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 机械设备 评级：看好 日期：2024.11.22 证券研究报告|行业跟踪 报告要点 碳化硅陶瓷渣浆泵有望助力行业弯道超车。渣浆泵材质目前以金属和橡胶为主，市场格局分散。龙头伟尔集团的市占率约40%，国内企业数量众多，格 局分散。我们认为碳化硅陶瓷渣浆泵有望为国内渣浆泵企业弯道超车提供重要机遇。 碳化硅陶瓷渣浆泵的核心在于碳化硅结构件的烧结和碳化硅渣浆泵的装配制作。碳化硅渣浆泵的生产可以分为三个环节：1）碳化硅粉磨的制备；2）碳化 硅结构件的烧结；3）碳化硅渣浆泵的装配制作。其中碳化硅结构件的烧结和最后渣浆泵的装配制作为核心难点。 难点1：碳化硅结构件烧结。碳化硅烧结容易产生微裂纹，影响产品的成品率和质量的稳定性。烧结方式还会影响碳化硅陶瓷强度，使碳化硅难以大型化。 目前的解决方案包括：1）优化烧结工艺，采用氮化硅结合碳化硅或者氧化物结合碳化硅。2）优化叶轮结构设计，减少叶轮厚度以减少内应力，或将大型碳化硅陶瓷划分为数个小块，覆盖于金属骨架表面。 难点2：碳化硅渣浆泵的装配制作。碳化硅渣浆泵的装配制作，核心难点在于 碳化硅材料和金属材料的结合。主要的解决方案包括：1）使用树脂-碳化硅粘结层；2）使用卡槽卡扣；3）金属、碳化硅、橡胶复合。 投资建议：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。建议 关注耐普矿机。 风险提示：1、碳化硅陶瓷渣浆泵的初次购置成本较高，市场开拓速度可能不及预期。 2、碳化硅陶瓷渣浆泵的大型化进度可能低于预期。 分析师祁岩 登记编码：S0950523090001：010-56307033 ：qiyan1@wkzq.com.cn 联系人周越 ：021-61102527 ：zhouyue@wkzq.com.cn 行业表现2024/11/21 20% 11% 2% -7% -16% -25% 2023/112024/22024/52024/8 机械设备沪深300 资料来源：Wind，聚源相关研究 《高端制造产业跟踪（10月）：三大机遇驱动高端制造板块迎来利好》(2024/11/11) 《迈向高质量发展——竞争维度提升带来工程机械竞争格局优化》(2024/11/7) 《政策逐步加码，重视市场拐点》 (2024/10/14) 《何为高端制造的新质生产力？——借由三中全会把脉高端制造未来》(2024/9/12) 《高端制造产业跟踪（8月）：经济仍呈弱复 苏态势，船舶、工程机械等行业继续受益于设备更新》(2024/9/9) 《关注一带一路和平台型企业》(2024/9/4) 《选矿备件——400亿规模的长坡厚雪赛道》 (2024/8/19) 《矿山设备的三重机遇：能源转型、品位下滑、矿企出海》(2024/8/19) 《3000亿设备更新政策落地，出口链回调迎布局时机》(2024/8/6) 《设备工器具投资高增，关注GW级异质结 产线进展》(2024/7/4) 内容目录 碳化硅陶瓷渣浆泵有望助力弯道超车3 碳化硅陶瓷渣浆泵的难点在哪里？5 难点1：碳化硅结构件的烧结成型7 难点2：碳化硅渣浆泵的装配制造8 投资建议9 风险提示9 图表目录 图表1：渣浆泵在现场的工作情况（蓝色为渣浆泵）3 图表2：不同场景渣浆泵材质的选择3 图表3：渣浆泵市场格局4 图表4：碳化硅材料的物理特性4 图表5：碳化硅陶瓷材料的应用场景5 图表6：碳化硅泵具有更高的使用寿命5 图表7：碳化硅渣浆泵生产工艺流程6 图表8：碳碳化硅粉磨制备方案6 图表9：α-SiC和β-SiC的结构区别6 图表10：三种烧结方式的对比7 图表11：目前市面上碳化硅渣浆泵的性能指标8 图表12：碳化硅渣浆泵示意图8 图表13：使用树脂-碳化硅粘结层的碳化硅复合陶瓷泵9 图表14：使用金属、碳化硅、橡胶复合技术的碳化硅陶瓷泵9 碳化硅陶瓷渣浆泵有望助力弯道超车 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。 图表1：渣浆泵在现场的工作情况（蓝色为渣浆泵） 资料来源：伟尔集团，五矿证券研究所 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。 图表2：不同场景渣浆泵材质的选择 应用场景 叶轮 护套 护板 中细颗粒，中低扬程 橡胶 橡胶 橡胶 高温，含矿物油 金属 金属 金属 中粗颗粒，高扬程输送，半自磨出料 金属 橡胶 橡胶 中粗颗粒，高扬程，在可能卡泵时使用 金属 橡胶 金属 资料来源：耐普矿机,五矿证券研究所 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。 图表3：渣浆泵市场格局 伟尔KSB其他 伟尔 42% 其他 54% KSB 4% 资料来源：伟尔集团，KSB，五矿证券研究所 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。 图表4：碳化硅材料的物理特性 指标 数值 密度 3.1~3.2g/cm3 莫氏硬度 9.2~9.5 抗压强度 ~3900MPa 抗折强度 ~380MPa 弹性模量 ~400GPa 断裂韧性 3.0~5.0Mpa·m1/2 热膨胀系数 ~5*10-6K-1（RT-1400℃） 热导率 30~300W·K-1cm-1 热辐射系数 0.9 资料来源：《碳化硅陶瓷膜支撑体的低温制备及其性能研究》程龙，化工百科，五矿证券研究所 图表5：碳化硅陶瓷材料的应用场景 资料来源：伏尔肯招股书，英罗唯森科技，五矿证券研究所 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。 图表6：碳化硅泵具有更高的使用寿命 使用单位 使用环节 原泵材质 原泵寿命 碳化硅泵寿命 河南某上市集团钨钼矿 磨机泵 Cr26 30-60天 270-360天 福建某金铜矿 浓密机底流泵 陶瓷泵 15-30天 360天 广东某冶炼厂 加压釜喂料泵 金属 60天 510天 9900云南某铅锌矿 矿浆喂料泵 陶瓷泵 7-15天 540天 资料来源：汉江弘源,五矿证券研究所 我们认为碳化硅陶瓷渣浆泵有望为国内渣浆泵企业弯道超车提供重要机遇。 碳化硅陶瓷渣浆泵的难点在哪里？ 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，使目前制约碳化硅渣浆泵渗透率提升的关键。 图表7：碳化硅渣浆泵生产工艺流程 资料来源：五矿证券研究所 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。 名称具体方法 图表8：碳碳化硅粉磨制备方案 Acheson法石英砂＋石油焦（或无烟煤）＋少量锯末和氯化钠，在2000℃～2400℃的 电弧炉中反应合成。 低温碳热还原法将二氧化硅细粉与碳粉混和后，在1500～1800℃温度下进行碳热还原反应，获得纯度较高的β-SiC粉末。此方法类似于Acheson法，其差别在于合成温度较低，产生的晶体结构是β型，但还存在残留的未反应的碳和二氧化硅， 所以需要有效的脱硅脱碳处理 硅碳直接反应法金属硅粉与碳粉直接反应，在1000～1400℃生成高纯β-SiC粉。 资料来源：《国内外碳化硅陶瓷材料研究与应用进展》李辰冉等,五矿证券研究所 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2000℃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。 图表9：α-SiC和β-SiC的结构区别 α-SiCβ-SiC 资料来源：《碳化硅陶瓷膜支撑体的低温制备及其性能研究》程龙，五矿证券研究所 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）。制作出配体后进行渗硅反应，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来生产的.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. 图表10：三种烧结方式的对比 反应烧结氮化硅结合碳化硅氧化物结合碳化硅 原料组成α-SiC微粉、炭黑微粉、水、 结合剂、分散剂 硅粉、α-SiC颗粒、结合剂、水SiC颗粒与氧化物粘合剂 烧结温度/℃1500~1700约14201400~1600 气孔率/%≤0.18~1515~20 抗弯强度/MPa250~50030-6020~30 α-SiC含量/%α-SiC与β-SiC合计85~9365~8075~85 资料来源：广州市拓道新材料科技有限公司《一种大型碳化硅陶瓷叶轮》，河南优之源磨料，五矿证券研究所 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