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高纯石英——当之无愧的战略性矿产

文章作者:创始人 发布时间:2022-03-12 19:11:19 浏览次数:0

  高纯石英与战略性新兴产业中新一代信息技术、新材料产业等九大领域中的八大领域具有密切的关联性,是战略性新兴产业中重要的支撑材料。但由于生产原料的特殊性和技术保密等原因,高纯石英及其原料的生产和出口高度集中在世界少数国家和企业中,其中高端的加工提纯技术和产品主要被美国等发达国家所掌握,我国的高端高纯石英主要依靠进口。

  1、高纯石英有多重要?

  (1)高纯石英应用领域及其在国民经济中的地位

  半导体、光通讯、光伏、光学、电光源等行业和领域是支撑战略性新兴产业发展的重要领域,是建设重大工程、改善民生、巩固国防军工的重要保障,在国民经济建设中占有重要的地位,高纯石英被广泛应用在这些行业和领域中,是这些领域所需求的稀缺类共性高增值矿物资源。

  在半导体晶圆制程工艺、刻蚀领域,太阳能电池片制程扩散、PE工艺,电光源中的超高压投影灯、毛细管灯及影院灯等特种照明材料,航天航空领域等,均需要用到以高纯石英为原料生产的石英玻璃坩埚、锭材、管材、棒材、板材、各种器皿和器件以及石英玻璃纤维和织物等产品。

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  根据世界半导体贸易统计(WSTS)数据,2019年中国半导体市场规模为1547亿美元,占全球半导体36.98%的市场份额。2015~2019年全球半导体市场规模的平均增幅接近6%,按此推测,到2025年中国半导体市场规模将近2200亿美元。若按照平均每1亿美元的半导体销售额需要消耗价值50万美元的高纯石英材料计算,2019年中国半导体用高纯石英材料的市场规模为7.7亿美元,至2025年国内的市场空间近11亿美元。

  另外,单晶硅是生产大规模集成电路和太阳能电池的主要原材料,而每生产一炉单晶硅就会消耗一只石英坩埚,在太阳能电池和集成电路行业快速增长的带动下,高纯石英单晶硅石英坩埚的原料市场规模也不断扩大。

  除半导体所属的新一代信息技术产业外,新能源、新型电光源、新材料等战略性新兴产业在未来5年的发展过程中也需要消耗大量的高纯石英。未来高纯石英及其原料的需求预计将以6%以上的增幅逐年上涨,其在国民经济中的地位也愈发重要。

  (2)高纯石英其他材料替代性

  由高纯石英生产的石英坩埚是光伏行业及半导体不可或缺的重要支撑材料,目前尚无法用其他材料替代。另外,高纯石英产品质量受高纯石英原料资源质量控制。我国尚没有发现规模大、质量稳定的高纯石英原料矿床,供给高纯石英生产企业的石英原料矿产资源质量参差不齐,导致所生产的高纯石英产品质量不稳定,生产出来的石英坩埚软化点低、使用寿命短。国产高纯石英及原料仍无法替代由美国矽比科公司生产的IOTA系列高纯石英及原料。

  2、高纯石英的供应风险在哪里?

  (1)高纯石英对外依存度分析

  根据联合国商品贸易数据库及中国海关总署数据统计,2015~2019年,我国进口高纯石英(≥4N)的平均单价为1.47万美元/t。根据中国半导体用高纯石英材料的市场规模的保守测算,到2025年中国半导体产业将需要消耗近8万t高纯石英(≥4N)。

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  另外,有数据显示,半导体在整个石英玻璃下游市场占65%左右的份额,据此推算,到2025年国内整个石英玻璃市场将需要消耗近12万t的高纯石英。

  国内高纯石英的龙头企业,唯一通过TELL认证且具备生产高纯石英技术的江苏太平洋石英股份有限公司目前高纯石英的产能在6万t/年左右,正在建设的2万t/年的生产线需要到2021年3月才能投产,其生产的高纯石英仅能满足电光源和光伏行业要求。在高纯石英及其原料呈寡头式发展的形势下,即使该公司的两条高纯石英生产线全部达产,其2.6万t/年高纯石英的产能距离石英玻璃市场需求的12万t高纯石英仍有较大的缺口。

  另外,石英坩埚对高纯石英的纯净度、规格精度、质量稳定性要求高,国内高纯石英原料所生产的产品并不能满足其要求,石英坩埚内涂层用的高纯石英(4N8)只能从美国等国家进口。总体来看,高纯石英对外依存度极高。

  (2)高纯石英国外生产集中度分析

  目前,全球范围内可以供应高纯石英的主要有美国矽比科公司、挪威TQC公司、德国的ANZAPLAN公司、俄罗斯石英公司以及中国江苏太平洋石英股份有限公司等为数不多的几家公司。

  其中美国矽比科公司、挪威TQC公司所用的高纯石英原料主要产于美国北卡罗来纳州Spruce Pine地区,俄罗斯石英公司所用的高纯石英原料主要产于乌拉尔山脉的Kyshtym地区175号脉,中国江苏太平洋石英股份有限公司的高纯石英原料主要来源于江苏东海。美国为高纯石英的主要生产国和出口国,世界上4N8及以上的高纯石英产品几乎被美国矽比科公司一家垄断。

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  由此来看,我国生产的高纯石英及其原料所占比例极低,高纯石英及其原料主要集中在美国、挪威、德国及俄罗斯联邦等国家。

  (3)高纯石英贸易通道安全性分析

  据中国海关总署2017年1月至2020年6月进口数据分析,当前我国主要从美国、韩国、日本、德国、挪威、俄罗斯联邦及中国台湾等地进口高纯石英,中美经贸摩擦以来,经济政治上的竞合关系直接影响着双方各领域的重大制度安排,贸易的安全性也变得越来越不可琢磨。自2018年以来我国从美国进口高纯石英(≥4N)的进口数量逐年下降。2020年上半年美国直接出口中国的高纯石英(≥4N)仅为5.62t。

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  除美国外,我国高纯石英及其原料在俄罗斯联邦和挪威等国家的贸易通道安全也存在不确定性。俄罗斯总统普京最近签署总统令,要求不再公开高纯石英原料等战略矿产的开采量和使用量,其必然会影响到高纯石英原料的出口政策,我国想要从俄罗斯联邦获取高纯石英及其原料资源也将更加困难。挪威TQC公司所生产的高纯石英及其原料,其资源大部分来自于美国Spruce Pine地区,以当前美国制裁华为和中芯国际的形势来看,未来我国想要从挪威进口高纯石英及其原料将面临风险。

  综上所述,随着国际政治局势的不断变化,未来我国高纯石英及其原料的贸易通道将面临巨大的不安全性,获取境外的高纯石英资源将越来越困难。

  (4)国内高纯石英资源潜力分析

  通过对美国矽比科公司、挪威TQC公司以及俄罗斯石英公司的高纯石英原料矿床的地质条件进行对比分析发现,它们的成矿地质背景具有一些共性的特点:它们均产在造山带中,且大部分高纯石英原料矿床所处的地质环境为变质条件。比如,矽比科公司和TQC公司的主要高纯石英原料矿床就产在阿乐汉尼(alleghanian)绿片岩中,俄罗斯石英公司的Kyshtym175号脉也产在乌拉尔山脉的变质岩中。

  从我国目前已开展的高纯石英原料地质调查工作来看,我国也有与此类似的成矿地质环境,秦岭-大别-苏鲁造山带是其中最具潜力的造山带,目前在该造山带内已发现了一些具有潜力的高纯石英原料发育地段。太平洋石英公司所用的石英原料资源就位于大别-苏鲁造山带中的江苏东海地区。

  据张佩聪等学者的推测,在已勘查的水晶、脉石英等矿产资源中高纯石英原料资源一般占10%左右,而我国水晶查明资源量约为6877t,玻璃用脉石英查明资源量约为9204万t。以此推测,当前我国高纯石英资源潜力在920万t左右。由此看来,我国高纯石英原料矿具有较大的资源潜力。

  自20世纪90年代至今,我国已有不少科研机构及生产企业在高纯石英加工提纯和检测技术等方面投入了大量的研究工作,目前我国在这两个方面取得了一定的成果。但是,由于科研与生产应用之间脱节,基础研究与产业化之间缺少中间试验研究,这些技术成果大多仅停留在实验室阶段。

  除了加工提纯和检测技术外,我国对高纯石英原料的评价也存在同样的问题,所找到的石英资源因为缺少中间试验研究,到目前为止对什么类型的脉石英是高纯石英原料尚未取得统一认识,也未形成统一的评价方法,对已知的脉石英矿产资源中能作为高纯石英原料的部分尚无法进行系统评价。导致大量优质的脉石英资源多被用于制造附加值较低的产品,至今尚无高纯石英原料的矿产地。

  综上所述,虽然我国高纯石英原料矿具有较大的资源潜力,但由于缺少相应的原料评价标准,对潜在的高纯石英原料资源尚无法开发利用。

  3、高纯石英原料的战略意义

  从前文分析可知,高纯石英及其原料的供应风险较高。一方面,其资源主要集中在国外生产,国内生产的比例较低,随着中国制造2025的不断推进,高纯石英及其原料的供需矛盾也将愈发突出;另一方面,由于受政治局势的影响,其贸易通道具有较大的不安全性,未来高纯石英及其原料的供应将面临巨大的风险。

  从经济价值的角度来看,这一类资源对我国战略性新兴产业的发展具有重要的作用。虽然所占的比例不高,但如果这一类资源的供应受到限制,将直接影响到战略性新兴产业的高效有序发展。

  早在2011年,国务院办公厅发布《找矿突破战略行动纲要(2011~2020年)》就明确将高纯石英等作为战略性新兴产业所需的矿产。在2017~2019年版《重点新材料首批次应用示范指导目录》中也多次提到高纯石英及其原料。最近四部委联合出台的《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》(发改高技〔2020〕1409号)中,也明确要求聚焦重点产业领域,加快重点材料、关键芯片、高端元器件等核心技术的攻关。高纯石英及其原料与这些领域息息相关,目前与高纯石英有关的部分核心技术尚未取得突破,有必要将高纯石英相关的核心技术上升到国家战略的角度进行攻关。

  文章来源:李光惠,王超峰,詹建华,等.高纯石英原料作为战略性矿产的分析及建议[J].中国非金属矿工业导刊,2020(05):20-24.

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