工业硅又称金属硅,经碾碎后的硅石(石英石)和碳质还原剂(主要成分为精煤、石油焦、木炭、木片等)在电热炉中由碳还原二氧化硅而制得。生产流程分为选矿、材料石以及冶炼三大部分。其中选矿和采石是整个冶炼过程中基础也是最重要的一部分,硅石纯度质量将直接影响成品工业硅质量。下游应用上将工业硅划分为冶金极和化学级两类,化学级用为生产有机硅、多晶硅、以及少量耐火材料的起始原料,冶金级即如铝合金为主的非铁基合金添加剂。产业的终端应用涉及建筑、电力、电子电器、汽车、航空航天等各个国民经济基础领域。工业硅是光伏、半导体等新兴产业链的源头,与当下全球倡导的碳减排和新能源概念紧密相关。
作为制备单晶硅的原料,多晶硅终端需求主要集中于太阳能电池,半导体成为多晶硅需求的重要补充部分。光伏硅片分单晶和多晶两种类型,多晶占比达到60%,而半导体芯片为了保证硅片各个位置电学特性统一性,全部使用单晶硅。两者对于多晶硅需求最大的区别在于对原料纯度要求,其中光伏生产所需的多晶硅规格(99.9999999%,7个9纯度),高温去除氧后的半导体级多晶硅规格要求更为严苛(11个9纯度)。两者硅片制作工艺大体较为相近,但光伏来说流程相对简单;半导体成片芯片将用于信息产业板块中集成电路、分立器件、光电器件和传感器组成部分,最终实现运算和记忆两大功能,因此对于成片精细度更为严苛。
以光伏单晶硅电池片为例,大体流程为先将多晶硅料磨圆、拉晶、抛光得到单晶硅棒,通过酸洗去除表面杂质,再由切割机切片得到单晶硅片。最后将单晶硅片用超声波清洗,最后监测,比如表面光滑度,电阻率等等参数;半导体芯片先将高纯度多晶硅块敲小,放进由石英锅炉里加热熔化,然后用缆线吊起小的晶种棒旋转上拉形成单晶硅晶锭。将晶锭切成1mm的圆片,经反复打磨、抛光、腐蚀、清洗等工艺形成表面像镜面一样光滑的硅晶圆片,可做半导体电子器件的衬底材料同样要经过反复点测。
近两年随着技术进步颗粒硅作为光伏硅料环节新一代技术,具备更大的成本降低潜力,对光伏行业降低度电成本、在全球大范围推广从而实现“碳中和”至关重要。
有机硅因其优异的综合性能覆盖8000多个应用领域,有着“工业味精”的称誉,是工业硅下游需求占比最大的板块。通过将工业硅粉与甲烷气体混合反应,生成有机硅单体,再加工成硅橡胶、硅油、硅树脂来生产其余化工品,广泛应用在建筑、汽车、纺织、医疗、电子等各个领域。全球将进入“碳基时代”向“硅基时代”转型的过程,作为工业硅第一大细分产品,随着体量不断扩大,成本降低,多数有机硅材料与石油基材料类似,有望在部分领域替代石油基材料,未来也仍将承担着工业硅需求端的筑基者角色。
硅铝合金的生产工艺较为简单,90%以上原料为铝,其他微量元素金属元素为添加剂,如铝硅合金、铝硅铜合金、铝硅镁合金等通过加入工业硅来提高金属流动性及韧性和耐腐蚀性。因此产成品可用作汽车、航天、船舶等零部件。
工业硅生产主要成本是石英矿石和电力成本,我国石英矿资源丰富,石英砂矿床种类多,保有矿石储量超过40亿吨,但是质量不高。从品种来看,石英岩和天然石英砂含量最高,高品质的脉石英仅占我国石英矿资源的0.93%。从分布来看,硅石产地遍布全国各地,但地区特征明显,西部地区硅石资源丰富。在三大工业硅主产地中,以云南、四川地区硅石资源较为丰富,新疆地区缺乏硅石资源。我国工业硅产能主要分布在电力资源充沛的西北、西南地区。依托于丰富的煤电、水电资源,国内主要产区分布在新疆、云南、四川三大产区,产能供应占比合计达79%。其中新疆原料及电力成本最低,火力发电较为稳定,但运输成本略高,生产技术管理劣势突出;云南、四川原料及电力及运输成本较低,但水电受季节影响大。