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战略性工业原料一般指的是锑、钨、锌、钼、焦煤、磷和滑石等可用于不锈钢、半导体、飞机及其他产品制造的原料。
中国地大物博资源,很多矿产资源在世界排名独占鳌头。比如稀土,在目前已探明的稀土储量中,我国仍居,约占世界总储量21000万吨的43%。中国的稀土产量占总产量的近三分之二,1999年,中国出口稀土50000吨,国内消费16000吨,两项合计66000吨,当年消费稀土75000吨。因此,中国为世界提供了所需稀土的88%,而中国的稀土主要来源于包头。稀土在国防科研领域广泛的应用价值。建议国家应该对这样战略性矿产资源严格保护。不要让白菜价重演了。
战略性工业原料一般指的是锑、钨、锌、钼、焦煤、磷和滑石等可用于不锈钢、半导体、飞机及其他产品制造的原料。
1、钨都:江西大余
大余县位于江西省南部,赣江西源章水上游。面积1368平方公里,人口24.3万。该县历史悠久,秦代属南埜县地,隋属南康县,唐置大庾县。宋后历为南安军、路、府治。1957年改为大余县。因地处大庾岭北麓而得名。大余县钨矿资源富,素有“钨都”之称,是我国大的钨矿基地。
用途:钨,金属元素,硬而脆的结晶,耐高温,用途广泛,是钢铁、电器、化工和国防工业的重要原料,在近年来,钨在尖端科技领域内更加显示出它的重要作用。我国是钨矿储量和产量多的国家,有“产钨王国”之称。据1977年有关资料明,在世界钨的储量中,中国居首,约占53.6%。
2、锡都:云南个旧
、精锡纯度高而闻名国内外,享有“锡都”美誉。新中国建立后,累计生产有金属192万吨,其中锡92万吨,约占全国锡产量的70%以上。是全国大的锡现代化生产加工基地。
用途:锡在冶金工业中主要用于生产镀锡板(马口铁)和各种合金。镀锡板是锡的主要消费领域,约占锡的消费量的40%左右,它可以用作食品和饮料的容器、各种包装材料、家庭用具和干电池外壳等。锡在化工方面主要用于生产锡的化合物和化学试剂。锡的有机化合物主要用作木材防腐剂、农等,锡的无机化合物主要用作催化剂、稳定剂、添加剂和陶瓷工业的乳化剂。
3、锌都:云南兰坪
兰坪的矿藏资源得天独厚,早已名扬中外。目前已探明和发现的矿藏有铅、锌、铜、银、盐、锶、汞、锑、硫、铁、石膏、云母、叶腊石、冰洲石、水晶石等十多种矿,150多个矿床点。其中金顶凤凰山特大型铅锌矿,以储量大,品位高,成矿集中,易开采等特点,荣居全国之首世界之二,储量达1429万金属吨,潜在价值可达2000多亿元。
用途:锌具有良好的压延性、抗腐性和耐磨性,是10种常用有金属中第三个重要的有金属,目前,锌在有金属的消费中仅次于铜和铝,广泛应用于有、冶金、建材、轻工、机电、化工、汽车、军工、煤炭和石油等行业和部门。
4、镍都:甘肃金昌
金昌镍矿位于甘肃省河西走廊永昌县城北。龙首山矿床是一个世界罕见的以镍为主的有金属共生矿,蕴藏着的硫化镍和铜、钴、金、银以及铂族金属。60年代金昌镍矿投产后,结束了我国不产镍的历史,使我国跃为世界镍矿资源多国家之一。现在金昌镍矿已建成一个采、选、炼综合经营的大型联合企业,能直接从矿石中提取十余种产品,其中镍和铂族金属产量分别占全国总量的85%和90%以上。金昌已成为我国大的镍生产基地,铜、钴、金、银和铂族金属提炼中心,并有“中国镍都”之称。
5、锑都:湖南冷水江
明朝末年(1541年)发现了世界大的锑矿产地——湖南锡矿山,但当时把锑误认为锡,故锡矿山以此得名,至清·光绪16年(1890)经化验始知是锑。光绪23年(1897),创办“积善”厂,为锡矿山早的锑炼厂,使我国的“连锡”转入锑生产的时代。1908年湖南华昌公司从法国引进挥发焙烧法,开始用此法炼锑。随着机械制造业的兴起,锑的用途和需求量扩大,继开发锡矿山之后又先后开发了湖南桃江板溪、新邵龙山、桃源沃溪等地锑矿,使湖南锑业居全国之首。接着,黔、滇、桂等省区也相继开采一些锑矿。从1908年以后数十年间,中国产锑量常占世界总产量50%以上,仅就锡矿山自1912~1935年间的锑品产量占世界产量的36.6%,占全国的60.9%。
用途:锑是一种银灰的金属,在常温下是一种耐酸物质,其比重6.68、熔点630.5℃、沸点1590℃,性脆,无延展性,是电和热的不良导体,在常温下不易氧化,有抗腐蚀性能。锑在合金中的主要作用是增加硬度,常被称为金属或合金的硬化剂。锑及锑化合物首先使用于耐磨合金、印刷铅字合金及工业。随着科学技术的发展,现在已被广泛用于生产各种阻燃剂、搪瓷、玻璃、橡胶、涂料、颜料、陶瓷、塑料、半导体元件、烟花、医及化工等部门产品。
6、钼都:河南栾川县
中国钼矿资源,截止1999年底中国钼金属总储量为833.6万吨,居世界第2位。我国年产近3万吨金属钼,也居世界第2。钼矿有产地222处,分布于28个省(区、市)。主要是吉林大黑山;辽宁省杨家杖子、兰家沟;陕西省金堆城;河南省栾川等钼矿。以河南省钼矿资源为,钼储量占全国总储量的30.1%。
用途:纯钼丝用于高温电炉和电火花加工还有线切割加工;钼片用来制造无线电器材和X射线器材;钼耐高温烧蚀,主要用于火炮内膛、火箭喷口、电灯泡钨丝支架的制造。合金钢中加钼可以提高弹性限、抗腐蚀性能以及保持永久磁。
7、焦煤:黑龙江七台河
七台河市位于黑龙江省东部,总面积6221平方公里。现辖桃山区、新兴区、茄子河区及勃利县21个乡镇,人口86万。七台河市物产,探明金属、非金属矿藏30多种,其中煤炭是全国三大保护性开采煤田之一,已探明储量52.6亿吨,保有储量17亿吨,成为国家重要的主焦煤生产基地和东北地区大的无烟煤生产基地。
8、磷都: 云南晋宁县
晋宁县以其境内拥有储量大(探明储量8亿吨)、埋藏浅、矿体集中、质量优良、加工性能好、易于开采的磷矿石资源驰名于世,享有“中国磷都”之称。
用途:磷矿又是重要的化工矿物原料。部分磷矿用于制取纯磷(黄磷、赤磷)和化工原料,少量用作动物饲料。赤磷用于制造火柴和磷化物。黄磷有剧毒,可制农,还可以制燃烧弹、曳光弹、信号弹、烟幕弹、发火剂;磷与硼、铟、镓的磷化物用于半导体工业。冶金工业中用于炼制磷青铜、含磷生铁、铸铁等。磷酸锆、磷酸钛、磷酸硅等可作涂料、颜料、粘结剂、离子交换剂、吸附剂等。磷酸钠、磷酸氢二钠用于净化锅炉用水。后者还可制人造丝。六聚偏磷酸钠可作水的软化剂和金属防腐剂,磷酸钙盐用于动物饲料添加剂,磷的衍生物用于医。磷酸二氢铝胶材料耐火度高、耐冲击性好、耐腐蚀性强、电性能,用于尖端技术中。氟磷灰石晶体是理想的激光发射材料,磷酸盐玻璃激光器已得到应用。
9、滑石:辽宁鞍山
鞍山境内已探明的矿产资源有51种。铁矿,探明储量100亿吨,占全国的四分之一。菱镁矿,探明储量23亿吨,占全国的80%,占世界储量的四分之一。滑石矿,探明储量为6000万吨,占全国的40%。岫玉,探明储量约206万吨,占世界的60%,被确定为中国“国石”候选石,2006年12月,岫岩县被中国矿业协会命名为“中国玉都”。
用途:滑石是一种常见的硅酸盐矿物,它软并且具有滑腻的手感。人们曾选出10个矿物来表示10个硬度级别,称为摩斯硬度,在这10个级别中,个(也就是软的一个)就是滑石。柔软的滑石可以代替粉笔画出白的痕迹。滑石一般呈块状、叶片状、纤维状或放射状,颜为白、灰白,并且会因含有其他杂质而带各种颜。滑石的用途很多,如作耐火材料、造纸、橡胶的填料、缘材料、润滑剂、农吸收剂、皮革涂料、化妆材料及雕刻用料等等。
10、稀土:内蒙古包头
世界的稀土来自于东方,东方的稀土来自于中国,中国的稀土产自包头。包头稀土储量占世界稀土总量的76%,使中国成为世界上对的“稀土大国”。包头也是世界稀土产业中心。稀土就在白云鄂博。“白云鄂博”蒙古语意为“富神之山”。
中国稀土占据着几个世界:储量占世界总储量的,尤其是在军事领域拥有重要意义且相对短缺的中重稀土;生产规模,2005年中国稀土产量占全世界的96%;出口量世界,中国产量的60%用于出口,出口量占贸易的63%以上,而且中国是世界上惟一大量供应不同等级、不同品种稀土产品的国家。可以说,中国是在敞开了门不计成本地向世界供应。据国家的报告,中国的稀土冶炼分离年生产能力20万吨,超过世界年需求量的一倍。
废钼回收的经济效益与成本分析
废钼回收的盈利空间受国际钼价、回收成本和下游需求三重影响。当前钼价波动较大(约20-40美元/磅),回收企业需灵活调整采购策略。成本方面,物流、分选和化学试剂占总支出的60%以上,尤其是低品位废料的提纯成本较高。但相比原矿开采,废钼回收可节省50%以上的能源费用,长期看经济效益显著。部分企业通过规模化回收和工艺创新(如废催化剂协同处理)降低成本,利润率可达15%-25%。
引 言
随着电子及信息产业的迅猛发展,对溅射靶材的需求不断增加,同时对其技术及靶材性能的要求也在不断提高。 难熔金属钼具有高熔点(2620±20℃)、高弹性模量(280~390 GPa)、低线性热膨胀系数(5.8 ×10-6 ~ 6.2 ×10-6 / K)、高耐磨性、良好的导电/ 导热性能和热稳定性[1 - 3]。 因此,钼靶材经磁控溅射制成的钼合金薄膜是平面显示用液晶显示器面板的电或配线的关键材料。
在电子行业中,为了提高溅射效率和确保溅射薄膜的质量,要求溅射靶材具有高纯度、高致密度、晶粒细小且尺寸分布均匀、结晶取向一致等特性。
纯钼靶材溅射出的薄膜在耐腐蚀性(变) 和密着性(膜的剥离)等方面仍有待改善。 已有研究表明:在钼中加入适量合金元素(V、Nb、W、Ta)可使其比阻抗、应力、耐腐蚀性等各种性能达到均衡。 因此,目前钼合金靶材已经取代纯钼靶材成为研究的热点。 添加 W 可以有效提高钼的高温强度和再结晶温度,抑制钼靶材中的晶粒长大,但是钨的比重大且室温脆性大,钨添加量较大时会导致钼合金靶材较重,且塑性降低,容易萌生裂纹[4]。 Jorg 等[5]的研究表明,在钼中添加 20% (原子数分数)Al 和 10% (原子数分数)Ti 可以改善钼的抗氧化性能,并同时保持其低电阻率。 由于钼与铌均具有体心立方的晶体结构, 两 者 之 间 的 晶 格 错 配 度 低, 在 钼 中 添 加5% ~ 10% (质量分数) Nb 可以显著提高溅射薄膜的比电阻、耐腐蚀性能和黏结力[6 - 7]。 由于钽会优先被氧化形成钝化层,所以添加Ta元素可以降低薄膜的腐蚀率,但会造成钼合金薄膜电阻率升高[8]。
与钼铌合金薄膜相比,钼钽合金薄膜晶粒细化效果更加显著,薄膜沉积速率更大,薄膜表面粗糙度更小,但薄膜的电阻率更大[9]。Mo 靶材组织对溅射薄膜形貌与性能的影响研究结果表明:靶材组织、择优取向对薄膜形貌与取向影响不大,但靶材晶粒尺寸及均匀性会影响薄膜沉积速率、薄膜厚度及薄膜的方阻[10]。 马杰等[11] 研究了钼靶材变形量及热处理对薄膜组织与性能的影响,结果显示:相较于变形量小的钼靶材,80% 变形量的钼靶材溅射所得薄膜晶化程度更高;钼靶材经1 050 ℃退火后溅射制得薄膜粗糙度小。
磁控溅射是钼合金薄膜的主要制备技术。 靶材作为磁控溅射过程中的关键材料,不仅使用量大,而且靶材质量的好坏对钼合金薄膜的性能起着决定作用。 本文从粉体优化、混粉工艺、成型和烧结技术等方面对钼及钼合金溅射靶材相关专利进行了统计与分析,旨在为开发高品质钼合金多元靶材提供借鉴。
1 、专利统计与分析
1.1 粉体优化
专利(CN 103990802 B) [12] 通过优化 Mo 粉末的性状,开发出了一种高密度、高纯度 Mo 合金溅射靶材的制备方法,所制备 Mo 合金溅射靶材能够稳定、廉价地制造出低电阻、高耐湿/高耐热性、与基体密合性的高品质薄膜。
专利(CN 103173728 B) [13] 发明了一种廉价且可稳定制备 Mo 合金溅射靶材的方法,即将 Mo 粉与1 种或 2 种以上的 Ni 合金粉末混合(Ni6Nb7、Ni3Nb),在 800 ~ 1 500 ℃ 下加压烧结(10 ~ 200 MPa)。 Mo合金中 Ni 与 Nb 含量低于 50% (原子数分数),其中Nb 含量低于 20% (原子数分数)。 该专利避免了使用 Mo、Ni、Nb 粉末作为原料,解决了合金化不充分造成的 Ni 铁磁相的残留,稳定了溅射速度,提高了靶材寿命。
专利(CN 102127741 A) [14] 提出了一种薄膜太阳能电池用高纯钼靶的制备方法。 该方法首先采用钼酸铵为原料,经焙烧获得三氧化钼,随后在 450 ~600 ℃高纯氢气气氛下进行一次还原得到二氧化钼,再在 950 ~ 1050 ℃进行二次还原得到 Mo 粉,然后经过混料、筛分、等静压成型后,在中频感应炉中于 1 950 ~ 2 000 ℃烧结,通过大功率电子束熔炼提纯,经锻造、热轧、热处理退火、机械加工、超声波清洗、钎焊等工序制得高纯度、高密度和均匀性良好的钼靶。 该专利的之处在于:(1) 通过高纯氢气多次还原氧化钼提高钼粉纯度;(2) 采用大功率电子束熔炼提纯有利于碳氧充分反应,提高脱氧效果;(3)大变形量热轧可确保钼靶材晶粒平均尺寸小于 50 μm。
专利(CN 103160791 B) [15]采用三氧化钼、氢氧化钠和钼金属为原料,经过反应、球磨、过筛和热压工序制成钠掺杂钼平面溅射靶材,其中钠的原子数分数为 1% ~ 10% ,钠的掺杂能够大幅度提高铜铟镓硒薄膜电池的转换效率。
专利(CN 114411103 A) [16] 公开了一种大尺寸钼靶材的制备方法。 其方案具有以下优点:(1) 采用“氨溶 + 阳离子交换” 对原料粉末进行针对性提纯,可有效去除碱性金属(如 K、Na 等) 和过渡族金属杂质(如 Fe、Ni 等);(2)通过“预锻 + 交叉轧制 +高温退火” 的工艺设计,有利于获得微观组织均匀可控、晶粒细小、晶粒取向分布均匀的靶材;(3) 通
过表面化学腐蚀解决了传统轧制存在的变形不均匀问题。
专利(CN 114318256 A) [17] 公开了大尺寸钼溅射靶材及采用化学气相沉积法的制备工艺。 具体为:通过钼与三氟化氮反应制备出粗品六氟化钼,随后经真空蒸馏法和吸附法提纯得到高纯度六氟化钼,再在还原气氛下,经过化学气相沉积在基体材料上沉 积 金 属 钼。 该 方 法 所 制 备 靶 材 纯 度 高(99.999 9% 以上),致密度高(不低于 99.5% );此外,该方法在化学气相沉积设备中一步完成,产品一致性优于传统钼靶材,且可用于生产直径 500 mm以上的大尺寸钼靶材。
专利(CN 105648407 B) [18] 公开了一种高致密度钼铌合金靶材的制备工艺。 以钼粉为原料,添加5% ~ 15% (质量分数)铌粉、0.1% ~ 0.8% (质量分数)氢化锆进行混合,经过冷等静压成型,再进行真空烧结。 该发明的特点在于利用氢化锆的活化作用,通过粉末冶金直接制备高致密钼铌合金靶材。
专利(CN 10943990 A) [19] 利用氢化铌的活化作用,采用粉末冶金工艺制备高致密度、高含量钼铌合金溅射靶材。 专利(CN 110257784 A) [20] 同样采用粒度更小、表面积更大的氢化铌替代铌粉,提高扩散速率及烧结致密度,同时氢化铌分解释放的氢气具有还原作用,可降低钼铌合金中的氧含量,提高靶材纯度。
专利(CN 105568236 B) [21]发明了一种高纯、高致密、大尺寸 MoTi 合金溅射靶材的制备方法。 将钼和氢化钛原料在氩气气氛下进行混合并采用冷等静压压制成型,随后在真空烧结炉中进行两段烧结,轧制、退火、机械加工获得成分均匀、无偏析且晶粒尺寸小的靶材。
专利(CN 106513664 B) [22] 采用钼酸钾为原料制备钼钾合金靶材,避免了杂质的引入,所制备靶材密度高、成分均匀,镀膜效果好。高世代钼靶材对靶材纯度、晶粒尺寸、致密度提
出更高的要求,常规方法生产成本高、成品率低。 基于此,专利(CN 108642457 B) [23]公开了一种方法简单、生产成本低、成品率高、利于工业化生产的高世代钼靶材的制备方法。 具体为:将两种不同粒径的钼粉在真空下混合后过筛,进行等静压处理,再烧结、热轧、真空退火。 该方法制得靶材致密度超过99.5% ,靶材内部无气孔、裂纹、分层、夹杂等缺陷,靶材表面粗糙度小于 0.6 μm, 平均晶粒不 超 过80 μm。
相比平面靶材,管状钼合金溅射靶材利用率更高(理论上可达 70% ),得到国内外的广泛研究和应用。 专利(CN 110158042 B) [24] 先通过制备大颗粒钼铌粉体,提高粉体成型时的流动性,同时采用粗细粉体级配的方式提高松装密度,从而制得成分均匀、无偏析、晶粒细小( 小于 50 μm) 的钼铌合金旋转靶材。
专利(CN 114231940 A) [25] 将六羰基钼颗粒在高纯氢气和氩气气氛中加热到 40 ~ 60 ℃使其气化,再利用化学气相沉积法在预热基体材料上进行沉积,从而制得钼溅射靶材。 其优势在于成膜速度和成膜质量可以通过控制气体流速、流向进行调控,同时调整沉积时间、沉积基板材质、形状和尺寸,可以沉积不同厚度、不同尺寸、不同形状的钼靶材或钼靶材坯料,且由于沉积温度低,不会产生污染废气。
专利(CN 111254396 A) [26] 公开了一种钼钨合金靶材的制备方法。 其特点在于以钼粉、钨粉、三氧化钨粉体作为原料,利用三氧化钨与氢气反应得到烧结活性更高的新鲜钨粉,提高烧结致密化,减少缺陷,提升靶材品质。
钨钼因密度差异大易造成组织出现偏析,影响靶材组织均匀性,且热轧法制得靶材通常具有取向性,热等静压技术成本较高并增加了工艺复杂性。
专利(CN 111893442 B) [27]针对以上问题,提出了一种钨钼溅射靶材制备方法。 其特点在于:(1) 使用密度与 Mo 更接近的三氧化钨替代钨,在氢气气氛下两次高温处理原位还原得到均匀混合的钼钨混合粉体,提高靶材烧结均匀性;(2)通过高能球磨细化粉体,提高粉体烧结活性,获得高致密性的坯体;(3)采用冷等静压成型并进行预烧,促进易挥发非金属元素(如氧)的脱除。
专利(CN 111534800 B) [28] 将高纯的钼粉和铌粉进行压制,并在氢气下预烧,降低钼铌中的氧含量和杂质,基于所制备的高纯度、低含氧量、高振实密度钼铌合金粉末,提出了一种热等静压制备大尺寸钼铌平面靶材的方法。
专利(CN 106567047 A) [29] 采用氮化硼和石墨的组合模具热压制备钼铌合金,有效阻止了渗碳现象,获得了高致密度、高纯、微观组织可控的钼铌合金靶材。
1.2 混粉工艺优化
专利(CN 102337418 B) [30] 针对传统等静压结合烧结工艺制备钼铌合金烧结致密度不足、满足溅射靶材要求问题,提供了一种工艺简单、易实现工业化生产的钼铌合金板的制备方法,所制备靶材密度不低于 9.85 g / cm3。 该发明的特点在于采用振动压制方式对混合得到的钼铌合金粉体进行压坯,振动频率为 2 000 ~6 000 Hz,压制力为 10 ~30 MPa,
保压时间为 30 ~ 60 s;随后在 1 900 ~ 2 100 ℃ 真空烧结 6 ~ 10 h。
专利(CN 105887027 B) [31]在混合钼、铌粉体时加入过程控制剂(硬脂酸锌、棕榈酸、硬脂酸乙酯、聚乙烯醇和硬脂酸中的一种或几种),在球磨过程中过程控制剂能够包覆在金属粉末表面,形成一层润滑薄膜,降低粉末表面能,减少了粉末间的冷焊,从而解决了粉末粘球和粘罐问题,同时缩短了球磨时间。
溅射靶材的晶粒均匀性在很大程度上影响着薄膜质量和电子元器件性能。 因为靶材不同区域晶粒尺寸的差异会引起溅射速度的差异,进而造成薄膜厚度不均匀。 因此,如何提高溅射靶材晶粒均匀性是平 面 显 示 领 域 面 临 的 关 键 难 题。 专 利 ( CN109355632 B) [32]提出了一种提高溅射镀膜用钼及钼合金溅射靶材晶粒均匀性的方法。 其特点在于:
采用球磨—分级联合处理减少钼粉还原过程中的硬团聚,从而坯体烧结的微观晶粒均匀性以及溅射镀膜微观和整体均匀性。
专利(CN 103255379 A) [4] 基于 MoW 合金导电性好、抗氧化且膜应力低等优点,提出了一种 MoW合金平面溅射靶材的制备方法,克服了现有方法制得成分均匀、无偏析、晶粒细小靶材的难点。 该发明的特点之一在于采用机械合金化技术实现钼和钨原子级别的混合,在固态下实现了合金化,显著提高了 MoW 的活性,降低了 MoW 的烧结温度,从而提高了合金致密度、降低了晶粒尺寸。 类似地,专利(CN 105154740 A) [33] 公开了一种机械合金化制备铌钼靶材的方法。
专利(CN 108374152 B) [34] 通过机械混合使钼粉均匀渗入海绵钛孔隙中以确保钼粉不发生泄漏,同时在真空自耗电弧熔炼炉中进行熔炼,促使合金铸锭成分均匀化,从而制备出 100% 致密的、成分均匀的 钼 钛 合 金 溅 射 靶 材。 类 似 地, 专 利 ( CN109811318 A) [35]以溅射法生产的 99.9% 纯度的钼合金为原料,采用电子束冷床熔炼工艺制备纯度大
于 99.98% 的钼溅射靶材。
专利(CN 102321871 B) [36] 发明了一种热等静压生产平板显示器用钼合金溅射靶材的方法。 将低氧含量的钼粉与添加的金属粉末(铌粉或钽粉) 在惰性气氛保护下进行混合造粒、过筛,液压成型制成靶坯,随后经冷等静压提高均一性,再热等静压烧结(压力 200 ~ 300 MPa,温度 1 200 ℃)。 该发明生产周期短、工序少、能耗低,所制备钼合金靶材致密度高、均匀性好、性能。
专利(CN 107916405 A) [37] 通过改进混粉工艺严格控制杂质的引入,提出了一种高密度、晶粒细且均匀的钼钽合金溅射靶材的制备方法。 该发明能够靶材吸氢脆化,提高靶材加工性能。 其特点在于:对钼粉和钽粉进行真空预烧处理,去除了粉体中的氢、氧及低熔点物质;在粉体混合时采用氩气保护减少杂质的混入;选择钼球替代钢球进行球磨,减少铁杂质的掺入。
1.3 轧制工艺和烧结方法
大尺寸钼板由于坯料重量及尺寸规格较大,制备中存在两个问题:一是在常规尺寸氢气炉中加热,二是直接加热轧制时钼坯降温严重,容易出现轧制开裂的现象。 专利(CN 102534519 B) [38] 针对上述问题提出了一种 LCD 平板显示器溅射靶材用大尺寸钼板的制备方法。 采用涂刷抗氧化涂层(玻璃粉、水玻璃、水按质量比 8 ~ 10∶ 1∶ 8 ~ 10 混合)和钢包套包覆的方式缓解加热和轧制时的氧化问题及坯料降温严重导致的开裂问题,并在次轧制后通过冷却抑制组织不均匀长大和再结晶,制备出尺寸均匀的等轴晶组织。
专利(CN 114411103 A) [39] 公开了一种大尺寸钼靶材及其制备方法,所述制作方法包括如下步骤:行粉体装模,随后进行冷等静压,再经过烧结,并采用一火二道次轧制法进行热轧处理,进行校平、热处理、机械加工和清洗,制得大尺寸钼靶材。
该方法采用一火二道次轧制法,有效了钼靶因持续高温造成的晶粒异常长大,制得的大尺寸钼靶材可以用于高世代线平板显示器。
专利(CN 112609162 A) [40] 公开了一种 LCD 钼靶材及其轧制方法。 采用三个火次进行轧制,避免了钼靶坯在轧制过程中发生板面绕曲及开裂现象,降低了操作难度,提高了成材率。 所制备靶材纯度达到 99.95% 以 上, 平 面 度 ≤1.3 mm, 致 密 度 超过 97% 。
纯 Mo 中引入置换固溶元素 Ti 形成 MoTi 固溶体,可改善钼的低温塑性并提高钼的再结晶温度。但 MoTi 合金多采用热等静压或热压烧结制备,对设备要求严格,限制了产品规格尺寸。 基于此,专利(CN 104532201 A) [41]提出了一种 MoTi 合金溅射靶材的制备方法。 将钼粉和钛粉在氩气中进行混料,随后冷等静压成靶坯,在氦气气氛下烧结。
G6 世代线以上的 TFT - LCD 产线主要使用长条型的钼靶。 通过多次轧制获得长条形钼靶材的生产效率不高,而热挤压方法制备的钼靶晶粒较大,致密度 满 足 使 用 要 求。 专 利 ( CN 111647860B) [42]将钼粉装入胶套进行冷等静压成型获得坯体,并在氢气氛围下烧结,再进行热挤压,退火、校平、机加工得到长条型钼靶。
专利(CN 111850495 B) [43] 采用阶段升温的烧结方式,通过控制升温速率,促使钼靶材致密化、均匀化。 该发明制备钼靶材晶粒尺寸小、纯度高( ≥99.97% )、致密度高(≥99.9% )。
专利(CN 110777343 A) [44] 在真空下采用微波烧结将钼生坯烧结成钼板坯,并通过电子束熔炼进行提纯,解决了传统方法烧结时间长、烧结温度高、晶粒粗大、杂质含量高、能耗高的问题。 所制备靶材晶粒细小均匀,具有一定的结晶取向,性能优良。
专利(CN 111230096 A) [45]将混粉工艺、脱气工艺和热等静压烧结工艺相互配合,致力于改善合金靶材的致密度。 该发明制得的铬钼靶材晶粒尺寸细小,致密度在 99% 以上,同时此工艺可有效保障产品不受外界氧化,确保产品纯度。
热等静压烧结制造的 Mo - Ni - Ti 合金靶材存在部硬度不均匀的部位,其中部硬度低的部位在机械加工时易变形,产生裂纹、缺损、脱落等问题;部硬度高的部位将造成切削刀具磨损,引起靶材表面粗糙度变大,导致溅射时异常放电。 基于此,专利(CN 111719125 A) [46] 提出了一种 Mo 合金靶材的制备方法,通过对混合粉体(Mo、NiMo、Ti 粉末)常温加压成型再加压烧结,并调整 Mo 合金靶材中Ni 和 Ti 的添加量,实现对 Mo 合金靶材维氏硬度的调节(340 ~ 450 HV),抑制机加时的靶材变形以及溅射时的异常放电。
专利(CN 104073771 A) [47] 将冷等静压制得的靶坯密封在真空石英管中进行烧结,采用多段升温,使 PVA 粘结剂充分挥发,制得钠掺杂钼合金靶材。
专利(CN 105714253 B) [48] 将钢膜和橡胶板结合进行冷等静压成型,解决了密封问题,克服了传统冷等静压压坯尺寸精度差的问题,并据此提出了一种大尺寸、细晶钼钽合金溅射靶材的制备方法。 该方法用于生产致密度大于 97% 的大尺寸靶材(长度2 m 左右,宽度 1.3 m 左右)。
1.4 其 他
专利(CN 105525260 A) [49] 公开了一种 Mo 靶坯和 Mo 靶材的制作方法,即对预压 Mo 粉进行脱气处理得到 Mo 靶坯,再进行热等静压获得 Mo 靶材(温度 1 300 ~ 1 400 ℃,压力大于 150 ~ 200 MPa,保压时间 3 ~ 6 h),克服了热压烧结中 Mo 靶材尺寸对模具尺寸和强度的依赖及单轴加压造成的 Mo 靶材内部组织不均匀问题。
随着智能手机和平板终端向柔性化发展,具有轻量、耐冲击和不易破碎等性质的树脂膜已被用于制造柔性 FPD。 但相比玻璃基板,树脂基板具有透湿性(高温高湿环境会导致布线膜的电阻发生变化),且通常在基板上形成层叠布线膜后,层叠布线膜不可避免地接触大气,这就要求层叠布线膜具有更高的耐湿性和耐氧化性。
专利(CN 102956158 A) [50]提出一种电子部件用层叠布线膜以及覆盖层形成用溅射靶材。 即在 Mo 中添加一定量的 Ni 和 Ti,制得Mo100 - x - yNixTiy(10≤x≤30,3≤y≤20)覆盖层,用于覆盖以 Al 为主要成分的主导电层。 Ni 的添加可提高覆盖层的耐氧化性,改善纯 Mo 在大气中加热后的氧化变及电接触性恶化问题。 Ti 易与氧结合形成钝化膜,进一步提高其耐湿性,起到保护布线膜的作用。 同时该专利指出,通过控制 Ni 和 Ti 添加量,可确保加热工序中该覆盖层在与 Al 层叠时仍维持低电阻值。
专利(CN 114293160 A) [51] 以 Mo 为基体,提出了一种三元、四元钼合金靶材制备方法。 其中掺杂元素包含 0.5% ~ 40% (原子数分数) Ti 以及 0.5%~ 40% (原子数分数)的 Ga、Ni、Nd 中的至少一种元素。 所制得多元钼合金靶材相比二元合金 Mo 靶材,具有的耐氧化性、耐湿性、耐高温性能。 此外,低表面张力金属元素的掺杂改善了刻蚀性能。
专利( CN 109207941 A) [52] 提出了一种 MoNb合金靶材的制备方法(其中 Nb 的原子占比为 5% ~30% ),能够解决布线薄膜、电薄膜的基底膜与覆盖膜上出现的高电阻问题以及高成膜速度时靶材表面粗糙度变大问题,从而改善 TFT 性能稳定性。 其制备过程为:将 Mo 粉(平均粒径 4 μm)和 Nb 粉(平均粒径 35 ~ 115 μm)通过交叉旋转混合机进行混合
得到 10% Nb(原子数分数) 的混合粉体,随后填充至软钢制的加压容器中,并在 450 ℃下真空脱气、密封,然后在1250 ℃、145 MPa 热等静压处理 10 h 得到烧结体, 经机械加工和研磨后制作成直径180mm、厚度5mm的靶材。
钼镍铜多元合金薄膜不仅具有良好的热电和机械性能,而且气密性好、 不易潮解。 专利 ( CN110670032 B) [53]公开了一种钼镍铜多元合金靶材的制备方法。 该方法通过添加镍和铜降低钼合金熔点,借助烧结工艺参数调控解决了 3 种金属粉末熔点相差大导致的难烧结问题。 所制备钼镍铜合金靶材气密性好、耐湿耐潮、密度高、纯度高。
专利(CN 113319539 B) [54] 提供了一种大尺寸面板钼靶的制备方法。 具体步骤为:将靶材及背板进行粗铣和精铣,然后将靶材与背板进行钎焊,然后进行校正、烘干、抛光以及喷砂处理。 该方法提高了钼靶与背板的结合率,提高了产品的合格率,减少了资源浪费。
专利(CN 103154306 A) [55] 涉及一种含钼靶材制备方法,包含二元合金( MoTi)、三元合金( MoTi中加入 Ta 或 Cr 作为第三主金属元素)。 其具体步骤为:将钼粉、钛粉和钽粉(或铬粉) 按一定比例在V 型混料机中混合约 20 min,在 23 ℃ 条件下,通过单向压制法( 压力约 470 MPa) 压实得到直径约95 mm 的颗粒,将压制颗粒封装在低碳钢罐内进行热等静压处理(120 MPa,1 325 ℃,4 h),将热等静压后的材料加工成直径约 58.4 mm、厚度约 6.4 mm的靶材。 该发明制得的靶材在较低刻蚀速率下具有一定的优势,且溅射得到的薄膜对基材有较强的粘附性及低的电阻率。
2、 结 论
基于对上述专利的分析可以看出,钼及钼合金溅射靶材的制备主要采用粉末冶金技术,需要经过粉末混合、压制成型、烧结、压力加工和机加工等多道工序。 制备高质量的钼合金溅射靶材往往需要进行压制和烧结、多道次的轧制与反复的热处理。 由于热等静压或热压烧结设备规格有限,限制了产品的尺寸规格。 因此,开发一种方法简单、成本低、成品率高且利于工业化生产的高品质大尺寸钼合金溅射靶材制备方法具有重要的意义。 此外,目前 Mo 合金靶材中主要添加元素有 Nb、Ti、Ta、W 等,鉴于每种掺杂元素的作用和性能各不相同,而三元及多元钼合金靶材的研究和应用还不够全面,因此针对不同应用领域对钼合金薄膜性能的不同需求,通过成分设计与微观组织调控开发出新型组分钼合金靶材将是一个重要的发展方向。
在元素的众多元素中,(Mo)并不像金、银那样广为人知,但其在现代工业及前沿科技领域的重要性却超乎想象。它是一种过渡,外观呈银灰,质地坚硬且具有高熔点,这使得钼在诸多场景中都发挥着不可替代的作用。从地壳丰度来看,钼为稀缺。连大家印象中比较稀缺的锂,都有十万分之 6.5 的丰度,足足是钼的 65 倍 。钼单质用途有限,主要因其质地脆、硬度与强度一般。但一旦与其他元素制成合金,钼的价值便充分凸显。在钢铁工业里,钼能显著提升钢的强度、韧性与抗腐蚀性能,广泛应用于各类高强度钢与不锈钢生产。比如常见的 316 型不锈钢,因添加了 2%-3% 的钼,对氯化物的抗腐蚀能力大幅增强,常用于食品加工、医疗设备制造等对卫生、抗腐蚀要求高的领域 。在高端制造方面,钼更是。航空发动机的火焰导向器和燃烧室,火箭发动机的喉管、喷嘴和阀门,这些在端高温环境下工作的部件,都离不开含钼高温合金。因为钼能有效提升合金在高温下的强度与稳定性,保障发动机稳定运行。巡航导弹的汽轮转子采用钼涂层,可使其在 1300℃高温、每分钟 4 - 6 万转的恶劣工况下正常运转 。近年来,随着科技发展,钼在电子领域的潜能被逐步挖掘。二硫化钼作为辉钼矿的主要成分,有望革新芯片制造。用二硫化钼制造芯片,具备两大突出优势:一是可制成柔性芯片,实现可弯折功能,为可穿戴设备、折叠屏电子设备等发展提供可能;二是功耗低,仅为同等硅基芯片的 20% 左右。2020 年,瑞士洛桑理工学院在《Nature》发表论文,展示了用二硫化钼制造类脑芯片的成果。由于二硫化钼天生低功耗,与类脑芯片对低能耗的需求契合,再结合其柔性特点,未来有望实现类脑柔性芯片的大规模应用。想象一下,若将此类芯片植入人体,用于辅助神经系统工作,或许真能开启 “赛博修仙” 的科幻篇章 。而且,钼本身,还是人体微量元素,一个体重 70kg 的人,体内通常含有 9g 钼,适当摄入能抑制肿瘤,这也为钼基芯片在人体应用方面减少了后顾之忧 。从资源分布来看,钼资源集中度较高。据美国地质调查数据,钼储量约 1500 万吨,而中国储量高达 580 万吨,占比 38.7%,位居世界首位 。河南栾川、陕西金堆城、吉林大黑山等,均属世界级大型钼矿。中国不仅储量领先,在产量上也占据 42% 左右,是大的钼生产国与消费国 。这意味着中国在钼资源开发、钼产品制造及相关技术研发上,拥有强大的话语权与产业优势,无论是传统工业升级,还是前沿科技探索,钼都将在中国的发展进程中持续发光发热,助力中国在科技与工业竞争中脱颖而出。
钼是一种银灰金属,在1778年由瑞典化学家卡尔·威廉·舍勒发现,因为钼矿常与铅矿共生,钼的名称也是来源于希腊语“molybdos”,意为铅。
钼有为良好的性质,熔点、导热、导电、耐腐蚀性能,它的膨胀系数低,被使用在钢铁、石油化工、航空航天、电子器件等领域。
报废的钼金属通常呈现出以下几种形态和外观:
有关钼废材的回收,包括以下的几个流程。由于不同形态的钼废料其回收方法有所不同,需要将含钼废料从其他废料中分离出来。
其中对于较大的钼废料,可以通过机械切割、破碎等方法进行初步处理,来减小废料体积。针对钼催化剂等形态复杂的钼废料,则需要通过化学溶剂进行溶解、浸出等处理,将钼与其他物质分离。
将经过初步处理的钼废料进行高温处理,蒸发除去杂质,留下纯钼。,通过电解精炼的方法进一步提纯钼,使其达到工业应用的要求。
钼:稀缺战略小金属,存在形式多样,单一和铜、钨钼矿伴生共存
钼是一种银白金属,熔点 2617℃,沸点 4612℃,比重 10.22(20℃)。其物理化学性 质与钨相似,在高温下的蒸气压很低,蒸发速度小。
钼的性能是导电性和导热性强,硬 度和强度限比钨低,加工性能稳定,受压较易加工,在没有氧化剂的条件下,钼对无机酸 具有突出的耐腐蚀性能。
但在稀硝酸、沸腾的盐酸和热的王水,200—250℃的浓硫酸以及氢 氟酸和硝酸的混合物中,能迅速地被溶解,在空气中温度大于 600℃时,钼易氧化。
钼行业产业链上游是矿山,主要负责钼矿的采选和钼精矿的生产;中游是焙烧厂,负责 钼精矿的焙烧和冶炼,产生各种产品;下游是钼的相关应用,包括钢铁行业、石油行业、军 工材料等。
中国钼资源储量,占比超 50%
钼资源分布高度集中。根据 USG 数据,2021 年钼储量 1600 万吨,中国储 量 830 万吨,占比超过 51%,是钼资源的国家;
美国和秘鲁分列第二、第三位, 拥有 270 万吨和 230 万吨钼储量,CR3 资源储量占储量的 83%。
中国钼矿资源,总储量 830 万吨,探明储量的矿区 222 处,分布于 28 个省。河南 省钼矿资源,钼储量占全国总储量的 30.1%,其次是陕西和吉林,三省钼储量合计占 全国 56.5%以上。
国内钼矿矿床规模大,陕西金堆城、河南栾川、辽宁杨家杖子、吉林大黑 山钼矿均属于世界级规模的大矿。
下游应用广泛,市场集中度较高
钼应用广泛,主要作为生产低合金钢、合金钢、不锈钢、工具钢、铸铁、合金、 钼基合金等的添加剂。
据 IMOA 统计,2020 年钼消费结构为:合金钢 39%、特种不锈 钢 24%、合金工具钢 7%、铸铁/铸钢 8%、镍合金 3%、钼金属 6%、化工 13%。
中国钼矿石行业发展较为成熟,现已形成较为稳定的竞争格。中国钼矿石行业属于资 本密集型、资源依赖型及下游驱动型行业,具有较高的准入壁垒。
当前,中国钼矿企业均具 有成熟的下游销售渠道,受下游市场需求旺盛影响,同业企业间竞争压力小。
根据年 产量分为大中小型企业,其中,年产 3 万吨以上为大型企业,1-3 万吨为中型企业,1 万吨 以下为小型企业。
中国钼矿石行业市场集中度较高,规模以上从事钼矿石开采、洗选等相关业务企业数量 约 30 余家,中国钼矿企业市场规模两级分化较为明显。、金堆城钼业等头部企业 占据市场份额超过 50%。
供不应求确定性高,钼价有望维持高位,国内产量增长有限,海外无新增产能
根据钼协会(IMOA)公布的数据显示,2021 年钼产量为 26.12 万吨,比 2020 年的 27.32 万吨下降了 4%。
2021 年钼消费量为 27.72 万吨,比前一年的 24.48 万吨增 长了 13%,供应缺口 1.6 万吨,缺口比例 5.8%。
中国是大的钼生产国,从 2020 年的 88450 吨增加到 2021 年的 100833 吨,同比增加 14%,是 2021 年唯一产量增长的地区,其中 2020 年受伊春鸣尾矿库泄漏事件及陕西暴雨影响,产量有所下滑。
南美是第二大钼生产地区, 产量为 82236 吨,比上一年的 90219 吨下降 9%;北美地区产量为 58332 吨,比 2020 年的 69717 吨减少 16%;其他国家和地区的产量降幅大,从 2020 年的 24857 吨下降到 19822 吨。
国内钼矿上市公司主要有、和吉翔股份。其中,金钼股份拥有的 资源储备和领先的产业规模,钼生产经营规模位居前列。
公司正在运营自有矿山金堆城 钼矿和汝阳东沟,同时公司还参股了沙坪沟钼矿和吉林天池季德钼矿,2021 年公司钼产量 为 2.12 万吨。
目前正在运营三道庄钼矿和上房沟钼矿,新疆钼矿为储备资源,目 前尚未开发,2021 年公司钼产量为 1.6 万吨。吉翔股份正在运营内蒙古乌拉特前旗沙德盖苏 木西沙德盖钼矿,2021 年钼产量为 3.9 万吨。
海外钼企业中,麦克莫兰自由港公司是大的钼矿生产商,其钼产品主要来源于北 美 7 个、南美 2 个矿山与位于美国科罗拉多州的两大钼矿 Henderson、Climax。
公司 2021 年钼产量为 3.86 万吨。为应对钼需求的增长,公司 2022 年计划在 Lone Star 铜矿、 Cerro Verde 矿山和两个钼矿分别扩大开采率,预计钼总年产量可达 4.09 万吨。
墨西哥集团 2021 年钼产量为 3.03 万吨,据公司年报披露,2022 年公司计划小幅增加钼产量,预计 2022 年产量达 3.2 万吨。公司将会持续在秘鲁 Apurimac 地区进行开发。
智利 Codelco 是 第二大钼生产商,公司 2020 年钼产量 2.8 万吨,2021 年由于 Chuquicamata 和 Andina 矿山减产,钼产量下降至 2.1 万吨。
钼作为公司铜矿副产品,由于未来几年铜矿计划产量无 明显变化,因此钼产量预计与 2020 年持平。
集团 Kennecott 公司 2021 年钼产量同比 下降 62.7%至 0.76 万吨,主要是受到相关机构干预导致,目前暂无扩产计划,预计未来几 年钼产量仍将维持在 2021 年的水平。
未来钼产量增量有限,海外市场无明显增量,国内市场有小部分增量出现。
2022 年将会对黑龙江铜山铜矿、福建紫金山罗卜岭铜(钼)矿、塞尔维亚博尔铜业 JM 铜矿、 塞尔维亚丘卡卢-佩吉铜金矿下带矿等 4 个地下大型斑岩型矿床进行崩落法采矿,钼作为伴生 产品将会有少量产量增加。
中高端钢材替代加快,下游需求旺盛
中国是钼消费量大的国家,钼消费量从 2020 年的 10.64 万吨上升到 2021 年的 11.14 万吨,增长了 5%,增幅小;欧洲的钼消费量居第二位,为 58921 吨,比 2020 年的 53025 吨增长 11%;
美国作为第四大钼消费国,钼用量从 2020 年的 20956 吨增加到 2021 年的 27170 吨,增长 30%,增幅大;日本的钼消费量为 23859 吨,比 2020 年的 20457 吨增 加了 16%。
近年来,国家制定了一系列产业支持中高端合金钢行业的发展,明确了具有高技术 含量且用于高端制造业的特钢产品的重要。
钼作为“战略稀有小金属”,其在传统钢铁 领域和领域需求都较为旺盛。一方面,我国正在大力推动传统基建、地产、水利的复 苏,因此国内对钢铁的需求明确,因此钼的需求也将稳步增长;
另一方面,在领域, 钼也发挥着重要作用。比如光伏领域,钼是薄膜板背电的金属材料之一;
再比如风力发电, 将发电叶片采用较薄的钼合金钢外壳和支撑框架可减重 20-40%。新能源行业的发展将 进一步促进钼的需求增长。
钢是在冶炼过程中加入了较多的合金元素及采取了的生产、加工工艺,特钢的 化学成分、组织结构以及机械性能均优于一般钢铁。
在汽车、机械、化工、船舶、铁路、航 空航天、国防军工等对钢材质量要求较高的领域得到广泛使用。
未来随着航空航天、国防军 工的发展,以及诸多新兴产业的大发展,特钢的应用领域将持续扩展,需求量也将增加。
钢又被称为特钢或特种钢,钢产品种类,可分为碳素钢、低合金钢和 合金钢三大类。
按用途划分,特钢可分为结构钢(碳素结构钢和合金结构钢)、工具钢 (碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢)以及用钢(齿轮钢、轴承钢、弹簧钢、不锈 钢、高强度钢和高温合金)。
按技术含量和产品档次分,特钢产品可大致分为高端、中端和低端三个层次。其中,低 端产品是以碳素结构钢(碳素钢)为代表;
中端产品是以合金钢(不锈钢、工具钢、模具钢、 高速钢除外)为代表;高端产品是以不锈钢、工具钢、模具钢和高速钢为代表的产品。
特钢应用广阔,主要包括国防、电力、石化、核电、、汽车、航空、船舶、铁路等 行业的高端、特种装备制造领域。
随着我国经济结构优化调整逐步深化,制造业不断转型升 级,以军工产业、核电工业、高速铁路及汽车工业为代表的高端制造业迎来了、可持续 发展,有望进一步拉动中高端特钢的需求。
钢行业主要有两种工艺流程,一是长流程,是指以铁矿石、焦炭为主要原材料,利 用高炉冶炼得到液态铁水,铁水经过氧气转炉吹炼配以精炼炉得到合格钢材,高炉容积较大, 熔炼后产品加工通常采用连铸、连扎成型工艺,适合大批量生产;
二是短流程,是指以废钢 和合金为主要原材料,废钢经破碎、分选后装入电炉来熔炼废钢,并配以精炼炉完成脱气、 调成份、调温度、去夹杂等功能,得到合格钢材,电炉容积较小,熔炼后产品加工通常采用 模铸、锻造成型工艺,适合小批量生产。
目前我国钢产量占钢材总产量比重较低,远低于发达国家。2021 年我国钢产 量为 13789.14 万吨,占我国粗钢产量的比例约为 13.35%。
根据产业信息网的数据显示,2020 年日本钢产量为 1743.7 万吨,占日本粗钢产量的比重为 20.96%。
根据《我国钢行业的现状及发展趋势》一文,钢占比高的瑞典,比重为 55%,德国占比 22%, 法国、意大利占比 17%。
从细分产品来看,我国钢中非合金钢和低合金钢的占比较大。2021 年我国非合金 钢产量为 5939 万吨,占比 38.90%;低合金钢的产量为 4983 万吨,占比 32.63%。其次为 合金钢、不锈钢,其产量分别为 2932.7 万吨、1636 万吨,占别为 24.40%、4.07%。
中国钢铁行业正在经历结构调整,将向高性能高附加值的不锈钢、特种钢等合金钢方向 发展。
中国工业化及城镇化进程的加速推进,以及印度、巴西、中东等其他新兴国家 钢铁产量仍将保持增长,也将进一步拉升对钼的需求。 中高端不锈钢增速明显加快。
根据中国特钢协会不锈钢分会数据显示,2021 年中国不 锈钢粗钢产量为 3063.2 万吨,同比增加 49.3 万吨,增长 1.64%,其中 Cr-Ni 钢(300 系)1506.7 万吨,同比增长 4.78%;
Cr 钢(400 系)526.7 万吨,同比增长 5.78%;Cr-Mn 钢(200 系)905.8 万吨,同比下降 6.07%。此外,2021 年中国双相不锈钢产量再高,达到 24.05 万吨, 同比增加 4.9 万吨,同比增长 25.67%。
合金钢与非合金钢增速分化显著。近年来在国家支持下以及钢铁行业结构转型的背 景下,合金钢与非合金钢分化明显,2020 年和 2021 年合金钢产量增速分别为 14.89%和 2.23%;非合金钢产量增速分别为 7.48%和 0.15%。
高速工具钢产量自 2015 年至 2019 年 逐年增加,2020 年和 2021 年受以及产业链影响出现下滑,未来在下游需求的 强烈带动下高速工具钢产量将逐步回升。
我们按钼初级产品下游消费结构把钼需求拆分成钢铁行业、钼金属和化工钼三大板块。
其中,钢铁行业钼需求拆分成合 结构钢、特种不锈钢(316 及 316L、双相不锈钢)、高速 工具钢、其他工具钢和高温合金钢。根据我们的测算,2022-2024 年国内钼需求量分别为 12.64、13.69、14.81 万吨。
供需紧平衡,钼价高位震荡
过去 20 年钼历史价格演变可以分为四大阶段: 在 2008 年经济危机之前,经济高速增长,直接拉动了合金钢和不锈钢需求。
钼消费随之扩张,钼供给匹配钢铁行业扩张速度,进入供需错配,这一阶段钼价迅速 冲高,虽有震荡当在很长一段时间保持高位;
2008-2016 年,受经济危机影响制造业遭遇滑铁卢,此前累积扩张的大量产能 无法出清,行业转为过剩。钼价格断崖式下跌,并长时间处于低谷;
2016-2020 年,由于钼价格长期处于低迷状态,多个矿山产能关停推出,中国钼厂 商也达产减产协议,供给侧出现约束,钼价格逐渐出现反弹;
2020 年以后,肆海外冶炼产能停滞,大量钼精矿涌入国内,钼价格再次 出现回落;随着得到控制,经济逐步向好,2021 年钼价格再次飙升。
重点公司分析
金堆城钼业股份有限公司(简称“”)是钼行业内具有较强影响力的钼供应商,为钼协会执行理事单位、中国有金属工业协会钼业分会会长单位,被中国 矿业联合会授予“中国钼业之都”称号。
公司拥有钼采矿、选矿、冶炼、化工、金属加工、科研、贸易一体化全产业链条。主要 生产钼冶金炉料、化学化工、金属加工三大系列二十多种品质优良的各类钼产品,广泛应用 于钢铁冶炼、石油化工、航空航天、国防军工、电子照明、等领域。
公司拥有两大矿区金堆城钼矿和汝阳东沟钼矿,其中金堆城钼矿矿床形态简单,产状品 味变化均衡稳定,是世界级特大型钼矿床之一,矿石资源量约 48 亿吨,储量约 34 亿吨。
汝 阳东沟钼矿金属储量 2.8 亿吨,矿石天然品质优良,具有品位较高、含杂低、易于深加工、 适合大型露天开采等特点。
2021 年公司钼业务占比超过 84%,钼炉料营收占比为 56%,同比提升 18.1pct;钼金 属营收占比为 16%,同比提升 5.5pct;电解铜营收占比为 7%,同比下降 23.7pct。
公司通 过调整业务结构以及降本增效措施,毛利率从 2017 年的 7.66%提高到 2021 年的 21.95%。
公司主要从事基本金属、稀有金属的采、选、冶等矿山采掘及加工业务和矿产贸易业务。 目前公司主要业务分布于亚洲、非洲、南美洲、大洋洲和欧洲五大洲。
是领先的钨、钴、 铌、钼生产商和重要的铜生产商,亦是巴西领先的磷肥生产商,同时公司基本金属贸易业务 位居前三。
2012 年公司 A 股上市以来,公司加速化、多元化战略推进,持续布多金属品类。
2013 年澳大利亚 NPM 铜金矿、2016 年刚果(金)TFM 铜钴矿及巴西铌磷资产、 2019年第三大金属贸易公司 IXM,2020年再次 Kisanfu铜钴矿进一步增强铜、 钴资源布。
公司拥有的钨钼资源。公司是前七大钼生产商及大白钨生产商之一,从事钼、 钨、铁金属的采选、冶炼、深加工、科研等,拥有钼钨采矿、选矿、冶炼、化工等上下游一 体化业务。
主要产品包括钼铁、仲钨酸铵、钨精矿及其他钼钨相关产品,同时回收副产铁、 铜、萤石、铼等矿物。2021 年,钼金属产量为 16385 吨,钨金属产量为 8658 吨。
一、认识钼
钼在地球上的蕴藏量较少,其含量仅占地壳重量的0.001%,钼矿总储量约为1500万吨,主要分布在美国、中国、智利、俄罗斯、加拿大等国。我国已探明的钼金属储量为172万吨,基础储量为343万吨,仅次于美国而居世界第二位。钼矿集中分布在陕西、河南、吉林和辽宁等四省。世界上金属储量在50万吨以上的特大型钼矿共有六个,我国的河南栾川、吉林大黑山和陕西金堆城三大钼矿榜上有名。
的钼资源,为我国发展钼的冶炼和加工,大力推广钼的应用,提供了为有利的条件和坚实的基础。
钼与钨一样是一种难熔稀有金属。钼的熔点为2620℃,由于原子间结合力强,所以在常温和高温下强度都很高。它的膨胀系数小,导电率大,导热性能好。在常温下不与盐酸、氢氟酸及碱溶液反应,仅溶于硝酸、王水或浓硫酸之中,对大多数液态金属、非金属熔渣和熔融玻璃亦相当稳定。
因此,钼及其合金在冶金、农业、电气、化工、和宇航等重要部门有着广泛的应用和良好的前景,成为国民经济中一种重要的原料和不可替代的战略物质。
二、钼在我国的开采使用状况
近年来,我国钼的开采、冶炼和加工得到了迅速的发展。
据资料介绍,2001年我国实际生产钼精矿72000吨,氧化钼33000吨,钼铁7600吨,各类钼酸铵9500吨,钼条1183吨,钼板坯1200吨,钼板材150吨,钼圆片40余吨,钼顶头及其他异型制品约50吨,电光源行业及机械加工钼丝31.5亿米,还有润滑剂、催化剂、颜料等化工产品数百吨。
不仅如此,我国在世界钼市场中占有举足轻重的,据海关统计,2001年我国出口钼矿焙砂、钼酸盐、钼铁及其他钼制品70274吨之多,创汇达2.62亿美元。
钼的消费形式以工业三氧化钼为主,约占70%,钼铁约占20%,金属钼和钼化学制品各占5%。其应用领域和分配比例大概如下:钢铁冶炼消费约占80%(其中合金钢约为43%,不锈钢约为23%,工具钢和高速钢约8%,铸铁和轧辊约为6%),化工产品约占10%,金属钼制品消费约占6%,高温高强度合金和合金约占3%,其他钼制品约为1%。由上可见钢铁工业的发展对钼的消费起着决定性的作用,但随着科学技术的发展,钼在高科技和其他领域的应用将会不断地扩大和发展。
钢铁工业
根据世界各国钼消费统计,钼在钢铁工业中的应用仍然占据着主要的位置。钼作为钢的合金化元素,可以提高钢的强度,是高温强度和韧性;提高钢在酸碱溶液和液态金属中的抗蚀性;提高钢的耐磨性和改善淬透性、焊接性和耐热性。钼是一种良好的形成碳化物的元素,在炼钢的过程中不氧化,可单独使用也可与其他合金元素共同使用。钢的耗钼量在有规律地增长,目前每吨钢的钼消耗量已达到0.201公斤的水平。
钼与铬、镍、锰和硅等可制造不同类型的不锈钢、工具钢、高速钢和合金钢等。所制成的不锈钢有良好的耐腐蚀性能,可用于石油开采的耐腐蚀钢管,一种加钼约6%的不锈钢还可取代钛用于海水淡化装置、远洋船舶、海上石油及天然气开采管道。这类不锈钢还可以用于汽车外壳、污水处理设备等。含钼工具钢的效率是钨工具的两倍,性能优良,成本低廉且重量较轻。钼系列高速钢具有碳化物不均匀性、耐磨、韧性好、高温塑性强等优点,适用于制造成型刀具。含钼合金钢可用于制造机床结构部件,工业车辆和推土设备。在轧制状态下有微细珠光体组织的含钼合金钢,是铁轨和桥梁建设中的重要钢材。
钼作为铁的合金添加剂,有助于形成珠光体的基体,能改善铸铁的强度和韧性,提高大型铸件组织的均匀性,还可以提高热处理铸件的可淬性。含钼灰口铸铁具有很好的耐磨性,可作重型车辆的闸轮和刹车片等。
电子电气
钼有良好的导电和高温性能,是与玻璃的热膨胀系数其相近,广泛地用于制造灯泡中螺旋灯丝的芯线、引出线、挂钩、支架、边杆及其他部件,在电子管中做栅和阳支撑材料。在超大型集成电路中钼用作金属氧化物半导体栅,把集成电路安装在钼上可以消除“双金属效应”。超薄型无缝钼管(约15μm)可用作高清晰度电视机显象管的阳支架,这种电视机的图象扫描线达1125条,比一般的电视机提高2倍。钼圆片还可作功率晶体管隔热屏和硅整流器的基板和散热片。
在现代电子工业中除使用纯钼外,Mo-Re合金可作电子管和特种灯泡的结构材料,Mo-50Re和TZM合金还可作高功率微波管和毫米波管中的热离子阴结构元件,其工作温度可达到1200℃,电流密度可达10安培/厘米2。作为引出线的的纯钼丝再结晶温度低,在高温下易出现脆化,影响使用寿命,近年来,有人研制出添加Si、k和C等元素,以提高再结晶温度,生产出“高温钼丝”。采取在氧化钼生产过程中添加稀土元素钇、铈、镧等,更能有效地提高再结晶温度,克服材料高温脆化问题。含0.1—0.3%锆、0.1%钪的钼丝,在1200℃氮化处理,使钪弥散到整个合金中去,这种钼丝在20℃时抗拉强度可达到1400百万帕斯卡。
模具工业的迅速发展,使电火花加工技术得到普遍的应用,钼丝是理想的电火花线切割机床用电丝,可切割各种钢材和硬质合金,加工形状其复杂的零件,其放电加工稳定,能有效地提高模具的精度。
以上是钼丝两种为广泛的用途,灯泡制造业的发展和模具制造业的崛起,使得钼丝的生产和消费突飞猛进。据中国照明协会统计,2001年全国生产钼丝达到31.5亿米,实际产量估计达到40亿米,消耗将近800吨钼条,其数量十分可观。其中线切割用钼丝产量超过20亿米,占钼丝总量的一半以上,其市场发展前景十分令人乐观。
钨-铜假合金广泛应用电火花切削工具电,然而近年来研究以钼取代钨作电,结果表明,钨基和钼基电随铜(≤50%重量)的含量而变的耐蚀性是不一样的。在加热脉冲和机械负荷脉冲存在时,这种耐腐蚀性主要取决于脆裂过程,钼的延-脆性转变温度较钨低,所以脆性小,耐蚀性能较强。钼-铜、钼-银假合金具有耐烧蚀性和良好的导电性,可以作为空气开关、高压开关和接触器的触点。钼-铜复合薄膜在连续的铜机体上夹带大量的离散钼粒子,显微组织均匀,有良好的穿厚导热性和导电性,可作金属芯子应用于多层电路板中。
近,还研制出可变的三氧化钼,这种材料在强光照射下会改变颜,且可轻易还原,可用于电子计算机光存储元件及多次使用的复印材料。
农用肥料
钼是植物体内的“微量元素”之一,约占植物干物量的0.5ppm左右,是不可缺少和不可替代的。近年来国内外广泛地采用钼酸铵作为微量元素肥料,能显著地提高豆类植物、牧草及其他作物的质量和产量。这主要是钼能促进根瘤菌和其他固氮生物对空气中氮的固定,并将氮元素进一步转化成植物所需的蛋白质。钼也能促进植物对磷的吸收和在植物体内发挥其作用。钼还能加快植物体内醣类的形成与转化,提高植物叶绿素的含量与稳定性,提高维生素丙的含量。不仅如此,钼还能提高植物的抗旱抗寒能力以及抗病性。
施用钼肥的特点是用量少,收效大,成本低,是提高农业收成是使大豆丰收的一项重要措施。钼在农业上的广泛应用,也为我国钼生产工厂的废水、废渣及低品位矿的综合利用,开辟了一条新的途径。
汽车喷涂
钼的熔点高达2620℃,且有良好的高温性能和耐腐蚀性能,钼与钢铁结合力强,因而是汽车部件生产中主要的热喷涂材料。汽车部件一般采用钼丝高速火焰喷涂,喷枪的气体混合喷射装置产生高温燃气燃烧,设计的燃烧室和气体喷射混合室,使钼丝在熔化前,以高的速度喷涂在工件的表面上,喷射钼的致密度可达99%以上,结合强度接近10公斤/㎜2。这一工艺过程能有效地改善受磨面的耐磨性,也提供了一个可以浸渍润滑油的多孔表面。它广泛地应用于汽车工业以提高活塞环、同步环、拨叉和其他受磨部件的性能,也用于修复磨损的曲轴、轧辊、轴杆和其他机械部件。据资料介绍喷涂钼丝欧洲市场年销售量可达1000吨,美国每年消耗量也达600吨左右,日本每年也消耗钼丝30—40吨,我国喷涂钼丝市场容量尚小于每年30吨。但随着我国汽车工业的发展,汽车齿轮和其它部件的热喷涂将有较大发展,喷涂钼丝的销售量将大幅度增长。
高温元件
钼的纯度高、耐高温、蒸汽压低等特性,使之常常被用来制造高温炉的发热体和结构材料。在钨钼及硬质合金生产过程中,大都采用钼丝加热的方式制作还原炉和烧结炉,部份铁制品连续烧结还采用钼杆加热排作发热体,钼杆加热排以钼钩悬挂于炉子的两侧。这类炉子一般为还原性气氛或非氧化性气氛,在氢气和分解氨中钼丝可使用至接近熔点,氮气中可使用至2000℃。高于1700℃使用时,可采用再结晶温度更高、强度的TZM合金或钼镧合金作发热体。钼在熔化的石英中有很好的抗烧蚀性能,在玻璃工业中用作通电熔融电,每生产一吨玻璃钼电仅损失7.8克,使用寿命可长达一年多。除作电外,钼还用作玻璃熔化高温结构材料,如导槽、管子、坩埚、流口以及稀土冶炼的搅拌棒。以钼代铂在玻璃纤维拉丝炉上使用效果良好,大大降低了生产成本。新近研制出的核燃料烧结炉采用钼网加热,用ф0.8mm钼丝编织成三相网状加热器,工作温度可达1800—2000℃。除此之外,钼及其合金还可以作热等静压的炉架、隔热屏、烧结和蒸涂的料舟、SmCo磁体及二氧化铀烧结的垫板,热电偶及其保护套管等。
硅化钼(MoSi2)是一种应用为普遍的电热元件材料,具有抗高温氧化、的耐蚀性能和高熔点等特性。其抗氧化性是由于在加热表面形成了不透气的玻璃薄膜,使之不受氧、氮、一氧化碳和二氧化硫的破坏,在1700—2000ºK温度下,二硅化钼加热可以工作二、三年之久。但低劣的机械性能影响硅化钼的应用,如果在硅化钼中加入SiC形成一种复合材料,这种材料将碳化硅弥散进二硅化钼的基体中,生成含有钼原子和硅原子的双金属化合物,其高温强度较二硅化钼单体高8倍之多,使其应用前景大受青睐。
石油开采
在开发低洼地区酸性天然气、油田和开发海底油气田时,不大量的H2S气体产生,还有海水的浸蚀,使钻探管道硫化发脆,迅速腐蚀。选用含钼高强度不锈钢管可有效地抵抗H2S气体和海水的腐蚀,大大节约钢材,降低油气井的钻探成本。
钼不仅可以应用于油气田钻探管道方面,还常常与钻、镍相结合作石油提炼预处理的催化剂,主要是石油,石油化学产品及液化煤的脱硫。在氢处理过程中,硫化物在催化剂的表面与氢反应,硫离子以硫化氢的形式除掉,同时消除了原油中氮和金属杂质,以减少这些杂质在石油精炼时对其他催化剂的毒化,从而改善产品的泽、气味和提高其稳定性。钼催化剂钝化后在其表面残留一层碳,如果烧掉碳层,催化剂又可恢复其活性状态,使用寿命可为1—5年左右。钼在石油裂化与重整中起着重要的作用,是一种理想的电子供体和载体。
环境保护
人们越来越清楚地认识到,钼在控制环境污染方面起着重要的作用,含钼不锈钢的大量应用,大大减少了因锈蚀而造成对环境的影响;另外钼及其化合物大都没有毒性,利用比较的钼取代有毒的金属,也是钼对人类环境保护的一大贡献。在油漆和颜料工业中钼可取代有毒的铬、铅、钛等金属,并且是的着剂;在化学制品行业可取代防腐剂中的铬和阻燃物,硝烟物中的锑;钼在水处理工业中的应用中也具有潜力,主要在开路和闭路循环冷却系统的冷却水处理中用于抑制腐蚀,在开路冷却塔中每升冷却剂的二钼酸钠含量为10毫克,而闭路冷却水空调装置中每升可达150毫克,钼酸钠作为汽车防冻剂和冷却系统以及切削液中防腐剂的用量也在不断增加。有人还提出钼可以改善玻璃化土壤,简化高污染土壤的处理,减少土壤污染。
航空及核工业
钼合金由于有好的耐热性能和高温机械性能,可作航空器发动机的火焰导向器和燃烧室,宇航器液体火箭发动机的喉管、喷嘴和阀门,重返飞行器的端头,卫星和飞船的蒙皮、船翼及导向片和保护涂层材料,钼热胀系数低和导热性能好,在太阳辐射光强烈作用下尺寸稳定性好,用金属钼网作造卫星天线,可以保持其抛物的外型,而较之石墨复合天线重量更轻。巡航式导弹使用钼涂层材料作汽轮转子,在1300℃高温下工作,每分钟转速高达4—6万转,已显示出良好的效果。
钼的中子吸收截面小,有较好的强度,对核燃料有较好的稳定性,抗液体金属腐蚀性好,在核聚变反应堆中作转换器铠装元件的保护片。Mo-Re合金可用于空间核反应堆的热离子能量转换器包套材料、加热器、反射器和其他的丝或薄板元件。
钼合金及其他钼是一种多能的合金化元素,不仅在钢中添加显示出的作用,也能与多种有金属生成性能优良的合金。
在钼中添加Ti、Zr、C的氧化物或碳化物,形成弥散强化合金TZM。TZM合金除应用在宇航和核工业外,还可以作X射线旋转阳零件,压铸模具和挤压模具,在挤压铜基合金时,其操作温度可在870—1200℃。TZM合金还适合作不锈钢热穿孔顶头,穿孔钢管内壁质量好,使用寿命长。加入少量稀土元素的TEM合金有较高的再结晶温度,再结晶时的延性较普通钼材高5倍,也有良好的应用前景。
含钛、锆和碳的钼合金(MT-104),含铪和碳的钼合金(HCM)及含钨、铪和碳的钼合金(HMW)均有较高的强度,可加工成棒、板、锻坯和其他制品,大有用武之地。Mo-30w是一种固溶体合金,熔点达到2800℃以上,在锌冶炼中作熔融金属泵阀和轴、核燃料提纯和电镀等设备管路、搅拌轴、叶轮泵。在钨高比重合金(90W-7Ni-3Fe)中加入一定量的钼,其强度和硬度都随钼含量而增高,其延性则不断降低,能大大地改善作为穿甲弹材料的性能。
碳化钼(Mo2C)和碳化钨混合,加入适当的镧粉,烧结成硬质材料,经粗碎后加入一定量的镍,采用通常的硬质合金生产的方法,可得到粘结相分布良好、致密和细化的碳化钼基硬质合金。金属粘结相采用Co或Ni,也可生成复杂钼—钨碳化物基硬质合金。碳化钼也可添加到金属陶瓷中,以改善其性能。
钼化工产品
钼与铬、铝的盐类可以共同沉积而生成钼铬红颜料,钼酸根离子与金属表面的铁离子形成难溶的Fe2(MoO4)3,从而使金属表面钝化,达到防锈的效果。其颜变化由淡澄到淡红,有着较强的覆盖能力,且颜鲜艳,主要用于涂料、塑料、橡胶、油墨、汽车和船舶涂料等领域。锌、钙和钠的钼酸盐用作抗腐蚀颜料,因其不含影响环境和人类健康的铅而受到普遍的关注。
二硫化钼(MoS2)是一种良好的固体润滑剂,在工业应用中起着十分重要的作用。它具有低的摩擦系数(0.03—0.06),高的屈服强度(3.45MPa),能在高温(350℃)和各种温条件下使用,在真空条件下甚至可以在1200℃正常工作,在高速运转的机械部件中有着十分优良的润滑作用。因而在汽轮机、燃汽轮机、金属轧辊、齿轮齿、模具、汽车及宇航器械上广泛使用。
经过几十年的艰辛努力,我国钼开采,冶炼和加工技术有了长足的进步,钼的应用和推广也取得了可喜的成绩,但与世界水平相比我们仍然感到不足。我们应该充分利用我国钼资源优势,从开采、冶炼到加工建立合理的生产布,大力开展钼制品的深加工。建立一支技术素养较高的生产和科研队伍,大力推广新装备、新技术的应用,加强钼的科研和新产品开发,要加强钼的应用研究,扩大市场容量,要集中科研院所和生产企业的技术力量,成立专门机构,迅速地把科研成果转变成生产力,指导市场消费,扩大外贸出口,使我国成为一个名符其实的钼生产大国,消费大国和出口大国。