两个“烧结”一个也不能少

邹志强

(中南大学粉末冶金研究院,湖南长沙 410083)

两个“烧结”一个也不能少

邹志强

(中南大学粉末冶金研究院,湖南长沙 410083)

“烧结”在矿物工程和粉末冶金两个学科领域都是核心名词,尽管两类烧结都是通过高温改变物料的凝聚状态,但已分别被赋予了互不相同的内涵,存在着一系列本质上的差别,不能相互取代。在汇编冶金学基本名词时,两个“烧结”应该分别列出,一个也不能少。

烧结,矿物工程,粉末冶金,核心名词

前 言

在矿物 -冶金和材料科学与工程领域,平行地发展了两类烧结工艺技术,一类是矿物工程领域中精选矿物在 (进入高炉)进行冶炼前的烧结,另一类是粉末冶金领域 (包括陶瓷、金属陶瓷等)压坯做成最终材料前的烧结。作为关键工艺技术,它们在各自工业技术领域中都发挥了巨大的作用。

鉴于两类烧结的重要性,“烧结”(sintering)也就自然而然分别成为了上述两个科学技术领域中的核心名词。所谓核心名词,就是意味着取消该名词,就无法全面、正确地描绘与理解相关学科与工艺技术。

在矿物工程中,不能取消烧结、球团这类核心名词,同样,在粉末冶金中也不能取消制粉、成形和烧结这些核心名词。在《冶金学名词》(第一版)中,因为在矿物工程一章已收录了烧结一词,在粉末冶金一章中没收录,似乎是为了避免重复,企图用前者取代或涵盖后者。那么,两个“烧结”能否相互取代呢?也就是说,能不能用矿物工程中的烧结概念来代替粉末冶金中的烧结概念,或者反过来,用后者代替前者呢?显然不能。尽管两类烧结都是通过高温改变物料的凝聚状态,但在各自发展的过程中早已分别赋予了各自互不相同的内涵。这两类烧结,存在着一些原则上的差别。

下面将系统分析两类烧结的本质差别,进而阐明不能将两者相互混淆的理由。

一 两类烧结的本质区别

两类烧结的差别体现在如下几个方面：

1.目的和任务不同

前一类烧结是为了制造经过精选和富集的人造富矿石,使之符合高炉冶炼的要求,最大限度提高后续冶炼过程的效率。在烧结过程中要去除相当部分的有害杂质,使有用成分进一步富集,并使烧结块具备合理的尺寸、足够的力学性能,并达到良好的、适合后续冶炼过程的理化性能。因此,矿物工程领域中的烧结是为了改善原材料的成分、性能和状态,以符合后续冶金工艺要求并优化冶金的过程,是一种原材料改性的过程。

烧结矿的采用,对于改变炼铁工业面貌具有重大意义[1-2]：大幅度提高高炉效率;预先有效去除多种有害杂质,包括 S、P、Pb、Zn、F、As等,显著改进钢铁产品的质量;使大量工业废弃物,如高炉炉尘、轧钢铁鳞、硫酸渣、钢渣等变成炼铁原料重返高炉成为可能;可以回收矿物中多种有色金属,稀有金属。

后一类烧结是为了将粉末压坯经烧结致密化过程转变成符合最终使用性能的材料或器件,因而,对烧结制品的化学成分、力学性能、密度及相应物理性能几何尺寸等都有十分严格的要求,是一种材料制取的最终过程(或最终过程的关键环节)。

绝大多数粉末冶金与陶瓷制品都必须通过后一类烧结这一关键环节。众所周知,粉末冶金为各部门,各领域提供了形形色色的材料,例如硬质合金、超硬陶瓷、金属陶瓷、磁性材料、烧结钢铁件、摩擦材料、自润滑材料、触头材料、粉末高温合金、重合金、牙科材料、人造骨、烧结核燃料等等,烧结工艺技术的进步,可极大提高各种相关材料的性能,最大限度挖掘材料性能的潜力,使粉末冶金成为制取各种高性能材料和在极限条件下工作材料的有效途径的手段。

2.烧结反应过程不同

精选矿物烧结过程偏向于化学冶金,烧结过程中物料依次经历激烈燃烧,燃烧带最高温度可达1300℃～1500℃,产生大量燃烧气体产物,并在物料颗粒之间产生激烈的热量传输和分解、化合、氧化、还原以及扩散、气化、熔融、凝聚、结晶等一系列的复杂的物理化学反应,物料的化学成分及物理形态的变化都很大。烧结反应完成后,其中所添加的燃料基本消耗殆尽,一些有害杂质被大部分清除(如 S、P等)或被部分清除(如 Pb、Zn、F、As等),成分较为复杂的烧结配料 (包括精选矿物、燃料粉末助熔剂、工业废弃物以及返回料等)中的有用物料转变成了烧结块,经冷却破碎筛分,大部分变成理化性能、力学性能和几何尺寸都能符合高炉冶炼要求的人造富矿石。可把此类烧结看做某种形式的自蔓延高温燃烧合成。

粉末冶金烧结则偏向于物理冶金,用于烧结的粉末压制坯块在经历烧结后,除了其中 (少量)压制成形剂被烧除,因颗粒表面氧化而包含的少量氧化物被还原外,其平均化学成分变化不大,经历烧结的坯块无燃烧废气产生。与前一类烧结相比较,后一类烧结坯块所经历的化学反应要轻微得多,但是,其物理状态却发生了重大变化。坯块内发生一系列的塑性流变、熔解、沉淀、蠕变、回复、再结晶、扩散、相变等过程,坯块内颗粒间逐步实现冶金学结合,孔隙不断减小,甚至趋向于消失。多孔的粉末压坯经此种烧结过程转化成接近致密的整体性材料,与此同时,其组织与结晶构造也发生重大变化,性能提高并达到所期望的强度、硬度及其他综合性能要求,变成尺寸准确的烧结产品或烧结零件。

由于两类烧结反应过程不同,在烧结理论和烧结工艺方面,它们各自经历了不同的研究与发展过程。

前一类烧结理论研究主要围烧着烧结矿成矿机理,力求提高烧结矿质量,进一步提高烧结机效率并最大限度地符合节能和环保要求,在此基础上,发展了一系列烧结新技术、新工艺,其中主要包括：实现精料,采用高透气性厚料层烧结,实现低温烧结、热风烧结、双层布料烧结等[2-3]。例如,日本在 550 m2烧结机上试验,在采取一系列新技术后,使烧结机利用系数由 1.35 T/m2提高到了2.55 T/m2。中国也已逐步掌握了相关技术[4],并制定了中国 2006—2020年 (矿物)烧结发展规划[5]。

粉末冶金烧结理论主要围绕着各种材料在各种烧结条件下的致密化机理,以期更加经济地制得各种各样的高性能材料或高性能器件。在此基础上,也发展了形形色色的烧结新技术、新工艺,主要包括以下各方面：固相烧结、液相烧结、活化烧结、(电)火花烧结、真空/气压烧结、烧结 -锻造、热压、热等静压、微波烧结等。粉末冶金烧结理论的发展与工艺技术的巨大进步促进了大量高性能粉末冶金材料、制品和器件的涌现,满足了科学技术各领域、国民经济各部门的需要。

3.工艺过程有本质区别

1)原料形态和装料方式不同

前一类烧结的原料为包括精矿粉、燃料粉、助熔剂等多种组分的散料(经过精确配料和制粒而做成的粒状料)。烧结在巨大的带式烧结机上连续进行,由布料机自动连续布料。布料宽度最大可达3 m～4 m,散料厚度 500 mm～700 mm,烧结料经历点火、自蔓延燃烧、烧结、卸载、冷却、破碎、筛分一系列过程。一台(套)占地面积为 600 m2的烧结机每年可以生产烧结富矿 700万～800万吨。

后一类烧结则须先将粉末制成尺寸精确的坯块,坯块直接呈类似机械零件形状,或呈柱状、管状、板片状。此类烧结对烧结坯块的尺寸有严格的公差要求,对坯块的密度、强度也有严格要求。然后,因产品材质、类型不同,需用各种类型的烧结炉进行烧结。烧结坯块常需小心地、有规则地置于相应的托盘、烧舟等类型的容器中入炉烧结,坯块不允许产生任何掉边掉角等损伤。现代粉末冶金烧结产品最终尺寸公差可控制在 0.1%～0.3%范围内,在制备相应高性能机械零件过程中,顺利实现无削加工或少削加工。

2)热源和温控不同

前者需将燃料(焦炭颗粒或炭粉)直接添加到烧结料之中,靠物料自身燃烧实现烧结。对炼铁原料而言,烧结带最高温度控制在 1280℃～1500℃范围内,通过控制燃料添加量和控制燃烧条件来控温。后者坯块烧结时其自身不发热,其烧结热源靠烧结炉间接提供。由于待烧结的材料种类不同,烧结温度差别也很大。例如,烧结铝制品仅在400℃～550℃,铜合金制品的烧结需 850℃～950℃,钢铁件烧结需 1500℃～1850℃,金属钨条的垂熔烧结需要在 3000℃的高温下进行。为了精确控制烧结件内部的组织结构,常常要求精确控温(温度波动≯±5℃,甚至≯±3℃以内),有时还要求严格控制升温速度和冷却速度。

3)气氛不同

前一类烧结直接在大气中进行,烧结过程消耗大量空气,产生大量燃烧废气。后一类烧结一般需要某种精确控制的气氛 (视烧结产品不同,可能要求强还原性、弱还原性、中性、惰性、可控碳势气氛、氮化气氛和真空等)。有时,在烧结前期,要求真空,而到烧结后期,要求充气至高压 (100大气压),以求制得全致密、高性能的烧结件。

4)烧结成品率不同

精矿烧结后还含有相当部分未被烧结的散料,烧结矿块在随后的破碎筛分的过程中,也会产生大量的细颗粒散料,这些散料必须返回到原料端重新参与配料,以备再烧结。返回料量比较大,致使烧结矿成品率一般在 75%～85%的范围内变化。

粉末冶金烧结无返回料,在正常情况下废品也很少,烧结成品率可达 99%以上。

4.烧结机与烧结炉有重大区别

用于人造富矿烧结的带式连续烧结机品种较为单一,随着钢铁工业的发展,其特点显现为大型化。一台烧结机,需要长达数百米的巨大厂房方能容纳。例如,从上世纪 70年代开始,日本等国将烧结机单机面积从 400 m2、500 m2扩大到600 m2,台车宽从 4 m增加到 5 m[2]。最近,在俄罗斯和巴西出现了单机烧结面积达 700 m2的烧结机,其年产能力可达上千万吨。1976年中国开始设计制造 90～130 m2烧结机,上世纪 80年代初从日本引进 450 m2烧结机,进入 21世纪后,已能自行设计制造各种规格的大型烧结机。自2005年初,中国炼铁烧结矿年产量已达 3亿吨以上,可以充分满足国内钢铁工业高速发展的需要。

人造富矿在烧结机上所进行的烧结,是敞开条件下,即烧结物料曝露在大气中的条件下进行的。

粉末冶金烧结炉与上述烧结机有重大区别。视产品材质不同和品种不同,研发出形形色色的烧结炉,按炉型分,主要有管式炉、推舟式炉、带式炉、步移梁式炉、箱式炉、真空炉、气压烧结炉、热等静压炉(机)等等。由不同类型烧结炉组成的烧结车间或工段,可以组建成不同性质的粉末冶金工厂或企业,例如：硬质合金厂、钨钼材料厂、磁性材料厂、摩擦材料厂、轴承厂、粉末冶金汽车配件厂、特种陶瓷厂等等。与烧结机相比,各种烧结炉都有一个共同点：它必须为每个烧结坯块提供均匀的高温、精确控制的气氛与相同的 (预先设定的)升降温制度;粉末冶金工件烧结必须在一个与大气相互隔离、甚至是封闭的空间中进行。

由此可见,两类烧结,尽管所代表的理化过程相似,但却存在着一些本质上的区别。从本质上说,两类烧结分别处于从矿物原料处理直到最终制成新材料和新器件这一产业链上的不同阶段的两个目的和功能都不相同的环节,无法从冶金学名词定义上将这两者等同起来。

二 一词多用比较常见

一词多用或两词混用的现象并不少见。例如,在数学和物理学领域长期平行地使用“矢量”和“向量”这两个名词来表示“既有大小又有方向”量值的同一事物,至今也未能统一。

其实,大量的科学技术名词来源于日常生活用语,一些日常生活中所使用的名词,其原始意义被进一步引申而分别应用于不同的技术领域,且被赋予了新意义。

例如,在英语中,torpedo是一个多义词,其原始意义表示电鳐,一种能够通过放电以捕食其他鱼类或水中动物的肉食性鱼类,其意义被引申到近代军事领域,转化成可以破坏、击毁舰船的 (鱼形)器械,即表示鱼雷、水雷和深水炸弹等武器。torpedo还被延伸应用到了其他一些领域,例如：(1)爆破筒;(2)油井爆破筒 (用于清除油井中堵塞物);(3) (铁路用)信号雷管;(4)刺客、职业枪手等[6]。由torpedo和其他词组合而形成的派生词被延伸应用的就更多,例如在军事领域,torpedo boat表示鱼雷快艇,torpedo bomber表示鱼雷攻击机等;在生物学领域,torpedo stage表示 (胚胎)鱼雷期;在农业领域,torpedo divider表示 (在联合收割机上的)鱼雷式分禾器;该词也被引申应用于冶金学领域,torpedo car表示鱼雷车,即鱼雷式铁水 (罐)车,其最大容量可装铁水数十吨,为钢铁联合企业中重要的设备[6-7]。显然,一些派生词被延伸应用到不同领域后,其含义与其基本词的原始意义已经完全不同了。

再如,在英语中,plas ma是人们比较熟悉的多义词,这个词在医学界表示血浆,在生物学界表示原生质,而在物理学、冶金、材料科学界却表示等离子体。

三 结语

随着科学技术的发展,在矿物工程学科和粉末冶金学科,客观上并存着两种具有不同意义、不同内涵的“烧结”。在各自学科领域,它们都是核心名词。在编审“冶金学名词”(第二版),收录基本名词词条时,矿物工程中的“烧结”和粉末冶金中的“烧结”都应作为各自的核心名词分别列入,分别给出各自的定义或注释。只有这样,才能更符合收词的科学性、系统性和完整性的要求,满足各学科发展的需要。

[1]薛俊虎.烧结生产技能知识问答[M].北京：冶金工业出版社,2003.

[2]刘竹林.炼铁原料[M].北京：化学工业出版社,2007.

[3]梁中渝.炼铁学[M].北京：冶金工业出版社,2009.

[4]朱苗勇.现代冶金学[M].北京：冶金工业出版社,2008.

[5]中国金属学会,中国钢铁工业协会.中国钢铁工业科技发展指南[Z].北京：冶金工业出版社,2006.

[6]黑龙江大学英语词书研究室.英汉科技大词库[M].哈尔滨：黑龙江人民出版社,1987.

[7](多院校联合)词典编写组.英语冶金工业词典[M].北京：冶金工业出版社,1988.

“Si ntering”IsNecessary in T wo Fields

ZOU Zhiqiang

The“s inte ring”has becom e core w ord in both fie lds of m ine ra l eng inee ring and p ow de r m e ta llurgy resp ec tive ly.By m eans of both s inte ring p rocesses,a lthough m a te ria ls w ill a ll change the ir condensed s ta tus,each of them has been endow ed w ith d iffe rent connota tion during the ir ow n deve lop ing p rocess,could not be rep laced each othe r.Both s inte ring should be taken in the“te rm s in m e ta llurgy”resp ec tive ly.The infe rence has been d iscussed in this p ap e r.

s inte ring,m ine ra l eng inee ring,p ow de r m e ta llurgy,core word

N04;H083;TF0

A

1673-8578(2010)01-0051-04

2009-04-24

邹志强(1936—),男,江西临川人,中南大学金属材料专业教授、博士生导师,主要研究金属材料、粉末冶金、金属陶瓷和复合材料等。通信方式：pengying-luo@163.com。