天然石墨是傳統工業和戰略性新興產業所必須的礦物原料，成為支撐高新技術發展的重要戰略資源。本文從天然石墨消費的主要部門，核算各產業石墨的需求量及未來發展方向。對耐火材料、鋼鐵鑄造、密封材料、制動材料、潤滑劑、吸附劑、電池電極等產業的未來需求預測。
1 引言
石墨由于特殊的性質，是傳統工業和戰略性新興產業所必須的礦物原料，廣泛應用于科技工程領域。歐美等國家將天然石墨列為戰略資源，嚴格限制其開采及技術出口。而我國石墨產業面臨著開采秩序混亂，資源浪費嚴重；采選工藝落后，產能過剩，污染嚴重；原礦出口貿易失衡等問題。石墨產業發展得到了眾多專家的高度重視，聯名上書呼吁把石墨產業發展納入國家戰略地位。
未來天然石墨將越來越被廣泛地應用到高新技術領域，成為支撐高新技術發展的重要戰略資源。因此，石墨資源能否持續充足穩定供應關乎國家可持續發展。石墨是我國的優勢礦產資源，產量、出口量在世界市場上占主導地位。出口是以天然石墨精礦及初級產品為主，而進口則以高、精、尖工藝需要的石墨產品為主。在石墨的應用方面，早期有學者預測了石墨在耐火材料、坩堝、鑄造、煉鋼等傳統行業的需求發展態勢，同時也指明了未來發展膨脹石墨、制動襯片、碳纖維等產品。此后，王文利分析了石墨的深加工主要產品：柔性石墨、石墨乳、鋰電子負極材料、浸硅石墨等的技術及應用。隨著近些年來對石墨結構性能的深入研究，石墨將跨越傳統行業的應用，成為新興環保材料、新興熱交換材料、儲能、導電材料、石墨烯及新型超級電容器材料等。
早期學者在研究石墨的需求方面所取得的成果較少。隋金詳預計國內石墨的需求量年增長率為3%~4%，到2010年石墨年需求量50.3萬t。而王廣駒預測2010 年中國石墨的總需求量為200萬t。近年來中國建材地勘中心預測，到2015年中國晶質石墨產量將達到95萬t1）。也有學者基于新能源新材料領域石墨的新需求，預測全球石墨年需求量將達160萬t以上。學者對石墨需求的預測具有顯著的差異，多數未能詳細闡述預測的過程，且預測結果如冶金鑄造、鉛筆等領域的需求與實際需求量差距巨大。石墨的歷史消費量保持相對穩定，但未來高技術產業和新能源領域將是石墨消費的主要增長領域。未來石墨戰略意義也將凸顯?；谝陨涎芯?，本文將從石墨消費的主要部門，核算產業未來發展對石墨的需求量，以期展望中國未來石墨的需求態勢，并根據未來石墨在傳統和新領域的發展形勢，刻畫未來中國石墨產業鏈的發展方向，為中國石墨產業可持續發展提供決策支持。
2 中國石墨供需現狀
2.1 石墨應用領域
天然石墨是碳質元素結晶礦物，有晶質和隱晶質兩種形態。其中，晶質石墨的可浮性、潤滑性、可塑性均優于其他類型石墨。在19世紀以前，由于其耐高低溫和導電性，石墨主要用于耐火材料、顏料等的原料。隨著對石墨抗腐蝕、抗輻射、自潤滑等性質認識的深入，其應用領域也愈加廣泛（圖1）。出現了高純石墨、核工業用石墨、石墨纖維、浸硅石墨等。特別是近些年來石墨烯的發現，引起了電子通訊、鋰離子電池、航天軍工、生物醫藥、環保、太陽能、光電等新興領域的廣泛關注。這些新材料的發展，構成天然石墨產業現代化的重要內容。
2.2 中國晶質石墨生產、出口及消費情況
中國是世界上石墨的生產、消費和出口大國。截止2013年底，中國石墨儲量5 500萬t，是僅次于巴西的第二大國，占世界儲量的42.31%。2012年底，中國晶質石墨礦物儲量2 000萬t，查明資源儲量約2億t；隱晶質石墨礦石儲量約500萬t，資源儲量約3 500萬t。中國是世界最大的石墨生產國，石墨產量由2000年的165萬t，上升到2006年的192萬t,而后逐漸降低。但不同種類的石墨生產呈現不同的態勢：晶質石墨產量逐年遞增，而隱晶質石墨產量呈減少態勢。2012年中國石墨產量為87萬t（圖2），其中：晶質石墨47萬t，微晶石墨40萬t。
中國是石墨資源大國，但是長期以來卻以生產原礦和低端產品為主。中國是世界石墨的主要出口國，占2000年以來世界出口規模63%以上。近年來受國際政治及經濟環境影響，以及我國石墨產業的整合，石墨出口放緩，2012年中國石墨出口約26萬t（圖2）。
在深加工方面，向石墨高端應用產品發展。雖然我國在石墨資源整合和深加工方面已經實施了一些措施，但與發達國家的差距還很明顯。十多年來中國天然石墨消費量呈增長的態勢，由2002年的43萬t增長到2012年的67萬t（圖2），年均增長4%。消費結構由傳統耐火材料、鑄造、鉛筆等領域轉向新能源新材料領域。中國與世界天然石墨消費結構基本相同，主要為耐火材料、冶金鑄造、導電、潤滑等領域（圖3）。但在功能材料生產與應用方面與先進國家有一定的差距。
3 未來石墨資源部門需求形勢
本研究從部門未來發展趨勢、石墨在各行業產品的單位需求量來預測2020 年中國的石墨需求量。依據中國石墨消費格局，將石墨消費的主要領域分為：耐火材料、鋼鐵、密封、制動、電池等領域分別進行部門預測。并依據現階段石墨烯發展現狀，判斷了石墨烯發展對未來石墨需求的影響。
3.1 天然石墨在傳統領域的需求
天然石墨的一個主要用途是生產耐火材料，使得石墨需求與耐火材料和鋼鐵業緊密相連。雖然近年來石墨行業在其他新應用領域已經有長足的發展，鋼鐵、耐火材料行業石墨占總消費量的比重由20世紀80年代末期的67%~68%，減少為2012年的42%，但它仍然是石墨消費量最大的工業部門。而在鉛筆行業石墨的需求仍將保持現在的狀態。
3.1.1 耐火材料（鎂碳磚）石墨的需求
耐火材料石墨的需求量與鎂碳磚產量及其石墨加入量相關。石墨是生產鎂碳磚所用的一種主要碳原料，其種類和純度對鎂碳磚的性能影響十分敏感。一般選擇固定碳含量93%~95% ，粒度0~100目晶質石墨。石墨的需求量隨鋼爐種類、使用部位和操作條件不同而異（表1）。歐洲多采用碳含量10%左右的鎂碳磚，而我國、日本一般都使用含碳量為12%~20%的鎂碳磚。近年來，低碳鎂碳磚成為人們研究和應用的熱點。
李培等建議冶煉低碳鋼應選擇碳含量在6%~8%的鎂碳磚。低鎂碳磚正在我國主要大型鋼鐵企業推廣應用，并將并逐步替代高碳鎂碳磚。依此估算到2020年中國鎂碳磚的石墨加入量將減少為7%。依據近5年來鎂碳磚產量的年均增長率2.5%，預計2020年中國鎂碳磚的產量將達到214萬t。耐火材料產業對石墨的需求量降低到15萬t，略低于現階段的需求量。
耐火材料的主要碳源為晶質石墨，但一些鎂碳磚廠還附帶加入一些電極粉、土狀石墨等。電極粉粉碎后，少量加入時可以得到致密度較高的耐火材料制品。土狀石墨晶粒小，晶形不明顯，雜質高，只能用來制造低檔鎂碳磚。
3.1.2 鋼鐵鑄造增碳劑、電極的需求
（1）鑄件對增碳劑的需求
鑄鐵是工程領域中的基礎合金之一。我國是鑄鐵生產大國，但不是鑄鐵生產強國。2010年我國鑄件總產量達到3 690萬t，鑄鐵件材料約占世界的40%，人均鑄鐵產量約為30kg，顯著的小于德國（53kg）、美國（45kg），這也說明我國的鑄造生產尚有很大發展空間，特別是新風電、軌道交通對球墨鑄鐵鑄件、以及汽車行業對蠕墨、灰鑄鐵需求。有學者分析到2020年中國將從鑄鐵大國真正變成鑄鐵強國。
對1989-2010年中國鑄鐵件產量進行擬合回顧，預測到2020年中國鑄件產量將達到7 000萬t（Y=728.5e0.07x，R2=0.912），屆時人均產量將達到53kg。對于不同的鑄鐵，其增碳劑的加入量也各不相同（表2）。噸鑄件增碳劑加入量為2%，則鑄件增碳劑需求量將為140萬t。
（2）煉鋼對電極、增碳劑的需求。
鋼鐵的規模、結構及電爐電極單耗、增碳劑使用量等均決定了對石墨的需求。中國是世界鋼鐵生產第一大國，2013年粗鋼產量達到8.22億t，電爐鋼產量為7 200萬t，電爐鋼所占比例為8.76%。依據《鋼鐵工業“十二五”發展規劃》1）預測我國粗鋼需求量最高峰（7.7~8.2億t）可能出現在2015-2020年期間，此后峰值弧頂區仍將持續一個時期。
基于以上研究成果，并同時考慮到出口等因素，本文設定峰值年2016年和2020 年中國的粗鋼產量分別為8.4 億t 和8.2 億t。一些學者預測2020 年中國電爐鋼比例可望達到25%，但2010年后中國電爐鋼發展緩慢，基于現階段中國電爐鋼占比重和人均鋼鐵消費量將達到峰值后廢鋼產量的增加，本文預計到2020年中國電爐鋼所占比重將達到15%，噸電爐鋼的電極消耗量由5.82kg/t降低為4.98kg/t，噸鋼的增碳劑添加量為0.1%~0.4%時（增碳劑需求量取均值計算），預計到2020年煉鋼電極和增碳劑的需求量分別為61萬t和205萬t。
（3）鋼鐵鑄造對石墨的需求預測。
天然石墨制成的電極難以用于使用條件較苛刻的電爐煉鋼，電爐用石墨電極主要是人造石墨。石墨和其他雜質材料用于煉鋼工業時可作為增碳劑，而用作增碳劑的替代材料很多。20世紀90年代初期，我國開始試用微晶石墨作增碳劑。此后，國內開發出了生產優質石墨化石油焦增碳劑的技術。雖然石墨化石油焦的產量已完全滿足了國內冶煉用優質石墨化石油焦的需要，但微晶石墨由于成本優勢仍是增碳劑的來源之一。以2010年天然石墨占增碳劑消費總量的比重，預測了2020年天然石墨作為鋼鐵增碳劑的需求量為55.2萬t。
