碳化硅材料在有色行业的应用展望

廖 明



材料开发

碳化硅材料在有色行业的应用展望

廖 明

简要介绍了碳化硅材料的基本组成及特性；探讨了碳化硅材料在有色冶金行业的应用前景。

碳化硅； 特性； 有色冶金； 材料应用

0 引言

在有色冶炼行业，大部分金属冶炼都离不开酸、碱等腐蚀性环境，无论对工艺的选择还是对冶炼成本的控制，材料的选用都至关重要，新材料的出现或应用往往会伴随着冶炼工艺、冶炼设备的重大变革。目前白银有色集团有色金属产量已经超过30万t，企业在新材料的应用上在不断地进行尝试，并且希望每个企业的努力能够给整个行业的进步做出贡献。

碳化硅(SiC)又称金刚砂或耐火砂，是由Ⅳ-Ⅳ主族元素构成的二元化合物，也是元素周期表第Ⅳ主族元素中唯一稳定的固态化合物，具有类似金刚石的六面体晶体结构。其基本结构单元是Si-C四面体，每种原子都被四个异种原子包围，Si-C间通过强的sp3键结合。独特的结构赋予了碳化硅材料众多的优异性能，而优异的性能决定了碳化硅材料在各行各业的广泛应用。

本文主要探讨了碳化硅材料在有色冶金行业的应用前景。

1 碳化硅的优异性能

(1)碳化硅材料具有高的PV值，耐高温，化学稳定性和耐磨性强，是非常好的密封材料，可应用于高压、高转速、高温、腐蚀性介质及含有固体颗粒介质等操作工况下，被广泛应用于机械行业。

(2)碳化硅的密度低，硬度高，刚性好，变形小，耐高温，可与其他材料一起组成耐极高温度的燃烧室及喷嘴，目前已广泛应用于航天领域。

(3)碳化硅的宽禁带和耐高温等特性，使其在高温半导体器件方面有着无可比拟的优势。利用碳化硅材料制成的耐高温和大功率的半导体器件，工作温度可达500 ℃以上，已广泛的应用于极端环境下的电子系统，例如军用武器系统、航空航天系统、石油地质勘探系统。

(4)碳化硅具有高熔点(分解度)、化学惰性和抗热振性，可用于磨具、陶瓷制品烧成窑炉中的棚板和匣钵、冶金炉碳化硅砖、铝电解槽衬、坩锅、小件炉材等多种碳化硅陶瓷制品。

(5)碳化硅可以与碳纤维复合制成碳化硅基复合材料，此复合材料最主要的特点是韧性提高，而且可不同程度地提高材料的强度和模量，同时还具有碳化硅本身其他的优异性能。近年来，许多国家研究部门开发出了多种耐高温、高强度的陶瓷纤维，其同碳化硅结合，被广泛应用在电子行业和航空领域。

2 碳化硅在有色冶金行业的应用前景

碳化硅材料目前在有色金属冶炼行业的应用，主要是利用其耐高温性，导热性能良好，抗冲击强等性能，应用主要在：锌冶炼坚罐蒸馏炉碳化硅砖、精馏炉塔盘、铝电解槽、铜熔化炉内衬、锌粉炉用弧型板、热电偶保护管等。

有色冶金涉及铝、铜、镍、铅、锌、稀土、金、银等多种金属的冶炼，过程和条件各不相同，极具复杂性，对工艺和材料要求非常严苛，如何更好地利用碳化硅材料的特性，使其在有色冶炼行业中有更广泛的应用，在节能降耗、提升冶金工艺水平等方面发挥更大的作用，需要更多的探索。

2.1 导热性能和化学稳定性的利用

碳化硅的导热系数几乎与通常使用的石墨管的导热系数相当，而且远比其它材料的导热系数高，是钽金属导热系数的2倍，不锈钢导热系数的5倍，哈氏合金导热系数的10倍，搪玻璃热导系数的15倍。

碳化硅具有极强的化学稳定性，可以抵抗各种化学物质的腐蚀，在某些苛刻的环境下，具备很多高级不锈钢所不具备的性能。表1列举了碳化硅在一些非常苛刻的腐蚀环境下的数据。

表1 碳化硅在腐蚀环境下的数据

利用碳化硅材料优良的导热性能和化学稳定性，可以制备在苛刻条件下使用的换热器，在不降低换热效率的前提下，使设备具备更长的使用寿命，降低投资。碳化硅换热管最长可达4.5 m，外径有多种规格，可以作为金属、搪玻璃和其他传统材料的优越替代品。碳化硅也可以加工成很多规格的设备和管道，应用面更广。

白银有色集团和中国恩菲工程技术有限公司正在合作，尝试将碳化硅材料应用于硫酸低位热回收方面。由于冶炼烟气二氧化硫浓度波动比较大，导致吸收酸浓度时常波动，浓硫酸温度超过180 ℃时，酸浓度波动会对金属材料产生极强的腐蚀，目前为止，还没有一种合金材料能够用于这种环境下。而碳化硅材料的应用，能够很好地解决这一问题。

2.2 耐磨性和化学稳定性的利用

碳化硅材料自润滑性及摩擦系数小，约为硬质合金的一半。由于耐磨性能好，又具备很强的化学稳定性，可以用于强腐蚀性又含有固体颗粒的介质中。而这种使用环境，在冶金工业中非常多。

冶炼烟气在洗涤净化过程中，烟气中的三氧化硫、氟离子、氯离子、各类金属离子都被水洗涤下来，形成浓度10%左右的废硫酸。这些废硫酸中含有大量的有价金属，如果将这部分金属回收，硫酸浓缩后再利用，同时将介质中的氯离子、氟离子有效去除，则能够达到资源回收、节能减排等目的。但是，该过程材料的选用是个难题，而碳化硅材料是最合适的选择。目前白银公司正在将该材料应用到废酸回收过程中。

2.3 高硬度和高强度的利用

碳化硅的硬度最高可以达到2 800 kg/mm2，抗压强度高达3 900 MPa，是目前可以应用在实际工程中硬度最好的材料，其硬度比碳化钨高50%。碳化硅可以做成不使用任何浸渍体的密封体，因此即便在极端高温和高压的条件下，也具有超强的耐磨性和完全的不渗透性，允许介质高速通过，且热交换率高。而且高硬度意味着在高纯应用中不会污染介质。在有色冶金行业的燃烧炉中，碳化硅可以作为喷嘴材料，克服传统金属材料高温条件下硬度较差、容易变形、耐磨性差的问题。

3 结束语

碳化硅在机械、军事、化工和电子等领域中的应用越来越广泛和成熟，但在有色金属冶炼行业中的某些细分行业，迫切需要碳化硅的卓越性能来满足苛刻的工况条件。然而冶金行业的工况条件复杂，而碳化硅材料自身的一些缺点，如可加工性，脆性强，不好连接密封等，还有很多细节问题需要不断完善。

我国是碳化硅原料生产大国，冶金行业又处在改革向前的高技术需求环境，充分挖掘碳化硅产品的覆盖领域，逐步替代传统材料，有利于推进冶金细分行业的改革进程。因此应积极做好碳化硅材料的研制、开发与推广工作，以尽快满足在冶金行业的发展要求。

[1] 于新奇，任欧旭，鲁占全. 碳化硅材料在机械密封中的应用[J].河北工业科技，2005，(3)：134-137.

[2] 思芳. 新型碳化硅陶瓷材料的制备与应用研究[J].网友世界云教育，2014，(15)：246-247.

巴新瑞木红土镍矿研究项目成功通过鉴定

中国有色金属工业协会组织同行专家对中国恩菲工程技术有限公司和瑞木镍钴管理(中冶)有限公司共同完成的《巴布亚新几内亚瑞木红土镍矿资源高效开发利用综合技术研究》项目(以下简称“瑞木项目”)到项目现场开展为期6d的科技成果鉴定工作。

瑞木项目位于巴布亚新几内亚马当省，建成处理红土镍矿原矿321万t/d(干基)的规模化工厂，可实现年产氢氧化镍钴中间产品7.9万t/d(干基)，按金属计镍为3.26万t/d、钴为3 335 t/d；副产约16万t/d的商品级铬铁精矿。项目是我国迄今为止已成功实施的海外有色矿业投资最大的项目，集采、选、冶为一体，包括露天开采、选矿、矿浆管道输送、冶炼、尾渣深海填埋等主体工程，以及码头、电站、供电供水系统、硫酸厂、石灰石厂、桥梁和公路等公辅设施。项目采用的高压酸浸处理低品位红土镍矿资源工艺是目前世界上难度最大、技术最先进和最具挑战性的湿法冶炼工艺。2012年12月该项目正式投产，标志着这一“有色金属湿法冶炼工艺塔尖上的明珠”已被中国工程技术人员成功摘取，极大地提升了中国矿业工程技术在国际矿业技术开发上的地位。 项目采用中国恩菲自主研发、国际先进的第三代高压酸浸(HPAL)工艺技术、核心装备和控制系统，其中“三级预热、三级闪蒸”余热回收利用技术，提高了余热的利用率，有效降低了生产成本，解决了高压酸浸恶劣工况条件下的操作难题，实现了安全、稳定、连续生产，作业周期达到了10～12个月，较同类工艺技术提高了2～3倍。高压酸浸系统共分为三个系列，每个系列包括1台直径5.1 m、总长39 m的钢衬钛高压釜，单台设备总体积760 m3，设备单重750 t，为目前世界上最大的高压釜之一。

此外，中国恩菲项目团队通过不懈努力，开创了恩菲历史上的多项新纪录，也创造了世界镍钴工业的诸多技术创新“之最”：世界首次采用“圆筒擦洗- 槽式擦洗”洗矿、“水力旋流器分级- 螺旋溜槽粗选- 摇床精选- 磁选提高铬铁比”选铬工艺，解决了红土镍矿难洗难选的行业难题，实现了铬的资源化利用，并有效减少长距离矿浆输送沉积、减缓输送过程中矿浆对管道的磨损；建成世界上第一条投入生产运行的高粘度红土镍矿长距离矿浆输送管道，采用大管径、低浓度、自流为主的低成本运行方式，输送距离达到135 km，终端配备自主知识产权的世界上最大的消能站，有效解决矿浆末端消能问题；采用氢氧化钠沉镍钴新技术，大幅度改善矿浆沉降、过滤、洗涤性能，产品含水较同行业降低20%；世界首次采用深海填埋技术处理红土矿冶炼尾渣等，环保安全，满足国际最严格的定期跟踪检测要求，堪称行业环保典范。

与会专家认真听取了项目汇报、审阅了鉴定资料、考察了生产现场，经质询和讨论后，一致认为：该项目提供的鉴定资料齐全，数据翔实，符合鉴定要求；项目各工艺环节合理衔接及匹配，有效作业率高，产品质量高；安全环保，清洁生产，社会和经济效益显著；项目自主研发的洗矿及选铬、长距离矿浆管道输送、高压酸浸、尾渣深海填埋多项新技术应用成功；是中国首次在红土镍矿全湿法冶炼技术工程化实施的成功案例，亦是国内开发同类海外镍资源的成功典范。

(白银有色集团股份有限公司，甘肃 白银 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，广东梅州市人，大学本科，机械高级工程师，现任白银有色集团股份有限公司董事长、总经理。

2015-- 06-- 24

TB333

B

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