我國鈮資源開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查

張 勇

（包鋼集團礦山研究院有限責(zé)任公司）

鈮（Nb）是一種銀白色稀有過渡金屬，具有高熔點、高沸點、高延展性和抗腐蝕性等特點，既是完美的結(jié)構(gòu)材料，又是特殊的功能材料，在戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。自2012 年我國工信部發(fā)布《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)推進重點》確立鈮為戰(zhàn)略資源后，日本、歐盟、美國、澳大利亞等國家或地區(qū)相繼將鈮作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵礦種列入“關(guān)鍵礦產(chǎn)目錄［1］”。隨著國家“十四五”規(guī)劃的進一步落實，內(nèi)蒙古自治區(qū)把新材料產(chǎn)業(yè)納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點培育方向，出臺《自治區(qū)新材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展實施方案（2021—2025）》，計劃到2025 年新材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達到2 300 億元。作為超合金、超導(dǎo)體、電子級晶硅、新型陶瓷材料等高性能新材料領(lǐng)域的重要金屬，鈮資源的高效開發(fā)利用非常重要。

1 鈮資源的工業(yè)應(yīng)用

1.1 鋼鐵工業(yè)應(yīng)用

隨著《中國制造2025》基本方針的提出，國內(nèi)經(jīng)濟市場結(jié)構(gòu)升級，鋼材品種逐步從普通鋼向高強度鋼升級。含鈮高強度低合金鋼（HLSA）是世界鋼鐵工業(yè)的主要發(fā)展方向之一。鋼中只需加入0.03%～0.05%的鈮，其屈服強度便可提升30%以上，單位強度成本比普通鋼低15%～25%；鈮還可以通過誘導(dǎo)析出和控制冷卻速度，實現(xiàn)析出物彌散分布，在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整鋼的韌性水平［2］。憑借鈮合金HLSA 的強度高、韌性好、焊接性能優(yōu)良，被大量用于汽車、石油天然氣輸送管道、海上石油鉆井平臺、建筑結(jié)構(gòu)等方面。

世界鋼鐵協(xié)會研究指出，僅9美元的鈮就能使汽車的質(zhì)量減輕100 kg，并使汽車的燃油效率提高5%。目前，全球約80%的汽車板材使用鈮微化合金，輕量化汽車的發(fā)展趨勢極大地增加了對含鈮高強度低合金鋼的需求［3］。隨著汽車市場的新一輪繁榮，預(yù)期2025年我國汽車工業(yè)鈮需求量將達到0.38萬t。

1.2 航天航空工業(yè)應(yīng)用

航天航空工業(yè)是高純鈮的主要應(yīng)用領(lǐng)域。通過將鈮添加到鎢、鉬、鎳、鈷、釩、鐵基合金中，或以鉭、鈮為基底添加其他金屬元素制造鈮的超合金具有良好熱強性能、抗熱性能和加工性能，是航天航空發(fā)動機、陸基氣流渦輪發(fā)動機、現(xiàn)代武器、惡劣工業(yè)環(huán)境設(shè)施的重要結(jié)構(gòu)材料［4］。

美國幾乎所有噴氣式戰(zhàn)斗機發(fā)動機的熱部件都采用鈮合金，每臺F-15和F-16戰(zhàn)斗機的發(fā)動機用鈮78 kg［5］。鈮鉿鈦合金（C-103）作為最具代表性的超合金，主要用于制造火箭推進器和火箭噴嘴。

1.3 電子工業(yè)應(yīng)用

在電子陶瓷領(lǐng)域，用氧化鈮、鈮粉、鈮絲制造的新型陶瓷電容器，代替價格昂貴的鉭電容器取得了很大的成功。鈮酸鹽陶瓷電容器發(fā)展迅速，國內(nèi)外生產(chǎn)量已達幾十億支［6］。在新型光電系統(tǒng)中，以鈮酸鋰等化合物單晶為原料生產(chǎn)的激光控制晶體具有良好的壓電、熱電和光學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于紅外線、激光技術(shù)和電子工業(yè)中。

鈮酸鋰系列高速調(diào)制器芯片及器件在通訊和傳感領(lǐng)域有著前景的廣闊，全球僅有美國EOSPACE、Oclaro 和法國Photline 公司3 家供應(yīng)商。2021 年，光庫科技鈮酸鋰高速調(diào)制器芯片項目封頂，該項目投產(chǎn)后預(yù)計達到年產(chǎn)8萬只鈮酸鋰調(diào)制解調(diào)器的能力。

1.4 超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用

超導(dǎo)是鈮最具發(fā)展前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一，純鈮在-263.95 ℃時的電阻為0。在電磁工藝領(lǐng)域，鈮基低溫超導(dǎo)技術(shù)相對成熟，當(dāng)前工業(yè)超導(dǎo)裝置主要由鈮鈦（NbTi）和鈮錫（Nb3Sn）復(fù)合而成，已經(jīng)成功應(yīng)用于國家科學(xué)工程。西部超導(dǎo)是國內(nèi)生產(chǎn)鈮超導(dǎo)材料的龍頭企業(yè)，其產(chǎn)品鈮鈦合金、超導(dǎo)線材等低溫超導(dǎo)材料主要供給國內(nèi)磁控直拉單晶硅、加速器和磁共振成像儀市場。

近年來，我國成為全球增長速度最快單晶硅生產(chǎn)和消費國，直拉單晶硅設(shè)備總數(shù)已超過2 400 臺。鈮基超導(dǎo)的應(yīng)用發(fā)展將促進單晶硅產(chǎn)能轉(zhuǎn)向300 mm以上大尺寸生產(chǎn)。同時中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心（ITER 中心）、北京正負電子對撞機升級改造工程、中國散裂中子源工程、ADS 先導(dǎo)專項高功率質(zhì)子加速器、基于能量回收型直線加速器的自由電子激光等項目的建設(shè)對超導(dǎo)材料供需提出了巨大挑戰(zhàn)。

1.5 其他領(lǐng)域應(yīng)用

在原子能工業(yè)中，鈮元素由于中子俘獲截面低的特性，被用作原子能反應(yīng)堆材料；在有機化學(xué)工業(yè)中，鈮酸作為催化劑可加劇苯胺的烷化；在超硬材料行業(yè)中，將碳化鈮硬質(zhì)合金制成鈮拓，用于加工復(fù)合刀具和鉆具［7］；在生物醫(yī)療領(lǐng)域中，用鈮替代鈦制作人體骨骼，可大大延長醫(yī)用植入物的使用壽命；在鋰離子儲能領(lǐng)域中，日本東芝公司使用鈦鈮氧化物為負極材料，開發(fā)出容量50 A的快充鋰電池等。

2 我國鈮資源的開發(fā)利用現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，2019 年全球鈮資源約3 000 萬t，其中98%集中在巴西和加拿大［8］。我國每年僅產(chǎn)出百噸級鉭鈮精礦，遠遠不能滿足我國國民經(jīng)濟建設(shè)及國防安全需要（對外依存度高達90%），一直處于緊缺狀態(tài)，這主要是因為我國沒有獨立的鈮礦山，大都伴生在其他多金屬礦床中，由于資源成分復(fù)雜，稟賦差，經(jīng)濟開發(fā)利用難度很大。

白云鄂博鈮資源儲量約占我國總儲量的90%，礦床中鈮礦物種類多、嵌布粒度細、鈮礦相穩(wěn)定且物性復(fù)雜，總體上呈多、貧、細、雜的特點［9］。近年來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新疆阿圖什蘇洪東堿性花崗巖型鈮鉭富礦脈［10］、云南滇西漕澗地區(qū)流紋巖型鈮礦化帶、四川沐川河口鈮及稀土礦床［11］等資源，但我國鈮礦平均品位在0.10%左右［12］，與巴西2.5%和加拿大0.43%～0.72%不可相提并論。

3 我國鈮資源貿(mào)易

我國鈮需求量的快速增長對我國鈮資源的供應(yīng)造成巨大壓力。2020 年全球鈮消費約7 萬t，我國約占比1/3，主要依賴進口。從生產(chǎn)國看，巴西首屈一指，約占世界總產(chǎn)量的90%。從生產(chǎn)公司看，巴西礦冶公司（CBMM）、英美資源集團（AngloAmerican）和加拿大尼奧貝克公司（Niobec）是世界鈮礦石和鈮產(chǎn)品的主要供應(yīng)商，3 家公司鈮產(chǎn)量約占全球產(chǎn)量的95%［13］。從我國進口的鈮產(chǎn)品看，巴西和加拿大的鈮鐵、鈮產(chǎn)品占我國90%的鈮鐵市場。

3.1 鈮鐵貿(mào)易

鈮鐵是國際市場上最主要的鈮資源交易品種，約占全球鈮消費總量的90%［14］。大多數(shù)鈮鐵通過生產(chǎn)者和消費者之間的長期合同進行銷售，通常根據(jù)一年期合同的固定價格直接出售給鋼鐵制造商，二級市場很小，只有約5%的鈮鐵流通在現(xiàn)貨市場。

巴西鈮鐵占市場的主導(dǎo)地位，其中市場份額最大的巴西CBMM 公司對產(chǎn)品價格有著絕對的話語權(quán)，而不是純粹由市場決定。2011 年中國鈮業(yè)投資控股有限公司收購了巴西礦冶公司15%的股權(quán)；2016 年洛陽鉬業(yè)公司收購了英美資源集團的鈮業(yè)務(wù)，全球市場產(chǎn)量占比為8%～10%。由于市場占有率的巨大差異，我國仍然是價格的接受者，對國際鈮資源的市場控制力不夠。在疫情的影響下，2020 年我國鈮鐵進口量30 799 t，較2019年減少了15 888 t。

3.2 鈮精礦及其他鈮產(chǎn)品貿(mào)易

可售鈮精礦Nb2O5含量必須≥50%，通常被冶煉加工成鈮鐵，極少部分轉(zhuǎn)化成鈮金屬、鈮合金和高純氧化鈮用于出口。鈮精礦及其他鈮產(chǎn)品直接進入國際貿(mào)易的數(shù)量很少。國內(nèi)有些鉭鈮企業(yè)利用自身的技術(shù)優(yōu)勢，在非洲直接開采或者進口廉價鉭鈮精礦，再進行加工銷售。聯(lián)合國貿(mào)易數(shù)據(jù)庫顯示，2020 年我國鈮精礦進口量約700 t。

綜上所述，我國鈮資源的進口依賴性過大、地區(qū)生產(chǎn)集中度過高、對國際鈮資源的市場控制力不夠等不利因素，可能會對我國新材料、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生不利影響。

4 我國鈮資源科研成果

隨著我國國民經(jīng)濟發(fā)展和鋼鐵工業(yè)的升級，未來鈮資源需求將持續(xù)增長，針對鈮資源開發(fā)應(yīng)用的科學(xué)研究也將全面升級。因此，攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)和“卡脖子”技術(shù)，促進科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，有利于保障鈮資源的戰(zhàn)略供應(yīng)。

西北有色金屬研究院開展鈮及其合金材料關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)成果眾多：第一個C103鈮合金輻射冷卻噴管用于衛(wèi)星發(fā)射運載火箭發(fā)動機，第一根Nb 合金天線用于我國自制回收衛(wèi)星，第一根長370 m、質(zhì)量500 kg 的NbTi 超導(dǎo)體為熱核聚變裝置建造奠定了材料基礎(chǔ)，大直徑鎢、鉬、鉭、鈮單晶等產(chǎn)品，以及超導(dǎo)電性四創(chuàng)世界紀錄的超導(dǎo)材料。

包鋼集團礦山研究院致力于內(nèi)蒙古白云鄂博礦產(chǎn)資源綜合利用研究，承擔(dān)“十一五”國家科技支撐計劃課題“包頭稀土鈮資源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”，經(jīng)過十余年鈮資源選礦工藝的技術(shù)攻關(guān)，完成稀土尾礦回收鈮、稀土、鐵工業(yè)試驗，并依托“稀土鐵鈮資源高效利用關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)”課題順利產(chǎn)出了Nb2O5品位5.1%的鈮精礦。近年來，鈮鈦合金冶煉中試試驗室建設(shè)不斷提速，采用隧道窯選擇性還原—電爐熔分—電爐冶煉工藝，通過碳質(zhì)還原Nb2O5品位≥4%的鈮精礦，成功獲得鈮鈦合金（Nb 含量15%、Ti 含量20%），既推動了鈮精礦產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)延伸，更使得白云鄂博鈮資源回收進入實際意義上的產(chǎn)業(yè)化階段。

5 結(jié)論與建議

（1）鈮資源的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，應(yīng)用在鋼鐵業(yè)，可通過改善鋼材性能來降低材料生產(chǎn)成本和后續(xù)產(chǎn)品性能；應(yīng)用在航天航空業(yè)，產(chǎn)品具有良好熱強性能、抗熱性能和加工性能；應(yīng)用在電子工業(yè)，可降低電容器價格，提高激光控制晶體的性能等；應(yīng)用在超導(dǎo)領(lǐng)域，將促進單晶硅大型化等；此外鈮在原子能工業(yè)、有機化學(xué)工業(yè)、超硬材料行業(yè)、生物醫(yī)療領(lǐng)域、鋰離子儲能領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用。

（2）我國每年僅產(chǎn)出百噸級鉭鈮精礦，對外依存度高達90%，這主要是因為我國沒有獨立的鈮礦山，大都伴生在其他多金屬礦床中，資源成分復(fù)雜，稟賦差，經(jīng)濟開發(fā)利用難度很大。

（3）2020 年全球鈮消費量約7 萬t，我國約占比1/3；巴西產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的90%；CBMM、AngloAmerican 和Niobec 供應(yīng)全球95%的鈮產(chǎn)品；我國進口的鈮產(chǎn)品90%來自巴西和加拿大市場；鈮鐵是國際市場上最主要的鈮資源交易品種，約占全球鈮消費總量的90%，一般根據(jù)長期合同進行銷售，現(xiàn)貨交易量只有約5%；CBMM 公司由于市場份額非常大，所以對產(chǎn)品價格有著絕對的話語權(quán)；我國雖然收購了有些鈮生產(chǎn)公司，但規(guī)模均較小。這樣的資源狀況顯然不利于我國新材料、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（4）在鈮資源開發(fā)與應(yīng)用研究方面，我國開展了卓有成效的工作，西北有色金屬研究院開發(fā)出第一個C103鈮合金輻射冷卻噴管用于衛(wèi)星發(fā)射運載火箭發(fā)動機，第一根Nb合金天線用于我國自制回收衛(wèi)星，第一根長370 m、質(zhì)量500 kg的NbTi超導(dǎo)體為熱核聚變裝置建造奠定了材料基礎(chǔ)，大直徑鎢、鉬、鉭、鈮單晶等產(chǎn)品，以及超導(dǎo)電性四創(chuàng)世界紀錄的超導(dǎo)材料；包鋼集團礦山研究院完成了稀土尾礦回收鈮工業(yè)試驗，產(chǎn)出了Nb2O5品位5.1%的鈮精礦，其通過隧道窯選擇性還原—電爐熔分—電爐冶煉工藝，成功獲得了鈮鈦合金（Nb 含量15%、Ti 含量20%），既推動了鈮精礦產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)延伸，更使得白云鄂博鈮資源回收進入實際意義上的產(chǎn)業(yè)化階段。

（5）建議加大鈮資源的重視和投入，加強國內(nèi)鈮資源勘查，提高開采效率；提高鈮采選冶技術(shù)，加大鈮資源回收利用；加強鈮資源戰(zhàn)略儲備，積極開發(fā)鈮替代品；加強海外布局，提升我國鈮資源市場對國際市場的控制力，保障戰(zhàn)略供應(yīng)。