碳化硅材料在有色冶金领域的应用研究

欧阳灿

(长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410019)

0 前言

随着有色冶金技术的发展，特别是近年来不断受到重视的湿法加压浸出工艺要求冶炼系统选用的工程材料在高温、高压、强酸、强碱、高磨损等复杂工况下具备良好的力学性能和化学稳定性。冶炼技术的发展离不开材料科技的进步。

碳化硅(SiC)又名金刚砂或耐火砂，主要通过人工方法合成，天然碳化硅仅罕见存在于陨石及莫桑石矿物中。碳化硅硬度极高，莫氏硬度为9.1，仅次于金刚石。碳化硅各类结晶类型中以高温稳定型α-SiC及低温稳定型β-SiC最为常见。工业上应用的碳化硅粉体原料主要是通过石英砂(SiO2)与焦炭，加入NaCl、木屑作为添加剂在电阻炉中高温下通过氧化还原反应制得[1]。碳化硅粉体经各种方法烧结得到的碳化硅陶瓷具有出色的高温力学性能、高耐磨性、抗氧化性、高热导率、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等诸多优良性能，未来极有可能成为有色冶金领域装备升级的重要推动力。

1 碳化硅陶瓷烧结工艺

碳化硅是一种典型的强共价键结合的化合物，常规烧结时的扩散系数极低，需要添加烧结助剂并采用特殊工艺处理以获得致密的碳化硅陶瓷。按烧结工艺进行分类，碳化硅陶瓷可以分为反应烧结碳化硅陶瓷、热压烧结碳化硅陶瓷、无压烧结碳化硅陶瓷、热等静压烧结碳化硅陶瓷等[2-3]。

1.1 碳化硅陶瓷烧结工艺特点

各类碳化硅陶瓷烧结工艺特点如下：

1)反应烧结碳化硅陶瓷。α-SiC与石墨粉混合后的素胚通过在高温下进行渗碳达到烧结目的，所需烧结温度较低，可制备形状复杂的碳化硅组件，但反应烧结碳化硅陶瓷高温性能较差。

2)热压烧结碳化硅陶瓷。纯SiC粉在2 000 ℃以上、大于35 MPa的工况下添加适当烧结助剂进行烧结，可获得物性相对较高的SiC陶瓷，但热压工艺只能制备简单形状SiC组件且单次制备产品数量有限，热压工艺效率不高。

3)无压烧结碳化硅陶瓷。通过向SiC微粒中添加B、C、铝的化合物等助剂，实现常压下的SiC烧结，可制备形状复杂及大尺寸SiC组件，工业化应用前景较好。

4)热等静压烧结碳化硅陶瓷。高温下通过热等静压烧结工艺来制取SiC陶瓷，可制备形状复杂SiC组件，但须对素胚进行包封，难于实现工业化生产。

1.2 碳化硅陶瓷的物理性能参数

上述各类烧结方法获得的碳化硅陶瓷部分物理性能参数[4]见表1。

表1 碳化硅陶瓷的物理性能参数

2 碳化硅材料在有色冶金领域中的应用

2.1 传统应用

1)利用碳化硅材料的高温力学性能好、抗热震性强、抗冲刷侵蚀等特点，将其作为耐火材料应用于竖罐锌蒸馏炉炉壁、锌精馏炉塔盘、铝电解槽侧壁等衬里结构。

2)碳化硅材料硬度高、耐腐蚀耐热性能俱佳、与石墨材料组成的摩擦副的摩擦系数低且密封性能好，已作为密封环材料在有色及其他行业的各类高PV值、高腐蚀、含固体颗粒介质的机械密封中被广泛应用。

3)利用碳化硅材料耐磨损、高硬度、耐酸碱等特点，将其作为耐磨材料应用于输送泥浆砂料的砂泵泵腔衬里以及各类湿法烟气脱硫装置喷嘴等。

2.2 新应用

近年来，湿法冶金技术不断趋向于在高温、高压、高酸碱腐蚀环境下进行有价金属的提取，这些极端工况常导致选材困难或不得不采用昂贵金属材料。为改变这种局面，进而出现了碳化硅材料在这些工况下新的应用范围和研究方向。

2.2.1 在湿法冶金搅拌装置中的应用

1) 豫光锌业公司湿法炼锌系统氟、氯离子含量超标加之高酸高磨蚀工况导致生产线上即使选用了进口316 L、904 L材质搅拌器仍存在年维护成本过高的问题[5]。该企业技术公关小组尝试以碳化硅为粉料、焦宝石为骨料、耐热纤维为增强材料并通过在碳化硅表面涂抹缓冲涂层等工艺，制作非金属搅拌装置主轴与浆叶。该碳化硅搅拌装置安装在镓锗预中和槽中，投入生产的两年时间里，搅拌器电机未出现异常现象，碳化硅主轴及桨叶未发现有明显腐蚀或磨损情况。经比较，这种碳化硅搅拌器造价比同规格进口316 L材质搅拌器低45%，若全面推广成功，可为企业节省不菲的投资和运行成本。

2)胡光雄[6]等针对高温、高压、强酸、强磨损工况下搅拌装置的选材难题，提出了一种包含碳化硅材料在内的组合式搅拌结构。其大体结构为钢制搅拌轴及桨叶外部搪瓷后再依次外包聚四氟乙烯、碳纤维、碳化硅耐磨胶泥(搅拌轴)或碳化硅耐磨保护套(桨叶)。这种组合式防腐结构通过发挥各层材料的优势，克服了单一搪瓷、衬塑等结构形式的不耐磨损、不耐高温、材料易老化等缺点。这种组合式搅拌装置可在200 ℃盐酸粉煤灰浆料中连续使用300天以上，使用寿命远大于传统搅拌装置。

2.2.2 在加压浸出闪蒸系统中的应用

西部矿业锌业分公司电锌氧压浸出系统闪蒸槽缓冲器喉管常期承受高温带压酸性浸出矿浆混合物料的高速冲刷磨蚀[7]，该部件投用初期采用904L材质，使用寿命较短，成为制约企业连续生产的瓶颈。尝试采用钢衬钛、904 L衬刚玉等喉管材质替代后效果仍不明显。后续采用了双相钢内衬高硬度、高强度、耐腐蚀碳化硅材质的喉管，使用寿命较初始提高了2倍，取得了一定的成效。为进一步显著提高喉管使用寿命，仍需要解决好碳化硅的机械加工精度、粘结剂等问题。

2.2.3 在盐酸法氧化铝生产高温管道中的应用

盐酸法氧化铝生产管道普遍采用钢衬塑、衬玻璃等材质，此类管道在100 ℃以上工况下使用存在老化、软化、不耐冲击磨损等问题。胡光雄[8]开发了一种包含钢管本体、聚四氟乙烯内衬层、耐酸胶泥中间层、碳化硅陶瓷衬层的复合防腐耐磨耐高温管道。这种复合管道充分利用了碳化硅材料硬度高、耐磨蚀、化学稳定性好、耐急冷急热的特性，同时借助聚四氟乙烯内衬层耐盐酸且不渗透性及填充胶泥对于各种管道应力的缓冲作用对钢管本体形成了多重保护。这种碳化硅复合管道目前已在一些中试生产系统中投入使用并取得了良好的使用效果。

2.2.4 其他新应用

近年来，具备优异特性的碳化硅材料同时还应用到了有色冶炼生产系统的如下恶劣工况中：

1)用于溶出反应罐、烟气洗涤器等设备本体的防腐耐磨衬里。

2)用于高温、高压、腐蚀性强、高磨蚀物料输送管路系统中的阀门组件中。

3)用于极端工况下物料热交换组件。

4)用于各种防冲击组件、气液分布器等防腐耐磨零部件。

3 结束语

碳化硅是一种极佳的防腐耐温耐磨材料，在特定环境下完全可以替代双相钢、超级奥氏体不锈钢、镍基合金等贵金属材料。凭借诸多优异性能，碳化硅材料在军工、航天、电子等领域高精尖技术中得到广泛应用。现代有色冶金生产苛刻的工况条件要求冶炼系统选用的工程材料具备良好的力学性能和化学稳定性，受加工制造难度、使用业绩、认知水平等影响，碳化硅目前在有色冶金行业的应用大多还停留在初级阶段。未来如果充分挖掘碳化硅材料的应用潜力，将其在有色冶金领域深度应用，必将推动有色冶炼技术不断向前发展。