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特种氧化铝行业研究

来源:国泰君安 2015-11-27 09:50:00打印

作者:尚发光

新材料又称为先进材料,是指那些新出现或者已经在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料,其已成为发展信息、航天、能源、生物等高技术的重要基础材料。新材料按其组成成分分类,可以分为无机材料和有机高分子材料两大类,其中无机材料分为金属材料、非金属材料两类;,有机高分子材料分为天然高分子材料和合成高分子材料两部分。根据氧化铝的具体性质和用途,可以把其划分入无机材料中的非金属材料一类。

氧化铝是生产原铝的中间原料,根据氧化铝的不同用途可以把其分为两大类:一类是用作电解法生产金属铝原料的冶金级氧化铝,占氧化铝总产量的80%左右;剩余的20%左右为非冶金级氧化铝,也称之为特种氧化铝、多品种氧化铝或化学品氧化铝,包括非冶金用的氢氧化铝和氧化铝。作为陶瓷、磨料、填料、耐火材料等生产的重要原料,特种氧化铝被广泛应用于石化、日化、医药、电子等非冶金行业。

1888年,奥地利化学家BAYER发明了从铝土矿中提取氧化铝的工艺。随后,英国、法国、意大利、美国和德国建成了多家氧化铝厂,开始大规模生产氧化铝。从氧化铝发展历程上看,早期的氧化铝生产国都是较早进行工业化的国家。在发达国家陆续完成工业化后,世界氧化铝生产区域发生了转移,从经济发达国家转向有资源优势的国家和发展中国家。

我国氧化铝行业从无到有再到快速发展,至今已有70年左右的历史。我国第1家氧化铝厂——山东铝厂于1954年投产,后续建成的有郑州铝厂、贵州铝厂、山西铝厂、中州铝厂等,但这些企业的产品主要是冶金级氧化铝。随着我国石油、化工、陶瓷、国防、制药等工业的发展,为了满足这些部门对氧化铝某些方面的特殊需求,上世纪90年代初山东铝厂开始研制及生产了低钠Al2O3,满足了电子管厂的急需。中铝中州分公司从1994年起与日本住友株式会社合作开发特种氧化铝。到目前为止,我国能够生产的特种氧化铝中包括填料级助燃级氢氧化铝、低钠氧化铝、活性氧化铝、高纯氢氧化铝、铝胶、喷涂氧化铝和制药氧化铝等。

一、特种氧化铝应用市场分析

氧化铝产业链的各个生产环节可以独立运营,也可以通过产业一体化后组成联合企业。氧化铝产业链的外沿在工艺改进和技术突破中不断扩展,由最初的简单铸造压延挤压向精密度领域延伸,使得铝产品的应用领域也不断拓展。

氧化铝及其水合物性质各异,既可以像蓝宝石一样坚硬,也可以像滑石粉一样柔软。这样的特点赋予了特种氧化铝诸多的优良性能,因此特种氧化铝被广泛地应用于TFT-LCD液晶玻璃行业、电工填料行业、导热硅胶行业、导热塑料行业、结构陶瓷、电子陶瓷行业、抛光行业、锂电池陶瓷隔膜行业、耐火材料行业等。同时,氧化铝粉可以做各种玻璃涂层材料、宝石、精密仪器材料等等,因此特种氧化铝产品的应用领域十分广泛。随着我国陶瓷、医药、电子、机械等行业的快速发展,市场对特种氧化铝需求量仍有增长的空间,尤其是对高端氧化铝产品的需求将会不断增长。

二、特种氧化铝行业的重要意义

新材料产业作为当今世界范围内许多国家重点扶持的高新技术产业和战略性新兴产业之一,其对于推动技术创新的先导、促进传统产业转型升级、保障国家重大工程建设具有重要战略意义。新材料技术也是目前研发领域内最具推动力的共性基础技术,对其他产业的发展起着引导、支撑和相互依存的关键性作用。

特种氧化铝作为新型功能材料的一种,它是重要的基础原材料,应用领域广,产业关联度高,在国家经济建设、国防建设、社会发展以及稳定就业等方面发挥着重要作用,因此其发展受到国家政策的大力扶持。近年来,随着我国氧化铝行业迅猛发展,中国已成为全球氧化铝最大生产和消费国。

目前,世界各国普遍面临着冶金氧化铝产能过剩的问题,但特种氧化铝的开发却愈来愈受到高度重视,其需求量和生产量也呈现出不断增长的态势。这主要是由于特种氧化铝凭借优异的性能被广泛的应用于不同的行业,另外高技术含量和高附加值使得其利润空间远远超过冶金氧化铝。欧美及日本等发达国家在特种氧化铝的研究和生产方面做了大量的工作,它们的技术也处于国际领先的地位。

三、特种氧化铝行业呈现出的发展趋势

1.      生物陶瓷行业

最近几年在生物医学方面,高纯超细氧化铝粉末的应用有了新突破。高纯氧化铝陶瓷化学性能稳定,生物相容性好,呈生物惰性;由于其硬度高,耐磨性能好,因此磨损率比其它材料至少小1-2个数量级。由于氧化铝陶瓷植入人体后表面生成极薄的纤维膜,界面无化学反应,多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接。通过火焰熔融法制造的单晶氧化铝,强度很高,耐磨性好,可精细加工,制成人工牙根、骨折固定器等。

根据相关数据统计,骨科和心血管两类应用产品在全球生物材料市场的需求量最大,分别占37.5%和36.1%。2013年我国骨科医疗器械市场规模约人民币118.04亿元,从2009年至2013年的年复合增长率约15.0%。预计从2015年至2018年,骨科医疗器械市场将以14%的复合年增长率增长,达到212.03亿元。 

目前,国内正在重点研究把高纯超细氧化铝用于人造气管等软组织材料,以及模拟生物肌体功能、人工智能方面的生物陶瓷材料。随着医疗器械和设备行业产值的增加以及市场需求量的增加,氧化铝生物陶瓷的在医疗领域的应用前景十分广阔。

2.      蓝宝石晶体行业

高纯氧化铝按其纯度可以分为3N、4N、5N。其中,5N纯度的氧化铝主要应用于蓝宝石晶体等领域。目前,蓝宝石有两大主要用途:一类是LED半导体衬底材料,其中LED照明用蓝宝石衬底占蓝宝石衬底应用比例达90%以上;另一类是窗口材料,如手机屏幕、手表表盘、航空、航天、精密制造、特殊制造等。

随着消费电子应用的不断扩大,非LED用衬底的需求快速增长。LED与非LED市场需求持续提升,为蓝宝石应用市场带来广阔的发展空间。以年产每万片2寸蓝宝石衬底需要用500kg高纯氧化铝材料计算,需要11700吨高纯氧化铝,如果再算上良率和切削损耗(以效率7成大致计算),需求为16714吨,以每吨12万元计算,对应市场空间为20亿元。

Apple手机的摄像头与Home键的保护玻璃均已使用蓝宝石材料,其他手机品牌厂商,诸如Vivo、华为等在自己的移动终端产品中也选择使用蓝宝石材料。随着可穿戴设备的快速发展,包括Apple Watch、Huawei Watch等设备均选择更耐磨的蓝宝石作为屏幕材料。可以预见,以上这些利好因素为蓝宝石应用提供了广阔的市场。作为制造蓝宝石的主要原材料,高纯氧化铝的需求必将随着蓝宝石用量的增加而快速增长。

3.      玻璃基板行业

特种氧化铝是液晶玻璃基板的主要材料,而玻璃基板是构成液晶面板的重要原材料,其在TFT-LCD原材料成本中约占20%的比重,且对液晶面板性能和质量的影响十分巨大。面板成品的透光度、厚度、重量、可视角等指标皆与所采用的基板玻璃密切相关。2012年全球TFT-LCD面板收入占到整个显示器件行业的89.76 %,TFT-LCD已成为现阶段的主流显示产品

自2009年之后,在液晶产业链盈利结构的“微笑曲线”中,玻璃基板处在毛利率最高的位置,是整个TFT-LCD产业链中最赚钱的环节,如康宁公司玻璃基板业务2011年和2012年的毛利率分别高达63.1%和51.8%。

4.      锂电池陶膜行业

陶瓷隔膜的涂层主要使用高纯超细氧化铝粉体,隔膜对氧化铝粉体纯度、粒径大小、均匀性、颗粒形貌、表面改性等都有特定的要求,技术门槛较高。

新能源汽车快速增长成为锂电池需求爆发主要推动力,继而刺激锂电池隔膜需求的爆发式增长。根据2015年新能源汽车达30万辆测算,2015年我国动力锂电池需求量为12Gwh,2020年需求量将达到55Gwh,复合增长率达34.5%。按照1Kwh锂电池需要18.75隔膜测算,2015年动力锂电池领域需要隔膜为22500万,2020年为103125万,复合增长率达到30%。再以每平米隔膜6元的价格计算,2015年锂电池隔膜市场规模将达到13.5亿元,2020年市场规模达到61.9亿元,复合增长率达到35.6%。

5.      无机膜行业

无机膜是以氧化铝、氧化锆、氧化钛等粉体原料特殊工艺制成的具有特殊选择性分离功能的高性能膜,广泛应用在环保污水处理、生化制药、食品饮料加工、稀有金属冶炼等行业,具有巨大的市场增长潜力。与有机膜相比,无机膜应用于工业废水具有先天性优势。无机膜陶瓷支撑体是无机膜的基底材料,其市场容量将随着无机膜的广泛应用而增长。

据中国膜工业协会统计,2014年全球陶瓷膜污水处理年装机容量42万平方米,同比增长280%。中国2010-2012年用于污水处理陶瓷膜装机容量1万平米。随着环保力度的加大和行业需求的爆发,预计未来国内市场规模将达到20万平方米。

四、国内特种氧化铝行业的具体特征

近十年来,我国特种氧化铝行业实现了快速发展,技术指标、运行成本以及产品质量等方面都得到了优化,已经具备了一定的国际竞争力。在价格上,特种氧化铝是冶金氧化铝价格的十几倍左右,并且市场相对稳定。中国特种氧化铝的主要生产厂商有山东铝厂研究院、郑州轻金属研究院、河南长城化学有限公司、郑州铝厂水泥分厂、贵州铝厂和淄博力拓铝业有限公司等。

目前来看,我国特种氧化铝行业面临着机遇,同时也面临着挑战。下游应用市场持续增长的需求,为行业带来了广阔的发展空间,技术的不断革新也为该行业的发展注入了新的动力。但与此同时,冶金氧化铝产能过剩、国内优质铝资源贫乏和能源紧缺的问题也日益凸显。如何高效率、高产出地合理利用资源和能源,降低行业的能耗,提高国际竞争力,实现产业、资源、能源以及环境的协调可持续发展,这都是我国特种氧化铝行业必须面对和解决的问题。

1.  起步晚但发展迅速

自2001年开始,我国氧化铝行业才真正进入发展期,尤其是“十五规划”末期及“十一五规划”期间,氧化铝产业发展迈入快车道,其产量年平均增速达到28%。

据相关数据统计,2010年中国氧化铝产量为2,893.02万吨,同比增长21.59%;2011年中国氧化铝产量为3,417.2万吨,同比增长8.12%;2012年中国氧化铝产量为3,769.89万吨,同比增长10.32%;2013年中国氧化铝产量为4,774.96万吨,同比增长26.66%;2014年中国氧化铝产量为5,239.91万吨,同比增长9.74%;截至2015年9月,1-9月份累计氧化铝产量4,261.04万吨,同比增长11.4 %。

2.      工艺和技术取得突破

国内技术和设备的不断进步为特种氧化铝的应用开辟了新的领域,市场对特殊用途的氧化铝的需求量将不断增加。比如高纯氧化铝是生产耐热、耐磨、耐腐产品的原材料,广泛用来生产高铝耐火材料,高强陶瓷制品,汽车火花塞,高级研磨材料等各种产品,也用于各种耐火材料、耐火浇注料结合剂、耐磨磨具、高纯耐火纤维、特种陶瓷、电子陶瓷、结构陶瓷、不锈钢、花岗岩等装饰材料镜面抛光。尤其是随着锂电池行业的飞速发展,用于制作锂电池隔膜的高纯氧化铝的需求量被市场预期会以较快的速度增长,而且锂电池隔膜所需氧化铝粉价格远高于蓝宝石市场价格,未来该应用领域会成为高纯氧化铝行业新的经济增长点。

3.      特种氧化铝市场潜力巨大

特种氧化铝粉体作为基础的无机非金属粉体材料,是下游行业普遍使用的原材料。其应用领域涉及到国民经济的各个工业制造领域,因此应用范畴和前景十分广泛。

特种氧化铝的性质差别很大,有的表观密度可超过3200kg/m³,有的却低于3.2kg/m³。但是不论何种形态的特种氧化铝,如果在很高温度下长时间被加热,最终都被转化为α-氧化铝。目前特种氧化铝被广泛应用于化学、医药、催化剂、橡胶、塑料、造纸、填充剂、颜料等各个领域。由于特种氧化铝的技术含量、产品附加值较高,其对国民经济发展的重要性受到不同国家的普遍重视,随着科学技术的发展和新材料的应用,特种氧化铝的市场也越来越广阔。

4.      国家政策的大力支持

特种氧化铝属于新型功能材料的一种,近十年来国家相继出台了一系列政策鼓励和支持新材料行业的发展。在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》、《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》、《新材料产业“十二五”发展规划》等一系列文件中,都强调要着力推动我国新材料产业的发展。尤其是在过去的2015年,我国政府出台了多项政策以加快我国新材料产业的发展。例如中国共产党第十八届中央委员会第五次全体会议通过了《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》,明确要加快突破新材料等领域核心技术,促进新材料等产业发展壮大。国务院颁发的《中国制造2025》特别提出要加快研发新材料制备关键技术和装备,促进新材料产业军民融合发展。在工信部颁发的《2015年原材料工业转型发展工作要点》中,明确要加快培育发展新材料产业,扩大高端材料应用,推动战略新材料领域健康发展。

5.      缺乏统一的生产和分类标准

到目前为止,已开发的特种氧化铝有数百个品种,已经形成一个庞大的特种氧化铝体系。虽然品种繁多,但目前行业内部尚无统一的分类标准。

在粒度、纯度、形状和比表面积等方面,由于特种氧化铝与冶金用氧化铝有很大的区别,因此下游厂家的不同要求使得特种氧化铝的制备方法多样化,从而导致产品质量参差不齐。总的来说,目前国内厂商生产特种氧化铝的方法主要有两类。一类是传统的物理方法,即用机械粉碎法制备,生产设备主要包括球磨机、振动磨、搅拌磨、分级机等。该类方法的弊端是能耗大,只能使粒径细化到一定程度,虽然改变了产品的物理性质,但其化学性质并没有改变。另一类方法是化学法,该类方法的优点是能够满足纯度、粒度及形貌等方面的要求,但弊端是操作过程复杂,在国内现有的设备和技术下难以实现大规模生产。因此特种氧化铝行业需要尽快制定行业生产和分类标准,从而实现优胜劣汰,促进行业的健康发展。

6.      进口依赖程度高,出口竞争力不足

目前全世界已开发出各种用途的氧化铝产品400多种,虽然我国氧化铝行业发展速度远远超过世界水平,但到目前仅有200多个品种。另外,国内氧化铝行业同一个品种下的产品规格牌号少,产品系列化细分不够,不能很好地满足用户和相关技术发展的需要,部分高精尖产品主要依赖进口。相较于每年的氧化铝进口数量,我国每年的氧化铝出口数量仅占很小的一部分。最近三年来,我国对海外氧化铝依赖度呈现出上升的趋势,于此同时随着国产氧化铝产量的增长,我国氧化铝出口量却未出现颠覆性变化。

7.      科研能力不强

代表和提升特种氧化铝工业装备水平的关键性设备,如高压隔膜、焙烧炉等仍需要从国外引进,这样势必造成建设周期长、投资造价高,知识产权和技术成果也很难实现国产化。一些高附加值的高端氧化铝产品仍主要依赖于进口,部分产品的核心技术受制于国外大型企业,这些因素成为了我国特种氧化铝行业的发展掣肘。

虽然后来通过技术引进等方式,通过对原有设备的基础上进行消化、吸收、改进、提高,国内氧化铝行业取得了一些具有自主知识产权的成果,但目前国内企业的自主开发能力相对薄弱,尤其是在产、学、研结合方面出现了脱节的现象,使得真正属于自主研发、完全拥有自主知识产权,以及具有代表性、前沿性的技术及装备还是相对较少。

8.      产业竞争力水平急需提高

我国特种氧化铝企业在技术工艺水平和中高端产品质量方面,与国际领先的制造厂商还存在一定的差距。特种氧化铝行业属于技术密集型,国内的高端氧化铝市场主要被住友化学、法国Baikowski、日本大明化学等企业垄断。虽然国内个别厂商在部分产品上取得了突破,形成了一定竞争力,但由于国内产品线普遍存在不完善的问题,导致国内企业在与国外企业竞争的时候仍然处于相对劣势地位。

其次,在生产工艺上受到国内上下游产业链及行业技术的制约。我国大部分特种氧化铝企业的生产设备较为落后,生产效率与稳定性上不如世界先进水平。这造成我国企业的生产成本较高,最终导致国内企业在长期竞争中处于不利地位。因此,国内特种氧化铝企业必须继续寻求技术和工艺上的突破。这需要科研院所的专家学者、企业技术工作者的协同努力,要加强在资源、能源、技术、环境等方面与先进国家的合作,最终实现我国特种氧化铝行业竞争力水平提升的目标。


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