21世纪新型尖端材料:氧化铝,国内过剩产能却仍依赖进口,原因何在?

材料文献解读 2022-11-22
2927 字丨阅读本文需 7 分钟

作为铝产业链的中间环节,氧化铝具有重要的地位。作为电解铝的原材料,氧化铝约占电解铝冶炼成本的36%,氧化铝的战略地位显而易见。

一、铝土矿特性决定氧化铝企业布局

氧化铝冶炼的原材料为铝土矿,从铝土矿资源的全球分布看,主要集中在几内亚、澳大利亚、巴西、牙买加等国家。我国铝土矿资源相对匮乏,仅占全球铝土矿资源储量的3%~4%。作为氧化铝的第一生产大国,每年我国都需要进口大量的铝土矿。

从氧化铝冶炼的各项成本占比看,矿石成本占总成本的40.47%,烧碱成本占18.62%,能源成本占23.37%。铝土矿的采购成本对于氧化铝厂的成本控制至关重要,而不同的矿石品位和类型需要使用不同的冶炼工艺,一般来说,国内一水铝土矿(国产铝土矿多为这一类型)能源耗量较大,且耗碱量也相对较多,三水铝石型铝土矿(进口铝土矿)的耗碱量少。根据铝土矿的不同特性,生产工艺有高温线(使用国产铝土矿)、低温线(使用进口铝土矿)、后加矿、直接混用四种类型。

国产铝土矿和进口铝土矿冶炼工艺的差别,决定了在不考虑矿采价格的情况下,使用进口铝土矿的冶炼成本会更加低廉。近年来,我国对进口铝土矿依赖程度逐年增长,除了山东、重庆、内蒙古地区几乎全部采用进口铝土矿以外,今年,国内新投产项目如博赛公司、靖西天桂公司、河北文丰公司均使用进口铝土矿,预计今年我国使用进口铝土矿生产的氧化铝产能,将超过总产能的一半。除了冶炼过程成本低廉,进口铝土矿使用占比提升还有两个方面原因:一方面,对于一些沿海城市及其周边城市来说,进口铝土矿采购成本较低,综合来看,使用进口铝土矿冶炼的成本低于国产铝土矿的成本,90%成本分位线以上的氧化铝企业,大部分来自山西以及河南使用国产铝土矿较多的地区。另一方面,近年来,国内铝土矿产逐渐贫化,使得国产铝土矿供应紧张,企业为了保证生产稳定,有时也不得不采取国产铝土矿和进口铝土矿混用生产,或者对部分生产线进行技术改造,直接用进口铝土矿生产氧化铝。

未来氧化铝企业对进口铝土矿的需求可能继续提升。目前,国内合规电解铝产能“天花板”为4500万吨,而氧化铝的下游仅有电解铝行业一个,这就注定了氧化铝产业将成为一个过剩的产业,如果氧化铝生产成本超过一定金额时,极有可能导致行业产能的出清,会使得氧化铝行业出现两种局面:一是进口铝土矿依赖程度可能会进一步增加,氧化铝企业可能会更多的选择在沿海地区建厂或者进行产能置换;二是当海外氧化铝厂投资成本回报比较高时(即考虑投资建厂的成本和运输成本后,其生产成本依旧低于国内),国内氧化铝企业可能出现向国外迁移的情况。

二、国内氧化铝过剩产能达1002万吨!

高纯氧化铝粉体纯度高、粒度细且均匀,具有优于常规材料的光、热、磁、电等特性,是现代化工附加值高、应用广泛的高端材料之一。目前全球高纯氧化铝的需求量超过7500t,主要产地集中欧美。

据SMM,截止到目前氧化铝总建成产能达9695万吨,而电解铝建成产能4516.1万吨。按照一吨电解铝消耗1.925吨的氧化铝来计算,国内的氧化铝过剩产能达到了1002万吨。

从现有的用途,大体可以把氧化铝分为两大类:一类是用作电解铝,占氧化铝产量的大多数;另一类为非冶金氧化铝,也叫精细氧化铝。根据国际铝业协会(IAI)统计,2021年我国精细氧化铝产量为375.5万吨,即便考虑到精细氧化铝生产消耗量,我国的氧化铝产能仍严重过剩。

由于高纯氧化铝的应用领域广,产品系列化和延伸空间大,与其他高新技术产业的关联度高,使得其现实市场十分可观,而且随着应用领域的不断扩大、产品不断派生衍化和发展,高纯氧化铝市场前景极为看好。

近年来,我国在高纯氧化铝的微量杂质控制方面都取得了突破性的进展,出现了一批能够生产4N级高纯氧化铝的企业,但整体来说,我国的高纯氧化铝产业仍处于发展初级阶段,产量和质量仍处于一般水平,无法满足国内迅速增长的需求,高端高纯氧化铝(4N5以上和纳米级)基本由国外企业垄断,尤其是日本住友化学公司目前占据着市场核心位置。

三、高纯氧化铝已成为21世纪新型尖端材料之一

高纯氧化铝是精细氧化铝中的高端品类,所谓高纯氧化铝是指最低纯度为99.99%的氧化铝,具备常规材料所不具备的光、电、热、磁以及机械特性,应用极为广泛。

1、锂电池隔膜

随着锂离子充电电池容量的不断提高,其内部蓄积能量越来越大,内部温度会提高,若温度过高会使隔膜被融化而造成短路。由于高纯纳米氧化铝具有绝缘、隔热、耐高温等特性,因此可将其用于锂电池的涂层,在锂电池隔膜上涂一层纳米氧化铝涂层,可避免电极之间短路,提高锂电池使用安全性。此外,应用高纯纳米氧化铝对钴酸锂、锰酸锂、钛酸锂和磷酸铁锂等材料进行表面包覆还可大幅减小界面阻抗,额外提供电子传输隧道,有效阻止电解液对电极的侵蚀,此外还能容纳粒子在Li+脱嵌过程中的体积变化,防止电极结构的损坏。

近年来,随着不断增长的新能源汽车生产和销售,隔膜将进一步扩大市场发展,根据GGII预测,2025年预计无机涂覆膜用量为39.0亿平方米,2021-2025年复合增长率将高达25.54%。

2、精细陶瓷领域

因高纯超细氧化铝具有精细的结构、均匀的组织、特定的晶界结构、高温稳定性和良好的加工性能、绝缘耐热及可与多种材料复合等特性,以其为原料制成的精细陶瓷应用广泛。利用其耐磨及尺寸稳定性,可制成陶瓷刀具、球磨体、粉碎机等粉碎装置内的易损件及成型机械、工具、量具、轴瓦等;利用其耐磨、表面光滑度及耐腐蚀性,可制成机械密封、滑轮及化学工业中阀门、流量计、喷射头等;利用其稳定性可制造精密过滤膜、峰窝状陶瓷器件等;利用其绝缘性可制造陶瓷多层板、电火花塞等。

3、集成电路领域

在集成电路领域,除了用于陶瓷基板,高纯氧化铝的高端应用还有集成电路设备用精密部件,此类陶瓷相较于一般的精细陶瓷而言性能方面要求更为严苛。

2022年全球前端晶圆厂设备(不含封装测试的前道工艺设备,一般为晶圆制造设备)支出预计将超过980亿美元,高精密陶瓷部件的价值约占半导体设备的10%以上,其中高性能氧化铝陶瓷被广泛应用其中。

例如在刻蚀设备中,主要采用高纯Al2O3涂层或Al2O3陶瓷作为刻蚀腔体和腔体内部件的防护材料。除了腔体以外,等离子体设备的气体喷嘴,气体分配盘和固定晶圆的固定环等也需用到氧化铝陶瓷;在晶圆抛光工艺中,氧化铝陶瓷可被广泛应用于抛光板、抛光磨垫校正平台、真空吸盘等。

4、稀土荧光粉领域

稀土荧光粉是常用的发光材料。稀土荧光粉由激活剂与基质组成,前者是稀土元素,后者是氧化物或盐。在工业中,高温固相合成法是稀土荧光粉的主要生产方法,对于铝酸盐系的产品而言,需要用到高纯氧化铝。

5、催化剂载体领域

高纯氧化铝可用作催化剂载体,广泛应用于废气净化方面,如化工、尾气处理、烟气净化等。

6、医学材料领域

由高纯氧化铝作为原料的陶瓷基体具有较大强度且摩擦系数低等优点,且在基本的生理条件下基本不会有腐蚀现象的产生,具有较好的结构相容性,使生物陶瓷的空隙中长入了许多连贯组织,提高陶瓷与机体的结合强度,因此目前在临床上该基体被广泛应用,可用作人工骨骼、关节、牙根种植体等。

7、蓝宝石衬底领域

高纯氧化铝完好的晶型结构使其具有优异的透过率,在高温下性能也很稳定,可用于生长单晶蓝宝石,蓝宝石可用于制作半导体、薄膜衬底等。用作制备蓝宝石的高纯氧化铝要求具备较高的纯度,且原料中的水分含量要求非常低,在超过2000℃高温熔化时,水的存在可导致钼坩埚氧化。此外高纯ɑ-Al2O3不会互相黏结造成容器堵塞。单晶蓝宝石技术日益成熟,各大领域对单晶蓝宝石的需要也日益增加。

目前,企业及投资机构纷纷看好高纯氧化铝行业的发展前景,国家在政策上也给予了大力支持,如工信部已将高纯氧化铝列入《重点新材料首批次应用示范指导目录(2021年版)》,并提出具体的性能要求。因此,实现高纯氧化铝替代进口,满足国内市场需求将是发展趋势。

文章来源: 中国粉体网,全国能源信息平台,扬州中天利

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