摘要
广期所即将上市工业硅期货，为了便于投资者理解工业硅行业，我们推出工业硅期货系列专题报告，本文是系列的第一篇，主要对工业硅基本概念及行业发展进行梳理。
硅元素在自然界中分布广泛，是仅次于氧元素的第二大元素。硅元素的提取原理较为简单，即将硅石中的二氧化硅通过碳还原成为单质硅。不过，工业化的硅元素的提取需要较高的条件，包括优质的硅石、合适配比的还原剂、耐高温的容器等。
工业硅下游是有机硅、多晶硅和铝硅合金三大行业。终端应用广泛、包括建筑装饰、电子、家电、电力新能源、医疗护理、纺织、交通、光伏等。
工业硅产业起始于上世纪50年代，我国工业硅产业于1957年在苏联的帮助下初步建立。近十多年来，海外工业硅产能产量增长缓慢，当前中国工业硅产量已占全球的70%以上，全球工业硅产业发展主要看中国。伴随着我国双碳目标的提出，对硅产业的理解逐渐从“高耗能”过度到“高载能”，在绿色能源需求爆发增长的当下，硅产业将迎来新的发展机遇。
正文
一、工业硅基础知识
1.1、工业硅的概念
硅是自然界中分布最广的元素之一，硅的含量约占地壳质量的26%，仅次于氧元素。硅是非金属元素，但从性质上看是介于金属和非金属之间的半金属。在自然界中，硅主要是以氧化硅和硅酸盐的形态存在。硅在常温下不活泼，在高温下化学性质比较活泼。
工业硅，又称金属硅，通常呈灰色，有金属色泽，性硬且脆，是由硅矿石（石英砂，主要成分为二氧化硅）和碳质还原剂（木炭、石油焦、煤等）在矿热炉内冶炼成的产品。工业硅国家标准显示，工业硅各牌号硅含量介于98.1%到99.79%之间。值得一提的是，近年来市面上出现了一些超出国标以外的等外硅，以及冶炼工艺区别于工业硅的97硅。97硅同样使用矿热炉冶炼，名义硅含量在97%左右。
1.2、工业硅的分类
工业硅国家标准（GBT 2881-2014）按铁、铝、钙这三种杂质含量的不同，将工业硅进行了牌号的分类，工业硅牌号由硅元素符号和4位数字表示，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5530#、4410#、4210#、3303#、2202#等规格。
工业硅的名义硅含量等于100.0%减去表中所列杂质总和的余量，但除了表中所列微量元素外，通常还含有如镍、钛、硼、磷、铅、汞等微量元素，这些微量元素含量不影响牌号的划分，但在生产经营活动中，会根据用途不同对微量元素提出不同的要求。
从用途来看，工业硅分为化学级、冶金级两大品类，化学级下游又分为有机用硅和多晶用硅，冶金级下游以铸造铝合金为主。多晶用硅主要关注的微量元素为Ti、P、B、C，有机用硅主要关注的微量元素为Ni，Ti，冶金用硅主要关注的微量元素为Pd、Cd、Hg、Cr，如图表3所示。
在实际的贸易中，各类型企业对微量元素要求不尽相同，一般会在订货单或合同中注明微量元素的要求。由此看来，虽然国家标准对微量元素有相应规定，但实际贸易活动中的需求个性化差异较为明显。
1.3、工业硅的生产
工业硅的生产原理较为简单，本质上是一个还原反应，是将硅石中的二氧化硅通过碳还原成为单质硅的过程，化学反应方程式如下：
SiO2+2C=Si+2CO↑
根据合盛硅业招股说明书，工业硅的主要生产流程如下：
以经过水洗去泥土等杂质后的硅石作为原料，破碎到一定粒度的煤、石油焦、木炭等作为还原剂，将硅石及还原剂按一定的配比称量自动加到矿热炉内，由变压器导入的电流通过石墨电极及炉料电阻产生的热量和电极端的电弧热将炉料加热到 2000℃ 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。再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。
生产1吨工业硅需要2.7-3吨硅石，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吨电极。
值得一提的是，工业硅生产原料要求十分严格，原料的理化性能必须符合工艺要求，如杂质含量、粒度等，并且还需要有良好的热稳定性与抗爆性。用于生产优级工业硅的硅石，其氧化物杂质含量应达到Fe2O3小于0.15%，Al2O3小于0.20%，CaO小于0.15%的标准；对于生产超优质工业硅，对氧化物杂质含量要求更高，对硅石中其他微量元素亦会做出一定要求。还原剂方面，需要对木炭、石油焦、煤等需要进行合理的配比，要有一定的粒度和机械强度，需要灰分低、化学反应性强、固定碳高、比电阻高、挥发分适中等特点。
工业硅的生产在矿热炉中进行，除了生产工业硅，矿热炉还常用于生产硅铁、硅锰等合金，由于其主要用于金属氧化矿石的还原冶炼，因而得名矿热炉，其他常见名称还有电弧电炉或电阻电炉。矿热炉利用电极端部的电弧热和炉料或炉渣的电阻热将电能转换为热能，使金属等有用元素从矿石或氧化物中被还原出来。因融化加热矿物需要大量热能，因此矿热炉耗电量巨大，矿热炉的大小也通常通过特种变压器额定容量来衡量，如12500kVA、25500kVA、33000kVA等。
1.4、工业硅产业链简介
工业硅的上游为硅石和还原剂。硅石分为石英石和鹅卵石两种，还原剂主要有石油焦、洗精煤、木炭等。此外，工业硅生产中还需要用到电极和木片。从成本的角度来看，电力亦是工业硅最重要的上游，约占工业硅生产成本的30%。
工业硅的下游是有机硅、多晶硅和铝硅合金三大行业。有机硅应用领域较广，主要终端有建筑装饰、电子、家电、电力新能源、医疗护理、纺织、交通等；铸造铝硅合金主要应用于汽车、摩托车、建材；多晶硅有光伏发电和半导体两方面的应用。除了以上三大下游外，工业硅也用于耐火材料、三氯氢硅、硅石墨负极等。
二、工业硅行业发展历程
2.1、全球工业硅产业发展格局
硅元素的发现源于19世纪，1823年瑞典化学家贝采利乌斯发现并首次制取了硅元素。不过，硅工业的发展自20世纪50年代才正式开始启动，1950年之后，贝尔实验室、西门子集团等研究团队在开始了硅的研究，当时主要的下游应用领域为半导体集成电路方向，这为信息技术的快速发展做好了铺垫。
随着全球信息科技的不断发展，全球硅材料需求快速增长，而除了半导体以外的行业需求也快速涌现，硅产业从刚开始以服务半导体行业为主，逐渐形成下游铝合金、多晶硅、有机硅三足鼎立的现状。
国外工业硅产业主要分布在巴西、挪威、美国、法国等国家，主要企业包括美国的Ferroglobe和陶氏、挪威的埃肯和瓦克、巴西的Rima等。近十多年来海外工业硅产能产量增长都十分缓慢，根据中国有色工业协会硅业分会数据，海外工业硅产能从2009年的110万吨增加至2019年的138万吨，年均增长率仅2.2%，但同期产量从64.2万吨增加至102万吨，年均增长4.7%，表明国外工业硅产能利用率有所提高。
不过，从全球来看，工业硅供应量增长十分显著。根据硅业分会数据，2009年全球工业硅产能350万吨，至2019年已达620万吨，且同期产量从144.2万吨增长至322万吨。近十多年来，工业硅全球产量的增量主要来源于中国，SMM最新数据显示，2021年，全球工业硅产能632万吨，中国工业硅产能499万吨，中国占比高达78.96%；2021年，全球工业硅产量412万吨，中国工业硅产量321万吨，中国占比高达77.93%。
2.2、我国工业硅产业发展历程
随着我国工业化萌芽、发展、深化，我国的工业硅产业也逐渐发展壮大，伴随着工艺的革新、市场供需不断变化，我国工业硅产业格局也持续发生着变化。
（1）1957年：初始发展阶段。
当时，在苏联的帮助下，我国辽宁抚顺铝厂建成投产了我国第一台工业硅炉，标志着我国工业硅产业的开始。
（2）60年代初－70年代末：国产化与自给自足阶段。
我国开始自行设计建设单相和三相电极工业硅炉。从上世纪60年代初至70年代末，先后在辽宁、河北、江苏、上海、天津、河南、青海、贵州等省区建成投产了十几个生产单位，形成了5万吨年产能。这一阶段，我国的工业硅生产处于国内自产自用，能够达到自给自足的状态。
（3）80年代－90年代后期：国际市场扰动，产业分布优化。
伴随着改革开放进程，工业硅在满足自身需求以外，逐渐开始出口，并刺激我国生产企业大量增加。但在90年代后期，受金融危机影响，工业硅价格下降，部分工业硅企业被迫减产或者转产，同时云贵川等电力供应充足的地区又建成一批新的工业硅企业，达到了产业分布调整优化的结果。
（4）21世纪初-2010年：出口主导与宏观调控。
进入21世纪，我国经济与全球供应链联系更为紧密，具有成本优势的工业硅在国际市场份额逐渐增加，但与此同时，出口主导的格局愈发清晰，21世纪前十年，我国工业硅产量的一半以上均用于出口。不过，由于工业硅属于资源性行业，是属于被国家重点管控的行业之一，国家相继出台了一系列宏观调控政策，有利于工业硅行业的升级。
（5）2010年至今：规范发展，重心向内。
2010年以后，我国工业硅产能产量保持较快增长态势，工业硅年产量从2010年刚突破100万吨到2021年的321万吨，实现了跨越性的突破。随着我国下游产业的不断发展，我国工业硅的出口占比也呈下降之势，过去十年里，我国工业硅出口量占国内总产量从50%以上逐渐下降到2021年的24.5%，并且未来该占比有望进一步下降，也从侧面反映出我国逐渐摆脱初级工业原料提供者的角色。
从政策的角度来看，国家也不断出台相应规定规范工业硅行业发展。国家发改委发布的《产业结构调整指导目录（ 2011 年本）》对工业硅的电耗、容量等方面进行了限制，意在淘汰落后高耗能产能，同时鼓励工业硅下游有机硅等行业的发展。工信部 2015 年 12 月发布的《铁合金、电解金属锰行业规范条件》规定，对工业硅炉的炉型、容量、配套环保节能设施做出了要求。虽然该规范条件在2019年被取消，但是随后发改委出台的《产业结构调整指导目录(2019 年本)》再次对工业硅产业进行限制，涉及企业的装备、技术经济指标、环保等各个方面。
2020年12月，我国双碳目标提出，作为高耗能的工业硅行业再次面临转型升级压力。2022年1月，中共中央政治局会议上，习总书记指出，要把促进新能源和清洁能源发展放在更加突出的位置，积极有序发展光能源、硅能源、氢能源、可再生能源。从高耗能的工业硅到高载能的硅能源，市场对于硅产业的认知也在逐步发生变化。在绿色能源需求爆发增长的当下，硅产业迎来新的发展机遇，行业格局也有望再次重塑。
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