鎵礦資源的分布、發(fā)展概況及中國發(fā)展鎵產(chǎn)業(yè)的思考

張麗曼，張會，梁倩，王小強(qiáng)，余文麗，顏蕙園

(1.河南省有色金屬地質(zhì)勘查總院， 河南 鄭州 450000； 2.河南省地質(zhì)研究院， 河南 鄭州 450000； 3.河南省有色金屬深部找礦工程技術(shù)研究中心， 河南 鄭州 450000； 4.河南省豫地科技集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450000)

0 引言

鎵(Gallium)是一種重要的稀散金屬。氮化鎵、砷化鎵能形成優(yōu)良半導(dǎo)體性能材料被廣泛用于通訊、集成電路、航空航天等尖端科技領(lǐng)域，被稱為“半導(dǎo)體工業(yè)的新糧食”(陳其慎等，2016)。美國、日本和歐盟等國已將鎵列入“戰(zhàn)略資源”或“關(guān)鍵原材料”，我國于2011年也已將鎵列為“戰(zhàn)略儲備金屬”。蓬勃發(fā)展的電子信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步凸顯出鎵的戰(zhàn)略地位，鎵也成為戰(zhàn)略性新興礦產(chǎn)資源。資本和技術(shù)密集型的鎵產(chǎn)業(yè)鏈可分為3個部分，開采及提取煉制難度較大、資源耗費較高的屬于上游部分；需要深度加工的是中游部分，掌握此部分的國家較少；技術(shù)應(yīng)用非常廣泛的是下游部分。我國大部分鎵生產(chǎn)企業(yè)仍處于鎵產(chǎn)業(yè)鏈底端，產(chǎn)品附加值低，資源浪費量大，對環(huán)境破壞程度高。深加工主要國家則是美國與日本。隨著無線通信和新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對鎵的高端產(chǎn)品的需求逐年上升。

通過研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)學(xué)者對鎵資源的研究大多集中在供需、生產(chǎn)技術(shù)以及應(yīng)用領(lǐng)域。對國內(nèi)外鎵資源分布、產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況以及中國發(fā)展鎵產(chǎn)業(yè)的思考研究較少。敦妍冉等(2019)對全球鎵資源的分布、供需及消費情況進(jìn)行了概述；趙汀等(2017)對鎵礦資源需求趨勢進(jìn)行了分析；武秋杰等(2021)對國內(nèi)外鎵資源分布供需及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究；溫漢捷等 (2020)對中國鎵鍺鉈鎘資源礦床類型、富集特征進(jìn)行了分析研究；華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2022—2027年中國鎵行業(yè)市場發(fā)展現(xiàn)狀及投資前景展望報告》對2019年全球及中國鎵產(chǎn)業(yè)市場供需現(xiàn)狀進(jìn)行了分析(張寒，2021)；蘇毅等(2003)、尹書剛等(2006)對提取鎵的技術(shù)方法進(jìn)行了總結(jié)；黃蒙蒙等(2017)及鄒銘金等(2020)對不同二次資源中鎵提取方法進(jìn)行了研究；劉倉等(2021)及趙澤森等(2021)對粉煤灰資源化提取利用進(jìn)行充分研究；陸挺(2016)對中國銦鎵鍺產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展進(jìn)行了戰(zhàn)略研究。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，分析了國內(nèi)外鎵資源分布概況；鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況，對中國發(fā)展鎵產(chǎn)業(yè)存在的問題提出合理化解決建議，為中國鎵礦產(chǎn)業(yè)合理、可持續(xù)循環(huán)發(fā)展提供一定的技術(shù)支撐。

1 鎵資源概況

1.1 全球鎵資源儲量分布

鎵在地殼中的含量為0.0015%，是典型的稀散元素，獨立礦物很少，多以伴生礦存在(涂光熾，2003)。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球50%以上的鎵來自鋁土礦，主要分布的地區(qū)有非洲、大洋洲、南美洲(含加勒比)、亞洲以及其他地區(qū)，分別占比32%、23%、21%、18%和6%。另有不超過40%的鎵來自于鉛鋅礦和煤礦。2020年美國地質(zhì)調(diào)查局的報告提出鋁土礦和鋅礦石中的鎵有潛在開采價值的占比不到10%。

全球鎵的金屬儲量約為27.93萬噸，其中中國鎵金屬儲量就有19萬噸，約占68%，居世界首位。其他地區(qū)情況為美國儲量0.45萬噸、南美洲1.14萬噸、非洲5.39萬噸和歐洲1.95萬噸(圖1)。2010年我國內(nèi)蒙古發(fā)現(xiàn)的煤伴生礦中含有大量的鎵資源，當(dāng)時已探明的儲量約為85.7噸，自此中國變?yōu)槿蜴壻Y源儲量超級大國，引起全球鎵儲量格局的巨大變化(Wang et al.，2015)。

圖1 全球鎵儲量分布情況(萬噸)

1.2 中國鎵資源分布情況

中國鎵資源豐富，居世界首位(周令治和陳少純，2008)。我國自然資源部2021年7月發(fā)布《2020年全國礦產(chǎn)資源儲量統(tǒng)計表》(表1)，其中全國鎵資源儲量為20672.30噸，儲量較多的省份有廣西(11109.30噸)、貴州(3968.10噸)、江西(2540.73噸)、山西(2055.62噸)、云南(456噸)、內(nèi)蒙古(251.84噸)、河南(143.23噸)、湖南(110.8噸)、山東(26.05噸)和四川(10.69噸)。從鎵資源分布類型來看，河南、山東、廣西等省的鎵主要存在于鋁土礦中(萬海泉和王玲，2015；郎巖峰等，2016；王莉等，2017；郎學(xué)聰?shù)龋?020；胡盛等，2021)；內(nèi)蒙古鎵主要伴生在煤礦中(代世峰等，2006)；貴州、山西、云南等省的鎵主要富存在錫礦或煤礦中；江西、湖南等省，鎵主要富存在閃鋅礦中；四川鎵主要伴生存在于攀枝花鐵礦中。綜上所述，我國擁有豐富的鎵資源，且分布極為廣泛，若能充分利用，將有力緩解鎵資源短缺，加速經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

表1 2020年我國鎵資源儲量統(tǒng)計

2 國內(nèi)外鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

2.1 全球主要鎵礦企業(yè)

鎵不但稀少且分散，在地表分布廣泛但卻很少富集、單獨成礦，直到1915年才提煉出來，美國于1943年開始生產(chǎn)，我國于1957年開始生產(chǎn)。目前，鎵產(chǎn)品主要有原生鎵與再生鎵(陳其慎等，2016)，由于產(chǎn)品品質(zhì)的不同，原生鎵又可分為粗鎵和精鎵。全球粗鎵生產(chǎn)廠家一共有30余家，主要分布于中國、俄羅斯、烏克蘭、德國等國，生產(chǎn)企業(yè)主要有中國鋁業(yè)股份有限公司，烏克蘭尼古拉耶夫鋁廠(Nikolaev Alumina Refiner)等。日本和美國則是全球精鎵主要生產(chǎn)國，相關(guān)企業(yè)例如美國世界鎵股份有限公司(GEO Specialty Chemicals， Inc)、日本同和礦業(yè)等。同時日本和美國也是再生鎵的主要生產(chǎn)國，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)有拉莎工業(yè)株式會社(Rasa Industries Ltd.)和住友化學(xué)株式會社(Sumitomo Chenmical Ltd.)等(敦妍冉等，2019)(表2)。

表2 全球主要鎵礦企業(yè)(據(jù)陳其慎等，2016)

圖2 2010—2019年全球再生鎵產(chǎn)能變化情況(據(jù)張寒，2021)

2.2 中國主要鎵礦企業(yè)

中國鎵礦生產(chǎn)企業(yè)主要為中國鋁業(yè)集團(tuán)、杭州錦江集團(tuán)、珠海經(jīng)濟(jì)特區(qū)方源有限公司、東方希望集團(tuán)等，主要分布于廣西、山西、河南、山東等省。其中中國鋁業(yè)集團(tuán)有限公司下屬的河南分公司、山西分公司、廣西分公司和遵義氧化鋁公司，連續(xù)3年鎵產(chǎn)量在全國占比超過三分之一，是迄今為止全球最大的鎵生產(chǎn)企業(yè)；杭州錦江集團(tuán)下屬的山西孝義興安鎵業(yè)、廣西田東錦鑫化工、平陸優(yōu)英鎵業(yè)，未來預(yù)計產(chǎn)能210 噸/年，進(jìn)而成為鎵礦企業(yè)最大供應(yīng)商；珠海經(jīng)濟(jì)特區(qū)方源有限公司所屬魯山聯(lián)盛、登封聯(lián)美、廣西信泰以及新方源樹脂等，現(xiàn)在產(chǎn)能為100噸/年；東方希望集團(tuán)下屬澠池鎵業(yè)，設(shè)計產(chǎn)能為60噸/年(劉麥等，2020)。

2.3 全球鎵生產(chǎn)情況

根據(jù)生產(chǎn)方式鎵產(chǎn)品可分為原生鎵和再生鎵。從產(chǎn)能來看，再生鎵產(chǎn)能一般保持穩(wěn)定，但在2011年和2016年得到迅速上升，2011年從141噸上升至198噸，2016年直接從200噸上升至270噸。歸其原因主要是由于鎵產(chǎn)品相關(guān)行業(yè)飛速發(fā)展，帶動了再生鎵產(chǎn)能的迅速提升(圖2)。

根據(jù)品質(zhì)鎵產(chǎn)品又可分為粗鎵(工業(yè)鎵)和精鎵(高純鎵)。其中精鎵產(chǎn)能從2010年的177噸上升至2019年的330噸，總體呈現(xiàn)上升趨勢，但是受需求量下降的影響，2014年全球精鎵產(chǎn)能迅速下降。到了2016年隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和無線通信行業(yè)飛快發(fā)展，精鎵產(chǎn)品需求量快速上升，從而使精鎵產(chǎn)能迅速回升至320噸(圖3)。

圖3 2010—2019年全球精鎵產(chǎn)能變化情況(據(jù)張寒，2021)

全球粗鎵產(chǎn)能從2010—2015年呈現(xiàn)大幅上升趨勢，主要是得益于中國粗鎵生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展。2015—2019年中國粗鎵產(chǎn)能基本在730萬噸左右。從產(chǎn)量來看，2015年全球粗鎵469噸，2019年全球粗鎵324噸，其中中國生產(chǎn)310噸，占比95.68%，說明中國的粗鎵生產(chǎn)國地位非常重要(圖4)。

圖4 2010—2019年全球粗鎵產(chǎn)能變化情況(數(shù)據(jù)來源《2022—2027年中國鎵行業(yè)市場發(fā)展現(xiàn)狀及投資前景展望報告》(張寒，2021))

2.4 中國鎵生產(chǎn)情況

2000年以前，美國GEO特殊化學(xué)品公司主導(dǎo)著世界鎵市場(周重陽，2002)，自2001年中國鎵產(chǎn)量逐年上升，到了2005年產(chǎn)量已占到全球的1/3左右，至2007年中國一躍成為全球第一大原生鎵生產(chǎn)國，2008年以后中國鎵產(chǎn)能開始急速增長。2017—2019年，因原料短缺、需求疲弱、價格低迷，中國原生鎵產(chǎn)量處于波動狀態(tài)。2019年全球原生鎵生產(chǎn)374.6 噸，而中國生產(chǎn)356噸占比達(dá)到95%以上。由于中國的新技術(shù)引發(fā)的低成本優(yōu)勢，極大改變了全球鎵的供應(yīng)格局(武秋杰等，2021)。

據(jù)中國有色金屬協(xié)會鎵硒碲分會對有關(guān)鎵產(chǎn)品的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國原生鎵的產(chǎn)量2019年比2018年下滑了11.7%，減產(chǎn)主要在河南和貴州兩個省份。其中，河南產(chǎn)量70噸，降幅最大，同比減少41.2%。貴州省同比減少了29.8%，產(chǎn)量僅為32.3噸。但是同時期山西、廣西產(chǎn)量卻有所上升，從而抵消了上述的部分減產(chǎn)。隨著我國鎵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近幾年高純鎵的產(chǎn)量也在不斷增長。從2016年的88.5噸增長到2019年的126.2噸，但在鎵總產(chǎn)量中依然占比不到30%。

3 結(jié)論與思考

(1)中國高端鎵產(chǎn)品自主產(chǎn)能普遍較低，高度依賴美、日進(jìn)口。中國粗鎵產(chǎn)品占比過高，仍處于鎵產(chǎn)業(yè)鏈的底端。因此在鎵產(chǎn)業(yè)鏈初級階段，要加大技術(shù)研發(fā)，推動高純鎵的回收水平；深加工階段，提升再生鎵生產(chǎn)技術(shù)能力。適應(yīng)資源貧化趨勢，研發(fā)新一代提鎵技術(shù)。

(2)由于中國多數(shù)鎵生產(chǎn)企業(yè)以粗鎵為主，砷化鎵、氮化鎵、磷化鎵等直接供應(yīng)的初級加工產(chǎn)品主要被日本、美國等發(fā)達(dá)國家掌控著生產(chǎn)和市場。鎵資源的需求主要依賴于下游高端產(chǎn)品和制成品的消耗，隨著我國在全球LED市場的業(yè)務(wù)拓展，提升下游鎵制成品國際競爭力是中國鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路；國內(nèi)大型鎵企業(yè)延伸產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。盡管中國的鎵資源優(yōu)勢非常明顯，但卻不能真正轉(zhuǎn)化為市場優(yōu)勢，因此只有促使其產(chǎn)業(yè)鏈格局變化，建立技術(shù)優(yōu)勢也是產(chǎn)品優(yōu)勢再加上上游資源的整合，促使資源、產(chǎn)品優(yōu)勢并存，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為市場和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。

(3)未來十年隨著全球鎵產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，鎵資源戰(zhàn)略性地位凸顯，面對當(dāng)前國際形勢的不確定性，提升以及鞏固我國的鎵資源優(yōu)勢，應(yīng)當(dāng)建立鎵礦資源儲備庫。即使我國鎵資源儲量豐富，但鎵作為氧化鋁土礦、閃鋅礦等的副產(chǎn)品進(jìn)行回收利用的很少，因此要提高含鎵礦石的二次資源化回收利用率。隨著鋁、煤市場需求下滑，冶煉企業(yè)產(chǎn)能將會受到主產(chǎn)礦影響，因此保護(hù)鎵產(chǎn)能，充分利用鋁土礦、煤礦等礦石中的伴生元素，提高企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益以及尋求新的含鎵礦產(chǎn)資源的勘查開發(fā)工作也具有現(xiàn)實意義。

(4)隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，金屬鎵的需求也在逐年增大，雖然中國鎵資源儲量豐富，但回收制度、回收體系不完善致使中國的鎵產(chǎn)業(yè)不可能走可持續(xù)發(fā)展道路。伴隨著中國含鎵礦產(chǎn)資源開采成本的提高和資源枯竭，未來中國很有可能面臨向日本、美國等國家回收鎵資源的困境。那時中國巨大的資源優(yōu)勢將徹底改變?yōu)樗麌馁Y源優(yōu)勢，從而對中國鎵產(chǎn)業(yè)形成不利影響。鎵礦資源是一種伴生資源，我國氧化鋁、鉛鋅礦、煤礦等礦產(chǎn)產(chǎn)能的消減及其他問題可能引發(fā)原材料供應(yīng)不足，因此逐步完善回收機(jī)制，建設(shè)高質(zhì)量回收產(chǎn)業(yè)，是保障中國鎵資源有效供應(yīng)和充分循環(huán)利用，促進(jìn)鎵資源經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益最大化的必要途徑。推動鎵產(chǎn)業(yè)鏈的低碳、綠色可持續(xù)發(fā)展是鎵產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的必由之路。

致謝在資料收集和圖件繪制過程中，得到朱超勝博士和李俐杰的幫助，在此表示感謝。