工业硅系列专题一：硅石篇

期货（期权）研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款部分 工业硅系列专题2023年3月15日 工业硅系列专题一：硅石篇 一、产业清晰，用途广泛 硅石是工业硅生产过程中必不可少的原材料。工业硅是以硅石、碳质还原剂等为原材料，在矿热炉中持续电热化反应得到的，冶炼生产时，首先将生产所需的炉料由原料处理系统送到矿热炉车间的料堆场，然后根据炉料配比，将称量精准的炉料由输送设备送达矿热炉车间的炉顶料仓或操作平台的贮料仓，并由炉口操作人员将炉料加入炉膛内，通电后，矿热炉内的电极会释放电火花进而熔化炉料，硅在炉内被还原出来，此时硅呈液态，经扒渣后注入锭模中铸造成锭块，等待硅锭冷却脱模后进行破碎、取样、化验、分级、包装、称量等步骤，最终入库。在冶炼过程中，液相线在1410℃以上，炼制需要达到1800摄氏度以上的高温。 工业硅终端消费广泛。工业硅中主成分硅含量在98%左右，其余主要杂质为铁、铝、钙以及微量元素等，根据不同杂质含量的不同，工业硅可以分为多个不同牌号，应用于不同的下游领域。工业硅的下游领域主要包括多晶硅、有机硅和硅铝合金三大方向，终端流向较为广泛，包括光伏产业、半导体产业、建材、电子、日化、交通制造、汽车等。 图表1：工业硅产业链图 资料来源：宏源期货研究所 二、元素硅 硅在地壳中的含量约为26.30%，仅次于氧的含量。元素硅有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，无定形硅为黑色，晶体硅为钢灰色，有明显的金属光泽、晶格和金刚石相同，硬而脆，能导电，但是由于晶体硅中无明显的自由电子，导电率不如金属，且导电率随温度的升高而增加，属于典型的半导体。在热处理温度大于750℃时，硅材料由脆性材料转变为塑性材料，在外加应力下，产生滑移位错，形成塑性变形。硅材料还具有一些特殊的物理性质，如硅材料熔化时体积缩小，固化时体积增大。低温时单质硅不活泼，不与空气、水和酸反应。室温下表面被氧化形成1000皮米的二氧化硅保护膜。高温时能跟所有卤素反应，跟氧气在700℃以上时燃烧生成二氧化硅。 硅极少以单质的形式在自然界存在，主要以复杂的碳酸盐和二氧化硅的形式存在，广泛分布在岩石、尘土、沙砾等之中。 硅酸盐是含有硅氧阴离子的化合物，在不同硅酸盐中，硅原子之间共享的氧原子数量以及连接方式不同，构成链状结构、平面层状结构以及三维结构，层状结构（如滑石）中层与层之间的作用力弱，容易滑移，三维网状结构（如石英）硬度高，抗变形强，链状结构（如石棉）可以加工成长的纤维，用于热绝缘和耐腐蚀材料。硅酸盐可用于制造硅酸盐水泥（主要成分是钙硅酸盐），大量应用于建筑砂浆和现代粉刷，结合硅砂和碎石（主要成分是硅酸盐矿物）制备的混凝土，是建筑中应用最多的基础材料。 二氧化硅用途很广泛，主要用于制备玻璃、水玻璃、陶瓷、耐火材料、硅铁、硅砂、硅单质、水泥等工业品，由于硅的亲氧性，二氧化硅表现为“怕碱不怕酸”（氢氟酸除外）。 图表2：地壳元素分布图表3：硅原子结构二维图 钠钾镁 氢其他 1% 钙3%2%2%1% 3% 铁 5% 铝 8% 硅 26% 氧 49% 资料来源：公开资料整理，宏源期货研究所资料来源：公开资料整理,宏源期货研究所 三、硅石 （一）品类丰富，用途广泛 二氧化硅又称硅石，属于酸性氧化物，是生产工业硅重要的原材料。二氧化硅化学性质比较稳定，不溶于水也不跟水反应，不跟一般的酸起作用，能与氟化氢气体或氢氟酸反应生成四氟化硅气体，高温下能与碱（强碱溶液或熔化的碱）反应生成盐和水。 依据不同的分类方法及准则对硅石进行分类。 根据国家自然资源部公开资料显示，根据硅石的内部组织结构，硅石包括石英岩、石英砂岩、石英砂、脉石英和粉石英五大类，不同类别内部根据用途可进行二次分类，例如石英岩包括冶金用石英岩、玻璃用石英岩和化肥用石英岩。 根据不同的用途，可以分为冶金用、玻璃用、水泥配料用、铸型用、陶瓷用等多个用途，其中主要用途是冶金、玻璃和水泥配料。冶金用硅石又可以分为工业硅用和硅质合金用硅石，工业硅用硅石要求二氧化硅含量不低于99%，硅质合金用硅石要求二氧化硅含量不低于97%；玻璃用硅石可以分为工业用玻璃、平板玻璃、器皿玻璃和光伏玻璃，四种玻璃用途对硅石中二氧化硅含量的要求分别为97%、90.5%、90%、99%。不同用途对于硅石中杂质及微量元素的要求也各有不同，同一行业不同生产企业也有不同的品质要求，目前暂无统一标准。 根据《中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T5268-2014》可以将硅石划分为耐火材料用硅石、铁合金用硅石和工业硅用硅石，三种用途对硅石中二氧化硅含量的最低要求分别为96%、97%和99%，耐火材料用硅石包括GSN99、GSN98、GSN97、GSN96四个牌号，其中GSN99分为A、B两个级别，铁合金用硅石分为GST99、GST98、GST97三个牌号，工业硅用硅石分为GSG99A、GSG99B两个牌号。 图表4：硅石图表5：工业硅 资料来源：公开资料整理,宏源期货研究所资料来源：公开资料整理,宏源期货研究所 图表6：耐火材料用硅石指标 牌号 𝐒𝐒𝐒𝐒𝑶𝑶𝟐� 不低于 化学成分（质量分数）/% 𝑨𝑨𝑨𝑨𝟐𝟐𝑶𝑶𝟑�𝑭𝑭𝑭𝑭𝟐𝟐𝑶𝑶𝟑� 不高于 𝐂𝐂𝐂𝐂𝐂� 耐火度 CN GSN99A 99.0 0.25 0.5 0.15 174 GSN99B 99.0 0.30 0.5 0.15 174 GSN98 98.0 0.50 0.8 0.20 174 GSN97 97.0 1.00 1.0 0.30 172 GSN96 96.0 1.30 1.3 0.40 170 资料来源：《中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T5268-2014》,宏源期货研究所 图表7：铁合金及工业硅用硅石指标 化学成分（质量分数）/% 牌号𝐒𝐒𝐒𝐒𝑶𝑶𝟐�𝑨𝑨𝑨𝑨𝟐𝟐𝑶𝑶𝟑�𝑭𝑭𝑭𝑭𝟐𝟐𝑶𝑶𝟑�𝐂𝐂𝐂𝐂𝐂�𝑷𝑷𝟐𝟐𝑶𝑶𝟑�𝐓𝐓𝐒𝐒𝑶𝑶𝟑�𝐁� 不低于不高于 GSN99 99.0 0.20 0.15 0.15 0.02 0.005 0.003 铁合金 GSN98 98.0 0.50 - 0.60 0.02 0.005 - GSN97 97.0 1.00 - 0.80 0.03 - - GSG99A 99.5 0.20 0.15 0.15 0.02 - 0.003 工业硅 GSG99B 99.0 0.25 0.15 0.15 0.02 - 0.003 资料来源：《中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T5268-2014》,宏源期货研究所 （二）全球硅石格局：资源丰富，分布不均 全球硅石资源充足，但分布不均匀。根据USGS公布的数据，2021年全球硅石总产量3.53 亿吨，预估2022年全球硅石总产量3.8亿吨，2021年硅石产量前三的国家分别为中国、美国 和荷兰，预计2022年美国的产量将超过中国硅石产量，跃居全球第一位，前三大硅石产量国变为美国、中国和荷兰，三个国家产量总量占比全球总产量60%以上。 美国是全球硅石生产大国，其硅石主要用于制造压裂砂。2022年美国硅石产量约9,700万吨，与2021年相比，产量提升了约30%，其中，产量前十的州分别是德克萨斯州、威斯康星州、伊利诺伊州、路易斯安那州、密苏里州、俄克拉荷马州、阿肯色州、阿拉巴马州、加利福尼亚州和田纳西州，前十大州产量占比达到87%。从硅石用途上看，2022年美国生产的硅石75%的比例用于压裂砂，10%的比例用于玻璃制造。美国是硅石净出口国，约6.6%的量用于出口，进口量占比不到1%，主要从加拿大进口，从加拿大进口的硅石占到美国硅石进口总量的87%。 图表8：全球硅石产量分布图表9：美国硅石用途 100,000 单位：千吨 80,000 60,000 40,000 20,000 0 100% 80% 60% 40% 20% 0% 2021年2022年E 压裂砂玻璃制造全粒二氧化硅其他 资料来源：USGS,宏源期货研究所资料来源：USGS,宏源期货研究所 700 600 500 400 300 200 100 0 巴西,2% 其他,4% 加拿大, 87% 图表10：美国硅石进出口情况图表11：2018-2021年美国硅石进口来源 中国台湾,土耳其,2% 单位：万吨 越南,3% 进口量出口量 资料来源：USGS,宏源期货研究所资料来源：USGS,宏源期货研究所 （三）国内硅石格局：数量充足，品质不一 我国硅石资源丰富，但高品质硅石相对较少。根据国家自然资源部统计数据，2021年我国硅石储量37.95亿吨，较2020年的27.02亿吨增长了40.47%，主要分布在江西、安徽、福建、海南和四川地区，合计占比超过50%。从硅石品质来看，2021年我国硅石以石英砂岩为主，储量占比40.35%，主要分布在青海、甘肃、江西、安徽和辽宁地区，五省合计占比72.85%；其次是石英砂和石英岩，占比分别为29.12%和28.28%，石英砂主要分布在江西、安徽、贵州、山东和河北地区，五省合计占比71.05%，石英岩主要分布在福建、海南、四川、内蒙古和甘肃地区，五省合计占比89.01%；粉石英和脉石英合计占比不超过3%，脉石英主要分布在甘肃、江西、四川、新疆和安徽地区，五省合计占比82.33%，粉石英则分布在江西、福建、广西和四川地区。 从用途上看，我国冶金用的硅石较少，玻璃用和水泥配料用硅石较多。2021年我国玻璃用硅石占比最高，达到43.38%，主要分布在海南、四川、江西、青海和山东地区，五省合计占比64.86%；水泥配料用硅石占比33.67%，主要分布在安徽、江西、贵州、河北和广西地区，五省合计占比68.20%；冶金用硅石占比仅13.26%，主要分布在内蒙古、贵州、江西、甘肃和青海地区，五省合计占比76.11%。 2.09% 0.17% 石英岩, 28.28% 石英砂, 29.12% 石英砂岩, 40.35% 图表12：2021年中国硅石储量分布图表13：2021年中国硅石分类 60,000.00 脉石英, 粉石英, 50,000.00 单位：万吨 40,000.00 30,000.00 20,000.00 10,000.00 - 资料来源：国家自然资源部,宏源期货研究所资料来源：国家自然资源部,宏源期货研究所 图表14：2021年中国石英岩分布图表15：2021年中国石英砂岩分布 资料来源：国家自然资源部,宏源期货研究所资料来源：国家自然资源部,宏源期货研究所 图表16：2021年中国石英砂分布图表17：2021年中国脉石英分布 资料来源：国家自然资源部,宏源期货研究所资料来源：国家自然资源部,宏源期货研究所 图表18：2021年中国硅石主要用途图表19：2021年中国玻璃用硅石分布 其他, 9.69% 水泥配料 用,33.67% 玻璃用, 43.38% 冶金用, 13.26% 资料来源：国家自然资源部,宏源期货研究所资料来源：国家自然资源部,宏源期货研究所 图表20：2021年中国水泥配料用硅石分布图表21：2021年中国冶金用硅石分布 资料来源：国家自然资源部,宏源期货研究所资料来源：国家自然资源部,宏源期货研究所 （四）进口为主，格局稳定 硅石质量不一，我国既是硅石进口国，亦是硅石出口国。2017年至2022年，我国硅石进口量远大于出口量，且呈现递增趋势，净进口量从49.45万吨增长至335.11万吨，2022年我国 硅石总进口量453.34万吨，总出口量118.23万吨。从进出口结构来看，我国进口硅石的品种主要是硅砂及石英砂，占比我国硅石总进口量85.18%，我国出口的硅石品种主要是石英岩和石英，占比分别为52.48%和43.88%。 我国硅石进出口格局相对稳定。2017年至2019年，我国硅石主要从澳大利亚、柬埔寨和马来西亚进口，2020年柬埔寨硅石进口价格