中国稀土永磁行业发展历程及未来前景深入分析
一、历史磁性材料主要分软磁体(又名电磁体)和永磁磁体(又名硬磁体)两大类,前者需要外界通电才能产生磁力,后者本身就具有保持磁力的特点。永磁材料的发展历经了多个历史阶段(图1),从19世纪末的磁钢开始,主要指标磁能积在100多年内增长了200倍。
20世纪30年代铝镍钴永磁的发现是永磁材料发展史的一个里程碑。铝镍钴永磁的工作温度可高达600度以上,主要应用于对温度稳定性要求高的领域内,如仪器仪表、电机电器、电声电讯、磁传动装置及航空航天器件。铝镍钴永磁曾经在20世纪的30至60年代逐步占据永磁体市场的领先地位,至1972年,其产量已占据全球永磁体产量的40%。然而由于该合金含有昂贵的战略物资钴,特别是受70年代发生的钴危机影响,其应用逐渐被50年代发现的铁氧体永磁和60年代末发现的稀土永磁代替。1982年,铝镍钴永磁产量仅占全球永磁体产量的8%。
铁氧体永磁是继铝镍钴系永磁后出现的第二种主要永磁材料,主要由钡铁氧体和锶铁氧体,其电阻率高、矫顽力大,能有效地应用在大气隙磁路中,特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。永磁铁氧体不含贵金属镍、钴等,原材料来源丰富,工艺简单,成本低,可代替铝镍钴永磁体制造磁分离器、磁推轴承、扬声器、微波器件等。但其最大磁能积较低,温度稳定性差,质地较脆、易碎,不耐冲击振动,不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。
七十年代以来铁氧体永磁产量逐渐超过了铝镍钴永磁产量,且随着电子信息技术迅速发展,铁氧体永磁的市场需求愈来愈大,目前仍是全球永磁体市场的绝对主力。据中国磁性材料与器件行业协会统计,2010年全球永磁体市场产量约为100万吨,其中铁氧体年产量约90万吨,钕铁硼年产量约10万吨。
稀土永磁是上世纪五六十年代发展起来的,1968年,磁能积为147.3KJ/m3的SmCo5的制备成功,标志着第一代稀土永磁的诞生。1972年,第二代稀土永磁RE2Co17型化合物在日本问世,其磁能积为240KJ/m3。第二代稀土永磁具有优异的磁性能、良好的热稳定性、较好的力学特性,主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承等的磁系统。然而,制备钴钐合金的成本过高,原材料供应不稳定,人们对二代稀土永磁的性能和工艺还未做更深入的研究,又开始寻找其他替代材料。第三代稀土永磁钕铁硼永磁(NdFeB)于1983年诞生,这是永磁发展史上又一个重要里程碑。它的重要意义在于:铁基代替钴基成本大幅降低;钕代替钐进一步降低成本;拥有人类发现的最高磁能积,被誉为“磁王”。钕铁硼永磁不易碎,有较好的机械性能,合金密度低,有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性温度系数较高,抗腐蚀性能差,限制了它的应用。
人们仍在努力寻找更好的永磁材料。自1990年以来,稀土-铁-氮间隙型化合物成为稀土永磁的研究方向,爱尔兰和日本发现的Sm2Fe17Nx和我国发现的Nd(Fe,M)12Nx成为国际上2个独立开发系列。此外,1994年拥有纳米结构的Sm(CoFeCuZr)z的制备成功,使人们对稀土永磁的纳米新时代满怀憧憬。目前纳米稀土永磁材料还停留在研究阶段,其磁能积与理论有较大差距,矫顽力也难达预期。
中国的钕铁硼永磁产业经历了3个技术发展阶段。
第一阶段(1984-1990):围绕实验室制备高磁能积钕铁硼磁体。关键技术突破是低氧控制技术,获得了国家科技进步一等奖。
第二阶段(1990-2000):实验室技术向中试生产转变。此阶段我国在单体制备、铸锭技术、机械制粉、双相烧结技术等关键技术方面均取得成果,解决了高稳定性永磁材料的制备和应用,获得了国家科技进步二等奖。
第三阶段(2000-2010):实现千吨级生产线关键技术的自主化和全部设备的国产化。此阶段我国在速凝工艺、氢破制粉工艺等千吨级关键技术方面取得突破,获得了08年国家科技进步二等奖,与日本同属国际领先水平。
目前,参与中国烧结钕铁硼统计的生产企业有130余家,截止到2011年底,中国钕铁硼年产量500-1000吨的有15家,年产量1000-3000吨的有13家,年产3000吨以上的有7家。中国的烧结钕铁硼产量由2000年的6500吨上升到2011年的8.4万吨,超过世界总产量的85%,总产值的65%。
二、隐患
钕铁硼永磁于1983年发现后,1984年就开始量产,在之后的近30年里,在传统的扬声器、磁选、电机、VCM等领域内对铁氧体永磁进行了一定替代,也开拓了风电、节能空调、汽车EPS转向系统、混合动力汽车等部分高端新应用领域,被人们普遍认为是蓬勃的朝阳产业。
然而,我们注意到,目前钕铁硼永磁市场的快速发展至少存在2个隐患。
首先,近3年来现有应用领域全面受到稀土价格剧烈波动的冲击(图2),导致需求严重萎缩。在稀土价格最高的2011年,钕铁硼开工率不足50%。传统应用方面,钕铁硼永磁主要是以其轻薄短小的优势得以替代铁氧体永磁,一旦稀土原料成本飙升至一定程度以上,下游很容易重新回归技术已十分成熟的铁氧体永磁市场。事实上,过去近30年的廉价稀土时代,钕铁硼永磁才替代了不到10%的铁氧体永磁市场,传统市场的渗透难度就可见一斑。而新应用领域方面受到的冲击也很明显,钕铁硼永磁在该领域的应用并不是不可替代。以风电为例,根据直驱风电的成本测算,1.5MW的风电直驱永磁电机的钕铁硼消耗量为1.3吨,以市场低端N38-40钕铁硼报价算,该永磁电机的材料成本在2011年上半年上涨了4倍,由156万元/台上涨至750万元/台,一台风电直驱永磁电机的报价大约在800-1000万元,如果产品价格不上涨,其利润空间被压缩至亏本边缘,这迫使部分厂家停产了直驱,又恢复了双馈式机组。再以节能空调为例,2011年上半年,每匹空调的永磁材料成本由60多元上涨至200多元,由于空调涨价极难,利润大幅下滑,导致一些大型空调厂商对直流变频空调进行了原材料调整,钕铁硼材料被大范围替代。
其次,重稀土被过度依赖。为了提高磁体的矫顽力和温度使用稳定性,通常要添加过多比例的重稀土铽、镝,混合动力汽车用磁钢中重稀土使用量占到稀土总量的25-30%。铽、镝的添加带来了两方面的问题。一是由于稀土元素分配极不平衡,铽镝价格昂贵(图3),其大量应用对资源的安全、经济、节约利用造成了很大障碍。我国稀土储量中,铽储量仅为钕的1/400,镝储量仅为钕的1/60,与镧铈等量最大的轻稀土元素比就更加稀少了。二是在材料特性上,铽、镝进入晶粒内部会大幅降低材料的剩磁和磁能积,从而使磁体最重要的性能指标磁能积的发展受到限制。永磁体的发展历程清楚地表明,昂贵、供应不稳定的战略元素,最终会被更便宜、更易得的新添加元素替代,而磁能积的提高则是贯穿整个永磁体发展史的灵魂。重稀土的过度添加触及了2个永磁体发展的障碍性因素,势必要被科研者攻关。
三、未来
以世代为阶段,科技和创新始终是永磁材料行业的第一发展原动力。人类追求更高更强的精神在永磁发展史上,表现为对磁能积的追求。每隔10年左右,最大磁能积就出现跳跃式发展,平均每10年提高40KJ/m3。
新需求领域的出现和蓬勃发展则是永磁材料行业发展壮大的基础。虽然材料替代带来的市场空间可以给人以信心保障,但我们其实并不要过多指望替代作用。铁氧体永磁之所以能拥有如此大的全球市场规模,并不源自其替代了铝镍钴磁材在60年代的狭窄应用,而是因为上世纪80年代后电子信息产业的快速发展,为其提供了广阔的发展空间。钕铁硼磁材也如此,虽然我们可以寄望于其继续占据铁氧体市场50%的份额,但是反过来想想,自量产后的30年间,钕铁硼磁材磁能积已经达到了铁氧体磁材的10倍以上,并且还是廉价稀土原料时期,也仅占据了铁氧体磁材市场份额的一角。钕铁硼磁材的未来,在于我们这个时代以及可见的未来出现的新兴应用领域,以及技术和应用的相互促进、完美结合。
由于担忧中国收紧稀土供应并继而谋求控制稀土下游产业链,近两年来美欧日都调整并加快了稀土永磁材料的研究进度。我国也在“国家中长期科学和技术发展规划纲要”和“新材料十二五规划”等政策文件中明确将稀土材料确定为战略性新兴材料的发展重点。可以预见,未来的十年将是科技突破和工艺创新的十年,是全球赛跑以技术争夺稀土产业链话语权的十年。铁氧体永磁从50年代诞生,到80年代后的迅猛发展,历经了30年;而今钕铁硼永磁也已经接近而立之年,是否能够进入自己的黄金期呢?
围绕着可能的技术突破,钕铁硼永磁大的投资机会在于两方面:1需求突破。紧密围绕低碳经济和国防军工产业需求,按需定制,开发高附加值的新应用领域。2元素平衡运用、性能弱点攻关。开发低重稀土、高矫顽力、强耐腐蚀性、良好温度稳定性能的稀土永磁材料。