新能源汽车的动力系统是电池、电机、电控三部分组成。驱动电机作为三大核心部件之一,在短期电池扩容提升不明显的情况下,采用体积更小、功率损耗更低的永磁电机可以有效提升新能源汽车的提升续航里程。适合新能源汽车的驱动电机主要有永磁同步、交流异步和开关磁阻三大类,其中稀土永磁同步电机具有尽可能宽广的弱磁调速范围、高功率密度比、高效率、高可靠性等优势,能够有效地降低新能源汽车的重量和提高其效率,需求不可替代性强。我国新能源汽车电机装机车辆中,永磁同步电机装机量占比达到 97.51%,未来新能源汽车的高速发展将成为高性能钕铁硼消费的核心增量。


▲Taycan 4S、Taycan Turbo 和 Taycan Turbo S 上搭载的永磁同步电机

 图片来源:保时捷官网


近年来,新能源汽车的快速发展给永磁驱动电机带来了巨大的发展机遇。稀土永磁电机的设计理论、计算方法、检测技术和制造工艺的不断完善和发展,永磁材料的性能和可靠性的不断提高,电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展都对永磁驱动电机的发展奠定了扎实理论基础,积极促进了新能源永磁驱动电机的产业发展。   


凭借稀土资源优势,我国已经在稀土永磁电机方面建立起了完整的产业链及完善的产业生态系统。相比欧美国家,我国自主研发的稀土永磁电机在原材料和生产成本都具有明显优势,但是在电机设计和高端特种电机研发生产方面存在差距。因此,稀土永磁电机的研究开发和应用普及推广必须得到国家的大力支持。未来随着各国对新能源和节能环保项目的大力推动,稀土永磁电机在新能源汽车的用量还将持续增长,稀土永磁电机未来广阔的应用前景也会带来巨大的市场前景。


5、写在最后



资料来源:

国金证券、网易、未来智库、新浪财经、前瞻网、腾讯网、东北证券

1.张苏江等.国内外稀土矿产资源及其分布概述

2.郭咏梅等.稀土不稀,重在创新应用

3.胡伯平.稀土永磁产业现状及展望


(中国粉体网编辑整理/长安)

注:图片非商业用途,存在侵权告知删除

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作者:长安

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