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国际钛材行业的发展情况

2021-01-29 09:24:58 173

用金属热还原法(用镁或钠还原四氯化钛,TiCl4 2Mg=Ti 2MgCl2)得到海绵状的金属钛,称为海绵钛;一般来讲,海绵钛纯度为纯度为99.1%~99.7%(以质量分数统计);海绵钛生产是钛工业的基础环节,它是钛材、钛粉及其他钛构件的原料,海绵钛并不能直接使用,而需要在电解炉中经高温熔化成液体,才能铸成钛锭,而钛锭经过加工之后,就形成钛材。

钛材简单的可以分为工业纯钛(牌号为TA1、TA2、TA3都被划为工业纯钛,从TA1到TA3纯度一次降低)和钛合金;钛合金就是以钛为基加入其他元素组成的合金,钛合金具有密度低,比强度高、抗腐蚀性能好和工艺性好等优点,是理想的航空航天材料,20世纪50~60年代,主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金,第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金,目前在航空工业中广泛应用的就是Ti-6Al-4V,今天其余的钛合金都可以视为在Ti-6Al-4V的基础上改造得到的。


  (一)钛材生产:美国、俄罗斯、日本和中国四强称雄


  由于熔炼技术复杂、加工难度大,目前世界上仅有美国、俄罗斯、日本、中国四个国家掌握完整的钛工业生产技术,形成四强称雄的格局。此外欧洲虽然没有海绵钛工业,但是钛材加工和应用技术处于世界先进水平。乌克兰和哈萨克斯坦继承了前苏联的部分海绵钛产业。


  海绵钛生产国主要包括中国、美国、俄罗斯、日本、哈萨克斯坦、乌克兰6个国家。自2007年以来,中国海绵钛产量已居世界第一位,2011年中国海绵钛产量占全球总产量的31.6%。


  全球最大的海绵钛生产企业是哈萨克斯坦的乌斯特卡明诺戈尔斯克钛镁结合企业,年产能约4.5万吨;我国最大的海绵钛生产企业是贵州遵义钛业,年产能约1.4万吨,产能位居全球第四。


  钛加工材生产国主要包括中国、美国、俄罗斯、日本、欧洲。自2010年以来,中国钛加工材产量已居世界第一位,2011年中国海绵钛产量占全球总产量的34.4%。


  随着全球经济复苏,民用航空领域开始缓慢复苏,从而带动钛材需求增长,2010年开始,全球海绵钛和钛加工材产量明显恢复。2011年全球海绵钛产量达到20.6万吨,同比增长29.2%。2011年全球钛加工材产量达到14.8万吨,同比增长32.5%。


  (二)发展历史:三起三落,与全球经济冷暖密切相关


  从全球情况看,国际钛材加工业有三个旺盛时期:


  第一次繁荣期开始于1988年,是由于美国民用航空工业的复苏和日本化学、发电工业市场开始活跃而带来了国际钛加工业市场的相对活跃的阶段。


  第二次繁荣期开始于1994年,由于日本经济复苏且美国民用航空工业再次活跃,民用航空的复苏推动了钛需求的增加。


  第三次繁荣期开始于2004年,是由于国际经济形势普遍看好,国际航空业呈现飞速发展的势头,尤其是空客A380和波音787用钛量占机体总重量的比例增加到10%以上,而日本民用钛工业的发展也异常迅猛。


  同时全球钛材加工业也经历了三个明显的萧条期:


  第一次萧条期始于1990年的美国经济衰退和日本经济泡沫的崩溃,加上前苏联囤积的大量钛材充斥市场,导致钛材价格大幅下降。


  第二次萧条期是因为亚洲金融危机和航空市场的萧条以及2001年的911事件重创国际民用航空业。


  最近一次萧条期则是由于2008年金融危机引发的国际经济形势动荡导致的。


  钛材行业的发展与全球经济形势密切相关,三次繁荣期都开始于经济繁荣期,而三次萧条期也都不约而同的始于全球经济低估,体现出较强的周期性,究其原因,是因为钛材重要的下游应用领域多体现为强周期性行业。


  (三)需求分析


  钛材消费主要集中在航空工业领域,占比约50%,2011年,全球钛材产量达到14.8万吨,其中商用航空用钛材约6.4万吨,未来全球经济增长对航空运输的需求量依然巨大,预计未来20年新增飞机需求约在3万架左右,同时,新型飞机对钛的需求量高于老式飞机,我们预计20年内商用飞机对钛材的平均需求量将达到40吨/架;据此推算,未来20年全球商用航空领域新增钛材需求约120万吨,年复合增长率约17%,平均每年新增6万吨钛材需求,民用航空用钛材领域将呈现快速增长。此外,军用航空领域也将出现新的机会;由于全球地缘政治形势紧张,全球各国军费开支增加,军用航空领域也有望出现新的需求蓝海,以F22为代表,全球军用战机即将集体迈入四代机时代;而且新式战机的用钛量也要大幅高于老式战机,因此未来军用飞机的更新换代将带来新的需求。


  1.钛材消费主要集中在航空工业领域


  从全球范围(不含中国和俄罗斯)来看,钛材消费主要集中在航空工业领域,2011年,全球商业航空的消费比例达到42.6%,军用钛材比例为6.5%(主要为军用航空),整个航空领域消耗钛材比例接近50%;工业消耗钛材比例为48.1%,新兴市场消费钛材比例为2.8%。


  整个航空领域消耗钛材比例接近50%,而从历史上看,钛行业大的周期轮回都和航空业的冷暖密切相关。过去近40年间,钛价格的每次大幅波动,主要都是由航空业的需求变化引起的;而商业航空运输行业由于全球经济增长速度密切相关,因此钛行业的发展也体现出很强的周期性。


  2.民用航空领域钛材需求分析


  全球范围内来看,钛材消费主要集中在航空工业领域,航空工业也是研制和应用钛合金最早的部门。美国1950年首次在F84战斗轰炸机中采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩和机尾罩等非承力结构。美国普拉特-惠特尼(PrattWhitney)公司1954年开始用Ti-6Al-4V合金制造J57涡轮喷气发动机压气机转子盘和叶片。英国罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)公司于1954年在Avon发动机上使用了Ti-6Al-4V合金。


  钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,钛合金对于减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、提高机体寿命、满足高温及腐蚀环境等方面具有其他金属不可替代的作用,其应用水平成为衡量飞机结构选材先进程度的重要指标,是影响飞机性能的重要方面。钛合金在飞机的主要用途如下:


  (1)减轻结构重量、提高结构效率:先进的战技性能(如超音速飞机)要求飞机具有比较低的结构重量系数(即:机体结构重量/飞机正常起飞重量),而钛合金具有强度接近中强钢但密度小的特点,代替结构钢和高温合金,能大幅度减轻结构重量,同时也能节省费用;以发动机为例,有统计数据显示,飞机发动机的质量没降低一公斤,使用费用可降低约220-440美元。


  (2)符合高温部位的使用要求:钛合金具有耐热性好的特点,如常用的Ti-6Al-4V能在350℃下长期工作,因此在飞机的高温部位(如后机身等)可取代因高温使用性能不能满足要求的铝合金;TC11能在500℃下长期工作,在发动机的压气机部位可取代高温合金和不锈钢。


  (3)符合与复合材料结构相匹配的要求:为减轻结构重量和满足隐身要求,先进飞机大量使用复合材料,钛合金与复合材料的强度、刚度匹配较好,能获得很好的减重效果。同时,由于二者电位比较接近,不易产生电偶腐蚀,因此相应部位的结构件和紧固件宜采用钛合金。


  (4)符合高抗蚀性和长寿命的要求:钛合金具有较高的疲劳寿命和优良的耐腐蚀性能,可以提高结构的抗腐蚀能力和寿命,满足先进飞机、发动机高可靠性和长寿命的要求。


  20世纪60年代以后,钛合金在发动机上的用量逐渐增加,主要用于风扇叶片、压气机叶片、盘、轴和机匣。钛合金在飞机结构中主要用于骨架、蒙皮、机身隔框、起落架、防火壁、机翼、尾翼、纵梁、舱盖、倍加器、龙骨、速动制动闸、停机装置、紧固件、前机轮、拱形架、襟翼滑轨、复板、路标灯和信号板等。正在研制的空客A350XWB宽体飞机用钛量约占结构重量的14%,主要用钛部位包括:起落架、机翼结构、发动机悬架、机翼高压油管气管、紧固件、舱门、机舱面板或隔板、座椅导轨、尾椎和辅助动力舱的隔热屏等。


  钛合金在商用飞机上的用量测算。能源价格步步攀升,如何在增加运载能力的同时能减轻飞机重量是飞机制造商面临的主要课题之一,因此,提高钛材用量对于未来民用客机的开发具有重要意义。从两大国际飞机制造商的数据来看,波音和空客主要机型的用钛量逐步提高,老机型A300和B747的钛用量仅为4%,新型机A380钛用量占到10%左右,A350的钛用量达到14%,B787的钛用量甚至超过了无载重量的15%。从历史上的民用飞机发展来看,钛用量占比在过去半个多世纪里一直在逐步提高,随着民用航空工业的发展,钛材将拥有越来越大的市场空间。


  目前民用航空领域的服役机型,仍以单通道的小飞机如波音737或空客A320系列为主,从波音公司的订单情况来看,近年来,波音收到的订单均已波音737为主(波音737更是被誉为民航史上最成功的飞机),2012年波音737的订单量达到了1184架,占公司总订单量的88%。


  我们根据波音公司最新一年的订单中各机型的具体分布情况,采用加权平均的方式测算民用飞机平均用钛量为25吨/架。根据波音公司公布的数据2012年公司共有订单1339架,分别为B737:1184架订单(机型平均用钛量18吨/架)、B747:7架(76吨/架);B767:23架订单(75吨/架;波音767和747的空载重量相似,因此估计波音767的用钛量为75吨/架);B777(64吨/架);B787(116吨/架);加权平均后得到,波音公司飞机平均用钛量约为25吨/架;据此,我们测算出目前民用飞机的钛用量在25吨/架左右。


  民用航空市场:预计未来20-年新增飞机数量在三万架左右。过去十年,国际民用航空市场波动剧烈,体现为飞机制造商的订单量也大幅波动。根据波音和空客公司披露的数据,波音和空客公司的民用机订单数在2002-2007年期间总体上呈上升趋势,2007年达到最高点(波音1423单,空客1458单),2008年国际金融危机加剧,订单数开始下降,2009年降到最低点(波音263单,空客310单),2010年以来,随着国际经济的强劲复苏,订单数迅速回升,2012年波音公司订单数达到1339单,同比增长45%;空客公司订单数达到914单,同比下降了43%。


  根据波音公司的统计,截至2011年年底,世界上服役的大飞机有790架,双通道飞机3710架,单通道飞机12610架,支线喷气式飞机2780架,总数为19890架。根据波音公司的的预测,到2031年,这个数量会增长到39780架,新增需求和替换需求合计共34000架年均增加1700架,新增34000架飞机的市场规模约为4.5万亿。


  相比之下,空客的预测要显得保守不少,根据空客公司的预计,未来20年全球新增飞机需求(包括替换需求)预计将达到28200架(其中客机约27000架,而货用飞机增加约1200架),而新增的28200架飞机的市场规模约为4万亿美元。


  空客公司预计未来20年全球航空货运年均增速将达到4.7%,新兴市场的航空运输需求将快速增长,航运需求快速增长也将大大提升新兴市场对飞机的需求量,根据空客公司的预测,未来亚太区将成为最大的飞机需求市场,需求占比高达35%,同样,波音公司也预计亚太地区需求占到未来20年全球新增飞机数量的35.4%,稳居世界第一大民用飞机需求市场。


  总体来说,未来航空市场的巨大需求为钛工业的发展提供了广阔的空间。一方面,民用航空领域巨大的飞机新增需求将对全球钛的需求量产生巨大推动作用,未来20年全球约三万架的民用飞机需求,奠定了钛材需求的坚实基础;另外,考虑到新型飞机的钛用量明显高于老飞机,我们预计未来20年,随着老飞机逐渐退役,民用飞机平均用钛量将大幅提升,我们预计未来20年民用飞机平均用钛量将上升到40吨/架,未来20年3万架民用飞机,将新增钛材需求约120万吨,未来20年民用航空领域钛材需求量年复合增长率约17%。而根据空客公司的测算,未来十年全球新增民用飞机约在1.3万架左右,由此测算未来10年内,航空用钛材的需求量年复合增长率为22%(假定未来十年民用飞机平均用钛量达到30吨/架)。


  3.军用航空领域需求分析


  军用武器的开发与采购不断向轻便、灵活方向发展,为了满足战斗机对战斗性能要求,除了采用先进的设计技术外,还必须采用综合性能优良的材料以及先进的工艺制造技术。大量选用钛合金、提高先进钛合金的应用水平就是重要措施之一。自20世纪60年代末以来,国外军用飞机的用钛量逐年增长,当前欧美设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中钛合金用量已经稳定在20%以上,并且新机型的用钛量占比正在大幅提升,以美军为例,目前第三代战斗机的代表机型F-15的钛合金用量占26.1%,而其第四代战斗机F-22钛合金用量高达41%,约40吨/架。


  (1)、军用需求:升级换代步伐加快带来钛材需求增长。


  近年来,围绕国际秩序、领土争议以及地缘政治等因素的国际战略竞争日趋激烈,发达国家与发展中国家、传统大国与新兴大国矛盾不时显现,局部冲突和地区热点此起彼伏,一些主要国家的军费开支也逐年增加,以美军为例,“911”事件之前,美军军费占GDP比重约在2.9%,“911”事件之后,安防需求增加,近年来,军费开支占GDP的比重已经升至4.7%的水平。另据斯德哥尔摩国际和平研究所的估计,2011年全球总军费开支达到了1.7万亿美元,其中美军军费达到了7110亿美元,占据全球总开支的47%,位居第一,中国以1430亿美元(该数值为该研究所估计的实际开支)的开支位居次席,俄罗斯军费支出位居第三,为720亿美元。


  现代战争已经由过去的单一兵器的对抗转变为海、陆、空军三位一体全方位的较量,这时关于制空权的争夺就显得更为重要,各国为了加强各自的军事国防力量,均在空军方面投入了大量资源,以美军为例,2011年,美军基础军费同比增长了3%,达到了5489亿美元,其中用于空军的开支达到了1500亿美元,同比增长超过了基础军费整体增速,达到5%,空军的重要地位进一步得到彰显,这将势必推动军用飞机升级换代步伐的进一步加快。


  关于战斗机的发展,目前国际上通用的是西方的四代划分法(俄系划分法将现代战斗机划分为五代,F22在饿系划分法中属于五代战机。),一代机称为亚音速战斗机,以美军的F100、苏联米格-19以及中国歼-5为代表;二代机则是完成了从亚音速到超音速的飞跃,代表机型有美军的F4,前苏联米格-21以及中国歼-7;第三代战机则是具有两倍音速和两万米升限的高空高速战斗机,代表机型有F-16,Su-27,米格29以及中国的歼-10。第四代战斗机的标准通常称为4S 标准(Super Maneuverability;Super Sonic Cruise;Stealth;Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness),即超机动性、超音速巡航、隐身以及超视距打击能力,代表机型就是美军的F22和F35。


  简单来说就是从亚音速到超音速,从超音速再到两倍音速,第四代战机则是强调隐身性能和超机动性。


  F22(猛禽)是一种由美国洛克希德.马丁、波音和通用动力等公司联合为美国空军设计的重型隐身战斗机,1997年试飞成功,2005年正式开始服役,是当今世界最具代表性的四代战机,也是当今世界唯一正在服役的四代战机。


  F22是当今世界最强的战机,但其过高的造价(估计约3.6亿美元)也使得F-22的生产计划不得不提前终止。2008年金融危机后,美国财政赤字大幅上升,不得已中止了多想造价高昂的军事项目,其中就包括F22(猛禽),2011年12月,第195架也是最后一架F-22下线。(共8架试验机和187架标准型)


  尽管F-22由于成本问题提前终止了生产计划,但第四代战机仍是战斗机未来的发展方向,目前正在研制中的战机包括俄罗斯的Su-47、T-50,中国的歼-20和歼-31,值得一提的是,中国自主研发的四代机歼-20已经于2011年试飞成功,预计会在2017年进入服役期,未来,军用机的升级换代将带来钛需求的持续性增加。


  (2)、军用未来需求测算。


  军用品需求难以精确测算,因此,我们这里选取全球军费开支的美军为标准,以美军主要的军用机供应商洛克希德马丁公司的飞机业务收入增速来粗略估计未来的军用飞机需求增速。


  洛克希德-马丁公司是美国空军第一大军火采购商,美军主要的战机几乎都是从洛克希德马丁公司采购而来,其主要军用飞机产品包括:F-16战隼、F-117夜鹰隐形战斗机、F-22猛禽、F35闪电2、P38闪电式战斗机、C-130大力神中型运输机系列、C-2“灰狗”运输机、C-141运输星远程喷气运输机和C-5银河重型运输机等。


  洛克西德-马丁(纽交所上市代码:LMT)公司的前身是洛克西德公司,始建于1912年。1995年与马丁.玛丽埃塔合并,正式成立洛克希德-马丁公司,目前是全世界在营业额上最大的国防工业承包商,目前核心业务是航空、电子、信息技术、航天系统和导弹,其95%的营业收入来自于美国国防部,其他联邦机构国外军方,占据美国国防部采购预算1/3的订单。


  洛克希德马丁公司2000年飞机产品业务营业收入49亿美元,2011年该公司飞机业务收入已经达到144亿美元,年复合增长率达到了10%;然而,2003年由于伊拉克战争的影响,美国当年的军费开支达到3930亿美元(公布数据),较2002年的3180亿美元大幅增长了23%。如果剔除掉伊拉克战争的影响,2003-2011年洛克希德马丁公司的飞机业务收入年复合增长率约4%。因此我们近似推算出,近年来全球军用飞机的需求量增速应该在4-5%左右。


  受到经济危机和美国政府财政问题等多重因素的影响,美军不得不削减军费预算,根据美国国防部的预估,未来军费将下降约5-6%,美国削减军费将对全球军用飞机需求量产生一定的负面影响,我们预计未来军用飞机的需求量增速应该在3%左右,同时考虑到军用飞机,尤其是新机型对钛的需求量正在迅猛增长,预计未来军用飞机领域的钛需求量增长速度也将在10%左右。


  除了航空领域的主要应用之外,钛材还可以广泛的应用在生物医疗,健身器械、体育用品以及海洋工程等多个领域。根据空客公司的测算,到2031年,全球人口将达到90亿人,而全球中产阶级人数将增加到50亿人,占全球总人数的比重也将从之前的30%提升至60%,其中亚太区中产阶级人数增长最快,20年内将增加5倍达到33.77亿人;中产阶级人数的增加将带动上述领域一系列的需求。


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