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广期所“工业硅”品种上市前瞻:硅基产业链的源头

一、工业硅概述

工业硅又名金属硅或结晶硅,是由硅石(SiO2≥99.2%,通常为石英石或鹅卵石)和碳质还原剂(石油焦、洗精煤、木炭等还原剂)在矿热炉内经高温反应冶炼形成的产品,主成分硅元素的含量在98%左右,其余杂质为铁、铝、钙等。性质与锗、铅、锡相近,可用于半导体等。

图1、工业硅                                         

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数据来源:公开资料 宝城期货金融研究所

工业硅按国家标准(GBT2881-2014)分为8个牌号,牌号按照硅元素符号与4位数字相结合的形式表示,可把准金属硅分为5530#、5210#、4410#、4210#、4110#、3303#、2202#、1101#等不同的牌号。其中Si4210需求量最大,Si5530应用更为广泛。

4位数字依次分别表示产品中主要杂质元素铁、铝、钙的最高含量要求,其中铁含量和铝含量取小数点后的一位数字,钙含量取小数点后的两位数字。(如4210#工业硅指的是铁含量<=0.4%,铝含量<=0.2%,钙含量<=0.1%。)。

图2、工业硅牌号                                         

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数据来源:wind 宝城期货金融研究所

根据具体用途对微量元素的要求,还分为化学用硅和冶金用硅。一般来说,工业硅在有机硅和硅合金市场上的应用没有那么严格,纯度达到98.5%即可。但是多晶硅和单晶硅产品作为太阳能光伏行业的原材料要求更高的纯度,需要将工业硅进行进一步的提纯,使之达到太阳级硅(SoG-Si)的要求。

二、工业硅产业链情况

图3、我国工业硅产业链示意图

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数据来源:广州期货交易所 宝城期货金融研究所

工业硅的生产环节, 包括硅矿石的开采、 精选, 再到工业硅的初炼和精炼。在上游的冶炼环节中, 硅煤、石油焦以及石墨电极是十分重要的还原剂耗材。与此同时,工业硅行业属于高耗能行业,生产1吨工业硅消耗大约13000度电,电力成本在总生产成本中占比较高。

工业硅中游主要用于四个方向的应用:

  • 铝合金,在铝合金铸造过程中加入硅可以提高合金的高温流动性和耐磨性,同时减少收缩率和热裂倾向;

  • 有机硅, 即有机硅化合物,兼备无机材料与有机材料的性能,具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、 气体渗透性高等基本性质,并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性等优异特性;

  • 多晶硅,金属硅经过进一步提纯,可制备成为多晶硅。多晶硅是极为重要的光伏和半导体材料;

  • 耐火材料等。

工业硅下游的应用领域十分广泛。其中,含硅铝合金可用于汽车发动机、建材、汽车轮毂等产品制造;有机硅广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业;多晶硅主要应用于光伏发电、半导体以及集成电路等领域; 耐火材料普遍应用于钢铁、 有色以及化工行业。

1、工业硅上游:生产流程

工业硅是以硅石(石英砂)为原料,以碳质材料为还原剂,通过在矿热炉中熔炼获得。

具体操作流程:硅石及还原剂按一定的配比称量自动加到矿热炉内,将炉料加热到2000摄氏度以上,二氧化硅被碳还原剂还原生成了工业硅液体和一氧化碳(CO)气体,CO气体通过料层逸出,并将炉料预热。

在硅水包底部通入氧气、空气混合气体,以除去钙、铝等其他杂质。通过电动包车将硅水包运到浇铸间浇铸成硅锭。硅锭冷却后进行破碎、分级、称量、包装、入库得到成品硅块。烟气经炉口烟罩进入烟道,经空冷器、风机进入布袋除尘器除尘等环保设施处理后,达到国家规定排放标准排放。

化学反应方程式为:SiO2+2C→Si+2CO,其中硅石SiO2和碳质还原剂C是工业硅冶炼的两种主要原料。

生产1吨工业硅需要2.7-3吨硅石,需要2吨左右还原剂(种类包括木炭、石油焦、兰炭、低灰分烟煤等)以及0.1-0.13吨8 电极。

图4、工业硅生产流程

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数据来源:广州期货交易所 宝城期货金融研究所

(1)硅石

硅矿石是工业硅冶炼最主要的原料,也是脉石英、石英岩、石英砂岩的总称。从硅石资源类型来看, 我国石英岩的保有量为20.9亿吨,占硅石资源储量的53.35%; 天然石英砂12.3亿吨,占31.5%;其次是石英砂岩和脉石英分别为5.6亿吨、0.4亿吨,占14.22%和0.93%,高品质的脉石英占比较低。

从地理分布来看,我国硅石资源主要分布于西北地区,保有矿石储量达到 19.1亿吨,占全国保有矿石储量的49%左右,主要分布于青海大通及陕西汉中等地的石英岩矿,陕西神木、宁夏惠农、新疆库车等地的石英砂矿岩,甘肃兰州、新疆昌吉及宁夏固原等地的石英砂矿。

图5、中国矿石资源分布情况

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数据来源:广州期货交易所 Mysteel 宝城期货金融研究所

(2)还原剂

工业硅生产对还原剂的基本要求:有一定的粒度和机械强度、灰分低、化学反应性强、固定碳高、比电阻高、挥发分适中。工业硅常用的还原剂有:兰炭、木炭、烟煤、石油焦,工业硅生产中通过选用不同种类的还原剂,并调整它们之间的配比来控制工业硅的质量和炉况。

按照使用碳质还原剂的种类,工业硅生产工艺主要被分为全煤工艺与非全煤工艺两大类。我国工业硅主流生产技术是全煤工艺,仅使用洗精煤作为碳质还原剂。非全煤工艺则同时使用木炭、烟煤和石油焦三种还原剂。其中木炭化学活性高,但较为稀缺,由于价格高且不符合环保要求,因此只在有特殊要求的品级中使用。烟煤的化学活性低于木炭但高于石油焦,但因其灰分较高,生产过程中形成的残留炉渣较多,所以不常使用。而石油焦的固定碳含量最高,灰分低,多用于生产高品级的工业硅。

2、工业硅下游:有机硅

有机硅是金属硅的重要下游产业,是对含硅有机化合物的统称,产品种类众多、应用领域广泛,其中又以聚硅氧烷应用最为广泛,约占有机硅产品总用量的90%以上。有机硅产业链上游基础原料为硅粉和氯甲烷,主要单体为甲基氯硅烷,约占整个有机硅单体总量的90%以上;下游为硅树脂、硅橡胶、硅油、硅烷偶联剂等四大类深加工产品。

有机硅产品兼具有机物与无机物的特性和功能,具有耐高低温、耐气候老化性、耐腐蚀、电气绝缘、无毒无味等优异特性,广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、医疗等国民经济的各个领域。从下游分布来看,建筑业、电子电器和纺织业的消费量分别占据有机硅下游消费的32%、 31%和11%。

图6、有机硅产业链示意图

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数据来源:广州期货交易所 宝城期货金融研究所

3、工业硅下游:多晶硅

多晶硅是单质硅的一种形态,是工业硅三大应用领域之一,主要用于光伏领域。其中,光伏领域用的太阳能级硅应用占比约95%,而电子级多晶硅主要用作半导体电子材料,对纯度要求极高,产量较少。在光伏领域,多晶硅料经过融化铸锭可分别做成多晶硅片,进而用于制造晶硅电池;电池片经排列、封装并与其它辅材组合构成太阳能电池板。

工业硅粉是多晶硅的核心原材料,多晶硅制备主要采用改良西门子法加冷氢化生产工艺,以工业硅粉为主要原材料,经过三氯氢硅合成、精馏提纯、还原、产品破碎整理、尾气回收、冷氢化等流程生产高纯多晶硅。

根据光伏行业协会的数据显示,2015-2020年我国多晶硅产量稳定上升, 2020年多晶硅产量达39.2万吨。我国多晶硅企业多分布于低电价区域,如新疆、四川和内蒙古等地。

图7、多晶硅产业链示意图

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数据来源:广州期货交易所 宝城期货金融研究所

4、工业硅下游:铝合金

工业硅主要作为非铁基合金的添加剂,工业硅与其他金属制成合金以提升性能。铝合金是合金硅行业的主要产品,含硅量为7-12%,硅元素能有效改善合金的耐腐蚀性能和机加工性能。铝合金主要用于制造低中强度的形状复杂的铸件,如盖板、电机壳、托架等。由于铝合金质量轻、力学性能良好,被广泛应用于汽车工业及机器制造业。

2020年中国铝合金产量964万吨,同比增长2.3%,自2015年以来均年复合增速达8.89%。2021年我国铝合金领域的工业硅消费量约53.9万吨,自2015年以来年均复合增长率为7.65%。

三、工业硅现货贸易格局

工业硅全球贸易流动性较强,每年国家之间的贸易流通量为120万吨左右(不包含各国的国内贸易量),约占全球产量1/3。工业硅主要出口国与主要的工业硅生产大国一致,为中国、挪威和巴西,2020年其出口量分别为62万吨,21万吨,17万吨,分别占全球出口总量的51%、18%和14%。

工业硅全球贸易流向总体较为集中。受到欧美国家对中国的反倾销限制,中国工业硅主要供应亚洲地区,以日本和韩国为主。挪威的贸易流向集中在附近的欧盟国家,少量供应到日本和美国。巴西的工业硅贸易量主要流入美国、英国和欧盟。

图8、全球工业硅主要贸易流向

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数据来源:广州期货交易所 宝城期货金融研究所

我国工业硅出口量保持稳定,但产量占比收窄,因国内需求增大,对出口形成替代。中国工业硅年出口量在60-80万吨之间,占国内总产量的30%左右,占海外工业硅总需求的40%左右。

欧盟和美国从20世纪90年代开始对中国工业硅征收反倾销税。导致我国工业硅出口目的地主要是以日韩为主的亚洲国家。展望未来趋势,反倾销税预计短期不会取消,出口地仍以日韩及东南亚为主。国内下游硅产业结构不断调整升级,竞争力不断增强,工业硅需求增大。海外主要下游企业均有在中国扩建产能计划,中国企业也有工业硅设厂走出去的计划。

图9、2014-2025年我国工业硅出口地区表(单位:万吨)

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数据来源:广州期货交易所 宝城期货金融研究所

出口港口方面,广州黄埔港是我国第一大工业硅出口港,靠近西南产区,且运费显著低于其他产区运送至临近港口的费用。由于新疆产能的崛起,天津港也逐渐发展成为工业硅的主要出口港之一。

图10、我国工业硅主要出口海关

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数据来源:广州期货交易所 宝城期货金融研究所

图11、工业硅进出口关税税率

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数据来源:广州期货交易所 宝城期货金融研究所

国内现货贸易方面,贸易方式以直销为主,下游有机硅、多晶硅为主,少有贸易商参与,分销方式则是发生在出口及国内铝合金两个环节。同时,贸易定价主要有三种,分别是第三方定价、现货定价和招标定价,其中第三方价格影响偏大,市场缺乏统一、公开、透明、权威的市场价格。

图12、国内工业硅贸易方式和定价方式

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数据来源:广州期货交易所 宝城期货金融研究所

四、工业硅生产成本构成

工业硅生产成本主要是原料采购(硅石、还原剂、石墨电极)与电力消耗两大部分,其中:

硅石:工业硅的原料硅石分为石英石、鹅卵石两种,每生产1吨工业硅需要2.7-3吨硅石(龙头合盛硅业消耗2.4-2.6吨)。

还原剂(石油焦、洗精煤、木炭等):不同地区工业硅生产企业所选用的碳质还原剂有所不同,主要种类包括石油焦、洗精煤、木炭等;每生产1吨工业硅需要消耗大约2吨还原剂;工艺上,云南地区电弧炉生产需要添加木炭,新疆地区直流电弧炉通常选用石油焦代替木炭。

石墨电极:工业硅冶炼通常使用普通功率石墨电极,每吨工业硅大概需要消耗0.1-0.13吨电极(龙头合盛硅业0.06-0.09吨)。

电耗:工业硅生产耗电量大,单位电耗在11000-13000度左右。

其他(人工及折旧):人工、折旧及维修费用合计在1800-2500元/吨间,占总成本约8-12%。

不同牌号工业硅的生产成本不同。新疆421#工业硅,在原料选择方面,与 553#相比,所选硅石、洗精煤原料价格更高,尤其洗精煤,单价高出2200元/吨、成本占比达到38%。

不同地区同一牌号工业硅的生产成本不同。421#工业硅是云南省工业硅主产型号,与新疆相比,云南产区的421#工业硅电价因枯峰水期波动略高于新疆,但整体电耗占比较低,约占29%。同时,相比新疆,云南工业硅还原剂的选择增加了木炭(多为缅甸进口),其石油焦、木炭、洗精煤各占总成本的13%、12%、11%。

图13、工业硅成本构成情况

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数据来源:广州期货交易所 宝城期货金融研究所

作者:宝城期货金融研究所  涂伟华

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