1、铜基材料定义及分类
铜是一种过渡元素,化学符号 Cu,英文 copper,原子序数 29。纯铜是柔软的金属,表面刚切开时为红橙色带金属光泽,单质呈紫红色。延展性好,导热性和导电性高,因此在电缆和电气、电子元件是最常用的材料,也可用作建筑材料,可以组成众多种合金。铜合金机械性能优异,电阻率很低,其中最重要的数青铜和黄铜。此外,铜也是耐用的金属,可以多次回收而无损其机械性能。
铜基材料是以铜或铜合金为基体,加入其他功能性元素或物质形成的合金或复合材料。根据米绪军等人的《我国先进铜基材料发展战略研究》一文,铜基材料(紫铜、铜合金、铜基复合材料)以其优异的导电导热性能,良好的机械性能、耐蚀性能以及高延展成形性能成为关系现代工业发展和国计民生的重要大宗基础原材料。
先进铜基材料指区别于一般纯铜材料,普通黄铜、白铜和青铜等传统金属合金,具有更高强度、导电性、导热性、弹性、耐蚀性、易切削性或综合性能优异的铜基材料,主要包括高强高导铜合金、耐蚀铜合金、耐磨铜合金、超高强弹性铜合金、高性能电子铜箔、铜基热管理材料、特殊用途铜材和新能源用铜材等。
先进铜基材料作为一种量大面广的关键基础材料被广泛应用于电子信息、航空、航天、能源电力、交通运输、医药化工、海洋工程等领域,对国际科技竞争和经济格局具有重大影响。
2、铜基材料产业链
铜基材料产业链主要分为上游开采、中游冶炼和下游加工。上游开采环节的主要产成品为铜精矿,中游冶炼环节的主要产成品为精炼铜,下游加工环节的主要产成品为铜材。
(1)上游开采环节
我国铜矿储量约占世界铜矿储量的 4%,占比排名第 8。根据 USGS 的数据,2023 年世界铜矿储量排名前五的国家分别为智利、秘鲁、澳大利亚、刚果(金)和俄罗斯,占比分别为 19%、12%、10%、8%和 8%,合计占比为 57%。
我国铜矿主要分布于西藏、江西和云南,三省铜矿保有储量占全国比重为 69%。根据我国自然资源部统计,2022 年我国西藏、江西和云南省铜矿储量分别为 1685.59 万吨、668.22 万吨和 459.82 万吨,占全国比重分别为 41%、17%和 11%。2022 年,河南省铜矿保有储量为18.33 万吨,占全国比重为 0.45%。
世界铜矿产量主要来自于智利、秘鲁、刚果(金)、中国和美国。根据 USGS 数据,2023年世界铜矿产量为 2200 万吨,产量排名前五的国家分别为智利、秘鲁、刚果(金)、中国和美国,占比分别为 23%、12%、11%、8%和 5%,合计占比为 59%。
2024 年世界铜精矿供需可能相对偏紧。铜精矿是含铜矿石经浮选方法得到的铜含量(质量分数)不小于 13%的供冶炼铜用的原料。根据安泰科统计,2023-2025 年是铜精矿投产爬产最为集中的年份,虽然部分铜矿资源大国生产可能受诸多因素影响,干扰率较高,但 2024-2025年全球铜精矿生产仍会有相对不错的增量。
需求方面,除了我国进入了新一轮铜冶炼产能投产高峰以外,国外也进入了少有的投产高峰,且总规模接近国内。在国内和国外铜冶炼产能投产期叠加的影响下,2023-2025 年期间全球的铜精矿需求量将出现大幅增长。
(2)中游冶炼环节
中游冶炼环节的主要产成品为精炼铜。中游冶炼环节中,将粗铜(含铜 99%)预先制成厚板作为阳极,纯铜制成薄片作阴极,以硫酸和硫酸铜的混合液作为电解液。通电后,铜从阳极溶解成铜离子(Cu)向阴极移动,到达阴极后获得电子而在阴极析出纯铜(亦称电解铜)。粗铜中杂质如比铜活泼的铁和锌等会随铜一起溶解为离子(Zn 和 Fe)。
由于这些离子与铜离子相比不易析出,所以电解时只要适当调节电位差即可避免这些离子在阴极上析出。比铜不活泼的杂质如金和银等沉积在电解槽的底部。这样生产出来的铜板,称为“电解铜”(也称为精炼铜),质量极高,可以用来制作电气产品。铜的冶炼方法可分为两类:火法冶金和湿法冶金。世界上精铜产量的绝大部分是用火法冶金从硫化铜精矿和再生铜中回收的,湿法冶金生产的精铜只占一小部分。
火法炼铜的方法很多,主要有:鼓风炉熔炼、反射炉熔炼、闪速熔炼、电炉熔炼等。从以上炼铜的工艺流程图看出:硫化铜精矿(含铜量为 13%-30%)可以采用几种不同的冶金方法进行熔炼,得到冰铜,再经过转炉吹炼得到含铜大于 97.5%的粗铜,因粗铜的质量仍满足不了工业用铜的要求,必须精炼后得到的精铜要求含铜 99.95%以上。
在硫化铜精矿冶炼的过程中同时还可以回收硫、金、银、锑、铋、镍、硒等有价元素。根据杨世莹《电解铜粉制备工艺实验研究及其应用前景》,湿法冶金在许多情况下与火法相配合的。其过程的主要化学反应是在水溶液中进行的。铜(锌)矿物预先通过氧化或硫酸焙烧,转变可溶状态,然后再进行浸出、净化电积、以提取电解铜。
通常有 RLE 法、常压氨浸出法(阿比特法)、高压氨浸出法、细菌浸出法等。从焙烧→浸出→净化→电积,简称 RLE 法。其生产流程,湿法冶金主要适用从低品位氧化矿、废矿堆及浮选尾矿中提取金属铜。
近年来全球精炼铜产能稳步增长。根据 ICSG 统计,2018-2023 年世界精炼铜产能分别为2825.90/2913.00/2989.30/3013.80/3142.60/3226.30 万吨,2019-2023 年同比增长分别为3.08%/2.62%/0.82%/4.27%/2.66%。
近年来我国精炼铜产能稳步增长。根据百川盈孚数据,2018-2023 年我国精炼铜产能分别为 1067.00/1121.00/1163.50/1169.50/1210.18/1285.00 万吨,2019-2023 年同比增长分别为5.06%/3.79%/0.52%/3.48%/6.18%。
近年来全球精炼铜金属产量保持正增长。根据安泰科统计,2019-2023 年全球精炼铜金属产量分别为 2371/2389/2456/2488/2573 万吨,2020-2023 年分别同比增长0.76%/2.80%/1.30%/3.42%;2019-2023 年精炼铜金属消费量分别为2389/2376/2462/2499/2548 万吨,2020-2023 年分别同比增长-0.54%/3.62%/1.50%/1.96%。
近年来我国精炼铜金属产量与消费量均保持正增长。根据安泰科统计,2019-2023 年,我国精炼铜金属产量分别为 896.2/901.9/985.4/1027.9/1142.3 万吨,2020-2023 年分别同比增长0.64%/9.26%/4.31%/11.13%;2019-2023 精炼铜金属年消费量分别为1219.0/1263/1330/1381/1454万吨,2020-2023年分别同比增长3.61%/5.30%/3.83%/5.29%。
(3)下游加工环节
下游加工环节中,铜材通过电解铜的轧制、挤制及拉制等手段加工而成,铜材一般分为铜板、铜棒、铜管、铜带、铜线、铜排、铜箔等。铜下游需求主要集中于电力及其相关设备行业。
根据 Mysteel 数据,铜下游大类行业需求占比为建筑行业 22%,电力行业 20%,电子通讯行业 15%,交通行业 13%,家电行业 11%,工业设备 10%,其他行业 9%。从铜下游大类行业的子行业需求来看,主要用途为电力设备、电力线缆及设备、通用电器、家用空调、电气汽车、变压器及电机等。
我国铜加工产业已呈现出集群化发展的态势。根据米绪军等人的《我国先进铜基材料发展战略研究》一文,从产业集群区域来看,主要包括长三角地区(宁波金田铜业(集团)股份有限公司、浙江海亮股份有限公司、宁波兴业盛泰集团有限公司、宁波博威合金材料股份有限公司、宁波长振铜业有限公司),华东地区(安徽楚江科技新材料股份有限公司、安徽鑫科新材料股份有限公司、铜陵有色金属集团股份有限公司、山东天圆铜业有限公司、中色奥博特铜铝业有限公司),中原地区(中铝洛阳铜业有限公司、山西春雷铜材有限责任公司、金龙精密铜管集团股份有限公司、灵宝金源朝辉铜业有限公司)以及华中地区(中铜华中铜业有限公司、江西铜业集团有限公司、江西金品铜业科技有限公司、大冶有色金属集团控股有限公司)等。
我国主要的铜材集散地包括江西鹰潭,浙江宁波、绍兴,安徽铜陵、芜湖,广东佛山、清远,江西抚州、上饶,山东东营、聊城,河南洛阳、新乡,湖北黄石,重庆等,产业集群化发展呈现良好势头。
2023年我国铜加工材产量约占全球的60%。根据中国有色金属工业协会的数据,2023年,中国铜加工材综合产量为 2085 万吨,比上年增长 3.0%。2023 年我国铜材实现净出口 32.04万吨,创历史新高,连续 5 年实现净出口。
3、国家层面铜基材料产业政策
近年来,国家陆续出台了《有色金属工业发展规划(2016—2020 年)》《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019 年)》《产业结构调整指导目录(2019 年)》《关于扩大战略性新兴产业投资 培育壮大新增长点增长极的指导意见》《“十四五”原材料工业发展规划》(2021 年)等政策文件,推动先进铜基材料产业发展、产业结构调整、新材料开发及应用等。
根据米绪军等人的《我国先进铜基材料发展战略研究》一文,未来,我国先进铜基材料的发展思路为:面向国家战略需求和经济主战场引领,强长板、补短板,同时布局前沿方向,使先进铜基材料产品向高性能化、功能集成化、系列化、高精度、高质量、高稳定性方向发展,使用性能向高强度、高导电、多功能方向发展,品种规格向微细化、薄型化、结构精密化、经济节能环保化方向发展,工艺向短流程、高效率、精细化、低成本、智能化、节材节能环保方向发展;
加强自主创新和研发能力,提升产业链合作水平,重视基础研究,产品质量逐步达到国际先进水平,满足国内国际双循环要求,使先进铜基材料成为我国战略性新兴产业的重要支撑材料,带动我国铜加工业成为国民经济的重要支柱产业。
《2030 年前碳达峰行动方案》指出,确实现碳达峰、碳中和目标,要坚持“全国统筹、节约优先、双轮驱动、内外畅通、防范风险”的工作原则;提出了构建绿色低碳循环发展经济体系、提升能源利用效率、提高非化石能源消费比重、降低二氧化碳排放水平、提升生态系统碳汇能力等五方面主要目标,提出 11个方面 37 项重点任务。其中大部分内容均涉及电力、有色、新能源等行业。