燒結

燒結

冶金術語
燒結,是指把粉狀物料轉變為緻密體,是一個傳統的工藝過程。人們很早就利用這個工藝來生産陶瓷、粉末冶金、耐火材料、超高溫材料等。燒結的目的是把粉狀材料轉變為塊體材料,并賦予材料特殊的性能[1]。一般來說,粉體經過成型後,通過燒結得到的緻密體是一種多晶材料,其顯微結構由晶體、玻璃體和氣孔組成。燒結過程直接影響顯微結構中的晶粒尺寸、氣孔尺寸及晶界形狀和分布,進而影響材料的性能。
  • 中文名:燒結
  • 釋 義:把粉狀物料轉變為緻密體的過程
  • 應 用:生産陶瓷、粉末冶金、耐火材料等
  • 得到成品:一種多晶材料

定義

宏觀定義

在高溫下(不高于熔點),陶瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯,晶粒長大,空隙(氣孔)和晶界漸趨減少,通過物質的傳遞,其總體積收縮,密度增加,最後成為具有某種顯微結構的緻密多晶燒結體,這種現象稱為燒結。

微觀定義

固态中分子(或原子)間存在互相吸引,通過加熱使質點獲得足夠的能量進行遷移,使粉末體産生顆粒黏結,産生強度并導緻緻密化和再結晶的過程稱為燒結。

燒結過程

在利用固相反應制備無機固體化合物時,反應的速率由擴散過程控制,常常需要較高的溫度才能使反應有效地進行。另外一些固體化合物是固液相組成的化合物,在熔化時會發生分解反應,故燒結一般應在産物熔點以下進行,以保證得到均勻的物相。但是燒結溫度也不能太低,否則會使固相反應的速率太低。

在很多情況下,燒結需要在特定的氣氛或真空中進行。控制燒結過程的氣相分壓非常重要,特别是當研究的體系中含有價态可變的離子時,固相反應的氣相分壓将直接影響到産物的組成和結構。例如,在銅系氧化物高溫超導體的合成中,燒結過程必須在嚴格控制氧分壓,以保證得到具有确定結構、組成和銅價态分布的超導材料。

高爐煉鐵生産前,将各種粉狀含鐵原料,配入适量的燃料和熔劑,加入适量的水,經混合和造球後在燒結設備上使物料發生一系列物理化學變化,燒結成塊的過程。

在生産上廣泛采用帶式抽風燒結機生産燒結礦。主要包括燒結料的準備,配料與混合,燒結和産品處理等工序。

制作過程

1、燒結 sintering。粉末或壓坯在低于主要組分熔點的溫度下的熱處理,目的在于通過顆粒間的冶金結合以提高其強度。

2、填料 packing material。在預燒或燒結過程中為了起分隔和保護作用而将壓坯埋入其中的一種材料。

3、預燒 presintering。在低于最終燒結溫度的溫度下對壓坯的加熱處理。

4、加壓燒結 pressure。在燒結同時施加單軸向壓力的燒結工藝。

5、松裝燒結loose-powder sintering,gravity sintering。粉末未經壓制直接進行的燒結。

6、液相燒結liquid-phase sintering。至少具有兩種組分的粉末或壓坯在形成一種液相的狀态下燒結。

7、過燒oversintering。燒結溫度過高和(或)燒結時間過長緻使産品最終性能惡化的燒結。

8、欠燒undersintering。燒結溫度過低和(或)燒結時間過短緻使産品未達到所需性能的燒結。 

9、熔滲infiltration。用熔點比制品熔點低的金屬或合金在熔融狀态下充填未燒結的或燒結的制品内的孔隙的工藝方法。

10、脫蠟 dewaxing,burn-off。用加熱排出壓坯中的有機添加劑(粘結劑或潤滑劑)。

11、網帶爐mesh belt furnace。一般由馬弗保護的網帶将零件實現爐内連續輸送的燒結爐。

12、步進梁式爐walking-beam furnace。通過步進梁系統将放置于燒結盤中的零件在爐内進行傳送的燒結爐。

13、推杆式爐 pusher furnace。将零件裝入燒舟中,通過推進系統将零件在爐内進行傳送的燒結爐。

14、燒結頸形成neck formation。燒結時在顆粒間形成頸狀的聯結。

15、起泡 blistering。由于氣體劇烈排出,在燒結件表面形成鼓泡的現象。

16、發汗 sweating。壓坯加熱處理時液相滲出的現象。

17、燒結殼sinter skin。燒結時,燒結件上形成的一種表面層,其性能不同于産品内部。

18、相對密度relative density。多孔體的密度與無孔狀态下同一成分材料的密度之比,以百分率表示。

19、徑向壓潰密度radial crushing strength。通過施加徑向壓力測定的燒結圓筒試樣的破裂強度。

20、孔隙度 porosity。多孔體中所有孔隙的體積與總體積之比。

21、擴散孔隙 diffusion porosity。由于柯肯達爾效應導緻的一種組元物質擴散到另一組元中形成的孔隙。

22、孔徑分布pore size distribution。材料中存在的各級孔徑按數量或體積計算的百分率。

23、表觀硬度apparent hardness。在規定條件下測定的燒結材料的硬度,它包括了孔隙的影響。

24、實體硬度solid hardness。在規定條件下測定的燒結材料的某一相或顆粒或某一區域的硬度,它排除了孔隙的影響。

25、起泡壓力 bubble-point pressure。迫使氣體通過液體浸漬的制品産生第一氣泡所需的最小的壓力。

26、流體透過性 fluid permeability。在規定條件下測定的在單位時間内液體或氣體通過多孔體的數量。

測定方法

将試條放入烘箱内,在105~110℃下烘幹至恒重。在幹燥器内冷卻至室溫後備用。在天平上稱取幹燥後的試樣重。稱取飽吸煤油後在煤油中試樣重。飽吸煤油後在空氣中的試樣重。

将稱好重量的試樣放入105~110℃烘箱内排除煤油,直至将試樣中的煤油排完為止。按編号順序将試樣裝入高溫爐中,裝爐時爐底和試樣之間撒一層薄薄的煅燒石英粉或Al2O3粉。裝好後開始加熱,并按升溫曲線升溫,按預定的取樣溫度取樣。

在每個取樣溫度點保溫15min,然後從電爐内取出試樣迅速地埋在預先加熱的石英粉或Al2O3粉中,以保證試樣在冷卻過程中不炸裂。冷至接近室溫後,将試樣編号,取樣溫度記錄于表中,檢查試樣有無開裂、粘砂等缺陷。然後放入105~110℃烘箱中烘至恒重。

取出試樣放入幹燥器内,冷卻至室溫。将試樣分成兩批,900℃以下為第一批,測定其飽吸煤油後在煤油後在空氣中重,900℃以上的試樣為第二批,測定其飽吸水後在水中重及飽吸水後在空氣重。按公式算出各溫度點的結果後,以溫度為橫坐标,氣孔率和收縮率為縱坐标,畫出收縮率和氣孔率曲線,并從曲線上确定燒結溫度和燒結溫度範圍。

燒結意義

燒結時的溫度稱為燒結溫度,燒結溫度和開始過燒溫度之間的溫度範圍稱為燒結溫度範圍,在燒結過程中若不确定燒結溫度和燒結溫度範圍繼續升溫,則坯體開始變形、軟化、過燒膨脹,造成燒結事故。

危險源:

高溫、粉塵、高速機械轉動、有毒有害氣體及物質流傷害、高處作業等危害;

事故類别:

機械傷害、高處墜落、物體打擊、起重傷害、灼燙、觸電、中毒以及塵肺等8類;

事故原因:

設備缺陷、技術和工藝缺陷、防護裝置缺陷、作業環境差,規章制度不完善和違章作業等。

主要應用

自上世紀70年代以來,中國鐵礦粉造塊工業取得了很大的成就。1970以前,中國燒結機的機型都在75m2以下。70年代以後,特别是1985年寶鋼從日本引進的450m2大型燒結機投産以及依靠和組織中國的燒結廠設計、生産制造了130 m2燒結機、抽風環式冷卻機和相應的20多種配套設備,使中國燒結機的大型化上了一個台階。

在此期間,進行了燒結礦冷卻(振動式冷卻和盤式冷卻)及加設鋪底料的攻關,同時在全國燒結廠推廣生産高堿度燒結礦和厚料層燒結技術。1958年“大煉鋼鐵”時期,在鐵礦山 比較集中的龍岩地區,開始發展鼓風土燒結,俗稱“平地吹”。1968年3月,三鋼 第一台18平方米燒結機動工興建。1970年4月,建成投産。現代燒結生産是将鐵礦粉、熔劑、燃料、代用品及返礦按一定比例組成混合料,配以适當的水,經混合及造球後,在抽風燒結機的台車上自上而下進行燒結。整個燒結料層(600mm~700mm)可分為:燒結礦層、燃燒層、預熱層和冷卻層。從1989年至2007年,中國燒結行業迅速發展,大量新工藝、新技術、新設備陸續推出。中國己跨入世界燒結行業的先進行列。

其發展情況和相關成就如下:

(1)自1978年馬鋼冷燒技術攻關成功後,“六五”、“七五”期間一批重點企業和地方骨幹企業基本完成熱燒改冷燒工藝。相當部分企業建成并使用原料中和混勻料場,絕大部分廠家實現了自動化配料、混合機強化制粒、偏析布料、冷卻篩分、整粒技術及鋪底料技術等。

(2) “七五”、 “八五”以來,在傳統燒結工藝基礎上發展了一批新工藝和新技術,并在中國各大鋼鐵企業推廣應用,如高堿度燒結技術、球團燒結技術、小球團燒結技術、低溫燒結技術、低矽燒結技術等。

(3)設備大型化和自動化。

20世紀70年代初以前,中國最大燒結機為75m2,80年代初,中國在寶鋼引進了450m2的大型燒結機及其配套設備,同時引進了燒結機的制造技術。至2007年,中國已先後在寶鋼、鞍鋼、武鋼等地建成了180 m2的燒結機及其配套設施72台套。燒結面積總計達到221216 m2,燒結機單台平均面積為295 m2。中國自1989年以後投産的大中型燒結機的工藝技術裝備和自動化水平得到提高,實現了較為完善的過程檢測和控制,并采用計算機控制系統對生産過程自動進行操作、監視、控制及生産管理。

(4)燒結生産指标及産品質量的提高。

中國燒結礦質量明顯提高,燒結工序能耗大幅度降低,1986年至2007年期間,中國燒結行業得到了更進一步的發展,主要體現在:設計和制造了大型燒結機成套設備;大中型企業建成了綜合原料場,使燒結原料中的化學成分穩定;大量新工藝、新技術、新設備得到開發(直拖式自動重量配料設備、各種燒結增效節能添加劑、燃料分加、小球燒結、各種形式預熱燒結混合料、新型節能點火保溫爐、高鐵低矽燒結、超厚料層燒結等)。中國燒結礦質量有了大幅度的提高,中國如寶鋼、武鋼四燒、濟鋼等發展較先進的企業已将燒結礦FeO含量控制在7%左右。不少燒結廠燒結礦FeO含量為8%~10%、TFe達到57%~60%、SiO2含量降到4.5%~5%,實現了低矽燒結;ISO轉鼓強度為79%~83%。

中國的鋼鐵企業還有較大的發展空間,但是中國和國際競争激烈,同樣燒結廠也面臨市場經濟調節。當前急待解決的問題是提高燒結礦的質量;燒結生産發展趨勢是逐步實現燒結機的大型化;采用原料混勻技術,提高燒結的精料水平;提高自動化水平和生成率,努力降低燒結礦的成本;加強環保治理;加速增加球團礦用量,改善中國高爐的爐料結構;采用小球燒結工藝,進一步強化燒結生産;繼續對老舊設備進行改造更新;堅持生産高堿度燒結礦;充分利用中國内外的鐵礦資源;調整和改善燒結生産布局;實施可持續發展戰略,建設清潔式工廠。

尾氣排放

廣義鋼鐵工業企業包括的燒結生産線,其主要原料為鐵精粉和煤。由于煤中含硫,所以燒結會排放出有害氣體産物二氧化硫,必須進行煙氣脫硫處理。其他氣體排放物主要為氮的氧化物和二氧化碳。使用袋式除塵器或電除塵器,正常工作時能達标排放。除塵後排放物基本為小于PM2.5的粉塵。标準隻是宏觀經濟和國民健康、環境的調和産物。達标不表示對人類和環境沒有影響。由于燒結溫度很高,燒結礦不能熱送高爐,即使回收部分餘熱,還是要排出大量廢熱。

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