中國(guó)稀土永磁行業(yè)發(fā)展歷程及未來前景深入分析
一、歷史磁性材料主要分軟磁體（又名電磁體）和永磁磁體（又名硬磁體）兩大類，前者需要外界通電才能產(chǎn)生磁力，后者本身就具有保持磁力的特點(diǎn)。永磁材料的發(fā)展歷經(jīng)了多個(gè)歷史階段（圖1），從19世紀(jì)末的磁鋼開始，主要指標(biāo)磁能積在100多年內(nèi)增長(zhǎng)了200倍。
20世紀(jì)30年代鋁鎳鈷永磁的發(fā)現(xiàn)是永磁材料發(fā)展史的一個(gè)里程碑。鋁鎳鈷永磁的工作溫度可高達(dá)600度以上，主要應(yīng)用于對(duì)溫度穩(wěn)定性要求高的領(lǐng)域內(nèi)，如儀器儀表、電機(jī)電器、電聲電訊、磁傳動(dòng)裝置及航空航天器件。鋁鎳鈷永磁曾經(jīng)在20世紀(jì)的30至60年代逐步占據(jù)永磁體市場(chǎng)的領(lǐng)先地位，至1972年，其產(chǎn)量已占據(jù)全球永磁體產(chǎn)量的40%。然而由于該合金含有昂貴的戰(zhàn)略物資鈷，特別是受70年代發(fā)生的鈷危機(jī)影響，其應(yīng)用逐漸被50年代發(fā)現(xiàn)的鐵氧體永磁和60年代末發(fā)現(xiàn)的稀土永磁代替。1982年，鋁鎳鈷永磁產(chǎn)量?jī)H占全球永磁體產(chǎn)量的8%。
鐵氧體永磁是繼鋁鎳鈷系永磁后出現(xiàn)的第二種主要永磁材料，主要由鋇鐵氧體和鍶鐵氧體，其電阻率高、矯頑力大，能有效地應(yīng)用在大氣隙磁路中，特別適于作小型發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的永磁體。永磁鐵氧體不含貴金屬鎳、鈷等，原材料來源豐富，工藝簡(jiǎn)單，成本低，可代替鋁鎳鈷永磁體制造磁分離器、磁推軸承、揚(yáng)聲器、微波器件等。但其最大磁能積較低，溫度穩(wěn)定性差，質(zhì)地較脆、易碎，不耐沖擊振動(dòng)，不宜作測(cè)量?jī)x表及有精密要求的磁性器件。
七十年代以來鐵氧體永磁產(chǎn)量逐漸超過了鋁鎳鈷永磁產(chǎn)量，且隨著電子信息技術(shù)迅速發(fā)展，鐵氧體永磁的市場(chǎng)需求愈來愈大，目前仍是全球永磁體市場(chǎng)的絕對(duì)主力。據(jù)中國(guó)磁性材料與器件行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2010年全球永磁體市場(chǎng)產(chǎn)量約為100萬噸，其中鐵氧體年產(chǎn)量約90萬噸，釹鐵硼年產(chǎn)量約10萬噸。
稀土永磁是上世紀(jì)五六十年代發(fā)展起來的，1968年，磁能積為147.3KJ/m3的SmCo5的制備成功，標(biāo)志著第一代稀土永磁的誕生。1972年，第二代稀土永磁RE2Co17型化合物在日本問世，其磁能積為240KJ/m3。第二代稀土永磁具有優(yōu)異的磁性能、良好的熱穩(wěn)定性、較好的力學(xué)特性，主要用于低速轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)、啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)、傳感器、磁推軸承等的磁系統(tǒng)。然而，制備鈷釤合金的成本過高，原材料供應(yīng)不穩(wěn)定，人們對(duì)二代稀土永磁的性能和工藝還未做更深入的研究，又開始尋找其他替代材料。第三代稀土永磁釹鐵硼永磁（NdFeB）于1983年誕生，這是永磁發(fā)展史上又一個(gè)重要里程碑。它的重要意義在于：鐵基代替鈷基成本大幅降低；釹代替釤進(jìn)一步降低成本；擁有人類發(fā)現(xiàn)的最高磁能積，被譽(yù)為“磁王”。釹鐵硼永磁不易碎，有較好的機(jī)械性能，合金密度低，有利于磁性元件的輕型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性溫度系數(shù)較高，抗腐蝕性能差，限制了它的應(yīng)用。
人們?nèi)栽谂ふ腋玫挠来挪牧稀Ｗ?990年以來，稀土-鐵-氮間隙型化合物成為稀土永磁的研究方向，愛爾蘭和日本發(fā)現(xiàn)的Sm2Fe17Nx和我國(guó)發(fā)現(xiàn)的Nd(Fe,M)12Nx成為國(guó)際上2個(gè)獨(dú)立開發(fā)系列。此外，1994年擁有納米結(jié)構(gòu)的Sm(CoFeCuZr)z的制備成功，使人們對(duì)稀土永磁的納米新時(shí)代滿懷憧憬。目前納米稀土永磁材料還停留在研究階段，其磁能積與理論有較大差距，矯頑力也難達(dá)預(yù)期。
中國(guó)的釹鐵硼永磁產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了3個(gè)技術(shù)發(fā)展階段。
第一階段（1984-1990）：圍繞實(shí)驗(yàn)室制備高磁能積釹鐵硼磁體。關(guān)鍵技術(shù)突破是低氧控制技術(shù)，獲得了國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
第二階段（1990-2000）：實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向中試生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。此階段我國(guó)在單體制備、鑄錠技術(shù)、機(jī)械制粉、雙相燒結(jié)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面均取得成果，解決了高穩(wěn)定性永磁材料的制備和應(yīng)用，獲得了國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
第三階段（2000-2010）：實(shí)現(xiàn)千噸級(jí)生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)的自主化和全部設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。此階段我國(guó)在速凝工藝、氫破制粉工藝等千噸級(jí)關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，獲得了08年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，與日本同屬國(guó)際領(lǐng)先水平。
目前，參與中國(guó)燒結(jié)釹鐵硼統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)企業(yè)有130余家，截止到2011年底，中國(guó)釹鐵硼年產(chǎn)量500-1000噸的有15家，年產(chǎn)量1000-3000噸的有13家，年產(chǎn)3000噸以上的有7家。中國(guó)的燒結(jié)釹鐵硼產(chǎn)量由2000年的6500噸上升到2011年的8.4萬噸，超過世界總產(chǎn)量的85%，總產(chǎn)值的65%。
二、隱患
釹鐵硼永磁于1983年發(fā)現(xiàn)后，1984年就開始量產(chǎn)，在之后的近30年里，在傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器、磁選、電機(jī)、VCM等領(lǐng)域內(nèi)對(duì)鐵氧體永磁進(jìn)行了一定替代，也開拓了風(fēng)電、節(jié)能空調(diào)、汽車ＥＰＳ轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、混合動(dòng)力汽車等部分高端新應(yīng)用領(lǐng)域，被人們普遍認(rèn)為是蓬勃的朝陽產(chǎn)業(yè)。
然而，我們注意到，目前釹鐵硼永磁市場(chǎng)的快速發(fā)展至少存在2個(gè)隱患。
首先，近3年來現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域全面受到稀土價(jià)格劇烈波動(dòng)的沖擊（圖2），導(dǎo)致需求嚴(yán)重萎縮。在稀土價(jià)格最高的２０１１年，釹鐵硼開工率不足５０％。傳統(tǒng)應(yīng)用方面，釹鐵硼永磁主要是以其輕薄短小的優(yōu)勢(shì)得以替代鐵氧體永磁，一旦稀土原料成本飆升至一定程度以上，下游很容易重新回歸技術(shù)已十分成熟的鐵氧體永磁市場(chǎng)。事實(shí)上，過去近３０年的廉價(jià)稀土?xí)r代，釹鐵硼永磁才替代了不到１０％的鐵氧體永磁市場(chǎng)，傳統(tǒng)市場(chǎng)的滲透難度就可見一斑。而新應(yīng)用領(lǐng)域方面受到的沖擊也很明顯，釹鐵硼永磁在該領(lǐng)域的應(yīng)用并不是不可替代。以風(fēng)電為例，根據(jù)直驅(qū)風(fēng)電的成本測(cè)算，１.５ＭＷ的風(fēng)電直驅(qū)永磁電機(jī)的釹鐵硼消耗量為１.３噸，以市場(chǎng)低端Ｎ３８－４０釹鐵硼報(bào)價(jià)算，該永磁電機(jī)的材料成本在２０１１年上半年上漲了４倍，由１５６萬元／臺(tái)上漲至７５０萬元／臺(tái)，一臺(tái)風(fēng)電直驅(qū)永磁電機(jī)的報(bào)價(jià)大約在８００－１０００萬元，如果產(chǎn)品價(jià)格不上漲，其利潤(rùn)空間被壓縮至虧本邊緣，這迫使部分廠家停產(chǎn)了直驅(qū)，又恢復(fù)了雙饋式機(jī)組。再以節(jié)能空調(diào)為例，２０１１年上半年，每匹空調(diào)的永磁材料成本由６０多元上漲至２００多元，由于空調(diào)漲價(jià)極難，利潤(rùn)大幅下滑，導(dǎo)致一些大型空調(diào)廠商對(duì)直流變頻空調(diào)進(jìn)行了原材料調(diào)整，釹鐵硼材料被大范圍替代。
其次，重稀土被過度依賴。為了提高磁體的矯頑力和溫度使用穩(wěn)定性，通常要添加過多比例的重稀土鋱、鏑，混合動(dòng)力汽車用磁鋼中重稀土使用量占到稀土總量的25-30%。鋱、鏑的添加帶來了兩方面的問題。一是由于稀土元素分配極不平衡，鋱鏑價(jià)格昂貴（圖3），其大量應(yīng)用對(duì)資源的安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)約利用造成了很大障礙。我國(guó)稀土儲(chǔ)量中，鋱儲(chǔ)量?jī)H為釹的1/400，鏑儲(chǔ)量?jī)H為釹的1/60，與鑭鈰等量最大的輕稀土元素比就更加稀少了。二是在材料特性上，鋱、鏑進(jìn)入晶粒內(nèi)部會(huì)大幅降低材料的剩磁和磁能積，從而使磁體最重要的性能指標(biāo)磁能積的發(fā)展受到限制。永磁體的發(fā)展歷程清楚地表明，昂貴、供應(yīng)不穩(wěn)定的戰(zhàn)略元素，最終會(huì)被更便宜、更易得的新添加元素替代，而磁能積的提高則是貫穿整個(gè)永磁體發(fā)展史的靈魂。重稀土的過度添加觸及了2個(gè)永磁體發(fā)展的障礙性因素，勢(shì)必要被科研者攻關(guān)。
三、未來
以世代為階段，科技和創(chuàng)新始終是永磁材料行業(yè)的第一發(fā)展原動(dòng)力。人類追求更高更強(qiáng)的精神在永磁發(fā)展史上，表現(xiàn)為對(duì)磁能積的追求。每隔10年左右，最大磁能積就出現(xiàn)跳躍式發(fā)展，平均每10年提高40KJ/m3。
新需求領(lǐng)域的出現(xiàn)和蓬勃發(fā)展則是永磁材料行業(yè)發(fā)展壯大的基礎(chǔ)。雖然材料替代帶來的市場(chǎng)空間可以給人以信心保障，但我們其實(shí)并不要過多指望替代作用。鐵氧體永磁之所以能擁有如此大的全球市場(chǎng)規(guī)模，并不源自其替代了鋁鎳鈷磁材在60年代的狹窄應(yīng)用，而是因?yàn)樯鲜兰o(jì)80年代后電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為其提供了廣闊的發(fā)展空間。釹鐵硼磁材也如此，雖然我們可以寄望于其繼續(xù)占據(jù)鐵氧體市場(chǎng)50%的份額，但是反過來想想，自量產(chǎn)后的30年間，釹鐵硼磁材磁能積已經(jīng)達(dá)到了鐵氧體磁材的10倍以上，并且還是廉價(jià)稀土原料時(shí)期，也僅占據(jù)了鐵氧體磁材市場(chǎng)份額的一角。釹鐵硼磁材的未來，在于我們這個(gè)時(shí)代以及可見的未來出現(xiàn)的新興應(yīng)用領(lǐng)域，以及技術(shù)和應(yīng)用的相互促進(jìn)、完美結(jié)合。
由于擔(dān)憂中國(guó)收緊稀土供應(yīng)并繼而謀求控制稀土下游產(chǎn)業(yè)鏈，近兩年來美歐日都調(diào)整并加快了稀土永磁材料的研究進(jìn)度。我國(guó)也在“國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要”和“新材料十二五規(guī)劃”等政策文件中明確將稀土材料確定為戰(zhàn)略性新興材料的發(fā)展重點(diǎn)。可以預(yù)見，未來的十年將是科技突破和工藝創(chuàng)新的十年，是全球賽跑以技術(shù)爭(zhēng)奪稀土產(chǎn)業(yè)鏈話語權(quán)的十年。鐵氧體永磁從50年代誕生，到80年代后的迅猛發(fā)展，歷經(jīng)了30年；而今釹鐵硼永磁也已經(jīng)接近而立之年，是否能夠進(jìn)入自己的黃金期呢？
圍繞著可能的技術(shù)突破，釹鐵硼永磁大的投資機(jī)會(huì)在于兩方面：1需求突破。緊密圍繞低碳經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍工產(chǎn)業(yè)需求，按需定制，開發(fā)高附加值的新應(yīng)用領(lǐng)域。2元素平衡運(yùn)用、性能弱點(diǎn)攻關(guān)。開發(fā)低重稀土、高矯頑力、強(qiáng)耐腐蝕性、良好溫度穩(wěn)定性能的稀土永磁材料。
