高純石英與戰略性新興產業中新一代信息技術、新材料產業等九大領域中的八大領域具有密切的關聯性,是戰略性新興產業中重要的支撐材料。但由于生產原料的特殊性和技術保密等原因,高純石英及其原料的生產和出口高度集中在世界少數國家和企業中,其中高端的加工提純技術和產品主要被美國等發達國家所掌握,我國的高端高純石英主要依靠進口。
1、高純石英有多重要?
?。?)高純石英應用領域及其在國民經濟中的地位
半導體、光通訊、光伏、光學、電光源等行業和領域是支撐戰略性新興產業發展的重要領域,是建設重大工程、改善民生、鞏固國防軍工的重要保障,在國民經濟建設中占有重要的地位,高純石英被廣泛應用在這些行業和領域中,是這些領域所需求的稀缺類共性高增值礦物資源。
在半導體晶圓制程工藝、刻蝕領域,太陽能電池片制程擴散、PE工藝,電光源中的超高壓投影燈、毛細管燈及影院燈等特種照明材料,航天航空領域等,均需要用到以高純石英為原料生產的石英玻璃坩堝、錠材、管材、棒材、板材、各種器皿和器件以及石英玻璃纖維和織物等產品。
根據世界半導體貿易統計(WSTS)數據,2019年中國半導體市場規模為1547億美元,占全球半導體36.98%的市場份額。2015~2019年全球半導體市場規模的平均增幅接近6%,按此推測,到2025年中國半導體市場規模將近2200億美元。若按照平均每1億美元的半導體銷售額需要消耗價值50萬美元的高純石英材料計算,2019年中國半導體用高純石英材料的市場規模為7.7億美元,至2025年國內的市場空間近11億美元。
另外,單晶硅是生產大規模集成電路和太陽能電池的主要原材料,而每生產一爐單晶硅就會消耗一只石英坩堝,在太陽能電池和集成電路行業快速增長的帶動下,高純石英單晶硅石英坩堝的原料市場規模也不斷擴大。
除半導體所屬的新一代信息技術產業外,新能源、新型電光源、新材料等戰略性新興產業在未來5年的發展過程中也需要消耗大量的高純石英。未來高純石英及其原料的需求預計將以6%以上的增幅逐年上漲,其在國民經濟中的地位也愈發重要。
?。?)高純石英其他材料替代性
由高純石英生產的石英坩堝是光伏行業及半導體不可或缺的重要支撐材料,目前尚無法用其他材料替代。另外,高純石英產品質量受高純石英原料資源質量控制。我國尚沒有發現規模大、質量穩定的高純石英原料礦床,供給高純石英生產企業的石英原料礦產資源質量參差不齊,導致所生產的高純石英產品質量不穩定,生產出來的石英坩堝軟化點低、使用壽命短。國產高純石英及原料仍無法替代由美國矽比科公司生產的IOTA系列高純石英及原料。
2、高純石英的供應風險在哪里?
?。?)高純石英對外依存度分析
根據聯合國商品貿易數據庫及中國海關總署數據統計,2015~2019年,我國進口高純石英(≥4N)的平均單價為1.47萬美元/t。根據中國半導體用高純石英材料的市場規模的保守測算,到2025年中國半導體產業將需要消耗近8萬t高純石英(≥4N)。
另外,有數據顯示,半導體在整個石英玻璃下游市場占65%左右的份額,據此推算,到2025年國內整個石英玻璃市場將需要消耗近12萬t的高純石英。
國內高純石英的龍頭企業,唯一通過TELL認證且具備生產高純石英技術的江蘇太平洋石英股份有限公司目前高純石英的產能在6萬t/年左右,正在建設的2萬t/年的生產線需要到2021年3月才能投產,其生產的高純石英僅能滿足電光源和光伏行業要求。在高純石英及其原料呈寡頭式發展的形勢下,即使該公司的兩條高純石英生產線全部達產,其2.6萬t/年高純石英的產能距離石英玻璃市場需求的12萬t高純石英仍有較大的缺口。
另外,石英坩堝對高純石英的純凈度、規格精度、質量穩定性要求高,國內高純石英原料所生產的產品并不能滿足其要求,石英坩堝內涂層用的高純石英(4N8)只能從美國等國家進口??傮w來看,高純石英對外依存度極高。
(2)高純石英國外生產集中度分析
目前,全球范圍內可以供應高純石英的主要有美國矽比科公司、挪威TQC公司、德國的ANZAPLAN公司、俄羅斯石英公司以及中國江蘇太平洋石英股份有限公司等為數不多的幾家公司。
其中美國矽比科公司、挪威TQC公司所用的高純石英原料主要產于美國北卡羅來納州Spruce Pine地區,俄羅斯石英公司所用的高純石英原料主要產于烏拉爾山脈的Kyshtym地區175號脈,中國江蘇太平洋石英股份有限公司的高純石英原料主要來源于江蘇東海。美國為高純石英的主要生產國和出口國,世界上4N8及以上的高純石英產品幾乎被美國矽比科公司一家壟斷。
由此來看,我國生產的高純石英及其原料所占比例極低,高純石英及其原料主要集中在美國、挪威、德國及俄羅斯聯邦等國家。
?。?)高純石英貿易通道安全性分析
據中國海關總署2017年1月至2020年6月進口數據分析,當前我國主要從美國、韓國、日本、德國、挪威、俄羅斯聯邦及中國臺灣等地進口高純石英,中美經貿摩擦以來,經濟政治上的競合關系直接影響著雙方各領域的重大制度安排,貿易的安全性也變得越來越不可琢磨。自2018年以來我國從美國進口高純石英(≥4N)的進口數量逐年下降。2020年上半年美國直接出口中國的高純石英(≥4N)僅為5.62t。
除美國外,我國高純石英及其原料在俄羅斯聯邦和挪威等國家的貿易通道安全也存在不確定性。俄羅斯總統普京最近簽署總統令,要求不再公開高純石英原料等戰略礦產的開采量和使用量,其必然會影響到高純石英原料的出口政策,我國想要從俄羅斯聯邦獲取高純石英及其原料資源也將更加困難。挪威TQC公司所生產的高純石英及其原料,其資源大部分來自于美國Spruce Pine地區,以當前美國制裁華為和中芯國際的形勢來看,未來我國想要從挪威進口高純石英及其原料將面臨風險。
綜上所述,隨著國際政治局勢的不斷變化,未來我國高純石英及其原料的貿易通道將面臨巨大的不安全性,獲取境外的高純石英資源將越來越困難。
?。?)國內高純石英資源潛力分析
通過對美國矽比科公司、挪威TQC公司以及俄羅斯石英公司的高純石英原料礦床的地質條件進行對比分析發現,它們的成礦地質背景具有一些共性的特點:它們均產在造山帶中,且大部分高純石英原料礦床所處的地質環境為變質條件。比如,矽比科公司和TQC公司的主要高純石英原料礦床就產在阿樂漢尼(alleghanian)綠片巖中,俄羅斯石英公司的Kyshtym175號脈也產在烏拉爾山脈的變質巖中。
從我國目前已開展的高純石英原料地質調查工作來看,我國也有與此類似的成礦地質環境,秦嶺-大別-蘇魯造山帶是其中最具潛力的造山帶,目前在該造山帶內已發現了一些具有潛力的高純石英原料發育地段。太平洋石英公司所用的石英原料資源就位于大別-蘇魯造山帶中的江蘇東海地區。
據張佩聰等學者的推測,在已勘查的水晶、脈石英等礦產資源中高純石英原料資源一般占10%左右,而我國水晶查明資源量約為6877t,玻璃用脈石英查明資源量約為9204萬t。以此推測,當前我國高純石英資源潛力在920萬t左右。由此看來,我國高純石英原料礦具有較大的資源潛力。
自20世紀90年代至今,我國已有不少科研機構及生產企業在高純石英加工提純和檢測技術等方面投入了大量的研究工作,目前我國在這兩個方面取得了一定的成果。但是,由于科研與生產應用之間脫節,基礎研究與產業化之間缺少中間試驗研究,這些技術成果大多僅停留在實驗室階段。
除了加工提純和檢測技術外,我國對高純石英原料的評價也存在同樣的問題,所找到的石英資源因為缺少中間試驗研究,到目前為止對什么類型的脈石英是高純石英原料尚未取得統一認識,也未形成統一的評價方法,對已知的脈石英礦產資源中能作為高純石英原料的部分尚無法進行系統評價。導致大量優質的脈石英資源多被用于制造附加值較低的產品,至今尚無高純石英原料的礦產地。
綜上所述,雖然我國高純石英原料礦具有較大的資源潛力,但由于缺少相應的原料評價標準,對潛在的高純石英原料資源尚無法開發利用。
3、高純石英原料的戰略意義
從前文分析可知,高純石英及其原料的供應風險較高。一方面,其資源主要集中在國外生產,國內生產的比例較低,隨著中國制造2025的不斷推進,高純石英及其原料的供需矛盾也將愈發突出;另一方面,由于受政治局勢的影響,其貿易通道具有較大的不安全性,未來高純石英及其原料的供應將面臨巨大的風險。
從經濟價值的角度來看,這一類資源對我國戰略性新興產業的發展具有重要的作用。雖然所占的比例不高,但如果這一類資源的供應受到限制,將直接影響到戰略性新興產業的高效有序發展。
早在2011年,國務院辦公廳發布《找礦突破戰略行動綱要(2011~2020年)》就明確將高純石英等作為戰略性新興產業所需的礦產。在2017~2019年版《重點新材料首批次應用示范指導目錄》中也多次提到高純石英及其原料。最近四部委聯合出臺的《關于擴大戰略性新興產業投資培育壯大新增長點增長極的指導意見》(發改高技〔2020〕1409號)中,也明確要求聚焦重點產業領域,加快重點材料、關鍵芯片、高端元器件等核心技術的攻關。高純石英及其原料與這些領域息息相關,目前與高純石英有關的部分核心技術尚未取得突破,有必要將高純石英相關的核心技術上升到國家戰略的角度進行攻關。
來源:李光惠,王超峰,詹建華,等.高純石英原料作為戰略性礦產的分析及建議[J].中國非金屬礦工業導刊,2020(05):20-24.
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