碳化硅材料在有色冶金領(lǐng)域的應(yīng)用研究

歐陽燦

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

0 前言

隨著有色冶金技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來不斷受到重視的濕法加壓浸出工藝要求冶煉系統(tǒng)選用的工程材料在高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高磨損等復(fù)雜工況下具備良好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。冶煉技術(shù)的發(fā)展離不開材料科技的進(jìn)步。

碳化硅(SiC)又名金剛砂或耐火砂，主要通過人工方法合成，天然碳化硅僅罕見存在于隕石及莫桑石礦物中。碳化硅硬度極高，莫氏硬度為9.1，僅次于金剛石。碳化硅各類結(jié)晶類型中以高溫穩(wěn)定型α-SiC及低溫穩(wěn)定型β-SiC最為常見。工業(yè)上應(yīng)用的碳化硅粉體原料主要是通過石英砂(SiO2)與焦炭，加入NaCl、木屑作為添加劑在電阻爐中高溫下通過氧化還原反應(yīng)制得[1]。碳化硅粉體經(jīng)各種方法燒結(jié)得到的碳化硅陶瓷具有出色的高溫力學(xué)性能、高耐磨性、抗氧化性、高熱導(dǎo)率、耐化學(xué)腐蝕、熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)良性能，未來極有可能成為有色冶金領(lǐng)域裝備升級的重要推動(dòng)力。

1 碳化硅陶瓷燒結(jié)工藝

碳化硅是一種典型的強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合的化合物，常規(guī)燒結(jié)時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)極低，需要添加燒結(jié)助劑并采用特殊工藝處理以獲得致密的碳化硅陶瓷。按燒結(jié)工藝進(jìn)行分類，碳化硅陶瓷可以分為反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷、熱壓燒結(jié)碳化硅陶瓷、無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷、熱等靜壓燒結(jié)碳化硅陶瓷等[2-3]。

1.1 碳化硅陶瓷燒結(jié)工藝特點(diǎn)

各類碳化硅陶瓷燒結(jié)工藝特點(diǎn)如下：

1)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷。α-SiC與石墨粉混合后的素胚通過在高溫下進(jìn)行滲碳達(dá)到燒結(jié)目的，所需燒結(jié)溫度較低，可制備形狀復(fù)雜的碳化硅組件，但反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷高溫性能較差。

2)熱壓燒結(jié)碳化硅陶瓷。純SiC粉在2 000 ℃以上、大于35 MPa的工況下添加適當(dāng)燒結(jié)助劑進(jìn)行燒結(jié)，可獲得物性相對較高的SiC陶瓷，但熱壓工藝只能制備簡單形狀SiC組件且單次制備產(chǎn)品數(shù)量有限，熱壓工藝效率不高。

3)無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷。通過向SiC微粒中添加B、C、鋁的化合物等助劑，實(shí)現(xiàn)常壓下的SiC燒結(jié)，可制備形狀復(fù)雜及大尺寸SiC組件，工業(yè)化應(yīng)用前景較好。

4)熱等靜壓燒結(jié)碳化硅陶瓷。高溫下通過熱等靜壓燒結(jié)工藝來制取SiC陶瓷，可制備形狀復(fù)雜SiC組件，但須對素胚進(jìn)行包封，難于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

1.2 碳化硅陶瓷的物理性能參數(shù)

上述各類燒結(jié)方法獲得的碳化硅陶瓷部分物理性能參數(shù)[4]見表1。

表1 碳化硅陶瓷的物理性能參數(shù)

2 碳化硅材料在有色冶金領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)應(yīng)用

1)利用碳化硅材料的高溫力學(xué)性能好、抗熱震性強(qiáng)、抗沖刷侵蝕等特點(diǎn)，將其作為耐火材料應(yīng)用于豎罐鋅蒸餾爐爐壁、鋅精餾爐塔盤、鋁電解槽側(cè)壁等襯里結(jié)構(gòu)。

2)碳化硅材料硬度高、耐腐蝕耐熱性能俱佳、與石墨材料組成的摩擦副的摩擦系數(shù)低且密封性能好，已作為密封環(huán)材料在有色及其他行業(yè)的各類高PV值、高腐蝕、含固體顆粒介質(zhì)的機(jī)械密封中被廣泛應(yīng)用。

3)利用碳化硅材料耐磨損、高硬度、耐酸堿等特點(diǎn)，將其作為耐磨材料應(yīng)用于輸送泥漿砂料的砂泵泵腔襯里以及各類濕法煙氣脫硫裝置噴嘴等。

2.2 新應(yīng)用

近年來，濕法冶金技術(shù)不斷趨向于在高溫、高壓、高酸堿腐蝕環(huán)境下進(jìn)行有價(jià)金屬的提取，這些極端工況常導(dǎo)致選材困難或不得不采用昂貴金屬材料。為改變這種局面，進(jìn)而出現(xiàn)了碳化硅材料在這些工況下新的應(yīng)用范圍和研究方向。

2.2.1 在濕法冶金攪拌裝置中的應(yīng)用

1) 豫光鋅業(yè)公司濕法煉鋅系統(tǒng)氟、氯離子含量超標(biāo)加之高酸高磨蝕工況導(dǎo)致生產(chǎn)線上即使選用了進(jìn)口316 L、904 L材質(zhì)攪拌器仍存在年維護(hù)成本過高的問題[5]。該企業(yè)技術(shù)公關(guān)小組嘗試以碳化硅為粉料、焦寶石為骨料、耐熱纖維為增強(qiáng)材料并通過在碳化硅表面涂抹緩沖涂層等工藝，制作非金屬攪拌裝置主軸與漿葉。該碳化硅攪拌裝置安裝在鎵鍺預(yù)中和槽中，投入生產(chǎn)的兩年時(shí)間里，攪拌器電機(jī)未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，碳化硅主軸及槳葉未發(fā)現(xiàn)有明顯腐蝕或磨損情況。經(jīng)比較，這種碳化硅攪拌器造價(jià)比同規(guī)格進(jìn)口316 L材質(zhì)攪拌器低45%，若全面推廣成功，可為企業(yè)節(jié)省不菲的投資和運(yùn)行成本。

2)胡光雄[6]等針對高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)磨損工況下攪拌裝置的選材難題，提出了一種包含碳化硅材料在內(nèi)的組合式攪拌結(jié)構(gòu)。其大體結(jié)構(gòu)為鋼制攪拌軸及槳葉外部搪瓷后再依次外包聚四氟乙烯、碳纖維、碳化硅耐磨膠泥(攪拌軸)或碳化硅耐磨保護(hù)套(槳葉)。這種組合式防腐結(jié)構(gòu)通過發(fā)揮各層材料的優(yōu)勢，克服了單一搪瓷、襯塑等結(jié)構(gòu)形式的不耐磨損、不耐高溫、材料易老化等缺點(diǎn)。這種組合式攪拌裝置可在200 ℃鹽酸粉煤灰漿料中連續(xù)使用300天以上，使用壽命遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)攪拌裝置。

2.2.2 在加壓浸出閃蒸系統(tǒng)中的應(yīng)用

西部礦業(yè)鋅業(yè)分公司電鋅氧壓浸出系統(tǒng)閃蒸槽緩沖器喉管常期承受高溫帶壓酸性浸出礦漿混合物料的高速?zèng)_刷磨蝕[7]，該部件投用初期采用904L材質(zhì)，使用壽命較短，成為制約企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的瓶頸。嘗試采用鋼襯鈦、904 L襯剛玉等喉管材質(zhì)替代后效果仍不明顯。后續(xù)采用了雙相鋼內(nèi)襯高硬度、高強(qiáng)度、耐腐蝕碳化硅材質(zhì)的喉管，使用壽命較初始提高了2倍，取得了一定的成效。為進(jìn)一步顯著提高喉管使用壽命，仍需要解決好碳化硅的機(jī)械加工精度、粘結(jié)劑等問題。

2.2.3 在鹽酸法氧化鋁生產(chǎn)高溫管道中的應(yīng)用

鹽酸法氧化鋁生產(chǎn)管道普遍采用鋼襯塑、襯玻璃等材質(zhì)，此類管道在100 ℃以上工況下使用存在老化、軟化、不耐沖擊磨損等問題。胡光雄[8]開發(fā)了一種包含鋼管本體、聚四氟乙烯內(nèi)襯層、耐酸膠泥中間層、碳化硅陶瓷襯層的復(fù)合防腐耐磨耐高溫管道。這種復(fù)合管道充分利用了碳化硅材料硬度高、耐磨蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐急冷急熱的特性，同時(shí)借助聚四氟乙烯內(nèi)襯層耐鹽酸且不滲透性及填充膠泥對于各種管道應(yīng)力的緩沖作用對鋼管本體形成了多重保護(hù)。這種碳化硅復(fù)合管道目前已在一些中試生產(chǎn)系統(tǒng)中投入使用并取得了良好的使用效果。

2.2.4 其他新應(yīng)用

近年來，具備優(yōu)異特性的碳化硅材料同時(shí)還應(yīng)用到了有色冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)的如下惡劣工況中：

1)用于溶出反應(yīng)罐、煙氣洗滌器等設(shè)備本體的防腐耐磨襯里。

2)用于高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)、高磨蝕物料輸送管路系統(tǒng)中的閥門組件中。

3)用于極端工況下物料熱交換組件。

4)用于各種防沖擊組件、氣液分布器等防腐耐磨零部件。

3 結(jié)束語

碳化硅是一種極佳的防腐耐溫耐磨材料，在特定環(huán)境下完全可以替代雙相鋼、超級奧氏體不銹鋼、鎳基合金等貴金屬材料。憑借諸多優(yōu)異性能，碳化硅材料在軍工、航天、電子等領(lǐng)域高精尖技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代有色冶金生產(chǎn)苛刻的工況條件要求冶煉系統(tǒng)選用的工程材料具備良好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，受加工制造難度、使用業(yè)績、認(rèn)知水平等影響，碳化硅目前在有色冶金行業(yè)的應(yīng)用大多還停留在初級階段。未來如果充分挖掘碳化硅材料的應(yīng)用潛力，將其在有色冶金領(lǐng)域深度應(yīng)用，必將推動(dòng)有色冶煉技術(shù)不斷向前發(fā)展。