碳化硅材料在有色行業(yè)的應(yīng)用展望

廖 明

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材料開發(fā)

碳化硅材料在有色行業(yè)的應(yīng)用展望

廖 明

簡要介紹了碳化硅材料的基本組成及特性；探討了碳化硅材料在有色冶金行業(yè)的應(yīng)用前景。

碳化硅； 特性； 有色冶金； 材料應(yīng)用

0 引言

在有色冶煉行業(yè)，大部分金屬冶煉都離不開酸、堿等腐蝕性環(huán)境，無論對工藝的選擇還是對冶煉成本的控制，材料的選用都至關(guān)重要，新材料的出現(xiàn)或應(yīng)用往往會伴隨著冶煉工藝、冶煉設(shè)備的重大變革。目前白銀有色集團(tuán)有色金屬產(chǎn)量已經(jīng)超過30萬t，企業(yè)在新材料的應(yīng)用上在不斷地進(jìn)行嘗試，并且希望每個企業(yè)的努力能夠給整個行業(yè)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

碳化硅(SiC)又稱金剛砂或耐火砂，是由Ⅳ-Ⅳ主族元素構(gòu)成的二元化合物，也是元素周期表第Ⅳ主族元素中唯一穩(wěn)定的固態(tài)化合物，具有類似金剛石的六面體晶體結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)單元是Si-C四面體，每種原子都被四個異種原子包圍，Si-C間通過強(qiáng)的sp3鍵結(jié)合。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了碳化硅材料眾多的優(yōu)異性能，而優(yōu)異的性能決定了碳化硅材料在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。

本文主要探討了碳化硅材料在有色冶金行業(yè)的應(yīng)用前景。

1 碳化硅的優(yōu)異性能

(1)碳化硅材料具有高的PV值，耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性強(qiáng)，是非常好的密封材料，可應(yīng)用于高壓、高轉(zhuǎn)速、高溫、腐蝕性介質(zhì)及含有固體顆粒介質(zhì)等操作工況下，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)。

(2)碳化硅的密度低，硬度高，剛性好，變形小，耐高溫，可與其他材料一起組成耐極高溫度的燃燒室及噴嘴，目前已廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域。

(3)碳化硅的寬禁帶和耐高溫等特性，使其在高溫半導(dǎo)體器件方面有著無可比擬的優(yōu)勢。利用碳化硅材料制成的耐高溫和大功率的半導(dǎo)體器件，工作溫度可達(dá)500 ℃以上，已廣泛的應(yīng)用于極端環(huán)境下的電子系統(tǒng)，例如軍用武器系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)、石油地質(zhì)勘探系統(tǒng)。

(4)碳化硅具有高熔點(diǎn)(分解度)、化學(xué)惰性和抗熱振性，可用于磨具、陶瓷制品燒成窯爐中的棚板和匣缽、冶金爐碳化硅磚、鋁電解槽襯、坩鍋、小件爐材等多種碳化硅陶瓷制品。

(5)碳化硅可以與碳纖維復(fù)合制成碳化硅基復(fù)合材料，此復(fù)合材料最主要的特點(diǎn)是韌性提高，而且可不同程度地提高材料的強(qiáng)度和模量，同時還具有碳化硅本身其他的優(yōu)異性能。近年來，許多國家研究部門開發(fā)出了多種耐高溫、高強(qiáng)度的陶瓷纖維，其同碳化硅結(jié)合，被廣泛應(yīng)用在電子行業(yè)和航空領(lǐng)域。

2 碳化硅在有色冶金行業(yè)的應(yīng)用前景

碳化硅材料目前在有色金屬冶煉行業(yè)的應(yīng)用，主要是利用其耐高溫性，導(dǎo)熱性能良好，抗沖擊強(qiáng)等性能，應(yīng)用主要在：鋅冶煉堅罐蒸餾爐碳化硅磚、精餾爐塔盤、鋁電解槽、銅熔化爐內(nèi)襯、鋅粉爐用弧型板、熱電偶保護(hù)管等。

有色冶金涉及鋁、銅、鎳、鉛、鋅、稀土、金、銀等多種金屬的冶煉，過程和條件各不相同，極具復(fù)雜性，對工藝和材料要求非常嚴(yán)苛，如何更好地利用碳化硅材料的特性，使其在有色冶煉行業(yè)中有更廣泛的應(yīng)用，在節(jié)能降耗、提升冶金工藝水平等方面發(fā)揮更大的作用，需要更多的探索。

2.1 導(dǎo)熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性的利用

碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎與通常使用的石墨管的導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)，而且遠(yuǎn)比其它材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，是鉭金屬導(dǎo)熱系數(shù)的2倍，不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)的5倍，哈氏合金導(dǎo)熱系數(shù)的10倍，搪玻璃熱導(dǎo)系數(shù)的15倍。

碳化硅具有極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，可以抵抗各種化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，在某些苛刻的環(huán)境下，具備很多高級不銹鋼所不具備的性能。表1列舉了碳化硅在一些非?？量痰母g環(huán)境下的數(shù)據(jù)。

表1 碳化硅在腐蝕環(huán)境下的數(shù)據(jù)

利用碳化硅材料優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性，可以制備在苛刻條件下使用的換熱器，在不降低換熱效率的前提下，使設(shè)備具備更長的使用壽命，降低投資。碳化硅換熱管最長可達(dá)4.5 m，外徑有多種規(guī)格，可以作為金屬、搪玻璃和其他傳統(tǒng)材料的優(yōu)越替代品。碳化硅也可以加工成很多規(guī)格的設(shè)備和管道，應(yīng)用面更廣。

白銀有色集團(tuán)和中國恩菲工程技術(shù)有限公司正在合作，嘗試將碳化硅材料應(yīng)用于硫酸低位熱回收方面。由于冶煉煙氣二氧化硫濃度波動比較大，導(dǎo)致吸收酸濃度時常波動，濃硫酸溫度超過180 ℃時，酸濃度波動會對金屬材料產(chǎn)生極強(qiáng)的腐蝕，目前為止，還沒有一種合金材料能夠用于這種環(huán)境下。而碳化硅材料的應(yīng)用，能夠很好地解決這一問題。

2.2 耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性的利用

碳化硅材料自潤滑性及摩擦系數(shù)小，約為硬質(zhì)合金的一半。由于耐磨性能好，又具備很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，可以用于強(qiáng)腐蝕性又含有固體顆粒的介質(zhì)中。而這種使用環(huán)境，在冶金工業(yè)中非常多。

冶煉煙氣在洗滌凈化過程中，煙氣中的三氧化硫、氟離子、氯離子、各類金屬離子都被水洗滌下來，形成濃度10%左右的廢硫酸。這些廢硫酸中含有大量的有價金屬，如果將這部分金屬回收，硫酸濃縮后再利用，同時將介質(zhì)中的氯離子、氟離子有效去除，則能夠達(dá)到資源回收、節(jié)能減排等目的。但是，該過程材料的選用是個難題，而碳化硅材料是最合適的選擇。目前白銀公司正在將該材料應(yīng)用到廢酸回收過程中。

2.3 高硬度和高強(qiáng)度的利用

碳化硅的硬度最高可以達(dá)到2 800 kg/mm2，抗壓強(qiáng)度高達(dá)3 900 MPa，是目前可以應(yīng)用在實(shí)際工程中硬度最好的材料，其硬度比碳化鎢高50%。碳化硅可以做成不使用任何浸漬體的密封體，因此即便在極端高溫和高壓的條件下，也具有超強(qiáng)的耐磨性和完全的不滲透性，允許介質(zhì)高速通過，且熱交換率高。而且高硬度意味著在高純應(yīng)用中不會污染介質(zhì)。在有色冶金行業(yè)的燃燒爐中，碳化硅可以作為噴嘴材料，克服傳統(tǒng)金屬材料高溫條件下硬度較差、容易變形、耐磨性差的問題。

3 結(jié)束語

碳化硅在機(jī)械、軍事、化工和電子等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛和成熟，但在有色金屬冶煉行業(yè)中的某些細(xì)分行業(yè)，迫切需要碳化硅的卓越性能來滿足苛刻的工況條件。然而冶金行業(yè)的工況條件復(fù)雜，而碳化硅材料自身的一些缺點(diǎn)，如可加工性，脆性強(qiáng)，不好連接密封等，還有很多細(xì)節(jié)問題需要不斷完善。

我國是碳化硅原料生產(chǎn)大國，冶金行業(yè)又處在改革向前的高技術(shù)需求環(huán)境，充分挖掘碳化硅產(chǎn)品的覆蓋領(lǐng)域，逐步替代傳統(tǒng)材料，有利于推進(jìn)冶金細(xì)分行業(yè)的改革進(jìn)程。因此應(yīng)積極做好碳化硅材料的研制、開發(fā)與推廣工作，以盡快滿足在冶金行業(yè)的發(fā)展要求。

[1] 于新奇，任歐旭，魯占全. 碳化硅材料在機(jī)械密封中的應(yīng)用[J].河北工業(yè)科技，2005，(3)：134-137.

[2] 思芳. 新型碳化硅陶瓷材料的制備與應(yīng)用研究[J].網(wǎng)友世界云教育，2014，(15)：246-247.

巴新瑞木紅土鎳礦研究項目成功通過鑒定

中國有色金屬工業(yè)協(xié)會組織同行專家對中國恩菲工程技術(shù)有限公司和瑞木鎳鈷管理(中冶)有限公司共同完成的《巴布亞新幾內(nèi)亞瑞木紅土鎳礦資源高效開發(fā)利用綜合技術(shù)研究》項目(以下簡稱“瑞木項目”)到項目現(xiàn)場開展為期6d的科技成果鑒定工作。

瑞木項目位于巴布亞新幾內(nèi)亞馬當(dāng)省，建成處理紅土鎳礦原礦321萬t/d(干基)的規(guī)模化工廠，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)氫氧化鎳鈷中間產(chǎn)品7.9萬t/d(干基)，按金屬計鎳為3.26萬t/d、鈷為3 335 t/d；副產(chǎn)約16萬t/d的商品級鉻鐵精礦。項目是我國迄今為止已成功實(shí)施的海外有色礦業(yè)投資最大的項目，集采、選、冶為一體，包括露天開采、選礦、礦漿管道輸送、冶煉、尾渣深海填埋等主體工程，以及碼頭、電站、供電供水系統(tǒng)、硫酸廠、石灰石廠、橋梁和公路等公輔設(shè)施。項目采用的高壓酸浸處理低品位紅土鎳礦資源工藝是目前世界上難度最大、技術(shù)最先進(jìn)和最具挑戰(zhàn)性的濕法冶煉工藝。2012年12月該項目正式投產(chǎn)，標(biāo)志著這一“有色金屬濕法冶煉工藝塔尖上的明珠”已被中國工程技術(shù)人員成功摘取，極大地提升了中國礦業(yè)工程技術(shù)在國際礦業(yè)技術(shù)開發(fā)上的地位。 項目采用中國恩菲自主研發(fā)、國際先進(jìn)的第三代高壓酸浸(HPAL)工藝技術(shù)、核心裝備和控制系統(tǒng)，其中“三級預(yù)熱、三級閃蒸”余熱回收利用技術(shù)，提高了余熱的利用率，有效降低了生產(chǎn)成本，解決了高壓酸浸惡劣工況條件下的操作難題，實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)定、連續(xù)生產(chǎn)，作業(yè)周期達(dá)到了10～12個月，較同類工藝技術(shù)提高了2～3倍。高壓酸浸系統(tǒng)共分為三個系列，每個系列包括1臺直徑5.1 m、總長39 m的鋼襯鈦高壓釜，單臺設(shè)備總體積760 m3，設(shè)備單重750 t，為目前世界上最大的高壓釜之一。

此外，中國恩菲項目團(tuán)隊通過不懈努力，開創(chuàng)了恩菲歷史上的多項新紀(jì)錄，也創(chuàng)造了世界鎳鈷工業(yè)的諸多技術(shù)創(chuàng)新“之最”：世界首次采用“圓筒擦洗- 槽式擦洗”洗礦、“水力旋流器分級- 螺旋溜槽粗選- 搖床精選- 磁選提高鉻鐵比”選鉻工藝，解決了紅土鎳礦難洗難選的行業(yè)難題，實(shí)現(xiàn)了鉻的資源化利用，并有效減少長距離礦漿輸送沉積、減緩輸送過程中礦漿對管道的磨損；建成世界上第一條投入生產(chǎn)運(yùn)行的高粘度紅土鎳礦長距離礦漿輸送管道，采用大管徑、低濃度、自流為主的低成本運(yùn)行方式，輸送距離達(dá)到135 km，終端配備自主知識產(chǎn)權(quán)的世界上最大的消能站，有效解決礦漿末端消能問題；采用氫氧化鈉沉鎳鈷新技術(shù)，大幅度改善礦漿沉降、過濾、洗滌性能，產(chǎn)品含水較同行業(yè)降低20%；世界首次采用深海填埋技術(shù)處理紅土礦冶煉尾渣等，環(huán)保安全，滿足國際最嚴(yán)格的定期跟蹤檢測要求，堪稱行業(yè)環(huán)保典范。

與會專家認(rèn)真聽取了項目匯報、審閱了鑒定資料、考察了生產(chǎn)現(xiàn)場，經(jīng)質(zhì)詢和討論后，一致認(rèn)為：該項目提供的鑒定資料齊全，數(shù)據(jù)翔實(shí)，符合鑒定要求；項目各工藝環(huán)節(jié)合理銜接及匹配，有效作業(yè)率高，產(chǎn)品質(zhì)量高；安全環(huán)保，清潔生產(chǎn)，社會和經(jīng)濟(jì)效益顯著；項目自主研發(fā)的洗礦及選鉻、長距離礦漿管道輸送、高壓酸浸、尾渣深海填埋多項新技術(shù)應(yīng)用成功；是中國首次在紅土鎳礦全濕法冶煉技術(shù)工程化實(shí)施的成功案例，亦是國內(nèi)開發(fā)同類海外鎳資源的成功典范。

(白銀有色集團(tuán)股份有限公司，甘肅 白銀 730900)

Application prospect of SiC material in the field of non-ferrous metallurgy industry

LIAO Ming

The basic composites and properties of the SiC material were briefly reviewed, and the application of silicon carbide material, particularly in the field of non-ferrous metallurgy industry was introduced.

SiC, properties; non-ferrous metallurgy, material application

廖 明(1958—)，男，廣東梅州市人，大學(xué)本科，機(jī)械高級工程師，現(xiàn)任白銀有色集團(tuán)股份有限公司董事長、總經(jīng)理。

2015-- 06-- 24

TB333

B

1672-- 6103(2015)05-- 0077-- 03