读懂黑色系的第一篇重磅指南:长短流程、炼钢工艺、双焦铁矿所有你想要的都在这里了

时间: 2024-05-24 17:48:05 |   作者: 连铸设备

  扑克导读:说起钢铁,相信很多人是很关注的,素有“小股指”之称的螺纹钢在过去的整个2016年一直是市场上的热点。

  多数人谈起螺纹钢,都围绕着反反复复的行情,而根据很多扑克粉丝的反映,其实在行情背后,螺纹钢的生产流程,包括长流程、短流程的一些要点,以及螺纹钢相关的上下游产品,例如铁矿、焦煤焦炭等,每一个都是比行情要有趣得多,也更具备知识性的领域。

  这篇异常详细的研报。图文并茂地把整个生产工艺流程,冶炼知识要点,以及铁矿和双焦的背景知识都一览无遗地展现了出来。

  此前对相关工艺并不熟悉的纯金融投机者,读完这篇文章后会对整个行业有一个全面的了解,而已经在钢铁行业内的从业人员,可以透过这篇文章再一次梳理自己的知识框架。

  钢铁的定义是由铁(Fe)、碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)以及少量其他元素组成的合金,其中,最重要的两种元素是铁(Fe)元素和碳(C)元素。

  生铁与粗钢的化学成分主要差别在于碳含量高低,其中粗钢中碳含量为0.02%~2.11%,综合力学性能相对优异;生铁中碳含量在2.5%~4.5%,脆性较大成为制约生铁大范围工程应用的主要因素。

  作为年产量位居全球榜首的金属,钢铁目前已成为建筑与工业不可或缺的原材料,而这是由钢铁作为材料的自身优越性能所决定的。

  强度和韧性往往作为评判结构材料好坏的主要指标,不过,受制于材料内部微观组织和变形机理,材料的后期优化工艺很难同时提高材料韧性与强度,因此,一种材料在强度与韧性方面的先天属性显得很重要。

  在通常的金属、无机非金属和有机高分子三大类材料中,金属材料的强度和韧性均相对较优,而其中以低碳钢综合表现尤其突出,其强度明显超过镁、铝、锌、铜等,韧性也优于镁、铝等,这使得钢铁具备被大规模大范围的应用的基础。

  同时,虽然部分金属如镍、钛等强度和韧性也处于行业较优水平,但受制于储量相对有限,镍、钛等成本高昂阻碍了其规模化应用进程。相比之下,作为储量位居各类金属榜首的钢铁,供给充足带来成本优势显著,逐步推动了其规模化应用进程。

  正因为在经济建设全方面、规模化应用,钢铁行业不仅仅具备明显的强周期特征,更重要的是,其在经济、就业与财政等方面均占据着重要作用。

  就中国而言,2015年,钢铁行业产能达到12亿吨,产量8.04亿吨,主营业务收入在规模以上工业中占比高达5.68%,行业直接从业人员364.90万人,应交增值税额0.14万亿,在规模以上工业中占比分别为3.73%、2.77%。

  正因为承载着极其重大的社会责任,钢铁行业行政化去产能面临较大挑战,正因为如此,淘汰落后产能政策自2003年便开始执行,但是行业产能直至2015年仍在增长。

  钢铁冶炼工艺可分为两大类:一种是以铁矿石、焦炭等为原料,采用烧结炉、高炉和转炉等设备,开展烧结、炼铁和炼钢等工序的长流程工艺;另一种为以废钢为主要原料,利用电炉(电弧炉、中频炉等)设备,进行废钢重熔精炼的短流程工艺。

  高炉冶炼的核心即为通过固态焦炭、气体CO和H2等还原剂从铁氧化物中还原金属铁,其中CO和H2主要来自于高炉底端的风口回旋区的燃烧反应。铁氧化物包括三种:Fe2O3、Fe3O4和FeO,其中FeO只能在温度高于570℃区域稳定存在,因此铁的还原顺序分为:

  炼铁工艺具体为:将70%~80%烧结矿与20%~30%球团矿或铁矿、焦炭和煤粉等燃料和石灰石等少量熔剂分批从高炉炉顶装入高炉,矿石和焦炭在高炉内部呈现规律的分层分布,同时热风炉在高炉下端风口鼓入热风以催化焦炭和煤粉燃烧并生成CO和H2还原气体。高温还原气体在向上流动过程中,经过传热、还原、熔化、脱炭作用,将铁氧化物还原成金属铁,从而实现Fe-O分离;煤气热量将生铁熔化并过热,从而实现铁渣分离,炉底铁水间断地放出装入铁水罐,开展下一步炼钢工序。

  生铁与钢的化学成分主要差别在于碳含量,其中钢的碳含量为0.02%~2.11%;生铁碳含量在2.5%~4.5%,铸铁中碳含量不超过5.0%;当碳含量超过5.0%,铸铁脆性很大,缺乏实用价值。生铁中约10%用于生产铸铁,剩余90%均冶炼成钢。

  炼钢过程实质为以氧气作为主要氧化剂,将铁水中的碳、硅、锰、磷和硫等杂质元素分离,从而实现铁水精炼的过程。

  长流程具体工艺:采用鱼雷罐从高炉装入液态铁水,经过铁水预处理(脱硫、脱硅和脱磷等)降低杂质含量,将铁水兑入顶底复吹氧气转炉,加入10%~30%废钢,经吹炼降低碳含量和去除杂质,将钢水倒入钢包经二次精炼(RH真空循环脱气、VOD真空吹氧脱碳等)进一步净化钢水,然后将钢水连铸成钢坯。

  注:BOF工业纯氧吹炼、VOD真空吹氧脱碳、L/I盛桶吹射、RH真空循环脱气、STN搅拌站

  由于部分地区冶金焦资源缺乏,炼铁工艺除了传统主流烧结-高炉法之外,逐步衍生出以直接还原和熔融还原为主的现代化非高炉炼铁体系。相比于高炉,直接还原法由于在铁矿石软化温度之下进行还原,因而节省大量焦炭燃烧所需热量;取消焦化和烧结等工序导致其污染较小;同时海绵铁中硫和磷等杂质含量低,更有利于冶炼优质钢种。不过,直接还原法存在还原剂原料要求较高和产物海绵铁价格比废钢更高等缺点。

  就全球直接还原铁供给而言,2015年全球直接还原铁产量为6954万吨,其中印度和伊朗为主要生产国,产量占比分别为23.34%和20.92%,中国年产量仅约10万吨,基本可忽略不计。纵向比较而言,或受近年全球钢铁行业整体景气下行影响,高成本导致直接还原占全球比重逐步下滑,2015年占比仅4.29%。

  将废钢经破碎、分选加工后,经预热后与适量铁水加入至电弧炉继续加热熔化,去除磷和硫等杂质元素后得到钢水,再经过二次精炼(VOD真空吹氧脱碳等)获得合格钢水。由于电炉冶炼钢水杂质含量较低,因此常被用作相对高端特钢品种冶炼。

  常用电炉主要包括电弧炉、感应熔炼炉和电渣重熔炉等,其中感应熔炼炉根据感应电流频率高低可分为高频炉、中频炉和工频炉,目前市场关注度较高的地条钢冶炼设备主要为中频炉和工频炉。

  各国长短流程工艺占比并不相同,其中长流程占比,中国为94%,美国为37%,日本为78%,印度为43%,其存在差别的原因在于各国冶炼成本的经济性与品种质量要求不同。

  钢铁冶炼流程较为复杂,相关设备投资规模庞大,属于典型的重资产行业,以上市钢企为例,2016年3季度末申万钢铁板块固定资产净值占总资产比重高达57.74%。庞大的固定资产投资,导致钢铁行业产能投建周期往往长达2~3年,产能调整有着非常明显滞后性。

  同时,类似钢铁等中业共同的成本加成模式,使得其盈利弹性不及上游资源品。一方面,在行业景气向上时,由于上游资源类价格涨幅更快,中业利润遭受挤压,利润增长相对有限;另一方面,在行业景气向下时,由于中游可以将跌价压力一定程度转嫁至上游,因此,钢铁行业也较难经历经营剧痛,进而加大了市场化供给调整难度。

  无论是固定资产投入大还是盈利缺乏弹性,均使得行业产能调整缓慢,从而增大了行业中期供给波动幅度。

  首先,钢铁行业重资产属性使得固定资产摊销比重大,从而抑制了钢厂减产意愿,即便经营出现亏损,只要现金盈利犹存,钢厂往往仍会继续生产。

  其次,高炉停开成本高,对钢厂连续生产提出了高要求,造成行业产量调整同样滞后。

  高炉的开炉方法一般采用“炉缸填充枕木,一级冶金焦开炉达产”的工艺方法。开炉成本昂贵,仅简单以冶金焦成本计,某1080m3的高炉开炉10天达产,以平均高炉利用系数以2.2t/(m3.d),开炉达产期间平均焦比580kg/t,一级冶金焦(为确保开炉升温较快,一般在开炉过程中采用一级冶金焦)价格1800元/t为基准计算,达产期间将消耗一级冶金焦2.2*1080*0.58=1.38万吨,折合燃料成本2570万元。

  同时,停炉过程操作复杂,消耗焦炭等停炉料,人力成本高,且存在爆震风险,对设备和人员安全存在隐患。此外,大型高炉运行期间,炉膛温度近2000℃,完全熄火后复产点火对炉体耐火材料损伤严重,因此,一般高炉重启次数有限。

  第三,不同于资源类品种成本曲线较为陡峭而言,钢铁作为中游环节加工制造行业,个体之间相对同质,并未因所谓先天禀赋不同而成本端差异明显。相对平坦的成本曲线,使得各钢厂在根据钢价行情变化进行产量调整时,往往步伐相对一致,由此弱化了钢铁产量调整的连贯性,进而使得行业短期供给波动幅度同样较大。

  高炉冶炼用原料主要有铁矿石、焦炭和熔剂。冶炼1吨生铁大约需要1.5-2.0吨矿石,0.35-0.6吨焦炭、0.2-0.4吨熔剂(石灰石与白云石等);而转炉、电炉炼钢主要的组成原材料还包括废钢,因此钢铁冶炼主要原料包括铁矿石、焦炭及废钢三大类。其中,由于需求相同,焦炭与铁矿石供需格局的不同主要源于其供给端之间差异。

  铁矿石主要可划分为赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种,其中赤铁矿具有含铁量高、有害杂质含量较少、还原性较好等特性,是优良的冶炼原料。

  全球主要铁矿石资源分布在澳大利亚、巴西、俄罗斯、中国和印度等国,2015年其粗矿储量合计占比达73.74%,其中澳大利亚、巴西、俄罗斯和印度等地区铁矿石品位相对较高(43.40%-64.20%),且大都具备露天开采条件。高品位、开采成本低的特点使这些国家成为全球主要的铁矿石供应国。我国虽然铁矿资源量大,但是品位较低(2015年为31.30%),矿石种类以贫矿为主,因此钢铁冶炼所需矿石主要依赖进口。

  基于资源储量丰富、品位较高且大都具备露天开采条件,澳洲和巴西主流矿可以在产业链整体收缩背景下通过扩产来挤压其他高成本矿山市场份额,并且形成一定规模效应,因此,扩产对于低成本主流矿山来说是最优选择。

  不仅如此,因为上一轮周期矿价低迷时间过长,大量低成本矿山并未完全开发,以至于形成垄断格局的主流矿山至今仍有低成本矿山接力供给,四大矿2015年铁矿石合计产量占世界出口总量比重达66.21%。总体而言,低成本持续取代高成本是矿石供给端正在演绎的基本逻辑,供给相对宽松进一步加剧矿石行业中长期弱势供需格局。

  焦炭作为高炉炼铁的主要还原剂,是钢铁冶炼的另一大重要原材料。与充分市场化的矿石供给结构不同的是,我国冶炼用焦煤主要产自国内,进口炼焦煤占比不到10%,国内主导型供给结构导致2016年煤炭行业供给侧改革限产措施得以有效推进,2016年焦炭价格因此上涨221.01%,预计在政策影响下,焦炭供给情况整体持续偏紧。

  废钢:成本考量,长短皆宜无论是转炉还是电炉(包括中频炉)炼钢均需用到废钢,而其中电炉炼钢以废钢为主要原料,具体而言:转炉用废钢一般占总装入量的10%-30%,废钢同时也是转炉冷却效果较稳定的冷却剂,增加转炉废钢用量可降低转炉炼钢成本、能耗和炼钢辅助材料消耗。一般电炉炼钢原料中废钢占比70%-90%,而中频炉炼钢中这一比例接近100%。

  随着2016年末地条钢淘汰政策频繁颁布,其中,中钢协2017理事会议强调上半年清除全部地条钢,由此引发市场对中频炉原料废钢供给大增的热议。不过,基于全国转炉炼钢规模庞大,2015年转炉法占粗钢产量比重高达93.90%,同时《废钢铁产业“十三五”发展规划》明确提出转炉废钢比提升至15%以上的目标,因此提升长流程转炉废钢比将很大程度上对冲掉短流程地条钢去化产生的行业供给波动。

  不难理解,理论上讲,工业化是主导钢铁需求的核心因素。具体来看,就一国钢铁行业而言:1)前工业化时期,农业在国民经济中占据绝对比重,钢铁需求有限,相应阶段钢铁行业处于起步期;2)工业化初期至工业化中期是钢铁行业产能加速扩张的高增长时期,阶段内,经济结构中第二产业比重迅速上升,城镇化水平快速提高,对基础原材料钢铁的需求急剧膨胀成为行业迅速成长的动因;

  3)工业化后期,第二产业比重冲高回落,钢铁需求进入低增长期,伴随经济结构转型,钢铁产量逐渐见顶、行业步入成熟期;4)后工业化时期,对钢铁需求较少的高新技术产业和第三产业成为经济支柱性产业,钢铁产量从峰值回落、行业进入衰退期。

  国际历史经验同样表明,一国钢铁行业发展与其第二产业比重呈大致正相关关系。主要发达国家中,除美国完成工业化、粗钢产量达到阶段性高点后,受海外战争等外生性因素影响,粗钢产量继续增长直至1973年见顶外,其他诸如日本、英国、法国等国家粗钢产量走势与第二产业占比基本高度相关,只是英法两国粗钢产量见顶时间稍微滞后于其第二产业比重见顶时间。

  因此,全球钢铁产销基地也就自然跟随全球工业化基地而转移,自19世纪70年代英国,历经美国、日本及韩国,最终于21世纪来到中国。2015年,中国粗钢产量占比全球达到50.26%,钢铁表观需求量占世界总消费约43%。

  就中国钢铁需求而言,分为内需和外需两部分,其中,2004年以来,我国钢材出口占比全国粗钢总产量始终不足15%。更重要的是,2008年金融危机之后,世界经济增速显著放缓压制了国外钢铁需求,国内钢材出口因此由量价齐升的主动型转为量价背离的被动型,意味着内需仍是国内钢材需求主导因素。

  对于并非以技术输出型的中国钢铁产业而言,低价是其出口的主要核心竞争力。2008年以后,在国际市场钢材需求形势不容乐观的背景下,我国钢材出口之所以延续增长,主要源于国内供需格局弱化,导致国内钢价跌幅较大,进而强化了我国钢材出口竞争力。

  在我国钢铁众多消费领域中,建筑领域占比约为55%,主要涵盖地产、基建两大领域,其耗钢需求约各占一半,此外,机械领域占比约为20%,汽车领域占比约为7%,造船领域占比约为2%,家电领域占比约为1.5%。

  尽管下游需求领域较为分散,但由于产业链延伸庞大、财政依赖度高等,房地产领域始终主导钢铁内需格局。

  首先,钢铁下游需求领域主要集中在房地产、基建、机械、汽车和电器5大领域,需求总贡献为78%,其中房地产的直接贡献率高达25%~30%,与基建消耗并列为钢材消费量最大的两大领域之一。

  其次,从产业链分析上看,房地产是长产业链领域,除了带动上游的非金属矿物制造业,也推动了商贸业、租赁业等服务业,机械、汽车、电器等制造业的需求。

  第三,房地产业通过贷款与银行、信贷、利率等密切相关,通过土地转让收入及房地产交易税增加了地方财政收入,其中土地转让收入占地方财政收入的比重为40%-50%,而基建投资资金中15%来自政府财政收入,这就意味着,房地产需求的波动也一定程度左右着政府基建投资支出能力。

  总结而言,房地产对不同领域的带动效益存在后向与前向差异:1)后向关联,通过拉动对相关产品的需求,进而促进相应产业发展;2)前向关联,着眼于推动相关产业产品供给能力,进而驱动相关领域发展。

  钢铁行业因横向、纵向涉及面均十分广泛,研究方面往往容易面面俱到,难以定论。实际上,万物发展决定因素虽然众多但有主次之分,因此,抓住主要矛盾在钢铁行业研究中尤为重要。

  价格是由供需决定,不过在供需关系耦合过程中,往往需求是自变量,供给是因变量,因此,供给滞后于需求调整,需求变动往往是供需错配的前提,需求端始终为决定大宗商品价格变动的第一要素。

  对于钢铁行业而言,需求主导特性体现得尤为明显。历史数据证明,2006年以来的20次钢价反弹,均是以需求环比好转为前提,而这背后的原理在于,设备资产投入大、经营重资产属性,使得钢铁行业无论是产能还是产量,均表现出明显的滞后性。

  中国经济步入后工业化时代与人口拐点已过,钢铁行业需求因此未来几年大周期往下。

  钢材的可储存性使得其流通环节存在库存。库存在企业正常的经营活动中扮演着平滑生产、防止销售中断等角色。对于强周期性行业而言,由于其产能具有连续生产的特点,且产能增加耗时较长,而需求具有季节性、间歇性、滞后性、惯性等波动性的特点,因此库存形成的连续性和稳定性与需求波动性的矛盾,就促使库存周期的存在。

  传统的库存周期大概可以分为四大阶段:库存清理阶段、库存形成阶段、库存增加阶段、和去库存阶段,需求是每个阶段启动的根本原因,库存跟随需求而变动,是因变量而非自变量,并提供增量供给或增量需求,价格在需求和库存变化的带动下或涨或跌。

  我们将经济活动中防止产销中断的必要库存定义为“经营性库存”,而将“经营性库存”之外的库存称为“投机性库存”,二者均是需求变化的结果而非触因。

  一方面,“经营性库存”与需求之间具有理论上的合意比例,需求阶段性总量规模决定着“经营性库存”大小。“经营性库存”存在的意义是平抑供需波动,如果经营性库存过低,产销之间缓冲垫削弱,一旦需求回升,价格往往短期拉涨强烈,这也正是2016年钢价涨幅较大的原因之一。

  另一方面,虽然“投机性库存”带来的补库增量会放大需求弹性,但是,“投机性库存”是市场需求预期的体现。2011年以来行业持续景气下行,强化了市场谨慎预期,进而导致投机性库存不断削减,库存总量由此呈现逐步收敛态势。

  综合而言,由于库存结构中,“投机性库存”比重降低且短期难以恢复,“经营性库存”水平过低,库存对于钢价的意义也发生了根本性转变,由此前的助涨助跌转变为提供稳价环境,贸易环节库存低位或将常态化。

  库存是一整套体系,单独看一种库存只能据此研究某一个交易环节的供需状况,而实体经营中,产业链上下游各环节交易则相辅相成、互为因果,因此为了更加真实准确反映实体状况,我们需要全面考量产业链库存状况。

  钢铁行业的产业链库存最重要的包含三个来源:钢厂、钢贸商以及产品厂商。具体来看,我们需要考察的对象至少包括钢厂产成品库存、钢贸商社会库存、下游需求厂商原料(钢材)库存及产成品库存(钢材折算当量),不过,考虑到数据的可获取性及行业整体悲观预期致使下游厂商原料钢材缺乏囤库意愿,其原料钢材库存占比应相对较小,因此,我们将全产业链库存研究范围放在除下游需求厂商钢材原料库存之外的其他库存。

  综合钢厂、钢贸商以及下游终端三个环节钢材库存,测算钢材全产业链库存增速2016年持续负增长,表明全产业链库存整体去化,印证了地产、基建和制造业钢材下游需求全面复苏态势。不过,必须要格外注意的是,拆分主要下游领域可见,目前汽车、家电等板材应用领域产成品库存出现同比回升迹象。

  钢铁行业产能具有其独有特征。首先,设备资产投入庞大使得钢铁行业产能变化呈现明显滞后性,而基于成本加成属性,行业市场化产能淘汰路径漫长且反复,美、日钢铁产业上世纪70年代以来的去产能阶段历经十数年。

  其次,虽然由于中国钢铁行业承载着包括经济、就业及税收在内的极大社会责任,行政化去产能之路注定充满坎坷,但在供给侧改革政策强力推进下,目前行业行政化去产能值得期待,包括近期地条钢、前期惩处供给侧改革执行不力的地方副省长等举措,均彰显出行政化去产能决心。


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