碳化硅陶瓷渣浆泵：开启行业弯道超车新引擎
碳化硅陶瓷渣浆泵：开启行业弯道超车新引擎
碳化硅陶瓷渣浆泵作为一种新型的工业设备，以其优异的耐磨、耐腐蚀性能和长寿命特点，正在逐步改变传统渣浆泵市场的格局。本文将为您详细介绍碳化硅陶瓷渣浆泵的技术优势、市场前景以及面临的挑战。
渣浆泵市场现状
渣浆泵是一种专门设计的、用来输送含有悬浮固体颗粒液体的泵。渣浆泵被广泛用于水处理、采矿、冶金、造纸、化工、发电等行业。渣浆泵通过旋转产生离心力，为介质提供动能。
渣浆泵材料包括金属、橡胶、陶瓷，目前以金属和橡胶为主。其中金属材质又包括普通铸铁、耐磨钢和镍硬铸铁、铬系白口铸铁等。不同场景下，渣浆泵材料的选择也有所不同。而当介质中含有固体颗粒圆滑、无尖角、渣浆泵的扬程不超过 40 米时，适宜选择橡胶制造的过流部件。
渣浆泵格局分散，伟尔优势明显。在矿用渣浆泵领域，渣浆泵市场前三名为伟尔集团、KSB、美卓/FLSmdith。伟尔集团在渣浆泵领域优势明显，渣浆泵及备件收入达 9 亿英镑， 我们估算市占率约 40%。第二名的 KSB 在矿用渣浆泵及备件的收入约 1.12 亿欧元，市占率约 4.5%。中国的渣浆泵企业数量居全世界第一，各种大小渣浆泵企业约 6000 余家，从收入体量来看和海外龙头有较大差距。中国渣浆泵技术主要从澳大利亚沃曼公司引进，由石家庄水泵厂负责消化、制造，之后逐步开枝散叶。
碳化硅陶瓷渣浆泵的优势
碳化硅陶瓷物理特性优异，是一种重要的结构陶瓷材料。碳化硅具有优异的高温力学强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、高导热性、耐腐蚀性。碳化硅的莫氏硬度为 9.2~9.5，仅次于金刚石和碳化硼。碳化硅的熔点大约 2730 摄氏度，本身也具有非常高的化学惰性。碳化硅材料被广泛应用于轴承轴套、陶瓷喷嘴、换热器、密封环、卫星反射镜等领域。
使用碳化硅陶瓷制作渣浆泵，具备优异的性能。碳化硅化学稳定性好，能耐几乎所有的无机酸、有机酸、碱的腐蚀；耐磨性能好，可达到高铬耐磨合金的 3-10 倍。使用碳化硅陶瓷渣浆泵，使用寿命可以明显增加，减少选矿厂的停工时间。
碳化硅陶瓷渣浆泵的难点
碳化硅渣浆泵性能优异，但目前技术仍不成熟，渗透率不高。碳化硅陶瓷渣浆泵的制作工艺可以分为几个步骤：1）制备碳化硅粉末；2）碳化硅陶瓷结构件的烧结；3）碳化硅渣浆泵的装配制造。其中碳化硅粉磨的制备相对成熟，而碳化硅结构件的烧结、渣浆泵的装配制造均具有较高的壁垒，是目前制约碳化硅渣浆泵渗透率提升的关键。
碳化硅粉末的制备工艺较为成熟，主要包括 Acheson 法、低温碳热还原法、硅碳直接反应法。其中Acheson 法为主流工艺。
碳化硅主要有两种结晶形态：β-SiC 和α-SiC。α-SiC 为六方晶系纤锌矿结构，因其结构单元层的不同堆垛方式衍生出 2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC 等。β-SiC 为面心立方的闪锌矿结构。制备碳化硅粉体时在 2 000 ℃ 以下合成的 SiC 主要为β型，在 2200 ℃以上合成的主要为α-SiC，而且以 6H 为主。
α-SiC 粉体是目前碳化硅陶瓷产品的主要原料 ，而具有金刚石结构的 β-SiC 多用于制备精密研磨抛光材料。
难点 1：碳化硅结构件的烧结成型
碳化硅陶瓷一般使用注浆、浇筑成型等工艺成型，之后再进行烧结。目前市场上的碳化硅渣浆泵主要烧结方式为：反应烧结碳化硅、氮化硅结合碳化硅、氧化物结合碳化硅。这三种工艺可以采用注浆或浇筑工艺成型，因此可以制造形状复杂的叶轮等部件。
反应烧结：将碳源和碳化硅粉混合，并制备成型（可采用注浆成型，干压或冷等静压等工艺 ）。制作出胚体后进行渗硅反应，即在真空或惰性气氛下将坯体加热至 1500 ℃ 以上，固态硅熔融成液态硅，通过毛细管作用渗入含气孔的坯体。Si 与坯体中 C 之间发生化学反应，原位生成的 β-SiC 与坯体中原有 SiC 颗粒结合，形成反应烧结碳化硅陶瓷材料。
氮化硅结合碳化硅：将硅粉与碳化硅颗粒均匀混合，原料经成型后放置于氮气气氛下进行高温氮化烧结。氮化硅和碳化硅的密度相近，当柱状的氮化硅穿插在碳化硅颗粒之间并发生烧结，产生的增韧和强化作用远远优于单一材料性能。
氧化物结合碳化硅：将 SiC 颗粒与氧化物粘合剂混合，然后将混合物压制成所需形状。 然后将成型部件加热至高温 (通常 1400-1600 摄氏度) 烧结粘合剂并将 SiC 颗粒粘合在一起。
为什么说烧结是核心难点之一？
碳化硅材料本身较为常见，但下游应用领域不同，具体的烧结工艺、材料配方会有所差异。具体到碳化硅渣浆泵的应用场景来说，主要有以下难点：
- 在成型烧结过程中，会不可避免地产生裂纹，表面具有明显裂纹的烧结产品不能使用 ，产品烧结的成品率低。
- 烧结产品还具有很多肉眼无法分辨的微裂纹，以及位于产品内部无法检测的裂纹 ，这些裂纹的存在严重影响大型碳化硅陶瓷的质量，无法保证产品质量的稳定性。
- 碳化硅陶瓷产品强度不足。传统注浆成型、浇筑成型工艺的烧结强度、致密性可以满足部分应用场景，但针对工况恶劣的大中型渣浆泵领域，需要同时满足良好的耐磨、耐腐蚀、抗冲击能力，目前陶瓷泵仍难以满足性能需求。
基于以上原因，碳化硅渣浆泵很难大型化。目前碳化硅渣浆泵的口径普遍在 350mm 以下，而金属渣浆泵的口径可达到 700mm 以上。
为了解决渣浆泵难以大型化的难题，目前解决的思路包括：
1）优化烧结工艺，使用氮化硅结合碳化硅或者氧化物结合碳化硅。在目前工艺条件下，使用反应烧结碳化硅，叶轮直径超过 700mm 时容易存在破碎、成品率低的问题。但是采用氮化硅结合碳化硅或者氧化物结合碳化硅，最大叶轮直径可以做到 1700mm。这是因为氮化硅结合碳化硅或者氧化物结合碳化硅的气孔率高，细小的气孔可以大幅降低烧结过程的内应力并吸收外部冲击导致的应力，因此叶轮的机械强度可以提升。
2）优化叶轮结构设计。反应烧结碳化硅难以大型化，核心原因在于：大型叶轮的叶片和盖板厚度常常达到 80-120mm，叶轮的毛坯密度差异大，烧结后微观结构差异大，甚至出现硅芯（中心局部游离硅含量100%），内部形成较大的残余应力。因此可以通过优化叶轮结构 ，减少叶轮厚度，避免形成较大的残余应力，来解决难以大型化的问题。也可以在设计时将大型碳化硅陶瓷划分为数个小块，覆盖于金属骨架表面，以解决难以大型化的工艺难点。
难点 2：碳化硅渣浆泵的装配制造
所谓碳化硅渣浆泵，一般指过流部件为渣浆泵材料，其他部件仍然采用金属材质。碳化硅陶瓷强度高，抗磨抗腐性能好，但抗冲击性能差，单独使用时在高压下容易爆裂。与金属合体结合可以提高碳化硅陶瓷的抗冲击性能，但碳化硅和金属的结合成为难点之一。
针对碳化硅和金属的结合，有多种思路：
1）使用树脂-碳化硅粘结层。使用树脂-碳化硅组合粘接层连接金属和碳化硅，采用碳化硅颗粒为骨料，加入特定的树脂和添加剂，通过高压填充陶瓷和金属之间的空隙，将陶瓷与金属复合粘接为一体。
2）使用卡槽卡扣。通过卡块与卡槽的卡接，使陶瓷面板安装时快速便捷。当某个陶瓷 面板磨损损坏，只需要拆卸掉对应的陶瓷面板更换，减小了维护成本。
3）金属、碳化硅、橡胶复合。以某渣浆泵叶轮为例，该叶轮在金属骨架的表面设置耐磨陶瓷层。软连接层包括第一软连接层和第二软连接层。第一软连接层设置在耐磨陶瓷和金属骨架之间，第二软连接处设置在耐磨陶瓷和金属骨架表面上。软连接层采用硫化注射工艺成型，可以起到粘接和缓冲作用，延长渣浆泵寿命。
发展前景
碳化硅陶瓷渣浆泵具备优良的耐磨、耐酸碱性能。随着技术进步，碳化硅陶瓷渣浆泵抗冲击性能弱、难以大型化的弱点也有望逐步改善。碳化硅陶瓷渣浆泵渗透率有望逐步提升 ，替代原有金属渣浆泵。建议关注耐普矿机。
本文原文来自五矿证券研究所