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中美科技战之关键——稀土元素:改变世界的工业维生素

  • 稀土
  • 中美贸易战
小白 06/18

在近期的中美经贸关系中,稀土成为了一个备受瞩目的焦点。2025 年 4 月 2 日美国宣布对中国加征 “对等关税”,随后中国商务部及海关总署 4 月 4 日发出公告,宣布对 7 类中重稀土相关物项实施出口管制 ,这一举措引发了外界的广泛关注和诸多猜测。那么,稀土到底是什么呢?它为何在中美贸易战中扮演着如此重要的角色?本文将为您一一解答。

一、稀土的定义与种类

“稀土”一词是十八世纪沿用下来的名称,其外观酷似“土壤”,而称之为稀土。它们并非稀有,但在地壳中储量较少,且提取和分离较为困难。稀土是化学周期表中镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称,包含轻稀土和重稀土。轻稀土包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕,相对较为丰富,地壳中的含量较高;重稀土包括钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇,相对较为稀有,地壳中的含量较低。

稀土矿主要有四种—氟碳铈矿、独居石、磷钇矿和风化壳淋积型矿(离子吸附型稀土)。在自然界中,稀土元素主要以稀土氧化物(REO)的形式存在,分离难度较高。目前已发现的稀土矿物和含稀土元素的矿物约有250种, 其中50~65 种稀土含量ΣREE>5.8%的可视为稀土独立的矿物,具备工业价值的稀土矿物只有50~60种,适合现今选冶条件的稀土矿物仅有10余种,用于工业提取稀土元素的矿物主要有四种—氟碳铈矿、独居石、磷钇矿和风化壳淋积型矿(离子吸附型稀土),前三种矿占西方稀土产量的95%以上。独居石和氟碳铈矿中,轻稀土含量较高;磷钇矿中,重稀土含量较高,但矿源比独居石少。

数据来源: 亚洲金属网,华福证券研究所

稀土开采和冶炼分离工艺较为复杂,存在较强的技术壁垒,目前仅有我国拥有全套稀土开采和冶炼分离生产工艺。 稀土的生产包括采选、精矿分解、冶炼、萃取、提纯等环节,原矿首先经过选矿过程后制作成稀土精矿,精矿经过湿法冶炼或者火法冶炼后再进一步分离制作为氧化物,氧化物再通过稀土火法冶金(熔融电解或热真空还原)制作为金属。由于 17 种稀土元素的物理性质和化学性质极其相近且稀土元素同伴生杂质元素较多,冶炼分离工艺较为复杂,存在较强的技术壁垒,目前仅有我国拥有全套的开采和冶炼分离工艺流程。

二、稀土产业链结构解析

2.1 产业链概述

稀土产业链是一个复杂且高度专业化的体系,稀土产业链包括:原矿开采/废料回收—精矿/初级氧化物—萃取分离成盐类—焙烧为氧化物—电解成金属—各种材料—相关产品—最终应用。通常可划分为上游、中游和下游三个主要环节。每个环节都涉及特定的技术、产品和市场参与者,共同构成了从稀土矿石到最终应用产品的完整价值链。

其中,上游主要包括稀土矿的勘探、开采和选矿,产出物为稀土精矿,是后续加工的基础原料;中游是产业链的核心和技术壁垒最高的环节,包括稀土化合物的分离提纯、稀土金属的冶炼以及各种稀土功能材料(如永磁材料、储氢材料、发光材料、催化材料、抛光材料等)的制备;而下游指稀土功能材料在各个终端领域的应用,如新能源汽车、风力发电、消费电子、工业机器人、国防军工、石油化工、玻璃陶瓷等。中国是目前全球唯一拥有完整稀土产业链,能够生产所有种类稀土产品并将其应用于各个领域的国家。这种全产业链优势是中国在全球稀土市场中占据主导地位的关键因素之一。

数据来源: 各公司公告,华福证券研究所

2.2 上游:采矿与选矿

稀土上游产业环节主要涉及稀土矿床的开采和将原矿加工成稀土精矿的选矿过程。根据矿床的赋存条件和矿石类型,主要采矿方法包括:1)露天开采,适用于埋藏较浅、矿体规模大的矿床,如内蒙古白云鄂博矿的部分区域和澳大利亚的Mount Weld矿;2)地下开采,适用于埋藏较深或不宜露天开采的矿床;3)原地浸出(In-Situ Leaching, ISL),主要用于中国南方的离子吸附型稀土矿,该工艺将浸矿溶液注入矿体,使稀土离子溶解并随溶液采出。

选矿是将低品位原矿富集成高品位稀土精矿的过程,其工艺流程因矿石类型而异。主要包括破碎、磨矿,然后根据矿物物理化学性质差异,采用浮选、磁选、重选或化学选矿等方法。例如,对于氟碳矿,常采用浮选工艺;对于独居石矿,则可能结合重选和磁选。选矿过程旨在去除脉石矿物,提高稀土氧化物的含量,为后续的冶炼分离做好准备。

稀土采选过程,特别是早期粗放式开采,曾导致严重的环境问题,如植被破坏、水土流失、尾矿堆存占用土地、水体污染(氨氮、重金属等)以及部分矿床伴生的放射性元素(如钍)污染等。近年来,随着环保法规的日益严格和可持续发展理念的深入,各国(尤其是中国)都在加强对稀土开采的环境监管,推广绿色开采技术,加强尾矿综合利用和废弃矿山生态修复。例如,中国对离子型稀土矿原地浸出工艺的环境影响进行了严格控制,并投入大量资金进行环境治理。

稀土矿开采

2.3 中游:冶炼分离与功能材料制备

中游是稀土产业链中技术含量最高、附加值提升最显著的环节,也是全球竞争的焦点。它主要包括稀土精矿的分解、稀土元素的分离提纯、单一高纯稀土金属的制备,以及各种稀土功能材料的生产。

由于稀土元素化学性质极为相似,将混合稀土精矿中的十几种元素逐一分离并达到高纯度(通常要求99.9%以上,部分应用达99.999%甚至更高)是极其复杂和困难的。目前主流的工业化分离技术是溶剂萃取法。该方法利用不同稀土元素在有机相和水相之间分配系数的微小差异,通过多级萃取和反萃取操作,实现各稀土元素的分离。常用的萃取剂有P507(2-乙基己基膦酸单2-乙基己基酯)、P204(二(2-乙基己基)磷酸)等。中国凭借数十年的技术积累、庞大的产业规模和相对较低的成本,在溶剂萃取分离技术方面占据全球绝对领先地位,控制着全球约85%-90%的稀土分离产能。其他国家如美国(MPMaterials正在建设分离设施)、澳大利亚 (Lynas在马来西亚和美国建厂)、日本和欧洲国家也在积极研发和引进分离技术,但面临技术成熟度、环保成本和经济性的挑战。

高纯度的单一稀土氧化物(如氧化镧)或氟化物通过熔盐电解法或金属热还原法制备成稀土金属。例如,金属钕、镨、镝等通常采用熔盐电解法生产。主要稀土功能材料有永磁材料、钕铁硼(NdFeB)磁体、衫钴(SmCo)磁体、储氢材料、发光材料、催化材料、抛光材料等。全球稀土分离冶炼产能高度集中在中国,这使得中国不仅是稀土原料的主要供应国,更是稀土化合物和金属的主要供应国。这种主导地位赋予了中国在全球稀土定价和供应方面的重要影响力。

氧化镧数据信息,来源于摩熵化学数据库

2.4 下游:主要应用领域分析

稀土功能材料凭借其独特的磁、光、电等性能,广泛应用于国民经济的各个领域,特别是在高新技术产业和战略性新兴产业中发挥着不可替代的作用。下游应用的需求是驱动整个稀土产业链发展的根本动力。

在新能源汽车领域,永磁同步电机因其高效率、高功率密度、小体积等优点,成为新能源汽车(包括纯电动汽车BEV和插电式混合动力汽车PHEV)驱动系统的主流选择。这些电机大量使用高性能钕铁硼永磁体, 其中镨(Pr) 、钕(Nd) 、镝(Dy)、铖(Tb)是关键元素。据国际能源署(IEA))等机构预测,随着全球汽车电动化进程的加速,对这些稀土元素的需求将持续高速增长。

在风力发电领域,而永磁直驱(PMDD) 风力发电机是大型风电机组的重要技术路线之一,尤其在海上风电领域应用广泛。PMDD发电机同样需要大量的钕铁硼永磁体。全球为应对气候变化、推动能源转型,风电装机容量持续增长,也带动了稀土需求的增加。

在消费电子领域,智能手机中的振动马达、扬声器、摄像头自动对焦的音圈马达(VCM),计算机硬盘驱动器(HDD)的磁头驱动臂,以及高端耳机、可穿戴设备等都广泛使用微型高性能钕铁硼磁体。此外,显示屏中的稀土发光材料也曾是重要应用,但随着OLED等技术的兴起,其在该领域的占比有所变化。

在工业机器人与自动化,工业机器人、数控机床等高端装备的伺服电机和运动控制系统,对高性能、高精度、高可靠性的永磁电机需求旺盛,钕铁硼磁体是核心材料。制造业的自动化、智能化升级趋势将持续推动该领域对稀土的需求。

在国防军工领域,稀土材料具有不可替代的战略地位。例如,衫钴磁体用于精确制导导弹的控制系统、雷达系统、电子战设备、军用飞机和舰船的电机;钇(Y)、钆(Gd)等用于激光材料、微波器件;镧(La)用于夜视设备等。这些应用对材料性能要求极为苛刻,且供应安全至关重要。

除此之外,在石油化工领域,含镧、等稀土元素的催化剂(如FCC催化剂)在石油炼制过程中能显著提高汽油等轻质油品的产率和质量。

而在玻璃陶瓷领域,稀土氧化物可作为添加剂用于特种玻璃(如光学玻璃、防辐射玻璃)和陶瓷的生产,也可作为着色剂赋予玻璃和陶瓷特定的颜色。

17种稀土元素种类以及主要用途

中美的稀土贸易战为何开展,对此又得出了怎样的结论,且听下回分解!

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