原创 美尔雅研究院 美尔雅期货研究院
作者：美尔雅期货 有色分析师 潘保龙
前言：
硅在地球上储量丰富，其下游含“硅”产品花样繁多，应用极为广泛。尤其以工业硅为原料，进一步加工提纯制得的多晶硅，在半导体、光伏等科技、低碳、新能源领域有着其它材料难以替代的作用。在低碳、新能源的飞速发展的今天，光伏产业前景广阔，可以预计全球未来对硅需求还有很大的增长空间。广期所工业硅期货上市在即，推出后可为工业硅上下游产业提供权威价格及风险规避工具。本文将对工业硅上下游产业链作简要梳理。
1
工业硅的上游
硅是一种化学元素，符号Si，元素周期表中介于铝和磷之间，属于类金属元素。硅是极为常见的一种元素，它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在地壳中的含量排名第二，仅次于氧，约占地壳总质量的26.4%，十分丰富。相比之下，常见金属中，铝、铁在地壳中的含量也较为丰厚，质量占比分别为8.3%、4.75%，铜则仅有0.01%，锡更是低至0.004%。因此，常用金属在地球上的稀缺度是有很大差别的。
首先从工业硅的上游硅石谈起。硅石是脉石英、石英岩、石英砂岩的总称，主要成分是二氧化硅，是硅元素在自然界中的重要载体。硅石不仅可以用于工业硅的冶炼，还广泛应用于玻璃、铸造、陶瓷及耐火材料、建筑、化工、塑料、橡胶，磨料等工业。
硅石破碎加工后可得到石英砂，石英砂的颜色为乳白色、或无色半透明状，硬度7，性脆无解理，贝壳状断口，油脂光泽，其化学、热学和机械性能具有明显的异向性，不溶于酸，微溶于KOH溶液，熔点1750℃。工业上将石英砂常分为：普通石英砂、精制石英砂、高纯石英砂、熔融石英砂及硅微粉等。一般来说，优质的石英砂会直接用于生产高档的石英玻璃制品，甚至被加工成宝石级别的如水晶，碧玺等制品。等级稍差但储量较大，开采条件稍好，周围电力较为便宜的则适合生产金属硅。
2
工业硅的冶炼
工业硅又称结晶硅或金属硅，是以硅石（石英砂）为冶炼原料，在矿热炉中以碳为还原剂冶炼制成，发生在炉内的主要化学反应为
硅冶炼属高耗能行业，电力消耗是冶炼成本的大头，约占总成本的1/3，购买还原剂的费用也是核心成本之一，相较有色金属，矿占其总成本的比例反倒偏低。我国各地区电力价格相差不小，且在不同时期电力价格也有波动，因此总成本及各项构成也不尽相同。我国西南、西北地区电力成本相对低廉，国内工业硅的主要产能集中在新疆、云南、四川三省。
工业硅的主成分为单质硅，含有一定量的金属铁、铝、钙元素等杂质，熔点为1420℃，密度为2.34g/cm3，质硬而脆，在常温下不溶于酸，易溶于碱。金属硅的性质与锗、铅、锡相近，具有半导体性质。工业硅按化学成为可分为8各牌号：
3
工业硅下游应用
工业硅的下游为有机硅，多晶硅，硅铝合金三大应用，不同的用途对硅中的微量元素含量要求也不同。
3.1、多晶硅：
用炭质还原剂制得的金属硅还需要额外的提纯工艺才能到多晶硅和单晶硅。目前，工业上制备多晶硅的化学方法主要有改良西门子法、硅烷法、流化床法，其他还有冶金法、气液沉积法、高纯金属还原法等，根据光伏协会统计，全球前十大多晶硅生产企业均采用三氯氢硅改良西门子法进行多晶硅生产。
多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅有灰色金属光泽，密度2.32~2.34g/cm3，熔点1410摄氏度，沸点2355摄氏度，溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂，加热至800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，几乎能与任何材料作用。具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。
可通过对多晶硅进一步加工制得单晶硅，目前应用最广泛的加工方法有两种，坩埚直拉法和无坩埚悬浮区熔法。当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。
多晶硅主要应用于光伏，其次是半导体，其占比分别约在90%和10%左右。通常将多晶硅分为电子级与太阳能级。用于制备半导体单晶硅的电子级多晶硅，与制备光伏硅片的太阳能级多晶硅的区别，主要就在于对纯度的控制。太阳能能多晶硅纯度要求为99.9999%，小数点后6个9，而电子级多晶硅纯度要求至少小数点后9个9。中国、韩国主要生产太阳能级多晶硅，日本主要供应电子级多晶硅，美国、德国则兼而有之。光伏行业产品高效化趋势明显，多晶硅品质要求逐渐向电子级产品趋近，我国电子级和太阳能高端生产用料主要依靠进口。
3.2、有机硅
有机硅，即有机硅化合物，是指含有Si-C键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物，其中以硅氧键（-Si-O-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。
有机硅材料按其形态的不同，可分为：硅烷偶联剂（有机硅化学试剂）、生物活性有机硅、硅油（硅脂、硅乳液、硅表面活性剂）、高温硫化硅橡胶、液体硅橡胶、硅树脂、复合物等。
由于有机硅独特的结构，兼备了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、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性，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，其中有机硅主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。随着有机硅数量和品种的持续增长，应用领域不断拓宽，形成化工新材料界独树一帜的重要产品体系，许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。
3.3、硅铝合金
铝硅合金是一种以铝、硅为主成分的锻造和铸造合金，一般含硅量为11%，同时加入少量铜、铁、镍以提高强度，密度约为2.6～2.7g/cm3。硅含量较低时（比如0.7），铝硅合金的延展性较好，常用来做变形合金；硅含量较高时（比如7%），铝硅合金熔体的填充性较好，常用来做铸造合金；在含硅量超过Al-Si共晶点（硅含量为12.6%）的铝硅合金中，硅的颗粒含量高达14.5%～25%时，再加入一定量的Ni，CU，Mg等元素能改善其综合力学性能，它们可用于汽车发动机中代替铸铁汽缸而明显减轻重量，用作汽缸的铝硅合金，可经过电化学处理以浸蚀表层铝而在缸内壁保留镶嵌于基体的初生硅质点，其抗擦伤能力和抗磨损性以明显改善，其中含硅量11%～13%的合金以其质轻、低膨胀系数和高耐蚀性能等特点而成为最佳的活塞材料之一。
,
