碳纤维工业化生产成本构成及低成本化战略分析

碳纤维及其复合材料是一种高技术含量的重要结构材料，具有高比强度、高比模量、质轻、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列优点，广泛应用于航天航空、战略武器、汽车、交通、能源、建筑和体育用品等领域。由于其应用领域的特殊性，国外对高性能碳纤维技术与高端工艺装备实施垄断封锁，低端碳纤维产品向我国倾销。日本等国外大型企业占据全球95%以上碳纤维市场，并利用其技术和规模优势压低价格，导致国内企业被迫降价。受国外低价倾销和恶意竞销的影响，导致生产成本高于进口同类产品价格，全行业呈亏损状态。上游碳纤维价格大的波动，对下游复合材料企业成本影响很大，制约了我国碳纤维复合材料产业的健康发展。此外，随着土耳其、韩国、俄罗斯、印度和沙特等国家碳纤维项目的陆续投产，并且随着国内碳纤维产能的逐步释放，碳纤维市场竞争将更加残酷。

成本已经成了国内碳纤维生产企业头顶高悬的一座大山，但同时也是唯一的突围之道，虽然某些企业依靠在高端领域的高售价为企业实现了盈利，但总归是僧多粥少，未来市场的竞争主要还是存在于民用领域。本文根据公司千吨级生产装置的实际情况，对聚丙烯腈基碳纤维生产成本构成进行了分析，并结合企业实际情况，提出了低成本战略规划和降本增效措施。

1、碳纤维生产过程简介

聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程，原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、干燥致密、收丝等工序，为了更直接、更清晰地展示碳纤维成本构成，更好地阐述本文观点，以下将原丝作为原料使用，根据市场行情，原丝单价约为2.9万元/吨。

原丝的碳化过程中，首先经过预氧化处理，在其内部形成芳环结构，对预氧纤维进行进一步的高温处理后，这种耐热结构将继续演变^[1]。预氧化阶段之后为碳化阶段，碳化过程通常在以氮气为气氛的惰性气氛下进行，碳化过程控制的主要工艺参数主要为时间、温度和牵伸三项，装置如图1所示。根据不同热处理温度将碳化过程分为低温碳化过程和高温碳化过程两个阶段，两个阶段都采用多段控温方式^[2,3]。碳化过程的处理时间远远低于预氧化过程的处理时间，一般预氧化处理时间约为60-90分钟，低温碳化和高温碳化处理时间之和约为5分钟左右 ^[4]。经过碳化过程处理后，碳纤维已经完成制备，在工业生产中由于要考虑到后续复合材料的应用，还需进行表面处理、上浆、干燥等工序，再收丝络筒完成产品制备。

图1  碳化装置示意图

2、碳纤维成本构成

由于各个国家、研究单位及生产单位的不同，成本及成本结构的习惯性算法也不尽相同，本文结合公司自身情况在成本核算中以月为单位，将碳纤维成本分为固定成本和可变成本，固定成本包括设备折旧，人工费和管理费等固定投入的部分，可变成本部分包括生产过程中的原辅料投入以及燃料动力费用，与运行时间及工艺水平相关。固定成本根据单位时间内的产量不同而变化，单位时间内的产量越高，固定成本在单位产品成本中所占的比例越低。

因此在谈论成本构成时应该定义好一定的情形，以一条年设计产能1500吨的碳纤维生产装置为例，月实际产量120吨为例：

产品成本中的固定成本和可变成本比例如图2所示：

图2 碳纤维成本中固定成本和可变成本的比例

如图2所示，当装置月产量达到120吨时，在碳纤维成本中固定成本所占比例为21%，当产量继续增加时，固定成本的比例将降低，达到装置的最大负荷时，固定成本也达到了最小值，因此在碳纤维工业化生产中应该最大程度发挥装置产能，才能有效从固定成本角度降低成本。

在可变成本中，原料、辅料、燃料动力以及包装等其他费用比例如图3所示：

图3 碳纤维可变成本构成

从图3可变成本构成中可以看到，原料占比66%，在碳纤维生产过程中，因原料固定，工艺固定，碳纤维收率基本固定，吨产品原料消耗基本不会有太大变化，但在可变成本中原料消耗与燃料动力的比例可以看出一个碳纤维企业的装置和生产水平，原料比例占比越高，则说明运行过程中燃料动力的利用率较高。辅料主要是碳纤维用上浆剂，进口与国产、外购与自产对辅料的成本有着较大影响。

在燃料动力中，预氧化动力消耗约占33%，碳化占46%，其余工序占比如图4所示：

图4 碳化过程中燃料动力费用组成

3、碳纤维低成本化战略

2018年，丙烯腈价格一路上涨，导致原丝及碳纤维，乃至复合材料的成本上升，行业内企业都在艰难度日，解决好成本与售价间的矛盾，是一个碳纤维生产企业期望也是必须要面对的问题，低成本化战略的实施迫在眉睫。本人认为碳纤维低成本化应该从以下几个方面入手：

（1）有效利用生产装置，努力提高达产率

碳纤维领域“空有产能，实无产量”的例子屡见不鲜，也是无奈之举，主要是因为装置设计不合理，运行成本超高，再者，下游应用市场的需求疲软，生产的产品销售困难，但装置的达产率如果达不到80%-90%，低成本化永远无法企及（高端领域供应商除外）。以本装置年产1500吨设计产能，月设计产能约136吨，目前每月产量120吨，达产率为88.2%。如果实际月产量100吨，则达产率为73.5%，产品单位成本将提高4%；如果实际月产量可到达150吨，则达产率为110.3%，产品单位成本将下降4%，此外达产率的提高通常也会结合工艺和负荷的优化，产品单位成本预计可以达到下降6%-7%的目标。

（2）提高产品品质和收率，提高生产效率

原料和工艺确定后，物料平衡关系基本固化，但产品的品级以及满卷率则是代表了产品能够以什么价格出售，因此，在生产过程中要最大程度提高产品的满卷率，提高产品的质量水平，降低质量波动，提高用户的接受度，也是降低成本的有效手段。一级品和二级品的成本相同，但单位售价却相差15%左右，提高一级品率可以有效提高单位产品的价值，变相降低了成本。针对本千吨装置，一级品率通常在93%左右，提高一个百分点，将为企业节约近2.5万元。

（3）加大工艺和装备创新力度，降低燃料动力消耗

随着近年来碳纤维热度的不断提高，颠覆传统的一些工艺思路和设备不断涌现，比如射频、微波、等离子等能量方式被试验，新型原丝的设计开发，热处理时间减少的记录不断被刷新，新设备新技术的引入可以有效降低传统方式带来的能量浪费。同样，由于燃料动力成本点总成本比例较大，如果采用新的工艺，可以有效缩短工艺时间，如果节约工艺时间不但能有效降低单位能耗成本比例，如通过快速预氧化技术，将预氧化处理时间降低50%左右，单位成本可降低约3.5%，降本效果十分可观。

（4）设备国产化，辅料国产化，人员优化，降低固定成本

碳纤维的生产过程中对设备控制精度要求较高，目前国内碳纤维生产厂家的关键设备多为进口，购置价格以及后期维护费用较高，投资回报周期较长，装置国产化后可以有效降低投入，2015年，精功科技股份有限公司通过吸收引进国外先进技术建成了国内首条千吨级碳纤维生产装置，装置运行平稳，也开启了装置国产化的道路。此外，上浆剂等助剂也多为进口，与国内厂家相比，价格贵一倍不止，限制了成本的有效降低，自主研发上浆剂除了降低成本打破垄断外，还可以提高产品的质量，从而增加产品的竞争力达到增效的目的。合理配备人员和倒班方式，可以相对降低人员成本投入，从而达到降低固定成本的目的。

4、碳纤维降本增效措施

本文根据对碳纤维生产过程的认识，结合装置实际情况，提出以下降本措施：

（1）确保碳纤维装置满工位运行，根据设备的承受能力，在保证产品质量的同时，最大程度优化提高装置运行速度，提高单位时间产量。保证装置的正常运行周期，减少非计划停车。

（2）突破快速预氧化技术。通过原丝的改进或工艺的优化匹配，降低预氧化停留时间。

（3）碳纤维生产过程中实施在线更换原丝方式，避免了因停车穿炉带来的升降温能量消耗和升降温时间的浪费，同时，也避免了因频繁升降温对温度场和气氛场带来波动，保证了产品质量的一致性。

（4）自主研发和生产上浆剂，降低辅料成本比例。

（5）合理优化预氧化、碳化工艺，避免能量过剩。

（6）通过技改措施实现节能节水，如在焚烧系统中增设余热回收装置，用于生产蒸汽等。

5、结语

毫无疑问，低成本的道路才是碳纤维生产企业现阶段的突围之道，在传统工艺和传统观念的影响下，低成本化的路上必定不是一片坦途，剖析碳纤维成本构成可以告诉大家力运何处，只有从细节之处入手，充分利用技术创新和装备创新带来的改变，在国内碳纤维同仁们的共同努力下，碳纤维行业必然会迎来新的春天。