文章内容来自国投安信期货 作者肖静
什么是工业硅？
工业硅，又称金属硅，是由硅石（SiO2）经碳质还原剂（石油焦、洗精煤、木炭等）在矿热炉中还原所得，硅含量不小于 98.7%。工业硅是生产有机硅、多晶硅的最重要原料，也是铸造铝合金、变形铝合金中的原料。
工业硅呈暗灰色、具有金属光泽，虽貌似金属，但化学反应中更多显示非金属性质，导电率介于金属和非金属之间，通常被称为半金属，即半导体属性。硅在 650℃以下不导电，可作绝缘材料；超过 650℃开始导电，随温度升高导电性不断提高。硅熔点1683℃，沸点 2628℃，密度 2330 kg/m³。
中国有色金属工业协会统计，金属硅的产量在有色金属产品序列中排在铝、铜、锌、铅之后，是我国第五大有色金属品种。有色金属工业协会数据显示，2021 年，我国工业硅产量 261 万吨，当年同比增长 24.3%。
工业硅的分类：
1）国家标准
工业硅是由硅石经碳质还原剂在矿热炉中还原所得，冶炼过程实际是对硅单质的提纯。不同企业生产出的工业硅仅在硅含量的高低、杂质含量、以及粒度大小上有所区别。中国工业硅产品标准明确，根据国家标准（GB/T 2881-2014），工业硅以硅含量及 3 种主要杂质铁、铝、钙含量的不同，分为 5530#、4410#、4210#、3303#、2202#等规格；该标准主要用于配置合金、制取多晶硅和生产有机硅等。
2）终端用途
按照终端用途，工业硅可分为冶金级、化学级两大品类。冶金级以铸造铝合金为主，变形铝合金及其他金属合金中也有少量添加，加入工业硅的目的是提高金属流动性及韧性。化学级主要运用在硅基新材料方向，即有机硅（硅基材料替代碳基材料）、多晶硅（硅基材料生产能源）领域。冶金级硅主要考虑的是工业硅中铁、钙元素的杂志含量，并以钙为关键。其中，ADC12 牌号的典型再生铸造铝合金，主要使用 553#工业硅和等外硅。A356.2 牌号原生铸造铝合金，主要使用 441#、3303#工业硅。而变形铝合金则 对工业硅中磷等元素有所要求，通常使用杂质含量更少的 2502#、2202#工业 硅。化学级硅用于生产有机硅和多晶硅。其中，有机硅主要使用 421#、411#、 521#等牌号的工业硅，相比铝合金，对铝元素的含量要求更高，通常在 0.2%以下。有机硅不仅要求铁、铝、钙的含量，还会要求钛、磷、硼等微量元素的含量；而多晶硅生产相当于对硅进行提纯，对工业硅的牌号没有严格要求，对一些微量元素有要求，比如影响光电转换效率的硼以及碳等。市场更感兴趣的多晶硅，目前以消费 421#工业硅为主，521#、441#、553#以及硅含量在 99%左右的 99 硅也有广泛使用。随着生产工艺的进步和成本控制的需要，部分冶金级工业硅逐 渐成为多晶硅产业的主流消费规格。在工业硅供应上，随着下游技术水平的进步，市场对工业硅品味的要求逐渐降低，出现了国标以外的等外工业硅，如 97 硅、再生硅。其中，作为低端市场的替代品，97 硅又称等外硅，是由硅石和兰炭在电热炉内冶炼成的产品，其主成分硅含量要比金属硅低一些，在 98％左右，其余杂质包括铁、铝、钙等元素，主要用途为非铁基合金的添加剂，也可以替代金属硅使用，如再生铝合金领域。铁合金在线样本统计，2022 年 3 月全国 97 硅工厂 51 台矿热炉正常开工 40 台，单月产量约 25650 吨，占比约为该机构金属硅产量的 9.22%。2021 年，其国内主要生产情况如下：随着光伏行业的发展、多晶硅新增产能的投放，近年来工业硅的回收体系也在逐渐完善，作为废料回收产品，再生硅的产量逐步增加。再生硅，是工业硅磨粉、多晶硅以及硅片切片等环节所产生的废料经过中频炉回炉熔炼后所得，其名义硅含量在 99%左右。SMM 数据显示，2021 年我国工业硅产量为 317 万吨，其中 97 硅产量 18 万吨，再生硅产量 8.5 万吨，分别占 5.7%、2.7%。不过，需要注意，97 硅在冶炼过程中粒度过大，存在成渣量多、出炉困难、硅回收率降低、能耗增大以及炉底上涨等各种问题，影响 97 硅的产品质量、持续生产。而再生硅在目前工业硅的供应中占比较小，主要来自下游生产的再回收环节，部分产量也直接纳入金属硅。现阶段，供应量统计主要围绕符合国家标准的各牌号的工业硅产量。1）生产工艺
工业硅是将硅石原料经过水洗、筛分和干燥后，根据所选的还原剂（石油焦、洗精煤、木炭等），按照不同的比例进行原料配比，混匀后进入电炉冶炼出来的，实质是矿热炉内连续进行的电热化学反应，其方程式如下：通电后的矿热炉电极释放出电火花，达到 1800 摄氏度以上的高温，加热电炉内的物料；在此过程中，硅被还原出来并呈液态。液态硅在初步冶炼后再进行精炼，降低其中的铝、钙杂质含量；最后硅锭冷却脱模，进行破碎、 分级、包装、称量、入库等工序。工业硅矿热炉，即电弧炉，行业龙头合盛硅业多用 33000kVA、 25000kVA、12500kVA 炉型。按部分省市新增工业硅合规产能要求，新疆、云南、内蒙古等区域要求新建炉需满足 25000kVA 以上大小。2) 原料成本
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%。
新疆、云南是我国工业硅两大主产区，以下列出 2021 年 10 月下旬新疆 553#工业硅成本模型：
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%；同时段 2021 年 10 月，新疆 421#核算的合计成本约为 22950 元/吨。
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%。因此，同时段 2021 年 10 月，云南 421#核算的合计成本约为 19947 元/吨。
生产成本、硅石品质、炉型分布上的差异，决定了我国西北、西南两大工业硅生产区域供应的主力牌号不同，新疆以553#为主，云南以421#为主。广期所拟上市工业硅在牌号选择上，拟为 421#确定 2000 元/吨交割升水。
工业硅的下游消费
工业硅的主要消费领域是有机硅、多晶硅和铸造铝硅合金。我国是全球工业硅最大的生产国、消费国，SMM 数据显示，2021 年全球工业硅产量为 408 万吨，我国占比约 77.1%，达到 317 万吨。(此数据统计涵盖 97 硅、再生硅，样本大于有色金属工业协会数据) 。全球工业硅产销规模基本平衡，就主要消费领域，以 2020 年为例，全球耗硅量最大的是有机硅，占比为 39%；排第二的是铝合金行业，占比 37%；全球看，多晶硅是工业硅第三大消费领域，占比 18%，但其消费处于高速增长阶段，未来发展潜力巨大。与全球相比，我国下游消费可承接的工业硅产量大，消费结构与全球消费结构类似，2020 年我国有机硅、合金硅、多晶硅的消费占比分别为 37%、29%、26%。三大消费领域中，我国多晶硅耗硅量占比明显高于全球，凸显了中国多晶硅生产全球聚集性强的特点。有机硅是目前工业硅消费的第一大领域，其中间、终端应用领域非常广泛，主要消费方向涵盖建筑、电子、家电、电力、医疗、个护、纺织等方面。有机硅的消费方向反映了工业硅价格分析的跨板块特点，即跨化工领域-硅化工。硅化工是硅产业发展的核心基础，硅化学是元素有机化学的最主要分支。硅与碳同属第四主族，硅较碳性质相似，但更为稳定，属于非金属过渡元素，这决定了它的性能。以开发利用硅材料为目的产业活动都属于硅产业，未来的新基建消费升级将为有机硅材料带来巨大机遇。市场最关注、最期待的工业硅消费方向是广泛应用在光伏发电的多晶硅，目前国内消费占比排在第三，多晶硅的消费增速更快，即将在消费量上超过有机硅。多晶硅的生产技术主要为改良西门子法和硅烷法，我国多晶硅使用工业硅粉的比例在 1.08-1.15 不等。多晶硅料可分为光伏级多晶硅料、电子级多晶硅料，前者运用在光伏材料中，后者主要与集成电路有关。这两者的区别主要是纯度不同，光伏级多晶硅料低于电子级，半导体工业用硅必须进行高度提纯。在光伏应用方面，晶体硅光伏发电包含单晶硅片发电、多晶硅片发电两类。其中多晶硅、单晶硅同属于晶体硅，多晶硅是生产单晶硅的直接原料，两者都具备导电性，但多晶硅导电性远低于单晶硅，在机械、光学、热性能上表现也不如单晶硅。太阳能电池发电的主要利用半导体的光电效应，单晶硅规模生产时的光电转换效率为 18%，理论最高可达 25%，是有种类的太阳能电池中最高的。但在行业发展初期，单晶硅的生产成本偏高，未实现广泛应用，而多晶产品依靠价格优势，在一段时间内长期占据市场主导地位。2017 年后，随着硅料生产工艺、拉棒工艺和切割工艺的不断进步，单晶硅生产成本迅速下降，同时新一代电池技术的发展，也让单晶硅片的光电转换效率得到提高，由此 2017 年-2021 年我国单晶硅在光伏硅片市场的占比从 20%提高到 94.9%，实现了对多晶硅片的全面替代。
在半导体应用方面，硅、锗、砷化镓都是目前最常用的半导体材料，但其他材料只能用于特定场景，比如砷化镓只用于高速、非常大规模的集成电路设计；锗由于温度敏感性强，也只用于某些特定场景。随着制造技术的改进，硅因其热稳定性和可用性，广泛应用于电子工业和通讯行业，在半导体行业占据主导地位。
3）铸造铝合金
铸造铝合金是工业硅的第三大消费方向，也是消费量长期表现最稳定的。当硅用作材料添加剂，可以使得制成的铝合金更有韧性而不易碎裂。这一方向的运用，与有色金属铝品种的产消高度相关，铝合金主要应用在汽车、摩托车、铝合金压铸行业，同时还用于变形铝合金中的铝棒、铝板带、铝门窗及航空航天等领域。
除三大常规应用领域外，资本市场关注的其他前沿应用方向，还包括硅碳负极。当前传统石墨负极电池技术接近瓶颈，难以提升能量密度，下游电池企业正在积极应用硅碳负极，未来硅碳负极或将成为大规模应用的新型负极材料之一。
