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烧结,是把粉状物料转变为致密体,是一个传统的工艺过程。人们很早就利用这个工艺来生产陶瓷、粉末冶金、耐火材料、超高温材料等。一般来说,粉体经过成型后,通过烧结得到的致密体是一种多晶材料,其显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成。烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布。无机材料的性能不仅与材料组成(化学组成与矿物组成)有关,还与材料的显微结构有密切的关系。

信息

定义

宏观定义:在高温下(不高于熔点),陶瓷生坯固体颗粒的相互键联,晶粒长大,空隙(气孔)和晶界渐趋减
烧结地面砖

烧结地面砖

少,通过物质的传递,其总体积收缩,密度增加,最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体,这种现象称为烧结。
微观定义:固态中分子(或原子)间存在互相吸引,通过加热使质点获得足够的能量进行迁移,使粉末体产生颗粒黏结,产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。

制取过程

在利用固相反应制备无机固体化合物时,反应的速率由扩散过程控制,常常需要较高的温度才能使反应有效地进行。另外一些固体化合物是固液相组成的化合物,在熔化时会发生分解反应,故烧结一般应在产物熔点以下进行,以保证得到均匀的物相。但是烧结温度也不能太低,否则会使固相反应的速率太低。在很多情况下,烧结需要在特定的气氛或真空中进行。控制烧结过程的气相分压非常重要,特别是当研究的体系中含有价态可变的离子时,固相反应的气相分压将直接影响到产物的组成和结构。例如,在铜系氧化物高温超导体的合成中,烧结过程必须在严格控制氧分压,以保证得到具有确定结构、组成和价态分布的超导材料

加工步骤

一个重要的步骤。聚四氟乙烯预成型品必须通过烧结才能成为有用的制品。烧结是
烧结

烧结

将预成型品加热至熔点(327℃)以上,并在此温度下保持一定时间,使聚合物分子由结晶形逐渐转变为无定型,使分散的树脂颗粒通过相互熔融扩散黏结成一个连续的整体。烧结全的预成型品由透明胶状体冷却成坚固的乳白色的不透明制品。

工序

高炉炼铁生产前,将各种粉状含铁原料,配入适量的燃料和熔剂,加入适量的水,经混合和造球后在烧结设备上使物料发生一系列物理化学变化,烧结成块的过程。在生产上广泛采用带式抽风烧结机生产烧结矿。主要包括烧结料的准备,配料与混合,烧结和产品处理等工序。

制作

1、烧结 sintering
粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理,目的在于通过颗粒间的冶金结
烧结

烧结

合以提高其强度。
2、填料 packing material
预烧或烧结过程中为了起分隔和保护作用而将压坯埋入其中的一种材料。
3、预烧 presintering
在低于最终烧结温度的温度下对压坯的加热处理。
4、加压烧结 pressure
在烧结同时施加单轴向压力烧结工艺
5、松装烧结loose-powder sintering,gravity sintering
粉末未经压制直接进行的烧结。
6、液相烧结liquid-phase sintering
至少具有两种组分的粉末或压坯在形成一种液相的状态下烧结。
7、过烧oversintering
烧结温度过高和(或)烧结时间过长致使产品最终性能恶化的烧结。
8、欠烧undersintering
烧结温度过低和(或)烧结时间过短致使产品未达到所需性能的烧结。
烧结

烧结

9、熔渗infiltration
用熔点比制品熔点低的金属或合金在熔融状态下充填未烧结的或烧结的制品内的孔隙的工艺方法。
10、脱蜡 dewaxing,burn-off
用加热排出压坯中的有机添加剂(粘结剂或润滑剂)。
11、网带炉mesh belt furnace
一般由马弗保护的网带将零件实现炉内连续输送的烧结炉
12、步进梁式炉walking-beam furnace
通过步进梁系统将放置于烧结盘中的零件在炉内进行传送的烧结炉。
13、推杆式炉 pusher furnace
将零件装入烧舟中,通过推进系统将零件在炉内进行传送的烧结炉。
14、烧结颈形成neck formation
烧结时在颗粒间形成颈状的联结。
15、起泡 blistering
由于气体剧烈排出,在烧结件表面形成鼓泡的现象。
16、发汗 sweating
压坯加热处理时液相渗出的现象。
17、烧结壳sinter skin
烧结时,烧结件上形成的一种表面层,其性能不同于产品内部。
18、相对密度relative density
多孔体的密度与无孔状态下同一成分材料的密度之比,以百分率表示。
19、径向压溃密度radial crushing strength
通过施加径向压力测定的烧结圆筒试样的破裂强度
20、孔隙度 porosity
多孔体中所有孔隙的体积与总体积之比。
21、扩散孔隙 diffusion porosity
由于柯肯达尔效应导致的一种组元物质扩散到另一组元中形成的孔隙。
22、孔径分布pore size distribution
材料中存在的各级孔径按数量或体积计算的百分率。
23、表观硬度apparent hardness
在规定条件下测定的烧结材料的硬度,它包括了孔隙的影响。
24、实体硬度solid hardness
在规定条件下测定的烧结材料的某一相或颗粒或某一区域的硬度,它排除了孔隙的影响。
25、起泡压力 bubble-point pressure
迫使气体通过液体浸渍的制品产生第一气泡所需的最小的压力。
26、流体透过性 fluid permeability
在规定条件下测定的在单位时间内液体或气体通过多孔体的数量。

测定

方法及测量

将试条放入烘箱内,在105~110℃下烘干至恒重。在干燥器内冷却至室温后备用。在天平上称取干燥后的试样重。称取饱吸煤油后在煤油中试样重。饱吸煤油后在空气中的试样重。将称好重量的试样放入105~110℃烘箱内排除煤油,直至将试样中的煤油排完为止。按编号顺序将试样装入高温炉中,装炉时炉底和试样之间撒一层薄薄的煅烧石英粉或Al2O3粉。装好后开始加热,并按升温曲线升温,按预定的取样温度取样。
在每个取样温度点保温15min,然后从电炉内取出试样迅速地埋在预先加热的石英粉或Al2O3粉中,以保证试样在冷却过程中不炸裂。冷至接近室温后,将试样编号,取样温度记录于表中,检查试样有无开裂、粘砂等缺陷。然后放入105~110℃烘箱中烘至恒重。取出试样放入干燥器内,冷却至室温。将试样分成两批,900℃以下为第一批,测定其饱吸煤油后在煤油后在空气中重,900℃以上的试样为第二批,测定其饱吸水后在水中重及饱吸水后在空气重。按公式算出各温度点的结果后,以温度为横坐标,气孔率和收缩率为纵坐标,画出收缩率和气孔率曲线,并从曲线上确定烧结温度和烧结温度范围。

意义

烧结时的温度称为烧结温度,烧结温度和开始过烧温度之间的温度范围称为烧结温度范围,在烧结过程中若不确定烧结温度和烧结温度范围继续升温,则坯体开始变形、软化、过烧膨胀,造成烧结事故。原因
危险源:高温粉尘、高速机械转动、有毒有害气体物质流伤害、高处作业等危害;
事故类别:机械伤害、高处坠落、物体打击、起重伤害、灼烫、触电、中毒以及尘肺等8类;
事故原因:设备缺陷、技术和工艺缺陷、防护装置缺陷、作业环境差,规章制度不完善和违章作业等。

应用

自上世纪70年代以来,我国铁矿粉造块工业取得了很大的成就。1970以前,我国烧结机的机型都在75m2以下。70年代以后,特别是1985年宝钢从日本引进的450m2大型烧结机投产以及依靠和组织国内的烧结厂设计、生产制造了130 m2烧结机、抽风环式冷却机和相应的20多种配套设备,使我国烧结机的大型化上了一个台阶。在此期间,进行了烧结矿冷却(振动式冷却和盘式冷却)及加设铺底料的攻关,同时在全国烧结厂推广生产高碱度烧结矿和厚料层烧结技术。1958年“大炼钢铁”时期,在铁矿山 比较集中的龙岩地区,开始发展鼓风土烧结,俗称“平地吹”。1968年3月,三钢 第一台18平方米烧结机动工兴建。1970年4月,建成投产。现代烧结生产是将铁矿粉、熔剂、燃料、代用品及返矿按一定比例组成混合料,配以适当的水,经混合及造球后,在抽风烧结机的台车上自上而下进行烧结。整个烧结料层(600mm~700mm)可分为:烧结矿层、燃烧层、预热层和冷却层。从1989年至2007年,我国烧结行业迅速发展,大量新工艺、新技术、新设备陆续推出。我国己跨入世界烧结行业的先进行列。其发展情况和相关成就如下
(1)自1978年马钢冷烧技术攻关成功后,“六五” 、“七五”期间一批重点企业和地方骨干企业基本完成热烧改冷烧工艺。相当部分企业建成并使用原料中和混匀料场,绝大部分厂家实现了自动化配料、混合机强化制粒、偏析布料、冷却筛分、整粒技术及铺底料技术等。
(2) “七五”、 “八五”以来,在传统烧结工艺基础上发展了一批新工艺和新技术,并在国内各大钢铁企业推广应用,如高碱度烧结技术、球团烧结技术、小球团烧结技术、低温烧结技术、低硅烧结技术等。
(3)设备大型化和自动化。20世纪70年代初以前,我国最大烧结机为75m2,80年代初,我国在宝钢引进了450m2的大型烧结机及其配套设备,同时引进了烧结机的制造技术。至2007年,我国已先后在宝钢、鞍钢、武钢等地建成了180 m2的烧结机及其配套设施72台套。烧结面积总计达到221216 m2,烧结机单台平均面积为295 m2。我国自1989年以后投产的大中型烧结机的工艺技术装备和自动化水平得到提高,实现了较为完善的过程检测和控制,并采用计算机控制系统对生产过程自动进行操作、监视、控制及生产管理。
(4)烧结生产指标及产品质量的提高。我国烧结矿质量明显提高,烧结工序能耗大幅度降低,1986年至2007年期间,我国烧结行业得到了更进一步的发展,主要体现在:设计和制造了大型烧结机成套设备;大中型企业建成了综合原料场,使烧结原料中的化学成分稳定;大量新工艺、新技术、新设备得到开发(直拖式自动重量配料设备、各种烧结增效节能添加剂、燃料分加、小球烧结、各种形式预热烧结混合料、新型节能点火保温炉、高铁低硅烧结、超厚料层烧结等)。我国烧结矿质量有了大幅度的提高,国内如宝钢、武钢四烧、济钢等发展较先进的企业已将烧结矿FeO含量控制在7%左右。不少烧结厂烧结矿FeO含量为8%~10%、TFe达到57%~60%、SiO2含量降到4.5%~5%,实现了低硅烧结;ISO转鼓强度为79%~83%。
我国的钢铁企业还有较大的发展空间,但是国内和国际竞争激烈,同样烧结厂也面临市场经济调节。当前急待解决的问题是提高烧结矿的质量;烧结生产发展趋势是逐步实现烧结机的大型化;采用原料混匀技术,提高烧结的精料水平;提高自动化水平和生成率,努力降低烧结矿的成本;加强环保治理;加速增加球团矿用量,改善我国高炉的炉料结构;采用小球烧结工艺,进一步强化烧结生产;继续对老旧设备进行改造更新;坚持生产高碱度烧结矿;充分利用国内国外的铁矿资源;调整和改善烧结生产布局;实施可持续发展战略,建设清洁式工厂。

排放

广义钢铁工业企业包括的烧结生产线,其主要原料为铁精粉和煤。由于煤中含硫,所以烧结会排放出有害气体产物二氧化硫,必须进行烟气脱硫处理。其他气体排放物主要为氮的氧化物和二氧化碳。
使用袋式除尘器或电除尘器,正常工作时能达标排放。除尘后排放物基本为小于PM2.5的粉尘。标准只是宏观经济和国民健康、环境的调和产物。达标不表示对人类和环境没有影响。
很少或不排放污水。
由于烧结温度很高,烧结矿不能热送高炉,即使回收部分余热,还是要排出大量废热。