1 引言
石墨由于特殊的性質(zhì)，是傳統工業(yè)和戰略性新興產(chǎn)業(yè)所必須的礦物原料，廣泛應用于科技工程領(lǐng)域。歐美等國家將天然石墨列為戰略資源，嚴格限制其開(kāi)采及技術(shù)出口。而我國石墨產(chǎn)業(yè)面臨著(zhù)開(kāi)采秩序混亂，資源浪費嚴重；采選工藝落后，產(chǎn)能過(guò)剩，污染嚴重；原礦出口貿易失衡等問(wèn)題。石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展得到了眾多專(zhuān)家的高度重視，聯(lián)名上書(shū)呼吁把石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展納入國家戰略地位。
未來(lái)天然石墨將越來(lái)越被廣泛地應用到高新技術(shù)領(lǐng)域，成為支撐高新技術(shù)發(fā)展的重要戰略資源。因此，石墨資源能否持續充足穩定供應關(guān)乎國家可持續發(fā)展。石墨是我國的優(yōu)勢礦產(chǎn)資源，產(chǎn)量、出口量在世界市場(chǎng)上占主導地位。出口是以天然石墨精礦及初級產(chǎn)品為主，而進(jìn)口則以高、精、尖工藝需要的石墨產(chǎn)品為主。在石墨的應用方面，早期有學(xué)者預測了石墨在耐火材料、坩堝、鑄造、煉鋼等傳統行業(yè)的需求發(fā)展態(tài)勢，同時(shí)也指明了未來(lái)發(fā)展膨脹石墨、制動(dòng)襯片、碳纖維等產(chǎn)品。此后，王文利分析了石墨的深加工主要產(chǎn)品：柔性石墨、石墨乳、鋰電子負極材料、浸硅石墨等的技術(shù)及應用。隨著(zhù)近些年來(lái)對石墨結構性能的深入研究，石墨將跨越傳統行業(yè)的應用，成為新興環(huán)保材料、新興熱交換材料、儲能、導電材料、石墨烯及新型超級電容器材料等。
早期學(xué)者在研究石墨的需求方面所取得的成果較少。隋金詳預計國內石墨的需求量年增長(cháng)率為3%~4%，到2010年石墨年需求量50.3萬(wàn)t。而王廣駒預測2010 年中國石墨的總需求量為200萬(wàn)t。近年來(lái)中國建材地勘中心預測，到2015年中國晶質(zhì)石墨產(chǎn)量將達到95萬(wàn)t1）。也有學(xué)者基于新能源新材料領(lǐng)域石墨的新需求，預測全球石墨年需求量將達160萬(wàn)t以上。學(xué)者對石墨需求的預測具有顯著(zhù)的差異，多數未能詳細闡述預測的過(guò)程，且預測結果如冶金鑄造、鉛筆等領(lǐng)域的需求與實(shí)際需求量差距巨大。石墨的歷史消費量保持相對穩定，但未來(lái)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和新能源領(lǐng)域將是石墨消費的主要增長(cháng)領(lǐng)域。未來(lái)石墨戰略意義也將凸顯?；谝陨涎芯?，本文將從石墨消費的主要部門(mén)，核算產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展對石墨的需求量，以期展望中國未來(lái)石墨的需求態(tài)勢，并根據未來(lái)石墨在傳統和新領(lǐng)域的發(fā)展形勢，刻畫(huà)未來(lái)中國石墨產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展方向，為中國石墨產(chǎn)業(yè)可持續發(fā)展提供決策支持。
2 中國石墨供需現狀
2.1 石墨應用領(lǐng)域
天然石墨是碳質(zhì)元素結晶礦物，有晶質(zhì)和隱晶質(zhì)兩種形態(tài)。其中，晶質(zhì)石墨的可浮性、潤滑性、可塑性均優(yōu)于其他類(lèi)型石墨。在19世紀以前，由于其耐高低溫和導電性，石墨主要用于耐火材料、顏料等的原料。隨著(zhù)對石墨抗腐蝕、抗輻射、自潤滑等性質(zhì)認識的深入，其應用領(lǐng)域也愈加廣泛（圖1）。出現了高純石墨、核工業(yè)用石墨、石墨纖維、浸硅石墨等。特別是近些年來(lái)石墨烯的發(fā)現，引起了電子通訊、鋰離子電池、航天軍工、生物醫藥、環(huán)保、太陽(yáng)能、光電等新興領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。這些新材料的發(fā)展，構成天然石墨產(chǎn)業(yè)現代化的重要內容。
 2.2 中國晶質(zhì)石墨生產(chǎn)、出口及消費情況
中國是世界上石墨的生產(chǎn)、消費和出口大國。截止2013年底，中國石墨儲量5 500萬(wàn)t，是僅次于巴西的第二大國，占世界儲量的42.31%。2012年底，中國晶質(zhì)石墨礦物儲量2 000萬(wàn)t，查明資源儲量約2億t；隱晶質(zhì)石墨礦石儲量約500萬(wàn)t，資源儲量約3 500萬(wàn)t。中國是世界最大的石墨生產(chǎn)國，石墨產(chǎn)量由2000年的165萬(wàn)t，上升到2006年的192萬(wàn)t,而后逐漸降低。但不同種類(lèi)的石墨生產(chǎn)呈現不同的態(tài)勢：晶質(zhì)石墨產(chǎn)量逐年遞增，而隱晶質(zhì)石墨產(chǎn)量呈減少態(tài)勢。2012年中國石墨產(chǎn)量為87萬(wàn)t（圖2），其中：晶質(zhì)石墨47萬(wàn)t，微晶石墨40萬(wàn)t。
中國是石墨資源大國，但是長(cháng)期以來(lái)卻以生產(chǎn)原礦和低端產(chǎn)品為主。中國是世界石墨的主要出口國，占2000年以來(lái)世界出口規模63%以上。近年來(lái)受?chē)H政治及經(jīng)濟環(huán)境影響，以及我國石墨產(chǎn)業(yè)的整合，石墨出口放緩，2012年中國石墨出口約26萬(wàn)t（圖2）。
在深加工方面，向石墨高端應用產(chǎn)品發(fā)展。雖然我國在石墨資源整合和深加工方面已經(jīng)實(shí)施了一些措施，但與發(fā)達國家的差距還很明顯。十多年來(lái)中國天然石墨消費量呈增長(cháng)的態(tài)勢，由2002年的43萬(wàn)t增長(cháng)到2012年的67萬(wàn)t（圖2），年均增長(cháng)4%。消費結構由傳統耐火材料、鑄造、鉛筆等領(lǐng)域轉向新能源新材料領(lǐng)域。中國與世界天然石墨消費結構基本相同，主要為耐火材料、冶金鑄造、導電、潤滑等領(lǐng)域（圖3）。但在功能材料生產(chǎn)與應用方面與先進(jìn)國家有一定的差距。
3 未來(lái)石墨資源部門(mén)需求形勢
本研究從部門(mén)未來(lái)發(fā)展趨勢、石墨在各行業(yè)產(chǎn)品的單位需求量來(lái)預測2020 年中國的石墨需求量。依據中國石墨消費格局，將石墨消費的主要領(lǐng)域分為：耐火材料、鋼鐵、密封、制動(dòng)、電池等領(lǐng)域分別進(jìn)行部門(mén)預測。并依據現階段石墨烯發(fā)展現狀，判斷了石墨烯發(fā)展對未來(lái)石墨需求的影響。
3.1 天然石墨在傳統領(lǐng)域的需求
天然石墨的一個(gè)主要用途是生產(chǎn)耐火材料，使得石墨需求與耐火材料和鋼鐵業(yè)緊密相連。雖然近年來(lái)石墨行業(yè)在其他新應用領(lǐng)域已經(jīng)有長(cháng)足的發(fā)展，鋼鐵、耐火材料行業(yè)石墨占總消費量的比重由20世紀80年代末期的67%~68%，減少為2012年的42%，但它仍然是石墨消費量最大的工業(yè)部門(mén)。而在鉛筆行業(yè)石墨的需求仍將保持現在的狀態(tài)。
3.1.1 耐火材料（鎂碳磚）石墨的需求
耐火材料石墨的需求量與鎂碳磚產(chǎn)量及其石墨加入量相關(guān)。石墨是生產(chǎn)鎂碳磚所用的一種主要碳原料，其種類(lèi)和純度對鎂碳磚的性能影響十分敏感。一般選擇固定碳含量93%~95% ，粒度0~100目晶質(zhì)石墨。石墨的需求量隨鋼爐種類(lèi)、使用部位和操作條件不同而異（表1）。歐洲多采用碳含量10%左右的鎂碳磚，而我國、日本一般都使用含碳量為12%~20%的鎂碳磚。近年來(lái)，低碳鎂碳磚成為人們研究和應用的熱點(diǎn)。
李培等建議冶煉低碳鋼應選擇碳含量在6%~8%的鎂碳磚。低鎂碳磚正在我國主要大型鋼鐵企業(yè)推廣應用，并將并逐步替代高碳鎂碳磚。依此估算到2020年中國鎂碳磚的石墨加入量將減少為7%。依據近5年來(lái)鎂碳磚產(chǎn)量的年均增長(cháng)率2.5%，預計2020年中國鎂碳磚的產(chǎn)量將達到214萬(wàn)t。耐火材料產(chǎn)業(yè)對石墨的需求量降低到15萬(wàn)t，略低于現階段的需求量。
耐火材料的主要碳源為晶質(zhì)石墨，但一些鎂碳磚廠(chǎng)還附帶加入一些電極粉、土狀石墨等。電極粉粉碎后，少量加入時(shí)可以得到致密度較高的耐火材料制品。土狀石墨晶粒小，晶形不明顯，雜質(zhì)高，只能用來(lái)制造低檔鎂碳磚。
3.1.2 鋼鐵鑄造增碳劑、電極的需求
（1）鑄件對增碳劑的需求
鑄鐵是工程領(lǐng)域中的基礎合金之一。我國是鑄鐵生產(chǎn)大國，但不是鑄鐵生產(chǎn)強國。2010年我國鑄件總產(chǎn)量達到3 690萬(wàn)t，鑄鐵件材料約占世界的40%，人均鑄鐵產(chǎn)量約為30kg，顯著(zhù)的小于德國（53kg）、美國（45kg），這也說(shuō)明我國的鑄造生產(chǎn)尚有很大發(fā)展空間，特別是新風(fēng)電、軌道交通對球墨鑄鐵鑄件、以及汽車(chē)行業(yè)對蠕墨、灰鑄鐵需求。有學(xué)者分析到2020年中國將從鑄鐵大國真正變成鑄鐵強國。
對1989-2010年中國鑄鐵件產(chǎn)量進(jìn)行擬合回顧，預測到2020年中國鑄件產(chǎn)量將達到7 000萬(wàn)t（Y=728.5e0.07x，R2=0.912），屆時(shí)人均產(chǎn)量將達到53kg。對于不同的鑄鐵，其增碳劑的加入量也各不相同（表2）。噸鑄件增碳劑加入量為2%，則鑄件增碳劑需求量將為140萬(wàn)t。
 （2）煉鋼對電極、增碳劑的需求。
鋼鐵的規模、結構及電爐電極單耗、增碳劑使用量等均決定了對石墨的需求。中國是世界鋼鐵生產(chǎn)第一大國，2013年粗鋼產(chǎn)量達到8.22億t，電爐鋼產(chǎn)量為7 200萬(wàn)t，電爐鋼所占比例為8.76%。依據《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規劃》1）預測我國粗鋼需求量最高峰（7.7~8.2億t）可能出現在2015-2020年期間，此后峰值弧頂區仍將持續一個(gè)時(shí)期。
基于以上研究成果，并同時(shí)考慮到出口等因素，本文設定峰值年2016年和2020 年中國的粗鋼產(chǎn)量分別為8.4 億t 和8.2 億t。一些學(xué)者預測2020 年中國電爐鋼比例可望達到25%，但2010年后中國電爐鋼發(fā)展緩慢，基于現階段中國電爐鋼占比重和人均鋼鐵消費量將達到峰值后廢鋼產(chǎn)量的增加，本文預計到2020年中國電爐鋼所占比重將達到15%，噸電爐鋼的電極消耗量由5.82kg/t降低為4.98kg/t，噸鋼的增碳劑添加量為0.1%~0.4%時(shí)（增碳劑需求量取均值計算），預計到2020年煉鋼電極和增碳劑的需求量分別為61萬(wàn)t和205萬(wàn)t。
（3）鋼鐵鑄造對石墨的需求預測。
天然石墨制成的電極難以用于使用條件較苛刻的電爐煉鋼，電爐用石墨電極主要是人造石墨。石墨和其他雜質(zhì)材料用于煉鋼工業(yè)時(shí)可作為增碳劑，而用作增碳劑的替代材料很多。20世紀90年代初期，我國開(kāi)始試用微晶石墨作增碳劑。此后，國內開(kāi)發(fā)出了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)石墨化石油焦增碳劑的技術(shù)。雖然石墨化石油焦的產(chǎn)量已完全滿(mǎn)足了國內冶煉用優(yōu)質(zhì)石墨化石油焦的需要，但微晶石墨由于成本優(yōu)勢仍是增碳劑的來(lái)源之一。以2010年天然石墨占增碳劑消費總量的比重，預測了2020年天然石墨作為鋼鐵增碳劑的需求量為55.2萬(wàn)t。
本文作者：高天明1，陳其慎2，于汶加2，沈鐳1（1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；2. 中國地質(zhì)科學(xué)院全球礦產(chǎn)資源戰略研究中心，北京100037）
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