鄒志強(qiáng)

(中南大學(xué)粉末冶金研究院,湖南長沙 410083)

兩個(gè)“燒結(jié)”一個(gè)也不能少

鄒志強(qiáng)

(中南大學(xué)粉末冶金研究院,湖南長沙 410083)

“燒結(jié)”在礦物工程和粉末冶金兩個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都是核心名詞,盡管兩類燒結(jié)都是通過高溫改變物料的凝聚狀態(tài),但已分別被賦予了互不相同的內(nèi)涵,存在著一系列本質(zhì)上的差別,不能相互取代。在匯編冶金學(xué)基本名詞時(shí),兩個(gè)“燒結(jié)”應(yīng)該分別列出,一個(gè)也不能少。

燒結(jié),礦物工程,粉末冶金,核心名詞

前 言

在礦物 -冶金和材料科學(xué)與工程領(lǐng)域,平行地發(fā)展了兩類燒結(jié)工藝技術(shù),一類是礦物工程領(lǐng)域中精選礦物在 (進(jìn)入高爐)進(jìn)行冶煉前的燒結(jié),另一類是粉末冶金領(lǐng)域 (包括陶瓷、金屬陶瓷等)壓坯做成最終材料前的燒結(jié)。作為關(guān)鍵工藝技術(shù),它們在各自工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中都發(fā)揮了巨大的作用。

鑒于兩類燒結(jié)的重要性,“燒結(jié)”(sintering)也就自然而然分別成為了上述兩個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)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(guān)學(xué)科與工藝技術(shù)。

在礦物工程中,不能取消燒結(jié)、球團(tuán)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(jié)這些核心名詞。在《冶金學(xué)名詞》(第一版)中,因?yàn)樵诘V物工程一章已收錄了燒結(jié)一詞,在粉末冶金一章中沒收錄,似乎是為了避免重復(fù),企圖用前者取代或涵蓋后者。那么,兩個(gè)“燒結(jié)”能否相互取代呢?也就是說,能不能用礦物工程中的燒結(jié)概念來代替粉末冶金中的燒結(jié)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(jié)都是通過高溫改變物料的凝聚狀態(tài),但在各自發(fā)展的過程中早已分別賦予了各自互不相同的內(nèi)涵。這兩類燒結(jié),存在著一些原則上的差別。

下面將系統(tǒng)分析兩類燒結(jié)的本質(zhì)差別,進(jìn)而闡明不能將兩者相互混淆的理由。

一 兩類燒結(jié)的本質(zhì)區(qū)別

兩類燒結(jié)的差別體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1.目的和任務(wù)不同

前一類燒結(jié)是為了制造經(jīng)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(xù)冶煉過程的效率。在燒結(jié)過程中要去除相當(dāng)部分的有害雜質(zhì),使有用成分進(jìn)一步富集,并使燒結(jié)塊具備合理的尺寸、足夠的力學(xué)性能,并達(dá)到良好的、適合后續(xù)冶煉過程的理化性能。因此,礦物工程領(lǐng)域中的燒結(jié)是為了改善原材料的成分、性能和狀態(tài),以符合后續(xù)冶金工藝要求并優(yōu)化冶金的過程,是一種原材料改性的過程。

燒結(jié)礦的采用,對于改變煉鐵工業(yè)面貌具有重大意義[1-2]：大幅度提高高爐效率;預(yù)先有效去除多種有害雜質(zhì),包括 S、P、Pb、Zn、F、As等,顯著改進(jìn)鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量;使大量工業(yè)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(jié)是為了將粉末壓坯經(jīng)燒結(jié)致密化過程轉(zhuǎn)變成符合最終使用性能的材料或器件,因而,對燒結(jié)制品的化學(xué)成分、力學(xué)性能、密度及相應(yīng)物理性能幾何尺寸等都有十分嚴(yán)格的要求,是一種材料制取的最終過程(或最終過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié))。

絕大多數(shù)粉末冶金與陶瓷制品都必須通過后一類燒結(jié)這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。眾所周知,粉末冶金為各部門,各領(lǐng)域提供了形形色色的材料,例如硬質(zhì)合金、超硬陶瓷、金屬陶瓷、磁性材料、燒結(jié)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(jié)核燃料等等,燒結(jié)工藝技術(shù)的進(jìn)步,可極大提高各種相關(guān)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(jié)反應(yīng)過程不同

精選礦物燒結(jié)過程偏向于化學(xué)冶金,燒結(jié)過程中物料依次經(jīng)歷激烈燃燒,燃燒帶最高溫度可達(dá)1300℃～1500℃,產(chǎn)生大量燃燒氣體產(chǎn)物,并在物料顆粒之間產(chǎn)生激烈的熱量傳輸和分解、化合、氧化、還原以及擴(kuò)散、氣化、熔融、凝聚、結(jié)晶等一系列的復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),物料的化學(xué)成分及物理形態(tài)的變化都很大。燒結(jié)反應(yīng)完成后,其中所添加的燃料基本消耗殆盡,一些有害雜質(zhì)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(fù)雜的燒結(jié)配料 (包括精選礦物、燃料粉末助熔劑、工業(yè)廢棄物以及返回料等)中的有用物料轉(zhuǎn)變成了燒結(jié)塊,經(jīng)冷卻破碎篩分,大部分變成理化性能、力學(xué)性能和幾何尺寸都能符合高爐冶煉要求的人造富礦石?？砂汛祟悷Y(jié)看做某種形式的自蔓延高溫燃燒合成。

粉末冶金燒結(jié)則偏向于物理冶金,用于燒結(jié)的粉末壓制坯塊在經(jīng)歷燒結(jié)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(xué)成分變化不大,經(jīng)歷燒結(jié)的坯塊無燃燒廢氣產(chǎn)生。與前一類燒結(jié)相比較,后一類燒結(jié)坯塊所經(jīng)歷的化學(xué)反應(yīng)要輕微得多,但是,其物理狀態(tài)卻發(fā)生了重大變化。坯塊內(nèi)發(fā)生一系列的塑性流變、熔解、沉淀、蠕變、回復(fù)、再結(jié)晶、擴(kuò)散、相變等過程,坯塊內(nèi)顆粒間逐步實(shí)現(xiàn)冶金學(xué)結(jié)合,孔隙不斷減小,甚至趨向于消失。多孔的粉末壓坯經(jīng)此種燒結(jié)過程轉(zhuǎn)化成接近致密的整體性材料,與此同時(shí),其組織與結(jié)晶構(gòu)造也發(fā)生重大變化,性能提高并達(dá)到所期望的強(qiáng)度、硬度及其他綜合性能要求,變成尺寸準(zhǔn)確的燒結(jié)產(chǎn)品或燒結(jié)零件。

由于兩類燒結(jié)反應(yīng)過程不同,在燒結(jié)理論和燒結(jié)工藝方面,它們各自經(jīng)歷了不同的研究與發(fā)展過程。

前一類燒結(jié)理論研究主要圍燒著燒結(jié)礦成礦機(jī)理,力求提高燒結(jié)礦質(zhì)量,進(jìn)一步提高燒結(jié)機(jī)效率并最大限度地符合節(jié)能和環(huán)保要求,在此基礎(chǔ)上,發(fā)展了一系列燒結(jié)新技術(shù)、新工藝,其中主要包括：實(shí)現(xiàn)精料,采用高透氣性厚料層燒結(jié),實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)、熱風(fēng)燒結(jié)、雙層布料燒結(jié)等[2-3]。例如,日本在 550 m2燒結(jié)機(jī)上試驗(yàn),在采取一系列新技術(shù)后,使燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)由 1.35 T/m2提高到了2.55 T/m2。中國也已逐步掌握了相關(guān)技術(shù)[4],并制定了中國 2006—2020年 (礦物)燒結(jié)發(fā)展規(guī)劃[5]。

粉末冶金燒結(jié)理論主要圍繞著各種材料在各種燒結(jié)條件下的致密化機(jī)理,以期更加經(jīng)濟(jì)地制得各種各樣的高性能材料或高性能器件。在此基礎(chǔ)上,也發(fā)展了形形色色的燒結(jié)新技術(shù)、新工藝,主要包括以下各方面：固相燒結(jié)、液相燒結(jié)、活化燒結(jié)、(電)火花燒結(jié)、真空/氣壓燒結(jié)、燒結(jié) -鍛造、熱壓、熱等靜壓、微波燒結(jié)等。粉末冶金燒結(jié)理論的發(fā)展與工藝技術(shù)的巨大進(jìn)步促進(jìn)了大量高性能粉末冶金材料、制品和器件的涌現(xiàn),滿足了科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域、國民經(jīng)濟(jì)各部門的需要。

3.工藝過程有本質(zhì)區(qū)別

1)原料形態(tài)和裝料方式不同

前一類燒結(jié)的原料為包括精礦粉、燃料粉、助熔劑等多種組分的散料(經(jīng)過精確配料和制粒而做成的粒狀料)。燒結(jié)在巨大的帶式燒結(jié)機(jī)上連續(xù)進(jìn)行,由布料機(jī)自動(dòng)連續(xù)布料。布料寬度最大可達(dá)3 m～4 m,散料厚度 500 mm～700 mm,燒結(jié)料經(jīng)歷點(diǎn)火、自蔓延燃燒、燒結(jié)、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(jié)機(jī)每年可以生產(chǎn)燒結(jié)富礦 700萬～800萬噸。

后一類燒結(jié)則須先將粉末制成尺寸精確的坯塊,坯塊直接呈類似機(jī)械零件形狀,或呈柱狀、管狀、板片狀。此類燒結(jié)對燒結(jié)坯塊的尺寸有嚴(yán)格的公差要求,對坯塊的密度、強(qiáng)度也有嚴(yán)格要求。然后,因產(chǎn)品材質(zhì)、類型不同,需用各種類型的燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)坯塊常需小心地、有規(guī)則地置于相應(yīng)的托盤、燒舟等類型的容器中入爐燒結(jié),坯塊不允許產(chǎn)生任何掉邊掉角等損傷?，F(xiàn)代粉末冶金燒結(jié)產(chǎn)品最終尺寸公差可控制在 0.1%～0.3%范圍內(nèi),在制備相應(yīng)高性能機(jī)械零件過程中,順利實(shí)現(xiàn)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?；蛱糠?直接添加到燒結(jié)料之中,靠物料自身燃燒實(shí)現(xiàn)燒結(jié)。對煉鐵原料而言,燒結(jié)帶最高溫度控制在 1280℃～1500℃范圍內(nèi),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(jié)時(shí)其自身不發(fā)熱,其燒結(jié)熱源靠燒結(jié)爐間接提供。由于待燒結(jié)的材料種類不同,燒結(jié)溫度差別也很大。例如,燒結(jié)鋁制品僅在400℃～550℃,銅合金制品的燒結(jié)需 850℃～950℃,鋼鐵件燒結(jié)需 1500℃～1850℃,金屬鎢條的垂熔燒結(jié)需要在 3000℃的高溫下進(jìn)行。為了精確控制燒結(jié)件內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu),常常要求精確控溫(溫度波動(dòng)≯±5℃,甚至≯±3℃以內(nèi)),有時(shí)還要求嚴(yán)格控制升溫速度和冷卻速度。

3)氣氛不同

前一類燒結(jié)直接在大氣中進(jìn)行,燒結(jié)過程消耗大量空氣,產(chǎn)生大量燃燒廢氣。后一類燒結(jié)一般需要某種精確控制的氣氛 (視燒結(jié)產(chǎn)品不同,可能要求強(qiáng)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(shí),在燒結(jié)前期,要求真空,而到燒結(jié)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(jié)件。

4)燒結(jié)成品率不同

精礦燒結(jié)后還含有相當(dāng)部分未被燒結(jié)的散料,燒結(jié)礦塊在隨后的破碎篩分的過程中,也會產(chǎn)生大量的細(xì)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(jié)。返回料量比較大,致使燒結(jié)礦成品率一般在 75%～85%的范圍內(nèi)變化。

粉末冶金燒結(jié)無返回料,在正常情況下廢品也很少,燒結(jié)成品率可達(dá) 99%以上。

4.燒結(jié)機(jī)與燒結(jié)爐有重大區(qū)別

用于人造富礦燒結(jié)的帶式連續(xù)燒結(jié)機(jī)品種較為單一,隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展,其特點(diǎn)顯現(xiàn)為大型化。一臺燒結(jié)機(jī),需要長達(dá)數(shù)百米的巨大廠房方能容納。例如,從上世紀(jì) 70年代開始,日本等國將燒結(jié)機(jī)單機(jī)面積從 400 m2、500 m2擴(kuò)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(xiàn)了單機(jī)燒結(jié)面積達(dá) 700 m2的燒結(jié)機(jī),其年產(chǎn)能力可達(dá)上千萬噸。1976年中國開始設(shè)計(jì)制造 90～130 m2燒結(jié)機(jī),上世紀(jì) 80年代初從日本引進(jìn) 450 m2燒結(jié)機(jī),進(jìn)入 21世紀(jì)后,已能自行設(shè)計(jì)制造各種規(guī)格的大型燒結(jié)機(jī)。自2005年初,中國煉鐵燒結(jié)礦年產(chǎn)量已達(dá) 3億噸以上,可以充分滿足國內(nèi)鋼鐵工業(yè)高速發(fā)展的需要。

人造富礦在燒結(jié)機(jī)上所進(jìn)行的燒結(jié),是敞開條件下,即燒結(jié)物料曝露在大氣中的條件下進(jìn)行的。

粉末冶金燒結(jié)爐與上述燒結(jié)機(jī)有重大區(qū)別。視產(chǎn)品材質(zhì)不同和品種不同,研發(fā)出形形色色的燒結(jié)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(jié)爐、熱等靜壓爐(機(jī))等等。由不同類型燒結(jié)爐組成的燒結(jié)車間或工段,可以組建成不同性質(zhì)的粉末冶金工廠或企業(yè),例如：硬質(zhì)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(jié)機(jī)相比,各種燒結(jié)爐都有一個(gè)共同點(diǎn)：它必須為每個(gè)燒結(jié)坯塊提供均勻的高溫、精確控制的氣氛與相同的 (預(yù)先設(shè)定的)升降溫制度;粉末冶金工件燒結(jié)必須在一個(gè)與大氣相互隔離、甚至是封閉的空間中進(jìn)行。

由此可見,兩類燒結(jié),盡管所代表的理化過程相似,但卻存在著一些本質(zhì)上的區(qū)別。從本質(zhì)上說,兩類燒結(jié)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(chǎn)業(yè)鏈上的不同階段的兩個(gè)目的和功能都不相同的環(huán)節(jié),無法從冶金學(xué)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(xiàn)象并不少見。例如,在數(shù)學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域長期平行地使用“矢量”和“向量”這兩個(gè)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(tǒng)一。

其實(shí),大量的科學(xué)技術(shù)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(jìn)一步引申而分別應(yīng)用于不同的技術(shù)領(lǐng)域,且被賦予了新意義。

例如,在英語中,torpedo是一個(gè)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(dòng)物的肉食性魚類,其意義被引申到近代軍事領(lǐng)域,轉(zhuǎn)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(yīng)用到了其他一些領(lǐng)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(yè)槍手等[6]。由torpedo和其他詞組合而形成的派生詞被延伸應(yīng)用的就更多,例如在軍事領(lǐng)域,torpedo boat表示魚雷快艇,torpedo bomber表示魚雷攻擊機(jī)等;在生物學(xué)領(lǐng)域,torpedo stage表示 (胚胎)魚雷期;在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,torpedo divider表示 (在聯(lián)合收割機(jī)上的)魚雷式分禾器;該詞也被引申應(yīng)用于冶金學(xué)領(lǐng)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?dāng)?shù)十噸,為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中重要的設(shè)備[6-7]。顯然,一些派生詞被延伸應(yīng)用到不同領(lǐng)域后,其含義與其基本詞的原始意義已經(jīng)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(gè)詞在醫(yī)學(xué)界表示血漿,在生物學(xué)界表示原生質(zhì),而在物理學(xué)、冶金、材料科學(xué)界卻表示等離子體。

三 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在礦物工程學(xué)科和粉末冶金學(xué)科,客觀上并存著兩種具有不同意義、不同內(nèi)涵的“燒結(jié)”。在各自學(xué)科領(lǐng)域,它們都是核心名詞。在編審“冶金學(xué)名詞”(第二版),收錄基本名詞詞條時(shí),礦物工程中的“燒結(jié)”和粉末冶金中的“燒結(jié)”都應(yīng)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(xué)性、系統(tǒng)性和完整性的要求,滿足各學(xué)科發(fā)展的需要。

[1]薛俊虎.燒結(jié)生產(chǎn)技能知識問答[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2003.

[2]劉竹林.煉鐵原料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[3]梁中渝.煉鐵學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2009.

[4]朱苗勇.現(xiàn)代冶金學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2008.

[5]中國金屬學(xué)會,中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會.中國鋼鐵工業(yè)科技發(fā)展指南[Z].北京：冶金工業(yè)出版社,2006.

[6]黑龍江大學(xué)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(lián)合)詞典編寫組.英語冶金工業(yè)詞典[M].北京：冶金工業(yè)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(qiáng)(1936—),男,江西臨川人,中南大學(xué)金屬材料專業(yè)教授、博士生導(dǎo)師,主要研究金屬材料、粉末冶金、金屬陶瓷和復(fù)合材料等。通信方式：pengying-luo@163.com。