兩個“燒結”一個也不能少

鄒志強

(中南大學粉末冶金研究院,湖南長沙 410083)

兩個“燒結”一個也不能少

鄒志強

(中南大學粉末冶金研究院,湖南長沙 410083)

“燒結”在礦物工程和粉末冶金兩個學科領域都是核心名詞,盡管兩類燒結都是通過高溫改變物料的凝聚狀態,但已分別被賦予了互不相同的內涵,存在著一系列本質上的差別,不能相互取代。在匯編冶金學基本名詞時,兩個“燒結”應該分別列出,一個也不能少。

燒結,礦物工程,粉末冶金,核心名詞

前 言

在礦物 -冶金和材料科學與工程領域,平行地發展了兩類燒結工藝技術,一類是礦物工程領域中精選礦物在 (進入高爐)進行冶煉前的燒結,另一類是粉末冶金領域 (包括陶瓷、金屬陶瓷等)壓坯做成最終材料前的燒結。作為關鍵工藝技術,它們在各自工業技術領域中都發揮了巨大的作用。

鑒于兩類燒結的重要性,“燒結”(sintering)也就自然而然分別成為了上述兩個科學技術領域中的核心名詞。所謂核心名詞,就是意味著取消該名詞,就無法全面、正確地描繪與理解相關學科與工藝技術。

在礦物工程中,不能取消燒結、球團這類核心名詞,同樣,在粉末冶金中也不能取消制粉、成形和燒結這些核心名詞。在《冶金學名詞》(第一版)中,因為在礦物工程一章已收錄了燒結一詞,在粉末冶金一章中沒收錄,似乎是為了避免重復,企圖用前者取代或涵蓋后者。那么,兩個“燒結”能否相互取代呢?也就是說,能不能用礦物工程中的燒結概念來代替粉末冶金中的燒結概念,或者反過來,用后者代替前者呢?顯然不能。盡管兩類燒結都是通過高溫改變物料的凝聚狀態,但在各自發展的過程中早已分別賦予了各自互不相同的內涵。這兩類燒結,存在著一些原則上的差別。

下面將系統分析兩類燒結的本質差別,進而闡明不能將兩者相互混淆的理由。

一 兩類燒結的本質區別

兩類燒結的差別體現在如下幾個方面：

1.目的和任務不同

前一類燒結是為了制造經過精選和富集的人造富礦石,使之符合高爐冶煉的要求,最大限度提高后續冶煉過程的效率。在燒結過程中要去除相當部分的有害雜質,使有用成分進一步富集,并使燒結塊具備合理的尺寸、足夠的力學性能,并達到良好的、適合后續冶煉過程的理化性能。因此,礦物工程領域中的燒結是為了改善原材料的成分、性能和狀態,以符合后續冶金工藝要求并優化冶金的過程,是一種原材料改性的過程。

燒結礦的采用,對于改變煉鐵工業面貌具有重大意義[1-2]：大幅度提高高爐效率;預先有效去除多種有害雜質,包括 S、P、Pb、Zn、F、As等,顯著改進鋼鐵產品的質量;使大量工業廢棄物,如高爐爐塵、軋鋼鐵鱗、硫酸渣、鋼渣等變成煉鐵原料重返高爐成為可能;可以回收礦物中多種有色金屬,稀有金屬。

后一類燒結是為了將粉末壓坯經燒結致密化過程轉變成符合最終使用性能的材料或器件,因而,對燒結制品的化學成分、力學性能、密度及相應物理性能幾何尺寸等都有十分嚴格的要求,是一種材料制取的最終過程(或最終過程的關鍵環節)。

絕大多數粉末冶金與陶瓷制品都必須通過后一類燒結這一關鍵環節。眾所周知,粉末冶金為各部門,各領域提供了形形色色的材料,例如硬質合金、超硬陶瓷、金屬陶瓷、磁性材料、燒結鋼鐵件、摩擦材料、自潤滑材料、觸頭材料、粉末高溫合金、重合金、牙科材料、人造骨、燒結核燃料等等,燒結工藝技術的進步,可極大提高各種相關材料的性能,最大限度挖掘材料性能的潛力,使粉末冶金成為制取各種高性能材料和在極限條件下工作材料的有效途徑的手段。

2.燒結反應過程不同

精選礦物燒結過程偏向于化學冶金,燒結過程中物料依次經歷激烈燃燒,燃燒帶最高溫度可達1300℃～1500℃,產生大量燃燒氣體產物,并在物料顆粒之間產生激烈的熱量傳輸和分解、化合、氧化、還原以及擴散、氣化、熔融、凝聚、結晶等一系列的復雜的物理化學反應,物料的化學成分及物理形態的變化都很大。燒結反應完成后,其中所添加的燃料基本消耗殆盡,一些有害雜質被大部分清除(如 S、P等)或被部分清除(如 Pb、Zn、F、As等),成分較為復雜的燒結配料 (包括精選礦物、燃料粉末助熔劑、工業廢棄物以及返回料等)中的有用物料轉變成了燒結塊,經冷卻破碎篩分,大部分變成理化性能、力學性能和幾何尺寸都能符合高爐冶煉要求的人造富礦石。可把此類燒結看做某種形式的自蔓延高溫燃燒合成。

粉末冶金燒結則偏向于物理冶金,用于燒結的粉末壓制坯塊在經歷燒結后,除了其中 (少量)壓制成形劑被燒除,因顆粒表面氧化而包含的少量氧化物被還原外,其平均化學成分變化不大,經歷燒結的坯塊無燃燒廢氣產生。與前一類燒結相比較,后一類燒結坯塊所經歷的化學反應要輕微得多,但是,其物理狀態卻發生了重大變化。坯塊內發生一系列的塑性流變、熔解、沉淀、蠕變、回復、再結晶、擴散、相變等過程,坯塊內顆粒間逐步實現冶金學結合,孔隙不斷減小,甚至趨向于消失。多孔的粉末壓坯經此種燒結過程轉化成接近致密的整體性材料,與此同時,其組織與結晶構造也發生重大變化,性能提高并達到所期望的強度、硬度及其他綜合性能要求,變成尺寸準確的燒結產品或燒結零件。

由于兩類燒結反應過程不同,在燒結理論和燒結工藝方面,它們各自經歷了不同的研究與發展過程。

前一類燒結理論研究主要圍燒著燒結礦成礦機理,力求提高燒結礦質量,進一步提高燒結機效率并最大限度地符合節能和環保要求,在此基礎上,發展了一系列燒結新技術、新工藝,其中主要包括：實現精料,采用高透氣性厚料層燒結,實現低溫燒結、熱風燒結、雙層布料燒結等[2-3]。例如,日本在 550 m2燒結機上試驗,在采取一系列新技術后,使燒結機利用系數由 1.35 T/m2提高到了2.55 T/m2。中國也已逐步掌握了相關技術[4],并制定了中國 2006—2020年 (礦物)燒結發展規劃[5]。

粉末冶金燒結理論主要圍繞著各種材料在各種燒結條件下的致密化機理,以期更加經濟地制得各種各樣的高性能材料或高性能器件。在此基礎上,也發展了形形色色的燒結新技術、新工藝,主要包括以下各方面：固相燒結、液相燒結、活化燒結、(電)火花燒結、真空/氣壓燒結、燒結 -鍛造、熱壓、熱等靜壓、微波燒結等。粉末冶金燒結理論的發展與工藝技術的巨大進步促進了大量高性能粉末冶金材料、制品和器件的涌現,滿足了科學技術各領域、國民經濟各部門的需要。

3.工藝過程有本質區別

1)原料形態和裝料方式不同

前一類燒結的原料為包括精礦粉、燃料粉、助熔劑等多種組分的散料(經過精確配料和制粒而做成的粒狀料)。燒結在巨大的帶式燒結機上連續進行,由布料機自動連續布料。布料寬度最大可達3 m～4 m,散料厚度 500 mm～700 mm,燒結料經歷點火、自蔓延燃燒、燒結、卸載、冷卻、破碎、篩分一系列過程。一臺(套)占地面積為 600 m2的燒結機每年可以生產燒結富礦 700萬～800萬噸。

后一類燒結則須先將粉末制成尺寸精確的坯塊,坯塊直接呈類似機械零件形狀,或呈柱狀、管狀、板片狀。此類燒結對燒結坯塊的尺寸有嚴格的公差要求,對坯塊的密度、強度也有嚴格要求。然后,因產品材質、類型不同,需用各種類型的燒結爐進行燒結。燒結坯塊常需小心地、有規則地置于相應的托盤、燒舟等類型的容器中入爐燒結,坯塊不允許產生任何掉邊掉角等損傷。現代粉末冶金燒結產品最終尺寸公差可控制在 0.1%～0.3%范圍內,在制備相應高性能機械零件過程中,順利實現無削加工或少削加工。

2)熱源和溫控不同

前者需將燃料(焦炭顆粒或炭粉)直接添加到燒結料之中,靠物料自身燃燒實現燒結。對煉鐵原料而言,燒結帶最高溫度控制在 1280℃～1500℃范圍內,通過控制燃料添加量和控制燃燒條件來控溫。后者坯塊燒結時其自身不發熱,其燒結熱源靠燒結爐間接提供。由于待燒結的材料種類不同,燒結溫度差別也很大。例如,燒結鋁制品僅在400℃～550℃,銅合金制品的燒結需 850℃～950℃,鋼鐵件燒結需 1500℃～1850℃,金屬鎢條的垂熔燒結需要在 3000℃的高溫下進行。為了精確控制燒結件內部的組織結構,常常要求精確控溫(溫度波動≯±5℃,甚至≯±3℃以內),有時還要求嚴格控制升溫速度和冷卻速度。

3)氣氛不同

前一類燒結直接在大氣中進行,燒結過程消耗大量空氣,產生大量燃燒廢氣。后一類燒結一般需要某種精確控制的氣氛 (視燒結產品不同,可能要求強還原性、弱還原性、中性、惰性、可控碳勢氣氛、氮化氣氛和真空等)。有時,在燒結前期,要求真空,而到燒結后期,要求充氣至高壓 (100大氣壓),以求制得全致密、高性能的燒結件。

4)燒結成品率不同

精礦燒結后還含有相當部分未被燒結的散料,燒結礦塊在隨后的破碎篩分的過程中,也會產生大量的細顆粒散料,這些散料必須返回到原料端重新參與配料,以備再燒結。返回料量比較大,致使燒結礦成品率一般在 75%～85%的范圍內變化。

粉末冶金燒結無返回料,在正常情況下廢品也很少,燒結成品率可達 99%以上。

4.燒結機與燒結爐有重大區別

用于人造富礦燒結的帶式連續燒結機品種較為單一,隨著鋼鐵工業的發展,其特點顯現為大型化。一臺燒結機,需要長達數百米的巨大廠房方能容納。例如,從上世紀 70年代開始,日本等國將燒結機單機面積從 400 m2、500 m2擴大到600 m2,臺車寬從 4 m增加到 5 m[2]。最近,在俄羅斯和巴西出現了單機燒結面積達 700 m2的燒結機,其年產能力可達上千萬噸。1976年中國開始設計制造 90～130 m2燒結機,上世紀 80年代初從日本引進 450 m2燒結機,進入 21世紀后,已能自行設計制造各種規格的大型燒結機。自2005年初,中國煉鐵燒結礦年產量已達 3億噸以上,可以充分滿足國內鋼鐵工業高速發展的需要。

人造富礦在燒結機上所進行的燒結,是敞開條件下,即燒結物料曝露在大氣中的條件下進行的。

粉末冶金燒結爐與上述燒結機有重大區別。視產品材質不同和品種不同,研發出形形色色的燒結爐,按爐型分,主要有管式爐、推舟式爐、帶式爐、步移梁式爐、箱式爐、真空爐、氣壓燒結爐、熱等靜壓爐(機)等等。由不同類型燒結爐組成的燒結車間或工段,可以組建成不同性質的粉末冶金工廠或企業,例如：硬質合金廠、鎢鉬材料廠、磁性材料廠、摩擦材料廠、軸承廠、粉末冶金汽車配件廠、特種陶瓷廠等等。與燒結機相比,各種燒結爐都有一個共同點：它必須為每個燒結坯塊提供均勻的高溫、精確控制的氣氛與相同的 (預先設定的)升降溫制度;粉末冶金工件燒結必須在一個與大氣相互隔離、甚至是封閉的空間中進行。

由此可見,兩類燒結,盡管所代表的理化過程相似,但卻存在著一些本質上的區別。從本質上說,兩類燒結分別處于從礦物原料處理直到最終制成新材料和新器件這一產業鏈上的不同階段的兩個目的和功能都不相同的環節,無法從冶金學名詞定義上將這兩者等同起來。

二 一詞多用比較常見

一詞多用或兩詞混用的現象并不少見。例如,在數學和物理學領域長期平行地使用“矢量”和“向量”這兩個名詞來表示“既有大小又有方向”量值的同一事物,至今也未能統一。

其實,大量的科學技術名詞來源于日常生活用語,一些日常生活中所使用的名詞,其原始意義被進一步引申而分別應用于不同的技術領域,且被賦予了新意義。

例如,在英語中,torpedo是一個多義詞,其原始意義表示電鰩,一種能夠通過放電以捕食其他魚類或水中動物的肉食性魚類,其意義被引申到近代軍事領域,轉化成可以破壞、擊毀艦船的 (魚形)器械,即表示魚雷、水雷和深水炸彈等武器。torpedo還被延伸應用到了其他一些領域,例如：(1)爆破筒;(2)油井爆破筒 (用于清除油井中堵塞物);(3) (鐵路用)信號雷管;(4)刺客、職業槍手等[6]。由torpedo和其他詞組合而形成的派生詞被延伸應用的就更多,例如在軍事領域,torpedo boat表示魚雷快艇,torpedo bomber表示魚雷攻擊機等;在生物學領域,torpedo stage表示 (胚胎)魚雷期;在農業領域,torpedo divider表示 (在聯合收割機上的)魚雷式分禾器;該詞也被引申應用于冶金學領域,torpedo car表示魚雷車,即魚雷式鐵水 (罐)車,其最大容量可裝鐵水數十噸,為鋼鐵聯合企業中重要的設備[6-7]。顯然,一些派生詞被延伸應用到不同領域后,其含義與其基本詞的原始意義已經完全不同了。

再如,在英語中,plas ma是人們比較熟悉的多義詞,這個詞在醫學界表示血漿,在生物學界表示原生質,而在物理學、冶金、材料科學界卻表示等離子體。

三 結語

隨著科學技術的發展,在礦物工程學科和粉末冶金學科,客觀上并存著兩種具有不同意義、不同內涵的“燒結”。在各自學科領域,它們都是核心名詞。在編審“冶金學名詞”(第二版),收錄基本名詞詞條時,礦物工程中的“燒結”和粉末冶金中的“燒結”都應作為各自的核心名詞分別列入,分別給出各自的定義或注釋。只有這樣,才能更符合收詞的科學性、系統性和完整性的要求,滿足各學科發展的需要。

[1]薛俊虎.燒結生產技能知識問答[M].北京：冶金工業出版社,2003.

[2]劉竹林.煉鐵原料[M].北京：化學工業出版社,2007.

[3]梁中渝.煉鐵學[M].北京：冶金工業出版社,2009.

[4]朱苗勇.現代冶金學[M].北京：冶金工業出版社,2008.

[5]中國金屬學會,中國鋼鐵工業協會.中國鋼鐵工業科技發展指南[Z].北京：冶金工業出版社,2006.

[6]黑龍江大學英語詞書研究室.英漢科技大詞庫[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社,1987.

[7](多院校聯合)詞典編寫組.英語冶金工業詞典[M].北京：冶金工業出版社,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

鄒志強(1936—),男,江西臨川人,中南大學金屬材料專業教授、博士生導師,主要研究金屬材料、粉末冶金、金屬陶瓷和復合材料等。通信方式：pengying-luo@163.com。