趙宏軍，陳秀法，李 娜，張偉波

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037)

鈧是一種柔軟、銀白略帶黃色的過(guò)渡金屬元素，與釔、鑭系、錒系元素在元素周期表中同屬ⅢB族，且化學(xué)性質(zhì)相似，被共稱(chēng)為“稀土元素”；同時(shí)，鈧在地殼中的平均豐度為22×10-6，排名第36位，與鉛(14×10-6)和鈷(25×10-6)相當(dāng)[1]，但鈧很少在自然界中富集，形成品位Sc2O3>500×10-6的礦床[2]，獨(dú)立鈧礦物極少，盡管巖石圈中含鈧的礦物多達(dá)100多種[3]，但含量極低，因此也被稱(chēng)為“稀散元素”。

從原料中富集、分離和提取高純鈧的過(guò)程比較困難，但由于鈧具有高熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)、低密度等優(yōu)良的物理性質(zhì)，其在航天器、冶金、火箭、導(dǎo)彈、電子、核能、激光、電光源和超導(dǎo)體等尖端技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，美國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)將其列為關(guān)鍵性礦產(chǎn)資源，我國(guó)也將鈧列為國(guó)家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源。

1 全球鈧資源分布狀況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球鈧儲(chǔ)量約為200萬(wàn)t[4-5]，主要分布在俄羅斯、中國(guó)、澳大利亞、哈薩克斯坦、烏克蘭、美國(guó)、馬達(dá)加斯加、挪威、加拿大、菲律賓、印度尼西亞、希臘和南非等國(guó)。國(guó)外主要鈧資源分布情況見(jiàn)表1。

我國(guó)鈧資源量約65萬(wàn)t，占全球總資源量的33%[12]，主要伴生于磷塊巖、鋁土礦、釩鈦磁鐵礦、鎢礦、稀有稀土礦和鈾礦等礦種中。其中，磷塊巖和鋁土礦礦床中的鈧儲(chǔ)量約29萬(wàn)t[13]，占所有鈧礦類(lèi)型總儲(chǔ)量的44.6%，含鈧礦床主要分布于華北地臺(tái)、揚(yáng)子地臺(tái)西緣、華南等地區(qū)(表2)。

表1 國(guó)外鈧資源主要分布Table 1 The main distribution of foreign scandium resources

表2 我國(guó)鈧資源的主要分布Table 2 The main distribution of scandium resources in China

資料來(lái)源：文獻(xiàn)[5]

2 全球鈧產(chǎn)品供需狀況

2.1 鈧產(chǎn)品的生產(chǎn)

世界上最早生產(chǎn)鈧產(chǎn)品的是前蘇聯(lián)。從1960年到1990年，蘇聯(lián)生產(chǎn)了世界上絕大多數(shù)的鈧濃縮物和鈧化合物，主要來(lái)自俄羅斯、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和烏克蘭的鐵鈾礦石加工的副產(chǎn)品；在此期間，還在美國(guó)、日本和澳大利亞生產(chǎn)了少量來(lái)自螢石、鈾、鎢和鈦礦石加工的副產(chǎn)品；中國(guó)的鈧產(chǎn)品主要來(lái)自鈮、鐵、錫、鎢和稀土元素生產(chǎn)的副產(chǎn)品及其尾礦。目前，鐵鈾、鈦、鈮、錫、鎢和稀土元素資源已成為綜合生產(chǎn)鈧的主要來(lái)源(表3)。

國(guó)外主要的鈧生產(chǎn)企業(yè)有俄羅斯的運(yùn)輸公司、俄羅斯輕合金研究所和美國(guó)元素公司等。澳大利亞Metallica公司、EMC公司計(jì)劃開(kāi)采三處澳大利亞鈧礦床，以及日本住友金屬礦山公司將在菲律賓開(kāi)采礦山，合計(jì)年生產(chǎn)氧化鈧的數(shù)量大于50 t。目前，國(guó)際上生產(chǎn)的鈧產(chǎn)品主要有氧化鈧(Sc2O3)、金屬鈧及鈧的鹵化物(ScF3、ScCl3、ScI3)等。

我國(guó)鈧產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)主要有湖南稀土金屬材料研究院、東方鋯業(yè)科技股份有限公司、湖南東方鈧業(yè)股份有限公司、廣東惠州市拓普金屬材料有限公司、包鋼集團(tuán)、中國(guó)有色集團(tuán)(廣西)等，年產(chǎn)能超過(guò)55.5 t。

據(jù)智研數(shù)據(jù)中心統(tǒng)計(jì),我國(guó)鈧產(chǎn)量及出口情況來(lái)看(圖1)，從20世紀(jì)80年代起，我國(guó)就具有一定規(guī)模的鈧產(chǎn)量。近年來(lái)，氧化鈧產(chǎn)量迅猛增長(zhǎng)，從2009年的近200 kg到2014年已超過(guò)700 kg，是世界鈧產(chǎn)品第一生產(chǎn)大國(guó)。2009年以前，我國(guó)的鈧產(chǎn)品主要以出口為主，出口量占產(chǎn)量的70%～80%；2010年以后，鈧產(chǎn)量顯著提高，而且國(guó)內(nèi)需求量飆升，從2013年起，國(guó)內(nèi)需求量已超過(guò)出口量[24]。

表3 工業(yè)生產(chǎn)鈧資源的主要途徑Table 3 The main method of recycling scandium resources in industry

圖1 1980～2014年我國(guó)氧化鈧產(chǎn)量及出口情況Fig.1 China’s strontium oxide production and exports from 1980 to 2014(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[25])

2.2 鈧產(chǎn)品的消費(fèi)

據(jù)Lipmann Walton&Co.公司2016年報(bào)，目前全球鈧的消費(fèi)量主要體現(xiàn)在兩方面，其中，全球鈧產(chǎn)量的90%(9～13.5 t/a)被用到固體氧化物燃料電池(SOFC)方面，而另外近10%(1～1.5 t/a)被用到Al-Sc合金方面[26-27]。

林河成指出，我國(guó)鈧的銷(xiāo)費(fèi)結(jié)構(gòu)與國(guó)外存在較大不同：國(guó)外鈧在固體氧化物燃料電池(SOFC)方面的應(yīng)用占50%，而我國(guó)僅為18%；國(guó)外在激光應(yīng)用方面占20%，而我國(guó)為9%；國(guó)外在Al-Sc合金應(yīng)用方面占10%，而我國(guó)為58%；國(guó)外在其他方面應(yīng)用占20%，我國(guó)為4%[12]。

2.3 國(guó)際鈧產(chǎn)品貿(mào)易

從鈧的生產(chǎn)歷史看，世界上生產(chǎn)鈧及其化合物的國(guó)家有中國(guó)、俄羅斯、日本、美國(guó)、挪威、法國(guó)和烏克蘭等。純金屬鈧非常稀缺，較難獲取，且價(jià)格昂貴，因此，鈧一般以氧化鈧形式進(jìn)行生產(chǎn)和銷(xiāo)售。全球鈧產(chǎn)品主要進(jìn)口國(guó)是美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)等。

根據(jù)Lipmann Walton&Co.公司2016年報(bào)，全球平均每年鈧產(chǎn)品貿(mào)易量在10～15 t之間，主要生產(chǎn)國(guó)是中國(guó)(66%)和俄羅斯(26%)，兩國(guó)鈧產(chǎn)品產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的90%以上，此外，烏克蘭的產(chǎn)量約占7%，哈薩克斯坦約占1%[26-27]；而SECOR報(bào)告則認(rèn)為，全球?qū)嶋H每年開(kāi)采的鈧不足1 t，且主要來(lái)源于中國(guó)的內(nèi)蒙古白云鄂博礦區(qū)，其他供應(yīng)則來(lái)自蘇聯(lián)國(guó)家的大量?jī)?chǔ)備；EMC Metals Corp通過(guò)與潛在客戶(hù)、貿(mào)易商等討論研究認(rèn)為，2014年全球鈧的貿(mào)易量為15 t左右(不包括俄羅斯出口的鈧鋁合金產(chǎn)品)[28]，主要生產(chǎn)國(guó)是中國(guó)和俄羅斯。

鈧產(chǎn)品的價(jià)格高，被稱(chēng)為世界上最昂貴的金屬之一，其氧化物4 000～5 000美元/kg，鹵化物和金屬120～250美元/g[29]，價(jià)格比黃金都貴數(shù)倍。圖2是2000～2017年全球主要鈧產(chǎn)品價(jià)格走勢(shì)圖。從圖2可以看出，近年來(lái)鈧產(chǎn)品的價(jià)格有一定波動(dòng)，但始終在較高的價(jià)格區(qū)間運(yùn)行，且有穩(wěn)步向上的趨勢(shì)[29]。

圖2 2000～2017年全球主要鈧產(chǎn)品價(jià)格走勢(shì)圖Fig.2 Price list of global major products of scandium from 2000 to 2017(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[29]。注：Sc2O3用右側(cè)坐標(biāo)，單位：美元/kg；其他產(chǎn)品用左側(cè)坐標(biāo)，單位：美元/g；2017年產(chǎn)品數(shù)據(jù)均為估計(jì)值)

3 全球鈧產(chǎn)品供需預(yù)測(cè)

3.1 鈧產(chǎn)品需求預(yù)測(cè)

鈧的特殊性能決定了其應(yīng)用的廣泛性，國(guó)際阿達(dá)瑪斯情報(bào)研究中心將鈧的應(yīng)用分為目前較為成熟的應(yīng)用、新興應(yīng)用和未來(lái)需求三種類(lèi)型，認(rèn)為未來(lái)國(guó)際上對(duì)鈧的需求量巨大[30](表4)。目前鈧成熟應(yīng)用在自行車(chē)車(chē)架、槍支、壘球棒、曲棍球桿、棒球桿、自行車(chē)零件、滑雪鞋、HID燈等方面，預(yù)計(jì)到2020年，這些領(lǐng)域鈧需求量將達(dá)到298 t。而鈧的新興應(yīng)用主要為航空航天合金材料的應(yīng)用和固體氧化物燃料電池的應(yīng)用，且近幾年發(fā)展極為迅速，預(yù)計(jì)到2020年，這些領(lǐng)域鈧需求量將達(dá)到430 t。未來(lái)鈧在輕型汽車(chē)制造上會(huì)大量應(yīng)用，預(yù)計(jì)到2020年，輕型汽車(chē)鈧需求量將達(dá)到50 000 t。

表4 2020年全球鈧應(yīng)用及需求量預(yù)測(cè)表Table 4 Global scandium application and demand forecast in 2020

3.2 鈧產(chǎn)品供給預(yù)測(cè)

鈧的回收工藝復(fù)雜、成本高、回收率低，導(dǎo)致鈧產(chǎn)品成為世界上最昂貴的金屬之一，其鹵化物和金屬價(jià)格比黃金貴數(shù)倍，這對(duì)“成本為金”的企業(yè)來(lái)說(shuō)，嚴(yán)重制約了鈧的應(yīng)用(特別是在民用領(lǐng)域)，而一些對(duì)鈧需求量較大的領(lǐng)域(民航業(yè)及相關(guān)行業(yè))又因?yàn)閾?dān)心供應(yīng)不足，對(duì)鋁鈧合金取代鋁鋰鎂等合金持謹(jǐn)慎態(tài)度。

近年來(lái)，國(guó)際上對(duì)鈧資源及其生產(chǎn)回收的研究取得了突破，鈧產(chǎn)品生產(chǎn)成本不斷降低，全球供給量大幅增加，在需求方面有一定保證。

1) 處理含鈧的內(nèi)生礦床和外生礦床主產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的中間產(chǎn)品或廢料(廢液、廢渣、渣泥等)提取回收鈧的工藝不斷成熟完善，如從鈦白廢酸提取鈧大幅增加、中國(guó)部分公司從氧化鋯生產(chǎn)中提取鈧進(jìn)入量產(chǎn)階段、美國(guó)Niocorp公司從鈮鐵礦中提取伴生鈧的工藝已成熟、澳大利亞Clean teQ Holdings Ltd.公司已建成從鎳鈷礦中提取伴生鈧的試生產(chǎn)線(xiàn)[10]、澳大利亞Platina公司擬開(kāi)發(fā)其擁有紅土型含鈧資源[10]、俄羅斯鋁業(yè)公司已建成從鋁土礦加工的赤泥中提取鈧的試生產(chǎn)線(xiàn)[30]、中國(guó)的一些公司從氯化鈦煙塵中提取鈧等。

2) 隨著高質(zhì)量鈧資源產(chǎn)地的發(fā)現(xiàn)、綜合處理回收工藝的建立及利用最新科技成就和現(xiàn)代科技手段優(yōu)化工藝流程等，使鈧產(chǎn)品生產(chǎn)成本大幅下降。①我國(guó)一些生產(chǎn)鈧的礦床，Sc2O3平均含量一般為(幾十～120)×10-6，而近期在澳大利亞發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)鈧礦種的Sc2O3平均含量達(dá)(300～650)×10-6[31-32]，這些高質(zhì)量鈧資源產(chǎn)地的發(fā)現(xiàn)將顯著降低鈧生產(chǎn)成本。②鈧多以伴生組分賦存在一些內(nèi)生礦床和外生礦床中，在進(jìn)行主產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)綜合處理手段回收鈧，提高產(chǎn)品附加值，降低鈧生產(chǎn)成本。③鈧提取生產(chǎn)工藝和技術(shù)方案不合理，造成工藝冗長(zhǎng)、低效和回收率低，是鈧生產(chǎn)成本居高不下的重要原因，近年來(lái)利用最新科技成就和現(xiàn)代科技手段不斷優(yōu)化工藝流程，研究適宜的萃取劑或離子交換劑等[33]，提高生產(chǎn)效率和鈧回收率，顯著降低了鈧生產(chǎn)成本。

3) 近年來(lái)，新開(kāi)含鈧礦山增加、新礦產(chǎn)地發(fā)現(xiàn)和新投資項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)，使鈧產(chǎn)能顯著增長(zhǎng)，供給量大幅增長(zhǎng)。①中國(guó)鈧年產(chǎn)能已超過(guò)55.5 t，目前已建成的鈧礦山年產(chǎn)能近百?lài)?；②澳大利亞Metallica公司位于新昆士蘭州的SCONI項(xiàng)目是含鈧的紅土型Co-Ni礦床[31-32]，擁有鈧資源量5.7×106t，Sc2O3平均含量299×10-6，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)Sc2O3約51 t，預(yù)計(jì)2019年投產(chǎn)；③Platina Resources Ltd.公司在澳大利亞新南威爾士州的Owendale項(xiàng)目是含鈧的紅土型礦床，擁有鈧資源量23.6×106t，Sc2O3平均含量589×10-6，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)Sc2O3約30 t[31-32]，預(yù)計(jì)2019年投產(chǎn)；④Clean TeQ Holdings Ltd.公司在澳大利亞新南威爾士州的Syerston項(xiàng)目也是含鈧的紅土型礦床，估算鈧資源量25.4×106t，Sc2O3平均含量635×10-6，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)Sc2O3約48 t[31-32]，預(yù)計(jì)2020年投產(chǎn)；⑤Galileo Resources Plc公司在南非的Glenover項(xiàng)目是含有鈧資源10×106t，Sc2O3平均含量180×10-6，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)Sc2O3約54 t[31-32]，預(yù)計(jì)2020年投產(chǎn)；⑥2013年日本住友金屬礦山公司(SMM)子公司Coral Bay Nickel Corporation在菲律賓巴拉望島建廠，試點(diǎn)從紅土型Ni-Co礦床中提取Sc2O3，試產(chǎn)量達(dá)到10 kg/月，公司設(shè)計(jì)年產(chǎn)Sc2O37.5 t[31-32]，預(yù)計(jì)2019年投產(chǎn)。

4 建 議

1) 重視境內(nèi)外鈧資源的勘查開(kāi)發(fā)，制定鈧產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。隨著鈧在國(guó)防、軍事及民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，很多國(guó)家和企業(yè)對(duì)鈧資源的勘查和開(kāi)發(fā)的重視程度不斷提高。我國(guó)鈧資源豐富，是目前國(guó)際鈧產(chǎn)品主要供應(yīng)國(guó)，為保持優(yōu)勢(shì)地位，應(yīng)高度重視境內(nèi)外鈧資源的勘查開(kāi)發(fā)，制定鈧產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)鈧產(chǎn)品應(yīng)用研究，密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外鈧產(chǎn)品市場(chǎng)及其發(fā)展趨勢(shì)，指導(dǎo)我國(guó)鈧資源勘查開(kāi)發(fā)及應(yīng)用沿著持續(xù)健康的方向快速發(fā)展。

2) 整合市場(chǎng)，促進(jìn)集約化經(jīng)營(yíng)，采用類(lèi)似稀土國(guó)際貿(mào)易框架提升整體競(jìng)爭(zhēng)力。目前我國(guó)從事鈧生產(chǎn)和銷(xiāo)售的廠家數(shù)量多、規(guī)模小且極為分散，營(yíng)銷(xiāo)能力薄弱，無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重。因此，應(yīng)整合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，促進(jìn)集約化經(jīng)營(yíng)，提升整體競(jìng)爭(zhēng)力。

3) 開(kāi)展規(guī)?；a(chǎn)，創(chuàng)新上游生產(chǎn)技術(shù)，努力降耗增產(chǎn)增效。目前我國(guó)鈧生產(chǎn)的設(shè)備規(guī)模小、產(chǎn)量低、成本高，不利于鈧產(chǎn)品的生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用，必須擴(kuò)大設(shè)備規(guī)模，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)，提高產(chǎn)品產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。只有產(chǎn)量增加，成本降低，才有利于增加產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4) 強(qiáng)化鈧產(chǎn)品在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用研究，努力開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，積極尋找鈧資源。