稀土永磁能源革命和人工智能背景下的钕铁硼

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(报告出品方/分析师:招商证券刘文平刘伟洁赖如川杜开欣)

一、永磁材料行业概览

稀土永磁材料是一类以稀土金属元素RE(Sm、Nd、Pr等)与过渡族金属元素TM(Fe、Co等)所形成的金属间化合物为基础的永磁材料,通常称为稀土金属间化合物永磁,简称为稀土永磁。

20世纪60年代以来,伴随着磁能积的三次重大突破,已成功地发展了三代具有实际应用价值的稀土永磁材料。

第一代以SmCo5合金为代表、第二代以Sm2Co17合金为代表、第三代则以Nd-Fe-B系合金为代表。其中,钕铁硼磁体已实现了工业化生产,是当前工业化生产中综合性能最优的永磁材料。钕铁硼永磁体是金属钕、铁、硼和其他微量金属元素的合金磁体,作为第三代稀土永磁材料,具有体积小、重量轻和磁性强的特点,因其优异的性能被称为“磁王”。

内禀矫顽力(Hcj,kOe)和最大磁能积((BH)max,MGOe)之和大于60的烧结钕铁硼永磁材料,属于高性能钕铁硼永磁材料。高性能钕铁硼永磁材料主要应用于汽车、风电、变频空调、工业电机、节能电梯、电子等领域。

普通钕铁硼永磁材料主要用于玩具、电动自行车和部分低端电子领域等,和高性能钕铁硼永磁材料下游重合度非常低。

我国是稀土大国,相关产业也处于世界前列,目前具备完整的稀土工业体系。凭借稀土资源和冶炼分离技术优势,我国在前中端环节具备全球话语权。此外钕铁硼应用领域广泛,下游需求随着新能源逐步渗透有望持续高景气。

二、中国磁材占主导地位,高性能钕铁硼永磁材料企业集中度较高

钕铁硼磁材是第三代稀土永磁,产量占比最高,应用最为广泛。

稀土永磁经历了三代的发展。第一代稀土永磁材料以SmCo5合金为代表,第二代稀土永磁材料以Sm2Co17合金为代表,前两代统称为钐钴永磁材料;第三代稀土永磁材料以钕铁硼(NdFeB)合金为主要代表,因其是Fe基稀土材料使得价格较低并且兼具性能优势,是目前应用最为广泛的稀土永磁材料。

中国主导全球稀土资源供给。

钕铁硼永磁材料原料是镨、钕、镝、铽、硼铁等稀土金属和稀土氧化物。我国是稀土资源大国,拥有全球最大的稀土储量和产量。

据美国地质调查局数据,年我国稀土矿资源储备量4,万吨,占全球资源比重的36.67%,位居全球第一;年,全球稀土总产量24万吨,我国产量14万吨,占比58.33%,位列第一。丰富的稀土资源和产量为我国钕铁硼永磁行业提供了充足的原料供应。

我国占据了全球稀土永磁90%以上的供给。

据弗若斯特沙利文数据,年全球稀土永磁材料产量约21.74万吨,年约为14.99万吨,复合增速为7.7%。其中中国产量由年的13.47万吨提升至年的19.62万吨,占比由89.86%升至90.25%,年均复合增长率达到6.58%。

海外来看,美国本土几无稀土永磁生产,仅有日本信越化学、日立金属、TDK以及德国VAC几家企业,产业链缺失是海外稀土永磁市场及下游应用面临的客观情况。

但目前,无论是全球市场还是国内市场,钕铁硼永磁材料都呈现出低端供应过剩,高性能钕铁硼永磁材料供应不足的情况。

根据弗若斯特沙利文数据,年全球高性能钕铁硼永磁产量只有6.63万吨,占比约30.88%;中国钕铁硼高性能钕铁硼永磁产量只有4.62万吨,占比约23.84%。无论是全球市场还是国内市场,高性能钕铁硼产量仍有提升空间,这就为国内优势磁材企业成长提供机遇。钕铁硼中低端产品竞争激烈,行业集中度低,盈利情况较差。

我国现有烧结钕铁硼生产企业约家,大部分磁材企业产量不到1,吨。

整体来看,烧结钕铁硼产业集中度较低,大部分企业生产规模较小,研发能力较弱,产品以中低端产品为主。由于低端钕铁硼领域(主要集中在家电、箱包等领域产品)进入壁垒低,产品差异化小,从而导致厂商的议价能力差,行业整体盈利较低。

高性能钕铁硼永磁材料性能好,行业集中度高。

高性能钕铁硼需要更多的资金、技术支持生产,因此行业具有较高的进入壁垒,相应行业集中度较高(全球前三大生产商按销售收入计占比42.4%,我国前三大生产商按销售收入计占比56.6%),头部企业往往具备长期的技术积累和规模效应,头部公司的盈利能力较中低端钕铁硼强。

三、国家政策推动稀土永磁行业蓬勃发展

产业政策与时俱进,永磁行业借势腾飞。

近年来,党和国家基于“五位一体”总体布局和“四个全面”战略布局,坚持创新、协调、绿色等发展理念,积极推进创新驱动型战略和可持续发展战略,依照需求牵引和战略导向,陆续出台了一系列指导、促进稀土永磁等新材料产业良性发展的法律法规和政策,推动“一代装备,一代材料”向“一代材料,一代装备”转变,对包括公司在内的一批稀土永磁材料企业产生了较为积极的影响,包括:

第一,在稀土永磁等关键新材料领域力求突破,同时进一步完善行业标准,健全产业体系,提高全链条贯通、集成、应用水平。稀土永磁材料行业将持续快速实现规模化、产业化、体系化发展。

第二,作为汽车、3C消费电子、家电以及新能源汽车及风力发电等新兴行业生产过程中赖以发挥电磁转换等功能的关键性材料,永磁材料能够在综合磁性能、耐腐蚀性等方面形成优势,并实现较低制备、运行成本的稀土永磁材料产品将获得广阔的市场空间与良好的发展机遇。

第三,国家着力突破新材料相关的“关键工艺与专用装备制约”,“组织新材料装备生产企业与材料生产企业开展联合攻关,加快先进工艺技术与专用核心装备开发,实现材料生产关键工艺装备配套保障。

四、双碳目标和智能化助力高性能钕铁硼需求高增速

1、能源革命推动高性能钕铁硼进入新阶段

年,新能源汽车、风电、变频空调、节能电梯四类需求占高性能钕铁硼消耗量的64%,相比年的39%,占比明显提升。高性能钕铁硼凭借其性能优势,在新能源、节能环保领域的应用无法被替代。双碳政策,有望进一步加速其应用拓展。

新能源汽车是高性能钕铁硼消费的最大推动力:根据工信部《新能源汽车推广应用推荐车型目录》,近几年我国新能源乘用车车型配套永磁同步电机的比例从年的85%提升到年的96%。

永磁同步电机在新能源汽车领域占据优势,稀土永磁产业链受益于新能源汽车市场的快速发展。一方面,新能源车产销量快速提升;另外,双电机和三电机占比增加,增加单车稀土永磁用量。

根据我们测算,年全球新能源车高性能钕铁硼永磁材料需求量约2万吨,假设年全球新能源车产量达到万辆,高性能钕铁硼永磁材料需求量约7.4万吨。碳中和趋势下,风电领域高性能钕铁硼需求保持稳定增长。

风电领域中,高性能钕铁硼磁钢主要用于生产永磁直驱风机。据《北京宣言》,国内风电装机目标是在年至年实现50GW的年安装量,从年起实现60GW。。

未来风电对钕铁硼需求量的增长来自于风电需求增长及直驱永磁电机渗透率提升。风电领域的需求和稀土价格密相关,若稀土价格过高,则稀土永磁电机存在被替代的可能性。

能效新国标驱动变频空调渗透率大幅提升。

年7月1日开始实施《房间空气调节器能效限定值及能效等级》(GB-)将变频与定频能效标准合并,原三级定频及部分能效较差的三级变频和定频空调停止生产,据中国标准化研究院测算,能效新国标的实施将使目前空调市场淘汰率达到45%,预计符合一级、二级能效标准的变频空调(高端变频空调)只能采用高性能钕铁硼永磁体,钕铁硼永磁变频压缩机渗透率将实现跨越式增长。

根据产业在线数据,变频空调占比//年分别32%、40%、63%。节能减排推动电梯行业对钕铁硼需求量增长。据中国电梯协会,钕铁硼永磁同步无齿轮摇曳技术比采用普通异步电机可提高20%的效率,同时降低40%损耗。

因此在双碳背景下,节能电梯渗透率有望得到大幅提升。按电梯及自动扶梯升降机年复合增速20%、永磁同步拽引电梯渗透率%、高性能钕铁硼单耗量6kg计算,预计年节能电梯用高性能钕铁硼量约1.9万吨。

工业电机能效提升,是去年以来稀土永磁领域又一惊喜。

年11月,工信部、市场监管总局印发《电机能效提升计划(-年)》,主要目标为到年,高效节能电机年产量达到1.7亿千瓦,在役高效节能电机占比达到20%以上。目前高效电机占比3%左右。

要实现年在役高效节能电机占比达到20%以上,年复合增速较为可观,钕铁硼永磁电机可提升10%~15%的效率,稀土永磁材料在工业高效节能电机领域的应用开始发力。

年6月,工信部等六部委发布《关于印发工业能效提升行动计划的通知》,再度要求实施电机能效提升行动,明确了年新增高效节能电机占比达到70%以上。通知要求,实施用能系统能效提升行动。

开展重点用能设备系统匹配性节能改造和运行控制优化。

加快应用高效离心式风机、低速大转矩直驱、高速直驱、伺服驱动等技术,提高风机、泵、压缩机等电机系统效率和质量。推动高效节能炉排、配套辅机、热网泵阀、储热器、能量计量系统等高效锅炉配套系统规模化应用。加强能效标识符合性审查,禁止企业生产、销售不符合能效强制性国家标准要求的用能设备及其系统。

根据我们测算,几个重要下游消费将带动高性能钕铁硼永磁材料全球总需求量从年的7.4万吨提升到年22.6万吨,年复合增速25%。

2、智能化有望带来高性能钕铁硼发展再上新高度

6月21日,彭博社报道,马斯克称人形机器人TeslaBot“Optimus(擎天柱)”原型机将在今年9月30日举行的AIDay上现身。

在去年8月的特斯拉第一次AIDay上,马斯克放出了Optimus的三维渲染图。

马斯克之前表示,第一版机器人有望在年投入生产。如果未来两年内“擎天柱”能够量产,在规模效应下,其成本比汽车还要低,预计售价2.5万美元。据马斯克介绍,TeslaBot“Optimus(擎天柱)”身高5英尺8英寸(约合1.72米),体重磅(约合56.7千克),负载20kg(手臂附加5kg),行动速度最高可达8公里/小时。这类似于一个成年男性的体型和重量。考虑到人形机器人的体型、重量,以及驱动精确性要求高,活动关节小且多,响应速度要求快,高性能钕铁硼可能是优选。

人体有块骨块,78个有明确名字的关节和一些小关节。假设人形机器人头和要不分别2个电机,手臂腿各12个电机,合计40个电机,每个电机重量不同,钕铁硼需求50-g/个不等的话,1个人形机器人的钕铁硼需求量2-4公斤。人形机器人理论上可以广泛用于个人家庭、特种作业、餐饮、公共服务以及工业等多领域,发展空间非常广阔。

按照上边测算,0万个人形机器人对高性能钕铁硼需求量达到2-4万吨,相当于年全球高性能钕铁硼总需求的20-40%。这将明显提升高性能钕铁硼未来消费增速。

五、行业进入门槛日益提高

1、工艺流程复杂降本大势所趋技术门槛日益提高

钕铁硼生产过程涉及配方设计、熔炼、制粉、成型、烧结、加工及表面处理等众多环节以及多项关键工艺和技术。

材料配方设计、生产设备改进、系统流程优化和工艺过程监控是生产高性能烧结钕铁硼产品的关键,企业不仅需要在研发环节经过大量的试验和反复的论证,还需要在生产过程中不断地进行技术改进以提高产品的质量和性能。

“资源+政策”下,中重稀土卖出了“稀”的价格。

目前全球探明中重稀土储量稀少,大部分位于国内南方,叠加国家对稀土实施差异化管理,严格控制离子型稀土开采总量(重稀土多以离子型形式存在),导致重稀土供给紧缺,轻稀土和中重稀土价格出现量级差别。目前,轻稀土氧化镨钕93万元/吨,重稀土氧化铽万元/吨、氧化镝万元/吨。

降低中重稀土用量是大势所趋。

基于资源和政策的双约束,中重稀土价格较高。

为了扩大市场占有率,磁材企业竞相通过晶粒细化、晶界扩散等途径降低镝、铽等中重稀土用量,甚至发展超轻稀土永磁,以降低磁材成本。其中,晶界扩散技术是21世纪钕铁硼甚至整个永磁行业的一个重大技术革新。

它在实现高矫顽力、高磁能积的同时,能制造出少重稀土,甚至无重稀土的高性价比磁体。

在实际工业生产中,一些磁材厂使用晶界扩散工艺可降低重稀土消耗50%以上。

随着新能源汽车、大型风电系统和5G基站在未来的大量采用,低成本、高矫顽力钕铁硼磁体的需求将持续增长。这对晶界扩散技术提出了更高的要求。通过晶界扩散有效提高厚磁体(10mm)的矫顽力,是今后需要攻克的难题。

晶界扩散的概念是针对薄型磁体提出的。

扩散剂在沿着晶界扩散的过程中,扩散效果会随着磁体厚度增加而下降。目前工业上使用的晶界扩散剂主要是含有重稀土的单质、合金或化合物,其中化合物主要包含氧化物、氟化物和氢化物。但是,不同扩散剂的扩散速率有明显差异,如图所示。

在许多情况下,通过表面扩散的方式,重稀土元素倾向于在磁体表面聚集,从而在Nd2Fe14B相周围形成厚度为1~2um的富重稀土的壳层。

但研究表明,20nm厚的富重稀土的壳层已经能起到足够的矫顽力提升效果,形成过厚的壳层会导致重稀土的不必要消耗。

另一方面,重稀土在沿磁体厚度方向的扩散深度有限会导致厚磁体的矫顽力增幅不足。

目前的工业生产中,大部分进行晶界扩散处理的磁体厚度都小于4mm,很少超过8mm。然而,考虑到电动机和发电机的使用安全,在高于℃应用环境,应该优先采用厚磁体(10mm)。因此,业内积极尝试针对厚磁体的晶界扩散方法。

针对厚磁体的晶界扩散技术可以从以下几方面考虑:

提高扩散剂的扩散效率;

利用原位晶界扩散技术;

多层晶界扩散技术;

进一步降低扩散剂的材料成本、利用晶界扩散中的各向异性行为等技术进步路径。

除此之外,用廉价稀土镧铈替代部分镨钕,以此来降低成本的路线也是目前各大型磁材企业

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