天然石墨是傳統(tǒng)工業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)所必須的礦物原料，成為支撐高新技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。本文從天然石墨消費(fèi)的主要部門(mén)，核算各產(chǎn)業(yè)石墨的需求量及未來(lái)發(fā)展方向。對(duì)耐火材料、鋼鐵鑄造、密封材料、制動(dòng)材料、潤(rùn)滑劑、吸附劑、電池電極等產(chǎn)業(yè)的未來(lái)需求預(yù)測(cè)。
1 引言
石墨由于特殊的性質(zhì)，是傳統(tǒng)工業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)所必須的礦物原料，廣泛應(yīng)用于科技工程領(lǐng)域。歐美等國(guó)家將天然石墨列為戰(zhàn)略資源，嚴(yán)格限制其開(kāi)采及技術(shù)出口。而我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)面臨著開(kāi)采秩序混亂，資源浪費(fèi)嚴(yán)重；采選工藝落后，產(chǎn)能過(guò)剩，污染嚴(yán)重；原礦出口貿(mào)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(guó)家戰(zhàn)略地位。
未來(lái)天然石墨將越來(lái)越被廣泛地應(yīng)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(zhàn)略資源。因此，石墨資源能否持續(xù)充足穩(wěn)定供應(yīng)關(guān)乎國(guó)家可持續(xù)發(fā)展。石墨是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源，產(chǎn)量、出口量在世界市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位。出口是以天然石墨精礦及初級(jí)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(yīng)用方面，早期有學(xué)者預(yù)測(cè)了石墨在耐火材料、坩堝、鑄造、煉鋼等傳統(tǒng)行業(yè)的需求發(fā)展態(tài)勢(shì)，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(fù)極材料、浸硅石墨等的技術(shù)及應(yīng)用。隨著近些年來(lái)對(duì)石墨結(jié)構(gòu)性能的深入研究，石墨將跨越傳統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)用，成為新興環(huán)保材料、新興熱交換材料、儲(chǔ)能、導(dǎo)電材料、石墨烯及新型超級(jí)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(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)石墨的需求量年增長(zhǎng)率為3%~4%，到2010年石墨年需求量50.3萬(wàn)t。而王廣駒預(yù)測(cè)2010 年中國(guó)石墨的總需求量為200萬(wàn)t。近年來(lái)中國(guó)建材地勘中心預(yù)測(cè)，到2015年中國(guó)晶質(zhì)石墨產(chǎn)量將達(dá)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(yù)測(cè)全球石墨年需求量將達(dá)160萬(wàn)t以上。學(xué)者對(duì)石墨需求的預(yù)測(cè)具有顯著的差異，多數(shù)未能詳細(xì)闡述預(yù)測(cè)的過(guò)程，且預(yù)測(cè)結(jié)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(fèi)量保持相對(duì)穩(wěn)定，但未來(lái)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和新能源領(lǐng)域?qū)⑹鞘M(fèi)的主要增長(zhǎng)領(lǐng)域。未來(lái)石墨戰(zhàn)略意義也將凸顯?；谝陨涎芯?，本文將從石墨消費(fèi)的主要部門(mén)，核算產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展對(duì)石墨的需求量，以期展望中國(guó)未來(lái)石墨的需求態(tài)勢(shì)，并根據(jù)未來(lái)石墨在傳統(tǒng)和新領(lǐng)域的發(fā)展形勢(shì)，刻畫(huà)未來(lái)中國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展方向，為中國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。
2 中國(guó)石墨供需現(xiàn)狀
2.1 石墨應(yīng)用領(lǐng)域
天然石墨是碳質(zhì)元素結(jié)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(rùn)滑性、可塑性均優(yōu)于其他類(lèi)型石墨。在19世紀(jì)以前，由于其耐高低溫和導(dǎo)電性，石墨主要用于耐火材料、顏料等的原料。隨著對(duì)石墨抗腐蝕、抗輻射、自潤(rùn)滑等性質(zhì)認(rèn)識(shí)的深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也愈加廣泛（圖1）。出現(xiàn)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(xiàn)，引起了電子通訊、鋰離子電池、航天軍工、生物醫(yī)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(gòu)成天然石墨產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。
2.2 中國(guó)晶質(zhì)石墨生產(chǎn)、出口及消費(fèi)情況
中國(guó)是世界上石墨的生產(chǎn)、消費(fèi)和出口大國(guó)。截止2013年底，中國(guó)石墨儲(chǔ)量5 500萬(wàn)t，是僅次于巴西的第二大國(guó)，占世界儲(chǔ)量的42.31%。2012年底，中國(guó)晶質(zhì)石墨礦物儲(chǔ)量2 000萬(wàn)t，查明資源儲(chǔ)量約2億t；隱晶質(zhì)石墨礦石儲(chǔ)量約500萬(wàn)t，資源儲(chǔ)量約3 500萬(wàn)t。中國(guó)是世界最大的石墨生產(chǎn)國(guó)，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(xiàn)不同的態(tài)勢(shì)：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(shì)。2012年中國(guó)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(guó)是石墨資源大國(guó)，但是長(zhǎng)期以來(lái)卻以生產(chǎn)原礦和低端產(chǎn)品為主。中國(guó)是世界石墨的主要出口國(guó)，占2000年以來(lái)世界出口規(guī)模63%以上。近年來(lái)受?chē)?guó)際政治及經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響，以及我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)的整合，石墨出口放緩，2012年中國(guó)石墨出口約26萬(wàn)t（圖2）。
在深加工方面，向石墨高端應(yīng)用產(chǎn)品發(fā)展。雖然我國(guó)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(dá)國(guó)家的差距還很明顯。十多年來(lái)中國(guó)天然石墨消費(fèi)量呈增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，由2002年的43萬(wàn)t增長(zhǎng)到2012年的67萬(wàn)t（圖2），年均增長(zhǎng)4%。消費(fèi)結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)耐火材料、鑄造、鉛筆等領(lǐng)域轉(zhuǎn)向新能源新材料領(lǐng)域。中國(guó)與世界天然石墨消費(fèi)結(jié)構(gòu)基本相同，主要為耐火材料、冶金鑄造、導(dǎo)電、潤(rùn)滑等領(lǐng)域（圖3）。但在功能材料生產(chǎn)與應(yīng)用方面與先進(jìn)國(guó)家有一定的差距。
3 未來(lái)石墨資源部門(mén)需求形勢(shì)
本研究從部門(mén)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)、石墨在各行業(yè)產(chǎn)品的單位需求量來(lái)預(yù)測(cè)2020 年中國(guó)的石墨需求量。依據(jù)中國(guó)石墨消費(fèi)格局，將石墨消費(fèi)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(yù)測(cè)。并依據(jù)現(xiàn)階段石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀，判斷了石墨烯發(fā)展對(duì)未來(lái)石墨需求的影響。
3.1 天然石墨在傳統(tǒng)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(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)有長(zhǎng)足的發(fā)展，鋼鐵、耐火材料行業(yè)石墨占總消費(fèi)量的比重由20世紀(jì)80年代末期的67%~68%，減少為2012年的42%，但它仍然是石墨消費(fèi)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(xiàn)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(duì)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(guó)、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(yīng)用的熱點(diǎn)。
李培等建議冶煉低碳鋼應(yīng)選擇碳含量在6%~8%的鎂碳磚。低鎂碳磚正在我國(guó)主要大型鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用，并將并逐步替代高碳鎂碳磚。依此估算到2020年中國(guó)鎂碳磚的石墨加入量將減少為7%。依據(jù)近5年來(lái)鎂碳磚產(chǎn)量的年均增長(zhǎng)率2.5%，預(yù)計(jì)2020年中國(guó)鎂碳磚的產(chǎn)量將達(dá)到214萬(wàn)t。耐火材料產(chǎn)業(yè)對(duì)石墨的需求量降低到15萬(wàn)t，略低于現(xiàn)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(duì)增碳劑的需求
鑄鐵是工程領(lǐng)域中的基礎(chǔ)合金之一。我國(guó)是鑄鐵生產(chǎn)大國(guó)，但不是鑄鐵生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。2010年我國(guó)鑄件總產(chǎn)量達(dá)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，顯著的小于德國(guó)（53kg）、美國(guó)（45kg），這也說(shuō)明我國(guó)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(duì)球墨鑄鐵鑄件、以及汽車(chē)行業(yè)對(duì)蠕墨、灰鑄鐵需求。有學(xué)者分析到2020年中國(guó)將從鑄鐵大國(guó)真正變成鑄鐵強(qiáng)國(guó)。
對(duì)1989-2010年中國(guó)鑄鐵件產(chǎn)量進(jìn)行擬合回顧，預(yù)測(cè)到2020年中國(guó)鑄件產(chǎn)量將達(dá)到7 000萬(wàn)t（Y=728.5e0.07x，R2=0.912），屆時(shí)人均產(chǎn)量將達(dá)到53kg。對(duì)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(duì)電極、增碳劑的需求。
鋼鐵的規(guī)模、結(jié)構(gòu)及電爐電極單耗、增碳劑使用量等均決定了對(duì)石墨的需求。中國(guó)是世界鋼鐵生產(chǎn)第一大國(guó)，2013年粗鋼產(chǎn)量達(dá)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(jù)《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》1）預(yù)測(cè)我國(guó)粗鋼需求量最高峰（7.7~8.2億t）可能出現(xiàn)在2015-2020年期間，此后峰值弧頂區(qū)仍將持續(xù)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(shè)定峰值年2016年和2020 年中國(guó)的粗鋼產(chǎn)量分別為8.4 億t 和8.2 億t。一些學(xué)者預(yù)測(cè)2020 年中國(guó)電爐鋼比例可望達(dá)到25%，但2010年后中國(guó)電爐鋼發(fā)展緩慢，基于現(xiàn)階段中國(guó)電爐鋼占比重和人均鋼鐵消費(fèi)量將達(dá)到峰值后廢鋼產(chǎn)量的增加，本文預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)電爐鋼所占比重將達(dá)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(jì)算），預(yù)計(jì)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(duì)石墨的需求預(yù)測(cè)。
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(jì)90年代初期，我國(guó)開(kāi)始試用微晶石墨作增碳劑。此后，國(guó)內(nèi)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)量已完全滿足了國(guó)內(nèi)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(shì)仍是增碳劑的來(lái)源之一。以2010年天然石墨占增碳劑消費(fèi)總量的比重，預(yù)測(cè)了2020年天然石墨作為鋼鐵增碳劑的需求量為55.2萬(wàn)t。
