碳钢线全景调研与发展战略研究

碳钢线全景调研与发展战略研究光伏行业高景气，带动金刚线需求放量平价上网叠加双碳背景，全球光伏需求放量高增。尽管受硅料产量限制，2021年内光伏行业全球及国内市场保持高景气度，CPIA统计数据显示2021年内全球光伏新增装机量高达170GW，同比增长30．77%。全球几大主流市场中，欧盟实现装机25．9GW，同比增长34%；美国实现装机26．8GW，同比增长39．6%；印度实现装机11．89GW，同比增长218%。2021年内我国实现光伏装机54．88GW，同比增长13．9%，其中分布式光伏新增装机29．28GW，占比高达53．4%，史上首次突破50%；户用光伏新增装机21．6GW，同比增长113．3%，创历史新高。金刚线切割光伏晶硅效率最佳金刚线切割对比传统游离砂浆切优势明显。金刚石莫氏硬度高达10，是切割及研磨脆硬材料的理想工具。切割作业通过金刚石线与切割物件之间的高速磨削运动完成，而金刚石线则是通过一定方法，将金刚石微粉颗粒以一定分布密度均匀地固结在高强度钢线基体上制成。金刚线切割最早于2007年用于蓝宝石，后在2010年开始用于光伏硅片切割。从晶体硅料到硅片经历切方、截断及切片三个环节，其中切方及截断环节为保证切割速度及切割效率，通常选用较粗线径的金刚线，一般线径为250-350微米；而切片环节出于原材料利用率及成本考量，通常选用线径较细的金刚线，一般线径为50-70微米。金刚线对比游离磨料砂浆切割方式，具有切割速度快（4-5倍切割速度）、出片率高（硅片出片量超出15-20%）及环境污染小等全方位优势。金刚线切割渗透率高，细线化趋势明显。金刚线早期由日本厂商研发生产，价格极为高昂，2014年前日本产金刚线每米价格可达人民币3元。国内厂商实现突破后，金刚线价格显著下降，国产金刚线价格目前已低于0．05元/米。为契合光伏电池组件的薄片化，晶硅切割用金刚线呈现明显的细线化趋势。金刚线母线线径及金刚石颗粒介质粒度与硅片切割质量及切削损耗量相关，较小的线径和介质粒度有利于提高产品质量、降低切削损耗和生产成本。然而，母线线径变细后最小破断拉力降低，因此对切片设备稳定性提出更高要求。目前国内头部金刚线厂家都已生产母线线径40微米以下的金刚线。金刚线成本占比低，质量要求高。Solarzoom数据显示，基于M10硅片的单晶PERC组件生产成本合计约1．07元/W，而其中金刚线成本为0．01元/W，由此可得金刚线在组件端成本占比仅0．93%。然而，硅片切割环节较为精密，金刚线线径约为人头发的一半，采用金刚线布线密集，一旦出现断线，则造成整根硅棒报废。因此硅片厂商高度重视金刚线质量，保证断线率最小化。碳钢母线是主流，钨钢母线短期难替代。硅料价格高企背景下，推进金刚线细线化，增加单位硅料出片率可有效降本。现有金刚线主要基于碳钢母线，母线线径理论极值或为33m，而钨钢母线理论极值或为20m。因此业内头部企业纷纷展开钨钢母线研究，推进相关技术储备。然而，最新美畅股份投关记录显示，钨钢母线在产能、成本及工艺方面存在缺陷，中期内仍难以取代碳钢母线。美畅股份同时积极投资布局碳钢母线产能，推进母线自产，侧面也证明了钨钢母线中期内难以取代碳钢母线的结论。光伏硅片行业概况（一）光伏硅片产量持续扩张光伏行业装机需求持续增长，带动上游原材料市场需求攀升。在光伏硅片制造环节，硅片生产企业持续扩增硅片产能，满足下游市场需求。2011-2021年，全球及中国硅片产量年均复合增长率分别达20．53%、27．50%，硅片产量快速增长。同时，随着国内硅片生产企业逐步扩产，市场光伏硅片产能逐渐向中国集中，2019-2021年，中国硅片产量占全球硅片产量的比例均在95%以上。（二）硅片生产企业硅料采购成本持续攀升2020年以来，受光伏发电逐步实现平价上网、行业投资回暖、叠加多晶硅产能扩张周期较长等因素影响，多晶硅价格持续上涨，多晶硅价格在2019年初至2020年一季度保持稳定；2020年4月初至2022年6月末，多晶硅致密料价格由7．3万元/吨上升至27．2万元/吨。硅片生产企业硅料采购成本持续攀升。（三）硅片产品向大尺寸、薄片化方向迭代鉴于硅料成本在硅片成本结构中占80%以上，在光伏行业持续推进降本增效的背景下，大尺寸有助于摊薄光伏产业链各环节的加工成本，薄片化有利于降低硅耗和硅片成本。因此，硅片生产企业产品向薄片化、大尺寸方向迭代。根据中国光伏行业协会的数据，2020年158．75mm和166mm尺寸合计约占80%，2021年硅片大尺寸化进程加快，166mm、182mm、210mm尺寸合计占比超过80%，其中182mm和210mm尺寸合计占比由2020年的4．5%迅速增长至45%。同时，截至2021年末，166mm、182mm产品的主流厚度已降至160μm，210mm产品的主流厚度已降至165μm；预计在2022年内，166mm、182mm产品的主流厚度有望达成150μm，210mm产品的主流厚度降至155μm。硅片生产企业上游行业亦紧跟薄片化、大尺寸技术发展方向，进行技术升级和产品更新。其中，金刚线为硅片切割环节主要耗材，金刚线行业生产企业亦积极响应下游硅片生产企业降本增效需求，不断推进细线径金刚线产品，降低硅片切片环节硅料耗用量。金刚线技术发展金刚石微粉需要具有一定导电性，才能随镍沉积而被固定在母线表面，进而制备金刚线。为使金刚石微粉具备导电性，一般采用化学镀的方式，使微粉表面沉积金属镀层。金刚线制备过程中，微粉在酸性体系环境中，表面金属镀层容易受到酸性腐蚀而脱落，导致上砂能力减弱、上砂不均、微粉结合力不足。因此金刚石微粉金属镀层需要具备强结合力、高耐腐蚀性能。通过高频超声酸刻蚀技术工艺，实现化学镀金属层金属活化点生长在金刚石刻蚀凹坑内，增强其结合力；通过使用添加剂并精准控制工艺参数，提升镀层耐腐蚀能力。金刚石微粉作为金刚线的主要原材料之一，其质量对于金刚线品质有着较大影响；如在母线上分布不均，出现堆积、团聚等问题，将影响金刚线的使用效果。金刚线微粉复合工艺为微粉制作完成后增加的一道钝化工艺。该技术通过在微粉表面形成一层钝化膜，改善其自身物理性能，最终实现微粉在上砂过程中均匀分布在母线上。金刚线PLC全自动过程控制技术通过计算机模拟系统，使得金刚线生产在一定程度上具备自动化。该技术可以控制制程工艺参数，保持相关参数处于最佳的工艺参数范围，以稳定产品质量。同时，该技术已实现视觉系统与自动加砂控制系统的联动，通过视觉系统监测颗粒密度变化情况，通过自动加砂量控制母线上微粉的颗粒密度，通过对于电镀液液位、温度、PH值的精准监测，实现自动补水、温度控制以及PH值等关键参数的控制，从而促进产品质量的稳定性。随着金刚线产品的持续生产，镀液中积累的金属离子、有机添加剂等杂质不断增加，此类杂质积累到一定程度会影响镀层质量，导致镀层脆性增加，进而影响下游客户使用效果。随着光伏切片技术的不断发展，下游硅片生产企业愈发关注出片率和生产成本，在切片综合良率、切割过程断线率、耗线量等方面提出更高的要求。金刚线高效上砂技术是根据多年经验自主研发的一套基于上砂工艺+核心设备的金刚线制备技术。该核心技术通过严格控制上砂工艺，实现上砂密度、上砂均匀性、上砂形态等关键指标精准把握，通过控制镀液体系、添加剂、镀层厚度与微粉粒径匹配性，实现对微粉结合力、母线脆性等机械性能的把控，从而满足不同下游客户对于切割工艺的需求。同时，该核心技术通过对设备张力系统、导电系统的优化创新，实现了不同规格金刚线的精控制生产，尤其对于规格在35线及以下的产品，可以在低张力、高线速下精准控制不同位置电流，以保证多线机台各位置金刚线的一致性。金刚线母线作为金刚石微粉的载体，其自身破断强度、韧性等方面直接影响金刚线产品的性能，其表面的拉拔沟槽、合金分布等直接影响上砂效率及镀层的结合力。金刚线行业的技术水平及发展趋势金刚线作为硬脆材料切割的重要耗材，直接决定了下游切片厂商切片的质量和成本。金刚线在切割过程中要承受高频率的往复运动和较大的张力，金刚线的金刚石分布密度和固结强度、金刚石切割能力、钢线的抗疲劳性能等方面都直接影响金刚线的性能。本行业研发、生产技术工艺复杂，技术迭代较快，制程控制严苛，各个生产环节对技术工艺人员的要求较高。在行业的主要应用方向硅切片领域，近年受硅料价格上涨、N型电池片渗透率提高等因素影响，线径细线化的演进速度进一步提高，较小的线径和介质粒度有利于降低切削损耗和生产成本。根据CPIA《中国光伏产业发展路线图（2021版）》，2021年金刚线母线直径已下降至43-56μm。目前，行业内主流厂商已掌握35μm规格碳钢线（对应母线直径约40μm）生产技术，逼近碳钢丝母线的物理性能极限。硅片切割过程中，母线需要有足够的力学性能，40μm以下的钢丝存在破断拉力偏小、切割能力不足等问题。以钨丝线作为金刚线母线，在强度等方面具备优势，进一步细线化空间大，有希望成为金刚线母线发展的主要方向之一。如钨丝线能克服产能、线长、品质