碳化硅陶瓷重型渣漿泵產品及標準化研究

摘 要： 碳化硅陶瓷在解決碳化硅陶瓷的大型化、脆性和不同材料復合的可靠性等在渣漿泵領域應用的難題后，成為理想的重型渣漿泵的制作材料。本文研究了碳化硅陶瓷重型渣漿泵的工藝和結構特點、技術要求及檢驗手段等，在此基礎上制修訂了該種產品的企業標準。文中介紹了產品的型式與基本參數、技術要求、試驗方法、檢驗規則等標準規范。該標準適用于輸送含有磨蝕、腐蝕性渣漿的離心式碳化硅陶瓷重型渣漿泵。該標準的制、修訂對于提高該類產品的技術水平具有重要意義。

關鍵詞：碳化硅陶瓷；重型渣漿泵；標準化研究

1前言

選礦、冶金、化工等工業使用的渣漿泵及其它過流部件不僅要承受固體顆粒的磨蝕，也要受到化學物質的酸堿腐蝕。國內渣漿泵的過流部件的制造基本上都采用耐磨合金材料。普遍存在磨損大、腐蝕嚴重，泵的過流部件價格昂貴，使用壽命短，備件更換頻繁，運行成本高等問題。特別是超重磨蝕、強酸堿的漿體輸送，顆粒大、濃度高、酸堿腐蝕強，傳統渣漿泵的使用壽命更短，有的工況使用壽命僅為一周，被稱為“星期泵”。

為解決傳統金屬泵的使用壽命短、運行效率低、運行成本高等技術難題。長期以來，經過國內外相關行業的技術人員和專家學者不斷探索和努力，研究和開發了各種體系的材料和結構，包括新型耐磨或耐腐蝕特種合金材料[1-2]、橡膠材料[3-4]、涂覆耐磨防腐涂層[5-6]、有機/無機復合材料[7-9]、先進陶瓷材料[10-12]等。其中采用先進陶瓷材料制造的渣漿泵被認為是解決傳統離心式渣漿泵缺陷的最有前景的技術途徑。

碳化硅陶瓷具有良好的耐磨蝕、耐腐蝕、耐高溫等優良性能，是渣漿泵制作的理想材料。但受材料成型工藝、制造工藝水平、材料特性等限制，如何提高陶瓷材料的強韌性和抗沖擊性能、實現高效制造和可靠加工、實現部件大型化等關鍵技術，是陶瓷材料在渣漿泵應用的世界難題。

針對選礦、冶金、化工行業應對耐強磨蝕性、抗沖擊、耐高溫、耐酸堿腐蝕惡劣工況的特種渣漿泵迫切需求，公司在碳化硅陶瓷制造技術和陶瓷泵結構進行創新，突破了碳化硅陶瓷材料的大型化、脆性和不同材料復合的可靠性等在渣漿泵領域應用的難題，研發了一種大型、耐磨、耐腐蝕碳化硅陶瓷重型渣漿泵和成套制備專利技術[13-14]。同等磨損、腐蝕條件下，達到耐磨合金材料的使用壽命的5倍以上，大大提升了泵的使用壽命，能大幅提升設備運行效率，節能降耗成效顯著，市場前景廣闊。

碳化硅陶瓷泵在我國研發已有二十多年，受材料成型工藝、制造工藝水平、材料特性等限制，未實現大型化和批量化應用。經查JB/T 8096-2013《離心式渣漿泵》規定了抗磨白口鑄鐵、橡膠材質的離心式渣漿泵的技術要求，未涉及碳化硅陶瓷材質渣漿泵的技術要求，碳化硅陶瓷泵的生產處于還無標準可執行。為了盡快實現公司碳化硅陶瓷重型渣漿泵的批量生產和市場應用，公司在陶瓷泵產品標準化方面進行研究，制定了企業標準Q/HY TCB01-2018《碳化硅陶瓷 重型 渣漿泵》，該標準于2018年發布實施。隨著陶瓷泵的研發逐步從金屬泵陶瓷化轉變為開發使用壽命更長、效率更高的高性能陶瓷泵，產品系列逐步完善、產品的結構和性能參數也不斷優化，公司在2022年對該標準予以修訂和補充。通過該標準的制修訂和實施，實現專利產品化，產品標準化，提高產品質量和促進技術進步。

2產品結構特點

陶瓷泵的產品設計基于原有金屬泵的流道設計以及泵體安裝尺寸等參考設計，以便與金屬泵進行互換，便于陶瓷泵的市場推廣；同時根據碳化硅陶瓷材料特性進行產品設計和模具設計，在此基礎上進行泵型的開發試制，尋找設計的優缺點，并不斷優化完善設計方案。

公司開發了一種碳化硅陶瓷復合材料重型渣漿泵結構：以碳化硅特種陶瓷（特別是高性能氮化硅結合碳化硅復合陶瓷材料）作為渣漿泵作為耐磨損、抗沖擊、耐酸堿腐蝕主體；在磨損、沖擊最嚴重的部位設置超耐磨陶瓷，提升陶瓷泵過流部件整體使用壽命；金屬骨架增加陶瓷件的整體強度，并實現與其它泵部件的螺紋連接；復合粘接材料實現金屬與陶瓷材料復合和密封，有效防止漿液滲漏。將高性能碳化硅陶瓷復合材料結構應用于碳化硅陶瓷泵的葉輪、蝸殼、護板，形成完整密閉的耐強力磨損、抗沖擊、耐酸堿腐蝕的型腔。

3 研究主要內容

3.1 技術依據

在制、修訂標準的過程中，對國內外碳化硅陶瓷泵的研發進展情況，進行了詳細的調研，對公司生產的碳化硅陶瓷重型渣漿泵產品結構和專利技術進行了分析，對材料和產品性能檢測，參考JB/T 8096-2013《離心式渣漿泵》及其它的國家、行業標準。該項企業標準的制修訂，對提高公司產品質量、滿足客戶需求、促進技術進步提供了可靠的保證。碳化硅陶瓷重型渣漿泵的結構和工藝特點、技術水平和用戶的使用要求是制定本標準的基礎和主要技術依據。該標準按照GB/T 1.1-2020《標準化工作導則 第1部分：標準的結構和編寫》進行標準編寫。標準規定了碳化硅陶瓷重型渣漿泵的型式與基本參數、技術要求、試驗方法、檢驗規則等。標準文件適用于輸送含有磨蝕、腐蝕性的固體顆粒的漿體的碳化硅陶瓷渣漿泵。

3.2型式與基本參數

碳化硅陶瓷重型渣漿泵的型號命名方法參考GB/T 10888-1989《離心式渣漿泵形式與基本參數》結合行業習慣和公司使用需求，2018版的標準根據適用范圍將研發的碳化硅陶瓷重型渣漿泵劃分兩大系列即HAH系列和ZVT系列，由于不同出口直徑和葉輪直徑的陶瓷泵的流量、揚程等性能參數表現不同，所以在型號命名中將出口直徑和葉輪直徑進行明確。因此完整的產品型號應為：產品系列+出口直徑值-葉輪名義直徑值。根據2018年-2022年，碳化硅陶瓷重型渣漿泵的產品開發情況，在2022年標準修訂中增加豐富了HAH系列、ZVT系列，并新增了HG系列。

3.2.1 HAH系列

HAH系列陶瓷重型渣漿泵主要針對礦山選礦工序重磨蝕大流量的工況。命名規則：HAH+出口直徑值（單位mm）-葉輪名義直徑值（單位mm）

示例：HAH150-560代表該泵為HAH系列，出口直徑為150mm，葉輪名義直徑為560mm

其主要性能參數（泵輸送清水時）見表1。

3.2.2 ZVT系列

ZVT系列陶瓷重型渣漿泵主要針對冶金行業的中重磨蝕漿體、中大顆粒、腐蝕、磨蝕的漿液輸送。命名規則：ZVT+出口直徑值（單位mm）-葉輪名義直徑值（單位cm）

示例：ZVT300-70代表該泵為ZVT系列，出口直徑為300mm，葉輪名義直徑為700mm。

其主要性能參數（泵輸送清水時）見表2。

3.2.3 HG系列

HG系列陶瓷重型渣漿泵主要針對礦山、冶金、氧化鋁等行業的中重磨蝕漿體、腐蝕、磨蝕的漿液遠距離輸送。命名規則：HG+出口直徑值（單位mm）-葉輪名義直徑值（單位mm）

示例：HG250-960代表該泵為HG系列，出口直徑為250mm，葉輪名義直徑為960mm。

其主要性能參數（泵輸送清水時）見表3。

4 技術要求

在標準中規定了陶瓷泵的性能、結構設計、主要零件材料和使用的技術要求，并按經規定程序批準的圖樣和技術文件制造。陶瓷泵主要零部件的材料性能應符合表4的規定。其中碳化硅陶瓷指樹脂結合碳化硅陶瓷、氮化硅結合碳化硅復合陶瓷、反應燒結碳化硅陶瓷、重結晶碳化硅陶瓷、無壓燒結碳化硅陶瓷中的一種，根據介質、工況要求進行選材。

標準中對陶瓷泵的耐磨主體使用的氮化硅結合碳化硅復合陶瓷材料的理化性能，其理化性能指標的分析檢驗，按國家現有標準規定執行；其理化性能應符合于表5的規定，并規定當過流部件需滿足更惡劣的介質、工況要求時，可以采用其他陶瓷材料進行局部或整體替換。

產品的檢驗規則分為出廠檢驗和形式檢驗，標準主要對產品的型式檢驗做了較為具體的規定檢驗項目包括：運轉試驗、性能試驗、氣蝕試驗及必要時進行噪聲和振動試驗。為保證陶瓷泵產品在用戶正常運行，標準中規定了產品使用要求：渣漿中的固體顆粒最大尺寸不應大于25mm，任何情況下電動機禁止反向旋轉；陶瓷過流部件使用壽命應符合表6的規定。

5標準實施及產品應用情況

碳化硅陶瓷重型渣漿泵的標準自2018年發布實施并于2022年根據運行情況再次修訂，很好的指導了陶瓷泵的設計和制造。2022年陶瓷泵實現量產900多臺套，產品一檢合格率達到97%以上。產品在強磨蝕、強腐蝕、高固含量、大顆粒等工況上有明顯的競爭優勢，同等工況環境使用壽命是傳統金屬泵的5倍以上。

5.1大顆粒沖擊工況案例

某金礦選廠中間泵，工況為最大粒徑10～12mm占比20%，重量濃度40%，碎鋼球可入腔，漿體常溫，屬于重磨蝕工況。原金屬泵為250/200ST，使用壽命為60天左右。HAH200-740陶瓷泵的使用壽命達到14個月，是原金屬泵的7倍左右。

5.2大顆粒、高固含量、堿腐蝕工況案例

某鉬業公司一分漿泵，工況為鐵鉬礦漿，最大粒徑及其占比：10-13mm占10%，中值粒徑：5mm；重量濃度55～60%，PH值：8.4。原金屬泵為80ZJ42，使用壽命為2天左右。HG80-510陶瓷泵的使用壽命達到24天，是原金屬泵的12倍。

5.3高固含量工況案例

智利某公司-超高濃度、重磨蝕工位，工況為礦漿重量濃度高達82%，漿液比重為2～2.4，中值粒徑40微米，原泵AH4/3的使用壽命為15天左右。HG80-510陶瓷泵的使用壽命達到10個月，達到原金屬泵的20倍左右。

5.4強腐蝕、高溫工況案例

某鈾業公司-濕法冶煉氧壓浸出工藝，壓濾機給料工位，工況為含固量30%-40%，含20-45g/L硫酸，溫度70-85℃，中值粒徑65微米。酸腐蝕、強磨蝕、高溫性能參數周期性波動，汽蝕嚴重，原泵150QNFB-200-70-420材質為氟塑料和金屬，過流件壽命5-7天。HAH100-400陶瓷泵的使用壽命達到580天，達原泵的80倍以上。

6結論

公司利用碳化硅陶瓷具有良好的耐磨蝕、耐腐蝕、耐高溫等優良性能，在碳化硅陶瓷制造技術和陶瓷泵結構進行創新，突破了碳化硅陶瓷材料的大型化、脆性和不同材料復合的可靠性等在渣漿泵領域應用的難題，研發出了一種大型、耐磨、耐腐蝕碳化硅陶瓷重型渣漿泵和成套制備專利技術；并在產品標準化進行研究，制定并修訂完善了碳化硅重型陶瓷渣漿泵企業標準。該標準的制修訂填補了國內對碳化硅陶瓷泵的標準空白，對于提高該類產品的技術水平具有重要意義。

產品的使用壽命和節能高效是用戶比較關注的重要指標。公司將繼續重點在特大型陶瓷過流部件制備工藝、陶瓷泵專用水力模型和新型復合陶瓷應用、中小陶瓷泵型無金屬外殼泵體結構等方面進行研究，完成特大型、高揚程、高效率、高使用壽命、綠色環保的碳化硅陶瓷泵的研發。由于產品系列仍在逐步完善、產品的結構和性能參數也將不斷優化，所以產品系列還有待進一步完善，產品的性能參數的考核檢驗方法還有待進一步的試驗研究，待產品系列和方法成熟后，可在下一次修訂時予以修改和補充。

參考文獻

[1]吳憲平，朱先旺，劉煜.渣漿泵過流件耐磨材料的研究進展[J]長沙大學報，2010，24（05）：34-35.

[2]馬龍飛，王春曉，李廣旭，郭春方.低合金耐磨鋼渣漿泵泵體鑄造工藝設計[J]熱加工工藝，2019，48（17）：62-64.

[3]劉振民，張峰，4PNJA襯膠泵代替4PS砂泵的實踐[J]中國鉬業，1994，（03）：34-35.

[4]李永亭，張云龍，橡膠耐磨雙級泵及其在尾礦輸送、壓濾中的應用[J]黃金，2019，40（10）：72-75.

[5]張惠軒，張雅萍，李建軍，鋼塑陶瓷復合防腐耐磨離心泵[J]腐蝕與防護，2011，32（12）：993-995.

[6]Zhao H X， Goto H， Matsumura M， et al. Slurry erosion of plasma-sprayed ceramic coatings. Surface and Coatings Technology， 1999， 115（2）： 123-131.

[7]DüCHTING PUMPEN MASCHINENFABRIK GMBH CO KG，PRODUCTION OF MACHINE PARTS PROVIDED WITH A MINERAL CASTING，EP02779376，2002-9-19.

[8]沈陽第一水泵有限責任公司.一種內襯碳化硅陶瓷的脫硫泵，CN201410219883.5，2014-5-22.

[9]廣州市拓道流體設備技術有限公司.一種離心泵，ZL201710492852.0，2017-06-26.

[10]滕蘇瞭.TB50-33型耐腐蝕特種陶瓷泵的研究[J]湖南農機，1994（02）：3-4；

[11]錢增撲.燒結碳化硅在砂泵上的應用[J]礦山機械，1992（07）：44-45.

[12]劉方.新型陶瓷液下泵在鈦冶煉的應用[J]鈦工業進展，2002（01）：30-32.

[13]漢江弘源襄陽碳化硅特種陶瓷有限責任公司.碳化硅復合陶瓷泵和該陶瓷泵的生產工藝[P]ZL201910571888.7，2019-6-28.

[14]漢江弘源襄陽碳化硅特種陶瓷有限責任公司.一種用于抵御酸性以及高溫環境的渣漿泵及其制備方法，[P]，ZL201910571704.7，2019-6-28.