1、钒钛磁铁矿综合利用关键技术专利分析 朱月仙 张娴 许轶 王超 方曙 中国科学院成都文献情报中心 中国科学院大学 摘 要： 针对钒钛磁铁矿综合利用的关键技术开展专利分析, 重点关注钒钛磁铁矿富集与分离的火法及湿法工艺、同时利用一种以上元素的多金属综合利用技术以及重要钒钛产品的生产技术。考察了钒钛磁铁矿综合利用关键技术全球专利基本态势, 包括总体趋势、地域分布、重要竞争者、技术发展动向等;重点分析了在华活跃发明专利的技术构成。分析结果表明, 钒钛磁铁矿综合利用关键技术目前处于快速发展期, 专利申请涉及的钒钛产品品种及富集分离工艺逐渐多元化;中国的专利受理数量遥遥领先, 各国专利受理数量基本与钒钛磁
2、铁矿储量分布相匹配。最后, 在分析的基础上对国内机构提出了相应的专利布局建议。关键词： 钒钛磁铁矿; 综合利用; 富集与分离; 专利分析; 作者简介：朱月仙 E-mail:;Tel:13880779237收稿日期：2017-05-03基金：中国科学院科技服务网络计划 (STS) (KFJ-EW-STS-132) 资助Patent Analysis of Key Technologies in Vanadium Titanium Magnetite Comprehensive UtilizationZHU Yuexian ZHANG Xian XU Yi WANG Chao FANG Shu C
3、hengdu Library and Information Center, Chinese Academy of Sciences; Abstract： Patents of key technologies in the comprehensive utilization of vanadium titanium magnetite are analyzed in this paper. Focusing on the pyrometallurgical process and hydrometallurgical process for enriching and separating
4、vanadium titanium magnetite, comprehensive utilization technology of multi-metal ore while using more than one element at the same time, and production technology of vanadium-titanium products, the basic trends of the global patents are analyzed, including the overall trends, geographical distributi
5、on, important competitors, technology trends and so on, and the technical composition of active patents in China were mainly analyzed. The results show that the key technologies in the comprehensive utilization of vanadium titanium magnetite is in rapid development period, the patents involving vana
6、dium-titanium products and enriching and separating process are gradually diversified; China, holds a leading position in terms of accepted patents, the number of patent applications accepted is well-matched with vanadium-titanium magnetite dispersal. Finally, the suggestions of patent layout are pr
7、oposed for domestic institutions based on the analyzing results.Keyword： vanadium titanium magnetite; comprehensive utilization; enrichment and separation; patent analysis; Received： 2017-05-031 引言钒钛磁铁矿是一种铁、钒、钛等多种有价元素共生的复合矿1。世界上钒钛磁铁矿资源比较丰富的国家主要有:俄罗斯、中国、南非、美国、加拿大等, 已探明的世界储量将近 480 亿吨2。我国钒钛磁铁矿储量丰富, 除铁、
8、钛、钒外, 常伴生铬、钴、镍、铜、镓、钪, 有的矿床还伴生铂族元素或铌、钽、锆、铀、钍、锌和稀土元素3, 具有很高的综合利用价值。其中攀西地区是我国最大的钒钛磁铁矿矿床, 按现有保有储量计算, 仅攀枝花钒钛磁铁矿直接经济价值就约为 3.4 万亿元4。另外, 随着世界航空航天产业的逐步升温, 原子能发电、船舶换热器等含钛设备即将得到大量应用, 未来钒也将重点应用于钒流储能电池以发展可再生能源, 世界对钒钛资源的关注程度越来越高, 其重要性越来越突出5, 同时随着高新技术产业的飞速发展, 钒钛磁铁矿所拥有的“三稀”矿产资源也越来越受重视。综上, 钒钛磁铁矿综合利用的战略价值日益凸显。本文针对钒钛磁
9、铁矿综合利用的关键技术开展专利分析, 重点关注钒钛磁铁矿富集与分离的火法及湿法工艺、同时利用一种以上元素的多金属综合利用技术以及重要钒钛产品的生产技术, 考察了钒钛磁铁矿综合利用关键技术全球专利基本态势, 包括总体趋势、地域分布、重要竞争者、技术发展动向等, 重点分析了在华活跃发明专利的技术构成。2 数据来源与分析工具本文所分析数据来源于美国汤森路透科技信息集团 (Thomson Reuters Scientific) 的 Thomson Innovation 数据库和 ISI Web of Knowledge 知识平台中的德温特创新专利索引 (DII) 数据库 (检索日截至 2016 年 3
10、 月) 、国家知识产权局的中国专利数据库 (检索日截至 2016 年 3 月) 。分析工具为科睿唯安的数据分析工具 TDA (Thomson Data Analyzer) 、TI (Thomson Innovation) 分析平台, 中国科学院专利在线分析系统 3.1。3 钒钛磁铁矿综合利用关键技术全球专利申请时间趋势截至检索日 (2016 年 3 月 10 日) , 钒钛磁铁矿综合利用关键技术全球专利申请共 4415 项 (一组同族专利视为一“项”专利申请, 单篇专利文献以“件”计数) , 自 1958 年第一项专利申请后, 相关研发和专利申请活动逐渐开展起来。图 1 揭示了专利申请活动的阶
11、段性特点 (基于最早优先权年统计) :19581969 年为萌芽期, 相关技术研究起步较快, 专利申请数量增长较迅速;19701990 年为技术推动期, 相关研发活动持续且专利申请数量总体较为平稳;19911999 年为波动期, 专利申请数量起伏较大, 波动中呈上升趋势;2000 年至今为快速发展期 (由于专利申请与公开之间存在 18 个月的时滞, 因此 2014、2015 年的数据仅供参考) , 专利申请数量呈迅速上升之势。4 钒钛磁铁矿综合利用关键技术全球专利申请地域分布如表 1 所示, 从目前已发现的钒钛磁铁矿储量来看, 俄罗斯、中国、南非、美国、加拿大、新西兰、澳大利亚、芬兰、瑞典、挪
12、威位列前十位。钒钛磁铁矿储量越大, 说明该国家/地区对相关开发利用技术的需求可能更大, 因而在这些技术市场进行专利申请保护的重要性更强。如图 2 所示, 就各国家/地区专利受理数量来看, 中国的专利受理量位列第一, 远超其他国家/地区, 优势明显, 中国市场是专利申请人们非常重视的技术市场, 其次为日本、俄罗斯、美国。表 1 钒钛磁铁矿储量排名前十国家的储量及专利受理量对比 下载原表 从钒钛磁铁矿储量及当前专利受理数量二者对比情况来看, 不同国家/地区的钒钛磁铁矿综合利用关键技术市场潜力主要差异表现出如下几种类型:图 1 钒钛磁铁矿综合利用关键技术全球专利申请时间趋势 (单位:项) 下载原图图
13、 2 钒钛磁铁矿综合利用关键技术全球专利受理量排名前十的国家/地区 (单位:项) 下载原图1) 专利受理数量与储量分布基本相匹配, 如中国、俄罗斯、美国、加拿大、澳大利亚、南非、挪威, 这些国家的专利受理数量和储量都较大;2) 储量较大, 但当前专利受理数量非常少, 技术市场尚未引起申请人重视, 可抢先进行专利申请, 如新西兰、芬兰、瑞典;3) 储量少, 但是专利受理数量排名前列, 如日本、德国, 分析可知, 这些专利多涉及钒钛产品生产技术。5 钒钛磁铁矿综合利用关键技术重要专利申请人图 3 为钒钛磁铁矿综合利用关键技术专利全球申请量前 15 位的专利申请人。其中攀钢集团申请量具有绝对领先优势
14、, 专利申请数量超过第 2、3 位的住友集团和中国科学院的总和。中国机构占据专利申请总量优势, 日本机构次之:前 15 位专利申请人中, 中国有 9 位, 分别是攀钢集团、中国科学院、河北钢铁集团、东北大学、鞍钢集团、北京科技大学、四川龙蟒集团、昆明理工大学、中南大学;日本有 4 位, 分别是住友集团、日本东邦集团、石原产业株式会社、新日铁有限公司。中国申请量领先的 9 位申请人中包括 4 家企业、4 家高校和 1 家科研机构 (中国科学院) ;日本领先的 4 家申请主体均为企业。6 钒钛磁铁矿综合利用关键技术专利发展动向6.1 全球专利技术发展动向通过对比各技术发展阶段的专利景观图 (图 4
15、) , 可以了解不同时期的专利申请活动的技术主题分布特点, 图中的点代表一篇专利文献, 点与点之间的距离代表专利文献之间内容的相似程度, 最终形成山峰。不同山峰区域内的专利文献代表某一特定技术主题。地图中的不同颜色表示技术区域内专利的数量, 白色即专利文献最密集部分, 说明涉及该技术主题的专利申请量最多, 是研发中的热点技术6:图 3 钒钛磁铁矿综合利用关键技术全球专利申请人 Top 15 (单位:项) 下载原图1) 技术萌芽期 (19591969 年) :该阶段专利主要涉及钒合金及五氧化二钒等钒产品的生产技术;利用电解、火法冶炼等方式的提钒技术;二氧化钛的生产技术;2) 技术推动期 (197
16、01990 年) :这一阶段的专利申请重点包括:钛产品生产技术, 相较于技术萌芽期品种逐渐向多元化发展, 虽然重点仍为二氧化钛, 但在钛合金、碳化钛、钛酸钾等方面也有较多专利产出;利用高炉、流化床等火法冶炼技术以及对炉渣的利用技术;硫酸法、盐酸法、氯化法等各种富集与分离技术;3) 波动期 (19911999 年) :钒钛产品生产技术, 除与技术推动期相同的二氧化钛、钛合金外, 申请重点还包括人造金红石、钒合金以及钒渣;钛铁矿浸出、沉淀提钒等湿法分离技术;高炉、电炉熔融以及流化床利用等火法冶炼技术;4) 快速发展期 (2000 年至今) :这一阶段的专利申请重点仍为钒钛产品的生产技术, 如二氧化
17、钛、海绵钛、四氯化钛、人造金红石、偏钒酸铵、五氧化二钒等;其次还涉及高炉等各种熔炼方法以及熔盐电解等湿法分离技术。6.2 在华活跃发明专利技术构成目前钒钛磁铁矿综合利用关键技术在华活跃发明专利 (即截至检索日, 法律状态为有效和在审状态的发明专利或发明专利申请) 共 1396 件, 从总体技术构成来看:(1) 富集与分离技术 (931 件) 、钒钛产品生产技术 (841 件) 已有较多活跃发明专利分布, 而多金属综合利用技术 (180 件) 的分布数量明显较少;图 4 钒钛磁铁矿综合利用关键技术全球专利技术主题时间发展趋势 下载原图(2) 多金属综合利用技术活跃发明专利中, 67%集中在对两种
18、元素的开发;(3) 目前富集与分离技术的活跃发明专利以湿法工艺为主, 传统的火法工艺仅占活跃专利总量的 27%。1) 多金属综合利用类专利技术发展动向钒钛磁铁矿为多金属共伴生矿, 除含铁、钒、钛外, 还包含数量可观的铬、钴、镍、铜、镓、锗以及钪、钇、稀土、硫、碲、铋、铂族等共伴生资源7。分析多金属综合开发技术的活跃发明专利 (图 5) 可知:(1) 除铁、钒、钛外, 多金属综合开发技术涉及较多的元素还有铬、钪, 其他元素开发的相关专利尚较少;(2) 多金属综合利用中仅钛铁、钒铬、钒钛铁活跃发明专利分布较多, 钒铁、钛钪、钒钛铁铬也有少量专利, 其余元素, 如钛锰、钛钪锆、钒铁磷镍仅有零星活跃发
19、明专利分布;(3) 有少量活跃发明专利涉及 5 种以上元素的综合利用, 如南非安格洛操作有限公司申请的两件专利8,9利用盐酸对钛矿进行浸取, 回收Zn、Cu、Ti、Al、Cr、Ni、Co、Mn、Fe、Pb、Na、K、Ca、铂系金属和金等多种有价元素。图 5 钒钛磁铁矿综合利用关键技术在华活跃发明专利技术分支构成:多金属综合利用类 (单位:件) 下载原图2) 富集与分离类专利技术发展动向通过分析富集与分离技术的活跃发明专利 (图 6) 可知:(1) 湿法工艺活跃发明专利数量最多, 相关专利技术基本采用多种手段相结合的工艺, 如将钒渣氧化后沉淀提钒。其中采用最多的为酸浸、碱浸、沉淀、萃取等分离手段
20、;其次采用电解、氯化手段的相关专利数量也较多, 尤其是熔盐电解和熔盐氯化的工艺;(2) 火法工艺活跃发明专利中, 电炉、高炉、转炉涉及数量最多, 如采用电炉熔分还原;转底炉、隧道窑、回转窑数量次之, 多采用直接还原的手段;其他多涉及钠化焙烧、钙化焙烧、氧化焙烧、还原焙烧等未提及装置的火法工艺;(3) 火湿法相结合的活跃发明专利申请大部分涉及将焙烧、煅烧等火法工艺与酸浸、碱浸等浸出分离工艺相结合的技术, 尤其鞍钢集团申请了近 20 件利用煅烧、碱浸等工艺分离铁精矿和钛精矿的相关专利。图 6 钒钛磁铁矿综合利用关键技术在华活跃发明专利技术分支构成:富集与分离类 (单位:件) 下载原图3) 钒钛产品
21、生产类专利技术发展动向产品生产相关在华活跃发明专利中 (图 7) , 钛产品专利数量远多于钒产品, 研发界当前对钛相关产品的开发更为活跃。(1) 钛产品种类繁多, 但活跃发明专利分布非常集中, 近半数涉及钛白/二氧化钛的生产, 其次专利数量较多的还有钛合金、海绵钛、钛酸盐、四氯化钛, 而高纯钛、碳化钛、钛石膏、钛粉等产品的专利数量较少;(2) 钒产品活跃发明专利 70%以上涉及钒合金和五氧化二钒, 其次为硫酸氧钒和钒酸钠、矾酸钾等各种钒酸盐, 仅零星专利涉及高纯钒等产品的生产;(3) 钛合金和钒合金的活跃发明专利分布也非常集中, 其中钛合金 75%以上为钛铝合金、钛铁合金和钒钛合金;钒合金 8
22、5%以上为钒氮合金和钒铁合金。图 7 钒钛磁铁矿综合利用关键技术在华活跃发明专利技术分支构成:钒钛产品生产类 (单位:件) 下载原图7 主要结论和建议1) 主要结论(1) 钒钛磁铁矿综合利用关键技术从 2000 年起进入快速发展期, 专利数量增长迅速;专利申请涉及的钒钛产品品种及富集分离工艺逐渐多元化, 而二氧化钛在各个阶段都是专利申请的重点。 (1) 19591969 年为技术萌芽期, 呈现专利申请数量增长快但总体数量少的特点。这一时期专利重点涉及的钒钛品种少, 主要集中在二氧化钛、五氧化二钒及钒合金等; (2) 19701990 年为技术推动期, 专利申请数量平稳。这一阶段专利重点涉及的钛
23、产品品种更加多样化, 钛合金、碳化钛、钛酸钾等也成为申请重点;硫酸法、盐酸法、氯化法等工艺开始盛行; (3) 19911999 年为波动期, 年专利申请数量波动较大。这一阶段人造金红石的生产技术, 以及浸出、沉淀等湿法分离技术成为专利申请重点; (4) 2000 年起进入快速发展期, 各种钒钛产品的生产技术仍为专利申请的重点。(2) 中国的专利受理数量遥遥领先, 其次为日本、俄罗斯、美国、德国。各国专利受理数量基本与钒钛磁铁矿储量分布相匹配, 但新西兰、芬兰、瑞典钒钛磁铁矿储量较大, 现有专利受理数量却非常少, 这些技术市场尚未引起申请人足够重视。(3) 攀钢集团、住友集团、中国科学院、日本东
24、邦集团、杜邦公司、河北钢铁集团、东北大学、鞍钢集团、北京科技大学、拜耳公司、石原产业株式会社、四川龙蟒集团、昆明理工大学、新日铁有限公司、中南大学为钒钛磁铁矿综合利用关键技术专利全球申请量前 15 位的专利申请人, 其中攀钢集团的申请量具有绝对领先优势。(4) 对在华活跃发明专利进行分析可知: (1) 多金属综合利用类技术集中在铁、钒、钛、铬、钪等少数几种元素, 钛铁、钒铬、钒钛铁综合开发已形成一定规模的专利布局; (2) 富集与分离类技术中, 采用多种手段相结合的湿法工艺属于热门研发领域, 其中酸浸、碱浸、沉淀、萃取、电解、氯化为热门技术手段;火法工艺中, 电炉、高炉、转炉使用频率最高;火湿
25、法结合工艺近年研发活跃; (3) 钒钛产品生产类技术中, 钛产品主要涉及钛白/二氧化钛、钛合金、海绵钛、钛酸盐、四氯化钛生产技术, 钒产品主要涉及钒合金和五氧化二钒生产技术。2) 启示及建议基于以上对钒钛磁铁矿综合利用关键技术的相关专利分析, 就国内机构在该领域的发展提出如下建议:(1) 多金属综合利用目前在华活跃发明专利申请较少, 除钛铁、钒铬、钒钛铁外, 其他类型的综合利用技术有待后续研发, 如钛锰、钛钪锆、钒铁磷镍仅有零星专利分布, 钴、镍、铜、镓、锗、钇、稀土、硫、碲、铋、铂族等伴生资源的综合利用技术几乎未见有专利申请, 可加强对这些利用技术的研发, 抓紧进行专利布局;(2) 传统的火
26、法冶炼工艺中, 电炉、高炉、转炉专利涉及数量较多, 而焦炉、管炉、熔池炉的专利申请非常少, 可能是研发机会所在;(3) 火湿法相结合的工艺现有专利申请较少, 是研发机会所在, 近年也越来越受到申请人重视, 可以充分发挥火法、湿法工艺的优势, 从中寻找技术突破点;(4) 自 2000 年 D J Fray 等人提出熔盐电解二氧化钛制备金属钛以来, 掀起了熔盐电解制备金属的热潮10。目前熔盐电解法国内外专利申请数量均较多, 需高度关注现有的研发产出, 避免重复研发;(5) 现有钒钛产品生产技术专利申请技术主题分布非常集中, 但在高纯钛、碳化钛、钛石膏、钛粉、高纯钒等技术主题方向尚未见有形成专利密集
27、分布, 可争取布局机会;(6) 抓紧进行高附加值钒钛产品的专利布局。当前国内钒钛产业的发展趋势是产品的结构升级, 产业向高端领域转移。国内石化、航空航天、电力、海洋工程以及体育休闲等行业对高端钛产品的需求旺盛, 同时计算机等高科技产业对钛的需求增长点也在不断涌现, 促使钛产品向高端领域发展11,12。目前国内高纯钛专利申请数量较少, 配合产业升级, 应抓紧在高纯钛、钛合金等高端钛材进行研发和专利布局;另外, 国际市场对钒产品的需求逐渐多样化, 需加强钒铝合金、钒电池、钒功能材料、高纯粉剂氧化钒等高附加值钒产品的专利布局;(7) 结合钒钛磁铁矿储量分布进行海外市场精准专利布局。国内申请人当前相关
28、技术海外专利申请严重缺乏, 建议加强海外专利布局。可结合钒钛磁铁矿储量分布综合考量, 针对资源储量大国对开发利用技术的潜在需求, 进行海外技术市场的精准布局。可优先考虑俄罗斯、美国、加拿大、澳大利亚、南非、挪威、新西兰、芬兰、瑞典等国, 尤其注意新西兰、芬兰、瑞典市场当前还未引起申请人足够重视, 可抢先进行专利布局。参考文献1锡淦, 胡克俊.攀钢钒钛回收新进展J.钢铁钒钛, 1998 (12) :58-64. 2刘洋.高炉冶炼高铬型钒钛磁铁矿渣系统优化的研究D.沈阳:东北大学, 2012. 3岩石矿物分析编委会.岩石矿物分析 (第二分册) M.4 版.北京:地质出版社, 2011:753-75
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