全球钴贸易复杂网络特征研究

　　摘要

　　钴是一种银白色金属,具有耐高温、耐腐蚀和强磁性等特点,是制造高温合金、硬质合金、陶瓷颜料、催化剂、电池等的重要原材料之一.由于钴资源产地、加工和消费地空间分异显着,钴资源安全供应面临严峻挑战,全球主要经济体对钴金属的关注度不断提高.

　　本文将物质流分析与复杂网络方法相结合,构建基于生命周期的全球钴物质流分析框架,系统梳理典型含钴产品贸易清单,通过建立 2008 年-2017 年含钴产品全球贸易复杂网络模型,揭示全球钴贸易复杂网络特征,刻画了生命周期全球钴贸易格局,对中国在含钴产品国际贸易网络中的状况进行了分析.

　　通过建立含钴产品全球贸易复杂网络模型发现,从基于全球贸易的钴生命周期流动关键环节来看:(1)钴矿石环节的全球贸易参与国家数目最少,全球化程度较低.(2)含钴原材料是全球贸易中钴物质量最大的环节.(3)在钴使用阶段的产品中,参与国家最多的是磁铁贸易,钴物质贸易量最大的是电池贸易,贸易网络紧密程度最高的是电池和磁铁贸易.(4)含钴废弃物环节的网络紧密程度最低,各国之间的联系较稀疏.

　　对中国含钴产品在国际贸易中情况和地位的研究得出:(1)中国净进口钴矿石、含钴高温合金和含钴催化剂;净出口含钴原材料、电池、硬质合金、磁铁、颜料、搪瓷、其他产品和钴废弃物.(2)中国在钴矿石、含钴原材料、钴硬质合金、催化剂和颜料和搪瓷贸易中拥有较强的贸易往来控制能力.而在废弃物阶段中国仅出口钴废弃物,其对该贸易的往来不起到中介桥梁的作用.(3)中国钴矿石进口对刚果(金)的依赖性强,供应风险较大.

　　基于以上结论,建议我国开发国内外钴供应,与钴供应国和下游产品需求商之间建立稳定的贸易关系.调整含钴产品贸易结构,提高净进口产品的生产技术.

　　关键字:钴,复杂网络分析,国际贸易,物质流分析

　　Abstract

　　Cobalt is a silver-white metal with high temperature resistance, corrosionresistance and strong magnetic properties. It is one of the important raw materials forthe manufacture of high temperature alloys, cemented carbides, ceramic pigments,catalysts, batteries, etc. Due to the significant spatial differences in the origin,processing and consumption of cobalt resources, the safe supply of cobalt resources isfacing severe challenges, and the world's major economies are increasingly concernedabout cobalt metals.

　　This paper combines material flow analysis with complex network methods tobuild a life cycle-based global cobalt material flow analysis framework, systematicallysorting out the typical cobalt-containing products trade list, and revealing through theestablishment of a complex network model of cobalt-containing products global tradefrom 2008 to 2017. The complex network characteristics of global cobalt tradecharacterize the life cycle of global cobalt trade and analyze China's status in theinternational trade network of cobalt-containing products.

　　Through the establishment of a complex network model for global trade of cobaltcontaining products, it is found that from the perspective of the key links of the lifecycle of cobalt based on global trade: (1) The number of countries involved in the globaltrade of cobalt ore is the least, and the degree of globalization is low. (2) Cobaltcontaining raw materials are the largest link of cobalt in global trade. (3) Among theproducts used in the cobalt use phase, the largest part of the participating countries isthe magnet trade, the largest cobalt trade volume is the battery trade, and the mostclosely traded network is the battery and magnet trade. (4) The network of cobaltbearing waste links is the lowest, and the links between countries are relatively sparse.

　　A study of the status and status of China's cobalt-containing products ininternational trade has resulted in: (1) China's net imports of cobalt ore, cobaltcontaining superalloys and cobalt-containing catalysts; net export of cobalt-containing raw materials, batteries, cemented carbide, magnets, and pigments , Enamel, otherproducts and cobalt waste. (2) China has strong control over trade in cobalt ore, cobaltcontaining raw materials, cobalt cemented carbide, catalysts and pigments, and enameltrade. At the waste stage, China only exports cobalt waste, which does not act as anintermediary bridge to the trade. (3) China's imports of cobalt ore have a strongdependence on Congo (Gold), and supply risks are greater.

　　Based on the above conclusions, it is recommended that China develop domesticand foreign cobalt supply and establish stable trade relations with cobalt suppliercountries and downstream product demand suppliers. Adjust the trade structure ofcobalt-containing products and improve the production technology of net importedproducts.

　　Keywords: cobalt, complex network analysis, international trade, material flowanalysis

　　目录

　　1 引言.....................................................................................................................1

　　1.1 研究背景与意义.....................................................................................1

　　1.2 研究方案.................................................................................................4

　　1.3 科学问题与创新点.................................................................................6

　　2 文献综述.............................................................................................................7

　　2.1 物质流分析方法简介.............................................................................7

　　2.2 钴资源的研究进展.................................................................................7

　　2.3 钴物质流分析的研究进展....................................................................8

　　2.4 全球贸易网络分析模型的研究进展.....................................................8

　　2.5 文献评述.................................................................................................9

　　3 含钴产品的生命周期解析及全球贸易复杂网络模型构建...........................10

　　3.1 数据说明...............................................................................................10

　　3.2 钴的生命周期解析及系统边界确定...................................................10

　　3.3 复杂网络构建.......................................................................................16

　　3.4 含钴产品国际贸易复杂网络的基本分析指标...................................16

　　4 各环节全球钴贸易网络的时空格局及其复杂网络特征分析.......................20

　　4.1 钴矿石...................................................................................................20

　　4.2 含钴原材料...........................................................................................26

　　4.3 含钴电池...............................................................................................32

　　4.4 含钴高温合金.......................................................................................38

　　4.5 含钴硬质合金.......................................................................................44

　　4.6 含钴磁铁...............................................................................................49

　　4.7 含钴催化剂...........................................................................................55

　　4.8 含钴颜料和搪瓷...................................................................................61

　　4.9 含钴其他产品.......................................................................................67

　　4.10 钴废弃物.............................................................................................73

　　4.11 小结.....................................................................................................79

　　5 中国含钴产品在国际贸易中的情况和地位...................................................81

　　5.1 钴矿石...................................................................................................81

　　5.2 含钴原材料...........................................................................................85

　　5.3 含钴电池...............................................................................................89

　　5.4 含钴高温合金.......................................................................................94

　　5.5 含钴硬质合金.......................................................................................98

　　5.6 含钴磁铁.............................................................................................102

　　5.7 含钴催化剂.........................................................................................105

　　5.8 含钴颜料和搪瓷全.............................................................................110

　　5.9 含钴其他产品.....................................................................................114

　　5.10 钴废弃物...........................................................................................118

　　5.11 本章小结...........................................................................................121

　　6 主要结论与政治启示.....................................................................................124

　　6.1 主要结论.............................................................................................124

　　6.2 全球贸易视角下对中国钴资源的政策启示.....................................125

　　6.3 存在的不足与展望.............................................................................126

　　致谢....................................................................................................................127

　　参考文献............................................................................................................128

　　附录....................................................................................................................132

　　1 引言

　　1.1 研究背景与意义

　　钴(Cobalt),是一种金属元素,原子序数 27, 在周期表中位于第 4 周期.具有光泽的银白色金属,硬而脆,在常温的空气中比较稳定,高于 300℃时,在空气中开始氧化.钴具有耐高温、耐腐蚀和强磁性等特点,是超硬耐热合金、磁性合金、碳化钨的基体或粘合剂的原材料.随着社会的发展和科技的进步,钴金属正在不断的拓宽应用领域,不仅在电池材料、超级耐热合金、工具钢、硬质合金、磁性材料领域有广泛应用,还以化合物的形式用作于试剂、催化剂、干燥剂、颜料与染料等,并且在航空航天领域、节能与新能源汽车领域、生物医药领域钴也发挥着重要的作用.目前,钴已经成为全球战略性新兴产业所需的重要原材料.

　　全球钴矿资源储量在空间分布上高度集中.从图 1-1 中可以看出钴矿仅集中在少数的几个国家.据 2018 年,美国地质调查局 (United States GeologicalSurvey, USGS)数据显示,2017 年全球陆地钴矿已探明储量约为 710 万吨.其中钴资源储量最大的国家为刚果(金),其查明资源储量约为 340 万吨,占全球陆地钴矿储量的 49%;澳大利亚和古巴其次,分别占全球总储量的 17%和 7%.如图 1-1 所示,刚果、澳大利亚、古巴三国占有全球陆地钴矿储量的 70%以上,而中国的储量仅占全球总储量的 1%.

　　钴资源产地、加工和消费地空间分异显着.从钴资源产地来看:全球 49%的钴资源产自刚果(金),加拿大占 7%,中国和俄罗斯则各占 6%(如图 1-2 所示).由于刚果(金)基础设施和工业技术相对落后,而澳大利亚等国缺少钴冶炼和深加工企业,从而,钴矿资源主产国通常把矿料出口到中国、芬兰、加拿大等国进行冶炼及深加工.中国在精炼钴领域处于主导地位,已成为全球最大的精炼钴国家,约占全球精炼钴产量的 39%;其次为芬兰(14%)和加拿大(7%)(如图 1-3所示),全球精炼钴与钴矿分布空间分异特征显着.钴的消费则主要在中国、美国、日本和西欧国家(如图 1-4 所示).

　　随着钴资源供需在空间上的失衡凸显,钴资源全球安全供应面临严峻挑战,全球主要经济体纷纷将钴列为战略性关键金属.1983 年日本建立稀有金属的国家储备,将钴列入其中(张小陌,2019);2010 年欧盟通过《欧盟关键矿产》,钴矿被视为关键矿产并列入紧缺名单;2016 年中国制定《全国矿产资源规划(2016-2020 年)》首次将金属钴列入战略性矿产目录,作为重点研究对象;2018 年美国政府将钴列入 35 种关键矿产目录;2018 年 12 月 3 日,刚果(金)政府宣布将钴金属作为战略资源,并且将钴的矿业税税率从 3.5%上涨到 10%.

　　中国钴资源储量少,消费量大,且增幅显着,钴资源供需矛盾日益突出.据美国地质调查局数据显示,截至 2017 年,中国钴资源储量为 8 万吨,仅占世界1%,而消费量却高达 5.6 万吨,占世界 49%,是世界最大的钴消费国,供需矛盾日益凸显.中国钴矿储量少、产量小但需求量大,国内的供应能力弱;为了满足中国的钴消费需求,供需缺口部分需要依靠国外进口,对外依存度一直处于很高的状态(刘全文,2018).

　　近年来,《中国制造 2025》的顺利实施,中国新能源汽车、航空航天事业等战略性新兴产业的迅速发展,均需钴资源的安全供给作为保障.2015 年,《中国制造 2025》正式颁布制造强国行动纲领,其中,航空航天领域、节能与新能源汽车领域、生物医药领域等均涉及钴资源消费.近年来,中国钴资源消费总量日益增加,从 2000 年的 0.38 万 t 增加至 2017 年的 8 万 t;全球钴消费量占比从 2000 年的 12%快速上升至 2017 年的 49%;未来中国钴资源的消费量仍将继续上升.

　　有鉴于此,本文将物质流分析与复杂网络方法相结合,在刻画基于生命周期的钴全球钴贸易格局,揭示全球钴贸易复杂网络特征的基础上,分析中国钴贸易的稳定性,为保障中国钴资源的稳定供应提供科学支撑,具有重要的现实意义.

　　本论文"基于生命周期的钴全球贸易网络分析"依托于"中国钕、铂、钴金属物质流关键产品调查及贸易分析"项目,此项目是"矿产资源国情调查与安全战略"工程一级项目"服务国家重大战略和国土开发保护地质调查"下属二级项目"我国锂钴铟等资源循环利用调查评价"(中国地质科学院矿产资源研究所承担)的外协项目"中国钕、铂、钴金属物质流关键产品调查及贸易分析"(中国科学院地理科学与资源研究所承担).

　　1.2 研究方案

　　1.2.1 研究内容

　　本文将全球钴金属贸易作为研究对象,构建基于生命周期的全球钴物质流分析框架,系统梳理典型含钴产品贸易清单及产品钴含量,通过建立有向的无权、加权网络,研究全球钴金属贸易复杂网络的密度、节点度、中心性、点强度、聚类系数等复杂网络特征刻画全球典型含钴产品贸易网络格局,揭示基于生命周期的钴全球贸易网络特征,分析全球钴贸易网络格局对我国钴资源供应稳定性的影响.

　　1.2.2 技术路线

　　本文采取的技术路线如图 1-5 所示:

　　(1)文献调研:查找已发表的文献,检索全生命周期物质流分析方法、复杂网络分析方法、各国含钴产品的种类及产品中的钴含量,寻找系统改进联合国商品贸易数据的算法.

　　(2)数据收集: 搜集统计资料,建立含钴产品贸易清单,找出各国各类含钴产品进出口来源及流向.

　　(3)钴金属流动研究:构建基于生命周期的全球钴物质流分析框架

　　(4)贸易网络研究:按照国家分类对含钴产品贸易量进行梳理,明确哪些国家以进口为主,哪些国家以出口为主,以及主要交易的产品是以原材料为主还是以半成品为主.再按商品分类,研究各国的贸易模式在钴交易的生命周期阶段和产品类型方面存在哪些差别.

　　(5)分析与总结:刻画全球典型含钴产品贸易网络格局,揭示基于生命周期的钴全球贸易网络特征;分析全球钴贸易网络格局对我国钴资源供应稳定性的影响

　　1.3 科学问题与创新点

　　本研究将解决以下两个科学问题:

　　全球-区域-国家的钴资源及含钴产品的贸易网络特征是什么?

　　全球钴资源贸易格局对我国的钴资源供应稳定性有什么影响?

　　本文的创新点在于将物质流分析与复杂网络方法相结合,刻画生命周期全球钴贸易格局,揭示全球钴贸易复杂网络特征,分析我国钴贸易稳定性,为保障中国钴资源的稳定供应提供科学支撑.

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　6 主要结论与政治启示

　　6.1 主要结论

　　本文 UN comtrade 数据为基础,以全球 224 个国家和地区国家为研究主体,将参与全球钴产品贸易的各个国家或地区作为贸易网络中的节点,将各个国家和地区之间的贸易流向关系作为贸易网络中的边,根据流动的方向确定边的方向,分别构建了 2008-2017 年全球钴矿石、含钴原材料、电池、高温合金、硬质合金、磁铁、催化剂、颜料和搪瓷、其他产品和钴废弃物贸易复杂网络模型.运用该模型分析了含钴产品全球贸易时空格局及其复杂网络特征的演变,以及中国在全球含钴产品贸易网络中的地位及其变化情况.主要得出以下结论:

　　(1)在钴矿石全球贸易环节,参与贸易的国家数目是整个钴生命周期产品贸易中最少的,全球化程度较低.在此环节中,刚果(金)是最大的钴矿石出口国,且出口量占比逐年增大,2017 年出口量达到全球的 96%.中国是钴矿石的主要进口国.2008-2011 年英国和中国在对钴矿石全球贸易往来的控制能力最强,荷兰则在 2015年开始发展成为控制能力最强的国家.

　　(2)含钴原材料贸易环节中的钴物质贸易量是钴生命周期产品贸易中最大的.中国、美国和德国既是主要的进口国,也是主要的出口国.在含钴原材料贸易网络中,美国和中国对资源流动的控制能力一直位居前列,其次是德国、法国和印度.从 2013 年起,荷兰在对含钴原材料流动的控制能力急速增长,发展成为控制力最强的国家.

　　(3)在钴使用阶段的产品中,参与国家最多的是磁铁贸易,钴物质贸易量最大的是电池贸易,贸易网络紧密程度最高的是电池和磁铁贸易.美国、德国、法国、荷兰均对资源来往的控制能力较强.美国在高温合金、硬质合金、磁铁、催化剂和其他产品贸易中同时扮演着主要进口国和主要出口国的角色.电池贸易的最大的进口国是美国,主要的出口国是中国、日本和韩国.而颜料和搪瓷贸易的主要出口国是西班牙、中国和意大利,主要进口国是印度尼西亚、意大利和阿尔及利亚.

　　(4)钴废弃物环节的网络紧密程度最低,各国之间的联系较稀疏,主要出口国是美国、日本和德国,主要进口国是墨西哥、韩国和加拿大.在贸易网络中美国、德国、英国、韩国、印度和法国拥有明显的中介作用.

　　(5)中国在整个全球含钴产品贸易中,净进口的产品有钴矿石、含钴高温合金和含钴催化剂.在含钴原材料、电池、硬质合金、磁铁、颜料和搪瓷、其他产品和钴废弃物全球贸易中,中国都属于净出口国家.钴的生产和加工环节中,中国在钴矿石和含钴原材料贸易中拥有较强的贸易往来控制能力,中间中心度排名始终位于全球前五.但是中国钴矿石进口来源单一,对刚果(金)的依赖性强,风险较大.在消费环节,中国在含钴硬质合金、催化剂和颜料和搪瓷的全球贸易来往中表现出相对较强的控制能力.而在废弃物阶段中国仅出口钴废弃物,其对该贸易的往来不起到中介桥梁的作用.

　　6.2 全球贸易视角下对中国钴资源的政策启示

　　(1)在矿石方面,我国严重依赖刚果(金)进口,面临的钴短缺风险较高.未来宜多措并举保障钴的稳定供应.首先,促进钴资源供应来源的多源化.加大对刚果(金)钴矿相关项目的投资,巩固现有供应源的同时,在全球范围内寻求除刚果(金)以外的钴资源;第二,通过进口含钴的铜、镍矿石以补充钴矿石的不足;第三,在国内促进含钴产品的循环再利用,构建钴资源全生命周期闭环循环利用体系,提升钴资源利用效率;第四,加大钴替代技术的研发;第五,构建钴的国家战略储备体系以对冲短期供应中断风险.

　　(2)中国应加强国际合作,与钴供应国和下游的一些产品需求商之间建立稳定的贸易关系.由于国内正在大力发展电动汽车产业,对钴的需求也开始增大,一方面应该对国内钴的开采和生产提供优惠政策,另一方面还需要加大对钴回收体系的完善以及提废弃物提炼钴的技术,增加钴废料的回收利用.此外,我国加快对钴替代物的科学研究.

　　(3)在含钴原材料、电池、硬质合金、磁铁、颜料和搪瓷、其他产品和钴废弃物的贸易方面,应该其需求国建立良好的联系和沟通,确保出口贸易的进行.在含钴高温合金和含钴催化剂贸易方面要维护好和主要进口国家的国际关系,并且同时增强国内对这两种产品的生产技术和产量,及时应对风险.

　　6.3 存在的不足与展望

　　将物质流分析与复杂网络方法相结合,刻画了生命周期全球钴贸易格局,揭示全球钴贸易复杂网络特征,由于时间的关系,本文对含钴产品的研究十分有限,今后的的研究可以继续从以下几个方面进行:

　　(1)在现有网络分析的基础上,运用其它的网络分析指标继续进行深度分析,更细致的描述其网络特性.

　　(2)对含钴产品贸易进行社团分析,研究社团的演化情况及我国所处社团情况和在该社团中的地位.

　　(3)分析每种产品在演变过程中的特殊点,结合当时的国际贸易形势、行业状况与各国对钴资源的政策进行深度剖析.

　　(4)根据深入研究,定量的分析我国钴资源的贸易渠道稳定性及对进口国家的依赖程度.
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