烧结过程的理论基础
烧结技术与设备建设的重要进步
烧结技术与设备建设的重要进步随着钢铁工业的迅速发展，我国铁矿烧结取得前所未有的进步，尤其是近些年来，我国在开拓创新烧结工艺技术与设备建设方面相当活跃，烧结机明显向大型化、节能化、环保化方向发展，能耗指标大幅度降低，环境指标明显改善。
一、低温烧结技术的推广。
低温烧结是相对于传统高温烧结而提出来的概念，目的是在１２５０～１３００℃下形成强度与还原性均优良的针状复合铁酸钙粘结相。
低温烧结工艺的理论基础是“铁酸钙理论”。
对于赤铁矿粉烧结，理想的烧结矿物组成和结构为：４０％左右的未参与反应的赤铁矿被约４０％针状复合铁酸钙粘结相以熔蚀形态交织而成的非均相结构。
这种针状复合铁酸钙在较低温度（小于１３００℃）下形成，温度过高将分解。
传统的烧结法主要依靠提升烧结温度，产生大量熔体，使烧结料固结成矿；低温烧结则是严格控制烧结温度，使物料部分发生熔化，且形成优质的复合铁酸钙粘结相，完成烧结矿固结。
在低温烧结工艺下生产的烧结矿，其冷强度、低温还原粉化特性、还原特性以及软熔特性等指标均明显优于高温工艺获得的烧结矿。
这种烧结技术对高炉冶炼过程具有积极意义：有利于降低软熔带位置，有利于发展间接还原，提高煤气利用率，降低燃料消耗；有利于降低料柱压差，改善高炉透气性。
同时该技术还能够降低烧结能耗，并提高烧结矿质量指标。
低温烧结技术已在国内烧结厂得到普遍推广。
二、厚料层烧结工艺的研发。
厚料层烧结工艺的理论基础是“烧结料层自动蓄热原理”，为烧结过程的“节能减排”提供了可能，也为低温烧结技术创造了有利条件，同时对改善烧结矿质量有好处。
生产实践表明，厚料层烧结能够改善烧结矿强度，提高成品率，降低固体燃料消耗和总热耗，降低ＦｅＯ含量并提高还原性等。
目前首钢京唐公司烧结的料层厚度达到８３０ｍｍ，在国内属于领先水平。
三、烧结机与环冷机栏板加宽技术。
首钢京唐烧结工程通过采用栏板加宽技术，使烧结面积增加１０％，烧结矿产量增加约５％～１２％，吨矿耗风量降低约５％～１０％，烧结矿电耗、煤耗减少，单位能耗降低，效果明显。
烧结理论基础知识考试题A卷
烧结理论基础知识考试题A卷（满分150分）姓名: 得分:一, 推断题（正确记“√”, 错误记“×”）每题2分, 共20分1, 若倒数第二个风箱的废气温度低于倒数第一个风箱的废气温度说明烧结“终点”滞后（√）。
2, 烧结的点火强度低, 可通过延长点火时间或加大煤气流量来提高（√）3, 当料层厚度及抽风量肯定时, 真空度愈高, 则料层透气性愈好。
（×）4, 煤气爆炸主要是由于空气和煤气形式爆炸的混合气体, 同时混合气体达到必要的温度（着火点）或遇上明火造成, 二者缺一不可（√）5, 氧化亚铁是低价铁, 还原性能好, 因此烧结矿中FeO越高, 还原性越好（×）6, 点火后料面呈清黑色, 并有金属光泽局部熔融为最好（×）7, 配料计算将返矿视为常数, 计算时不考虑返矿这是传统的配料计算方法。
（√）8, 当电子秤不准, 电子秤实际配比及微机给定配比不符, 生产上常将不准的电子秤的配比加大或缩小, 来保证电子秤下料量及微机给定的下料量相符, 这种方法临时应急是可行的（√）9, 磁铁矿的主要化合物是四氧化三铁Fe3O4。
（√）10, 赤铁矿的主要化合物是Fe2O3, 3H2O（×）1、二, 填空题。
每空1分, 共30分2、严格限制烧结三点温度, 即点火温度, （终点温度）, （总管废气温度）4、在运行混合料抽风烧结的过程中, 沿整个料层高度将呈现出性质不同的五个带为（烧结矿带）, (燃料燃烧带), (预热带), (干燥带), (过湿带)5、配料室五勤一准操操作内容是: (勤检查), (勤联系), （勤分析推断）(勤计算调整), (勤总结沟通), 一准为: （配料精确）6、返矿加水的目的是降低返矿的（温度）, 稳定混合料水粉, 以利于造球。
7、网目数是指在（1英寸或2.54cm）筛网上的筛孔数, 这是英国泰勒标准筛的表示方法；8、烧结生产工艺流程大体可分为八个部分, 受料系统, 原料打算系统, （配料系统）, （混合制粒系统）, （烧结系统）抽风系统, (成品处理系统), 除尘系统9、烧结厂用燃料粒度一般标准是≤3mm的部分大于（80）%为合格。
烧结工(中级)基础理论试题
填空题1.烧结过程的主要作用，是为了充分利用块矿加工过程中产生的________及贫矿精选所得的精矿粉。
2.烧结过程的粘结块机理，是在高温条件下，部分混合料颗粒表面________产生一定数量的液相冷却后使矿粉颗粒粘成块。
3.铁矿粉烧结后，不但改变了冶炼性能，而且有利于________。
4.铁矿粉烧结后，性能的改善，有利于强化高炉冶炼过程及改善________。
5.烧结生产发展的趋势是________的大型的自动化水平的提高。
6.烧结矿热处理的作用是为了________，减少返矿及粉末。
7.烧结矿的生矿还原性好的主要原因是________增加。
8.烧结矿过程宏观上是________。
9.烧结过程中自上而下具有明显的分层性，点火开始后各层依然出观，然后又________。
10.烧结过程中在碳颗粒的周围是________气氛。
11.燃烧层透无性差的主要原因是矿物________，增加了对空气穿透的阻力。
12.在燃烧层中碳燃烧后生________。
13.在燃烧层下部的热交换主要体现在________将热量传递给混合料。
14.燃烧层中温度最高点的移动速度称为________。
15.烧结矿质量不均匀的直接原因是________的温度不均匀。
16.当燃料粒度增大时.料层的透气性________。
17.燃料粒度太粗时，易造成偏析而引起________不均匀。
18.增加固体燃料用量，可以使高温的________升高。
19.混合料中水分蒸发的条件是气相中水蒸汽的分压________该条件下的饱和蒸汽压。
20.当温度大于 100℃时，混合料中的留有部分水分________。
21.褐铁矿烧结时，结晶水分解吸热，可以降低________的烧结温度水平。
22.烧结过程中 CaO 的矿化程度主要与自身粒度、矿石粒度________有关。
23.烧结矿中 FeO 含量越少，氧化度越高，________越好。
24.影响固相反应速度的外在条件是________。
粉末的烧结
烧结过程的原动力的来源
(1)由于颗粒结合面(烧结颈)的增大和
颗粒表面的平直化，粉末体的总比 表面积和总表面自由能减少； (2)烧结体内孔隙的总体积和总表面积 减小； (3)粉末颗粒内晶格畸变的消除。
烧结原动力的计算
由表面张力引起的烧结驱动力
负号表示作用在曲颈 面上的应力是张力， 方向朝向外，其效果 是使烧结颈长大。 随着烧结颈的扩大， 负曲率半径的绝对值 增大，说明烧结的动 力减小。
由孔隙引起的烧结驱动力
表面张力垂直地作用于烧 结颈曲面上，使颈向外扩 大，最终形成孔隙网。
这时孔隙中的气体会阻止 孔隙收缩和烧结颈进一步 长大。
当烧结颈增大，张应 力减小到与Pv平衡时， 烧结的收缩过程停止。
孔隙中气体的压力Pv与表 面应力之差是孔隙网生成 后对烧结起推动作用的有 效力源自由空位浓度梯度引起的烧结驱动力
过剩空位浓度梯度将引起烧结 颈下微小区域内的空位向球体 内扩散。从而造成原子朝相反 方向迁移，使烧结颈长大。
由蒸发凝聚引起的烧结驱动力
根据Gibbs Kelvin 方程
•烧结颈表面(凹面)的蒸气压应低于 平面的饱和蒸气差. •颗粒表面(凸面)与烧纳颈表面之间 存在蒸气压差. •烧结体系内，各处的蒸气压力差就
体积扩散基本观点:
晶体存在着超过该温度下平衡浓度的过 剩空位，空位浓度梯度就是导致空位或 原子定向移动的动力。 在颗粒接触面上空位浓度高，原子与空 位交换位臵，不断的向接触面迁移，使 烧结颈长大；而且烧结后期，在闭孔周 围的物质内，表面应力使空位的浓度增 高，不断向烧结体外扩散，引起孔隙收 缩。
烧结时空位扩散的途径
库钦斯基根据两球模型，推导表面扩散的速度方程
烧结颈表面的过剩空位浓 度的梯度
小球烧结技术---小球烧结法的理论基础
立志当早，存高远小球烧结技术---小球烧结法的理论基础小球烧结法就是将烧结混合料制成小球，以提高烧结料层的透气性，实现厚料层及低温烧结的方法。
小球烧结法一般要求混合料中粒度不小于3mm 的小球占混合料总量的75%以上。
该方法所制得烧结矿胶结相主要以针状和柱状铁酸钙为主，烧结矿强度高、还原性好、粉末少、块度大。
早在20 世纪60 年代，我国就进行了小球烧结法的研究，鞍钢开发了适合红矿烧结的双球烧结工艺，但因工艺难度较大，一直未能实现工业化生产。
80 年代，日本成功地开发了部分小球烧结法，于1987 年在福山4 号烧结机上投产，各项主要烧结技术指标都明显优于普通烧结法。
在国内外研究的基础上，钢铁研究总院开发成功了小球烧结新工艺，然后和有关单位合作，于1994～1996 年，小球烧结法在泰山钢铁公司烧结厂和首钢矿山公司烧结厂进行工业化生产获得成功，结束了我国小球烧结工艺只停留在试验研究阶段的历史，这是我国几代烧结工作者努力奋斗的结果。
目前，小球烧结法已在我国钢铁企业得到广泛推广和应用，取得了显著的经济效益。
小球烧结法可以大幅度地提高烧结矿产量，改善烧结矿质量，降低烧结燃料消耗，其理论根据分析如下：烧结机的产量可用下式计算：Q=60KRBHV (1) 式中Q———产量,t/h; K———成品率，%；R———混合料松散密度，t/m3；B———烧结机宽度，m；H———料层高度，m；V———烧结机机速，m/min。
式1 中H 用垂直烧结速度表示时，则：C=H/t 因：C=H/(L/V) 则：CL=HV (2) 式中C———垂直烧结速度,m/min; t———烧结时间，min,t=L/V；K———烧结机长度，m。
将式2代入式1：Q=60KRBCL (3) 在式3 中，烧结机的宽度B 和长度L 为不变量，成品率K、烧结料松散密度R 和垂直烧结速度C 为变量。
可见，采取措施提高成品率K、混合料松散密度R 和垂直烧结速度C 是烧结机增产的关键，现对这。
烧结工艺理论知识(全面)
烧结工艺理论知识（全面）第一章烧结生产概述§1-1烧结生产在冶金工业中的地位一、详述热处理工艺的产生和发展烧结方法在冶金生产中的应用，起初是为了处理矿山、冶金、化工厂的废气物（如富矿粉、高炉炉尘、扎钢皮、炉渣等）以便回收利用。
随着钢铁工业的快速发展，矿石的开采量和矿粉的生成量亦大大增加。
据估计，每生产1t生铁须要1.7～1.9t铁矿石，若就是贫矿，须要的铁矿石则更多。
另外，由于长期的采矿和消耗，能够轻易用以炼钢的富矿愈来愈少，人们不得不大量采矿贫矿（含铁25%～30%）。
但贫矿轻易浸出炼钢就是很不经济的，所以必须经过选矿处置。
选矿后的精矿粉，在含铁品位上就是提升了，但其粒度不合乎高炉炼钢建议。
因此，对采矿出的粉矿（0～8mm）和精矿粉都必须经过造块后方可以用作炼钢。
我国铁矿资源多样，但贫矿较多，约占到80%以上，因此，炼钢前大都需经碎裂、筛分、选矿和造块等处理过程。
烧结生产的历史已有一个多世纪。
它起源于资本主义发展较早的英国、瑞典和德国。
大约在1870年前后，这些国家就开始使用烧结锅。
我国在1949年以前，鞍山虽建有10台烧结机，总面积330m2，但工艺设备落后，生产能力很低，最高年产量仅几十万吨。
我国铁矿石烧结领域取得的成就，概括起来包括以下几个方面：（1）热处理工艺：自1978年马钢冷烧技术科技攻关顺利后，一批重点企业和地方骨干企业基本顺利完成了苏烧改冷烧工艺。
部分企业投入使用原料搅匀料场，并投入使用，绝大多数钢铁企业同时实现了自动化配料、混合机加强制粒、偏析布料、加热筛分、整粒及砌底料技术。
（2）新工艺、新技术开发和应用：如高碱度烧结矿技术、小球烧结技术、低温烧结技术、低硅烧结技术等，在钢铁企业得到推广应用，并取得了显著的效益。
（3）设备大型化和自动化：20世纪50年代，我国最小烧结机75m2，60年代130m2，80年代265m，90年代宝钢二、三期和武钢等450m烧结机相继投产，这些都就是我国自行设计、自行生产，并同时实现自动化生产的。
低温厚料层烧结
低温厚料层烧结我国烧结原料以细粒精矿为主，料层透气性差，料层厚度较薄，烧结矿粉末多、强度低、还原性差、能耗高。
自1978年起，首钢、本钢、鞍钢率先将料层厚度提高到300、340、375mm 以后，全国各企业均相应采取措施，逐年提高料层，取得了明显的技术经济效果。
到目前为止，年平均料层厚度超过500mm的有宝钢、首钢、鞍钢、唐钢、重钢、柳钢、济钢等企业，其中宝钢、柳钢、济钢等超过600mm。
提高料层厚度所采取的技术措施主要有：1）优化原料品种结构，适量增加富矿粉，配用成球性好的原料。
2）使用生石灰、消石灰、轻烧白云石粉等强化剂；改善生石灰粒度、提高生石灰活性度；使用生石灰配消器；采用热水消化生石灰。
3）加强燃料的破碎，采用外滚燃料工艺，减少下层燃料量。
4）改变混合机参数和结构，延长混料造球时间，提高成球率。
5）稳定混合料水分和碳含量，并采用低水、低碳操作。
6）采用橡胶衬板或含油稀土尼龙衬板做混合机内衬；采用雾化水、有机黏结剂（如丙烯酸酯等）等，强化混合料成球。
7）用蒸汽预热混合料。
8）改善布料条件，松散混合料，采用松料器；加强燃料的合理偏析；减少表层的压料量；保证料层铺平，减轻边沿效应。
9）适当降低1号和2号风箱负压；加强表面点火和上部供热。
10）提高风机负压；减少烧结抽风系统的阻力损失；降低抽风系统的漏风率；采用合理的抽风制度。
11）严格控制烧结终点，稳定与提高冷、热返矿的质量。
12）降低事故率，采用各种自动化工艺，创造一个稳定生产的良好环境。
低温烧结法低温烧结就是控制烧结温度在1200~1280℃的范围内，适当增宽高温带，确保生成足够的黏结相的一种烧结新工艺。
低温烧结矿中铁矿物以赤铁矿为主，且多呈原生颗粒状；黏结相以针状交织结构的四元系铁酸钙（SFCA）为主，SFCA的一般结构式为Ca5Si2(Fe,Al)18O36。
与普通熔融型（烧结温度大于1300℃）烧结矿比较，低温烧结矿具有强度高、还原性能好、低温还原粉化率低等特点，是一种优质的高炉炉料。
粉末冶金原理第七章
7.2
烧结过程的热力学基础
7.2.1 烧结的基本过程 7.2.2 烧结的热力学问题 7.2.3 烧结驱动力的计算
7.2
烧结过程的热力学基础
图7-1
烧结球之间形成烧结颈的扫描 电子显微照片
7.2.1 烧结的基本过程
(1)黏结阶段 烧结初期，颗粒间的原始接触点或面转变成 晶体结合，即通过成核、结晶长大等原子过程形成烧结颈。 (2)烧结颈长大阶段 原子向颗粒结合面大量迁移，使烧结 颈扩大，颗粒间的距离缩小，形成连续的孔隙网络；同时由 于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，而被晶界扫过的地方，孔 隙大量消失。 (3)闭孔隙球化和缩小阶段 当烧结体密度达到90％以后， 多数孔隙被完全分隔，闭孔数量增加，孔隙形状趋近球形并 不断缩小。
7.2.1 烧结的基本过程
图7-2 球形颗粒的烧结模型 a)烧结前颗粒的原始接触 b)烧结早期的烧结颈长大 c)、d)烧结后期的孔隙球 化
7.2.2 烧结的热力学问题
1)由于颗粒结合面(烧结颈)的增大和颗粒表面的平直化，粉 末体的总比表面积和总表面自由能减小。 2)烧结体内孔隙总体积和总表面积减小。 3)粉末颗粒内晶格畸变逐渐消除。
7.2.3 烧结驱动力的计算
图7-3
烧结颈模型
7.2.3 烧结驱动力的计算
图7-4
两球模型
7.2.3 烧结驱动力的计算
图7-6 颈部直径为X的两球形 颗粒的烧结剖视图
7.2.3 烧结驱动力的计算
图7-7
不同温度下烧结时间对烧结颈大小、表面积减小率、 收缩率和致密化的影响
7.3
烧结理论与物质迁移
图7-38 烧结过程接触面和孔隙形状、尺寸的变化模型
7.3.5 烧结末期
图7-26 烧结时间与孔隙率、孔径、晶粒之间的关系。
无机材料科学基础《烧结》知识点
（１）常压烧结：又称无压烧结。
属于在大气压条件下坯体自由烧结的过程。
在无外加动力下材料开始烧结，温度一般达到材料的熔点０．５－０．８即可。
在此温度下固相烧结能引起足够原子扩散，液相烧结可促使液相形成或由化学反应产生液相促进扩散和粘滞流动的发生。
常压烧结中准确制定烧成曲线至关重要。
合适的升温制度方能保证制品减少开裂与结构缺陷现象，提高成品率。
（２）热压烧结与热等静压烧结：热压烧结指在烧成过程中施加一定的压力（在１０～４０ＭＰａ），促使材料加速流动、重排与致密化。
采用热压烧结方法一般比常压烧结温度低１００ºC左右，主要根据不同制品及有无液相生成而异。
热压烧结采用预成型或将粉料直接装在模内，工艺方法较简单。
该烧结法制品密度高，理论密度可达９９％，制品性能优良。
不过此烧结法不易生产形状复杂制品，烧结生产规模较小，成本高。
作为陶瓷烧结手段，利用来自于表面能的表面应力而达到致密化的常压烧结法虽是一般常用的方法，但是，不依赖于表面应力，而在高温下借助于外压的方法，也是可以采用的。
这就是称为热压法的烧结方法。
广义来说，在加压下进行烧结的方法包括所有这类方法，超高压烧结和热等静压（HIP）烧结也属于这类方法。
不过，一般都作为在高温下施加单轴压力进行烧结的方法来理解。
其基本结构示于图1。
首先，制备粉体试料，置于模型中，在规定温度下加热、加压，获得烧结体。
由于下述原因而采用这种方法：（1）烧结温度降低；（2）烧结速度提高；（3）使难烧结物质达到致密化。
因为能够在颗粒成长或重新结晶不大可能进行的温度范围达到致密化，所以，可获得由微小晶粒构成的高强度、高密度烧结体。
图2所示，是热压对陶瓷致密化影响效果之一例。
将热压作为制造制品的手段而加以利用的实例有：氧化铝、铁氧体、碳化硼、氮化硼等工程陶瓷。
连续热压烧结生产效率高，但设备与模具费用较高，又不利于过高过厚制品的烧制。
热等静压烧结可克服上述弊缺，适合形状复杂制品生产。
烧结过程的理论基础
烧结过程的理论基础烧结就是将矿粉、熔剂和燃料，按一定比例进行配加，均匀的混合，借助燃料燃烧产生的高温，部分原料熔化或软化，发生一系列物理、化学反应，并形成一定量的液相，在冷却时相互粘结成块的过程。
一、烧结过程的基本原理近代烧结生产是一种抽风烧结过程，将矿粉、燃料、熔剂等配以适量的水分，铺在烧结机的炉篦上，点火后用一定负压抽风，使烧结过程自上而下进行。
通过大量的实验对正在烧结过程的台车进行断面分析，发现沿料层高度由上向下有五个带，分别为烧结矿带、燃烧带、预热带、干燥带和过湿带。
当前国内外广泛采用带式抽风烧结，代表性的生产工艺流程如图3—1所示。
1、烧结五带的特征（1）烧结矿带在点燃后的烧结料中燃料燃烧放出大量热量的作用下，混合料熔融成液相，随着高负压抽风作用和燃烧层的下移，导致冷空气从烧结矿带通过，物料温度逐渐降低，熔融的液相被冷却凝固成网孔状的固体，这就是烧结矿带。
此带主要反应是液相凝结、矿物析晶、预热空气，此带表层强度较差，一般是返矿的主要来源。
（2）燃烧带该带温度可达1350~1600度，此处混合料软化、熔融及液相生成，发生异常复杂的物理化学变化。
该层厚度为15~50mm 。
此高炉灰轧钢皮 （10~0mm ） 碎焦无烟煤 （25~0mm ） 石灰石白云石 （80~0mm ） 精矿富矿粉 （10~0mm ）空气排出废气(热烧结矿)冷烧结矿图3—1 烧结生产一般工艺流程图带对烧结产量及质量影响很大。
该带过宽会影响料层透气性，导致产量低。
该带过窄，烧结温度低，液相量不足，烧结矿粘结不好，导致烧结矿强度低。
燃烧带宽窄主要受物料特性、燃料粒度及抽风量的影响。
（3）预热带该带主要使下部料层加热到燃料的着火温度。
一般温度为400~800度。
该带主要反应是烧结料中的结晶水及部分碳酸盐、硫酸盐分解，磁铁矿进行还原以及组分间的固相反应等。
（4）干燥带烧结料的热废气从预热带进入下层，迅速将烧结料加热到100℃以上，因此该带主要是水分的激烈蒸发。
粉末冶金原理第四部分 粉末烧结技术
52
Part 2： 粉末烧结
对于具体的粉末烧结体系，能量平衡， 则:
• • • • K=COS(θ /2)=γ gb/2γ s E=6γ sρ Vb[K+A(1-K)]/G ρ 为烧结进行过程中的密度 对Vb微分，得致密化压力 Pd=6γ s(1-ρ )ρ 2(1-K)/[G(1-ρ o)2] ρ o为坯块的起始密度
一、作用在烧结颈上的原动力(driving force for neck growth) 二 、 烧 结 扩 散 驱 动 力 (driving force atom diffusion) 三、蒸发-凝聚物质迁移动力—蒸汽压差 四、烧结收缩应力（补）-宏观烧结应力
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Part 2： 粉末烧结
一、作用在烧结颈上的拉应力
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Part 2： 粉末烧结
• 考虑在烧结颈部与附近区域（线度 为 ρ ）空位浓度的差异 空 位 浓 度 梯 度 ▽ Cv= Cvoγ Ω / （kTρ 2） • 可以发现 • ↑γ （活化） • ↓ρ （细粉） • 均有利于提高浓度梯度
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Part 2： 粉末烧结
三、蒸发-凝聚气相迁移动力—蒸汽压差 (driving force for mass transportation by evaporation-condensation)
Part 2： 粉末烧结
含 义
2 低于主要组分熔点的温度
* 固相烧结—烧结温度低于所有组分的熔点 * 液相烧结—烧结温度低于主要组分的熔点 但高于次要组分的熔点 WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
Part 2： 粉末烧结
含 义
3 烧结的目的
依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末 颗粒形成冶金结合 Mechanical interlocking or physical bonging →Metallurgical bonding ↑烧结体的强度
烧结工艺精讲
晶粒生长的影响因素
• 1.夹杂物如杂质、气孔等阻碍作用 • 晶界在移动时可能会遇到夹杂物，晶界为了通过夹杂物， 界面能就被降低，降低的量正比于夹杂物的横截面积。通 过障碍以后，弥补界面又要付出能量，结果使界面继续前 进能力减弱，界面变得平直，晶粒生长逐渐停止。 • 2.晶界上液相的影响 • 少量液相使晶界上形成两个新的固-液界面，从而界面移 动的推动力降低，扩散距离增加，因此少量液相可以起到 抑制晶粒长大的作用。但当坯体中有大量液相时，可以促 进晶粒的生长和出现二次再结晶。 • 3.晶粒生长极限尺寸 • 烧结达到气孔的体积分数为10%时，晶粒长大就停止了， 这也是普通烧结中坯体终点密度低于理论密度的原因。
影响烧结的因素
1.原始粉料的粒度 1.原始粉料的粒度 • 从烧结速率考虑：无论在固态或液态的烧结中，细颗粒由 于曲率半径小，从而增加的烧结的推动力—表面能之差， 缩短了原子扩散距离，提高了颗粒在液相中溶解度而导致 烧结过程的加速。 • 从防止二次再结晶考虑：起始颗粒粒径必须细而均匀，如 果细颗粒中有少量大颗粒存在，则易发生晶粒异常生长而 不利用烧结。 • 如果烧结速率与起始粒度的1/3次方成正比，从理论上计 算，当起始粒度从2μm减小到0.5μm，烧结速率将增加64 倍，这相当于粒度小的粉料烧结温度降低了150—300℃。 • 一般氧化物材料最适宜的粉末粒度为0.05—0.5μm。
严格控制温度即保温的重要性
• 当烧结达到晶界移动速率Vb=Vp时，烧结过程已接近完成。 严格控制温度是十分重要的，继续维持Vb=Vp，气孔易迅 速排除而实现致密化。此时烧结体应适当保温，如果再继 续升高温度，由于晶界的速率随温度呈指数增加，必然导 致Vb>>Vp，晶界越过气孔而向曲率中心移动，使气孔包入 晶粒内部，气孔一旦包入晶粒内部，只能通过体积扩散来 排除，而这是十分困难的。 • 随着烧结的进行，气孔逐渐缩小，而气孔内的气压不断增 大，当增加至2γ/r时，即气孔内气压等于烧结推动力， 烧结停止。如果继续升高温度，气孔内的气压继续增大， 这时气孔不仅不能缩小反而膨胀，对致密化不利。 • 烧结如果不采取特殊措施是不可能达到坯体完全致密化的， 如果要获得接近理论密度的制品，必须采用气氛或真空烧 结和热压烧结等方法。
烧结过程的理论基础
烧结过程的理论基础烧结是一种通过高温和压力将细粉状材料压制成成型体的加工方法。
在烧结过程中，粉末颗粒之间发生了部分熔融、扩散、结合和收缩现象，最终形成了密实的、具有一定机械强度和结构稳定性的成型体。
烧结过程的理论基础主要涉及燃烧理论、传热理论、材料科学等方面的知识。
1.燃烧理论烧结过程中常用的燃烧方式包括气相燃烧、固相燃烧和液相燃烧。
在燃烧过程中，燃料与氧化剂反应产生高温高能的燃烧产物，为烧结提供了必要的热能。
燃烧产物的温度越高，烧结过程中的热传递效果越好，有利于颗粒间的结合和收缩。
2.传热理论热传递是烧结过程中的一个重要环节。
热传递可以通过传导、对流和辐射等方式进行。
传导是指热量通过颗粒之间或颗粒内部的分子振动和传递，对于高温下的烧结过程尤为重要。
对流是指在气体或液体中，通过流体的对流传导热量，对于烧结中的气体流动和温度分布具有重要影响。
辐射是指物体表面的热能以电磁波的形式辐射出去，对于高温烧结具有显著效果。
3.材料科学烧结过程中，粉末颗粒之间的结合主要是通过扩散和熔融发生的。
扩散是指原子或分子在固体中由高浓度区向低浓度区传递的过程，是粉末颗粒烧结过程中结合的主要方式。
熔融是指粉末颗粒在高温下部分熔化，形成液相，通过液相的黏结作用形成连续的成型体。
材料科学中的物理化学性质、晶体学、材料力学等知识对于理解和控制烧结过程中的结合机制和力学性能具有重要意义。
总之，烧结过程的理论基础涉及燃烧理论、传热理论和材料科学等多个方面的知识。
这些理论和原理的深入研究和应用，可以帮助理解烧结过程中颗粒的结合机制、热传递现象以及成型体的力学性能，为烧结工艺和材料应用提供理论指导。
材料科学基础2-第三章-烧结过程
通常可将烧结过程分成几步：
a.烧结前颗粒堆积：颗粒间彼此以点接触，有的相 互分开，有较多的空隙。
ab. T，t，产生颗粒间键合和重排，粒子相互 靠拢，a中的大孔隙逐渐消失，气孔总体积迅速减少， 但颗粒间仍以点接触为主，总表面积没有缩小
bc.有明显的传质过程，由点接触逐渐扩大为面接 触，粒界增加，固-气表面积相应减少，但空隙仍连 通。
➢无液相参与的烧结，即只在单纯固相颗粒之间进 行的烧结称为固相烧结
➢有部分液相参与的烧结称为液相烧结 ➢通过蒸发-凝聚机理进行传质的烧结称为气相烧结
3. 根据烧结体系的组元多少分类： ➢烧结可分为单组元系统烧结、二组元系统烧结和多 组元系统烧结。单组元系统烧结在烧结理论的研究中 非常有用。而实际的粉末材料烧结大都是二组元系统 或多组元系统的烧结。
❖在烧结过程中，坯体内部发生一系列物理变化过程：
（i）颗粒间首先在接触部分开始相互作用，颗粒接触 界面逐渐扩大并形成晶界（有效粘结，Bonding）
（ii）同时气孔形状逐渐发生变化、由连通气孔变成孤 立气孔并伴随体积的缩小，气孔率逐渐减少
（iii）发生数个晶粒相互结合，产生再结晶和晶粒长 大等现象
第三章
烧 结 过程
❖一种或多种固体（金属、氧化物、氮化物、 粘土等）粉末经压制成为坯体，坯体中含有大 量气孔，颗粒之间的接触面积较小，强度较低。
❖烧结---将坯体加热到一定温度后，坯体中颗 粒开始相互作用，气孔逐渐收缩，气孔率逐渐 减少，颗粒接触界面逐渐扩大为晶界，最后数 个晶粒相互结合，产生再结晶和晶粒长大，坯 体在低于熔点温度下变成致密，坚硬的烧结体
烧结过程有两个共性的基本特征：一是需要高温加热，第二是 烧结的目的是为了使粉体致密，产生相当强的机械强度
粉末冶金：粉末烧结
烧结机理
烧结过程中物质的迁移方式
➢ 粘性流动：在剪切应力作用下，产生粘性流动， 物质向颈部迁移
➢ 蒸发凝聚：表面层原子向空间蒸发，借蒸汽压差 通过气相向颈部空间扩散，沉积在颈部
➢ 体积扩散：借助于空位运动，原子等向颈部迁移 ➢ 表面扩散：原子沿颗粒表面迁移 ➢ 晶界扩散：晶界为快速扩散通道，原子沿晶界向
颈部迁移 ➢ 位错管道扩散：位错为非完整区域，原子易于沿
此通道向颈部扩散，导致物质迁移
烧结过程中物质的迁移方式
扩散
蒸发凝聚
回复再结晶和聚晶长大
➢ 回复 ➢ 再结晶 ➢ 聚晶长大
◊无限固溶系 ◊有限固溶系 ◊完全不溶系
液相烧结 多元系液相烧结
◊稳定液相烧结 ◊瞬时液相烧结 ◊熔浸
烧结理论的研究范畴
研究粉末压坯在烧结过程中微观结构的 演化和物质变化规律 ➢ 热力学:烧结过程的驱动力（Why） ➢ 动力学:烧结过程中物质迁移方式和迁移 速度（How）
烧结理论的发展
➢ 烧结工艺始于公元前3000年 ➢ 烧结理论始于20世纪中期 ➢ 目前还没有成熟的理论
烧结基本过程
三阶段：
(1) 颗粒之间形成接触 (2) 烧结颈长大
➢ 粘结阶段
(3) 连通孔洞闭合 (4) 孔洞固化
➢ 烧结颈长大阶段
(5) 孔洞收缩和致密化 (6) 孔洞粗化
(7) 晶粒长大
➢ 闭孔隙球化和缩小阶段
水分挥发 化学反应 应力消除 回复和再结晶
粘结面和晶界的形成
粘结面和晶界的形成
烧结后的孔隙
粉末冶金原理烧结
很小 sin
AB x sin
Fx F x
垂直作用于ABCD上旳合力
F
2(Fx sin
F
sin
)
2 (
x)
2
2
ABCD旳面积为 xθ×ρθ，作用在上面旳应力为
F
x 2
2 ( x) x 2
(1 1) x
因为烧结颈半径x远不小于曲率半径 x>>
烧结动力是表面张力造成旳一种机械力，它垂直作用于烧结颈曲面上， 使烧结颈向外长大。
多元系烧结根据烧结温度下有无液相出现又提成：
1）多元系固相烧结：烧结温度在其中低熔成份旳熔点温 度下列。根据系统旳组元之间在烧结温度下有无固相溶解 存在又分为：
a)无限固溶系：在相图上有无限固溶区旳系统，如Cu-Ni Fe-Ni、W-Mo等。
b)有限固溶系：在相图上有有限固溶区旳系统，如Fe-C Fe-Cu、W-Ni等。
假如颗粒半径2m x=0.2μ ρ＝10-8～10-9m 则σ＝107 N/m2
在形成孔隙中气体阻止孔隙收缩和烧结颈长大，有效力： Ps Pv
开孔： Pv=1atm =105 N/m2
闭孔：
Ps
Pv
2
r
r－孔隙半径 孔隙收缩使Pv增大，到达一种平衡值 ∴仅延长烧结时间不能消除孔隙
物质扩散旳角度
孔隙球化
等温烧结三个阶段旳相对长短主要由烧结温度决定：温度 低，可能仅出现第一阶段；在生产条件下，至少确保第二 阶段接近完毕；温度越高，出现第二甚至第三阶段就越早。
在连续烧结时，第一阶段可能在升温过程中就完毕。
1.粉末发生烧结旳主要标志是坯体旳强度增长，导电性能 提升，表面积减小，而不是意味着烧结体产生收缩。
烧结理论基础备
1、烧结原理概述烧结是目前国内外钢铁企业最广泛采用的铁原产造块方法。
现在各烧结厂使用的烧结机几乎都是下部抽风的带式烧结机。
据此，烧结过程可以概括为：将烧结混合料配以适量的水分，经混匀及制粒后铺到烧结机的台车上，烧结料表面点火，在下部风箱强制抽风作用下，料层内燃烧自上而下燃烧并放热，混合料在高温作用下发生一系列物理、化学变化，最终固结成烧结矿。
对烧结过程的解剖研究，抽风烧结过程有明显的分层性。
一般自上而下分为五层：烧结矿带、燃烧带、预热干燥带、水分冷凝带及原始料带。
烧结点火后，五带依次出现，随时间的推移，各层向下移动，最后各层又依次消失，最后剩下的全部是烧结矿层。
烧结矿带又称成矿带，在烧结矿层中，空气被预热，烧结矿被冷却，表面和裂缝处出现氧化现象。
在同燃烧层接近处所生成的液相温度降低冷凝并结晶，使烧结料固结，形成烧结矿。
在燃烧带内，燃料被上部加热的空气氧化燃烧，放出热量，使烧结料加热，温度升高（一般可达1100~1500℃）。
从燃料开始着火（焦粉着火温度一般为700℃）到燃烧完毕需要一定时间，燃烧带有一定厚度（15~80mm）。
在燃烧带内进行着软熔、还原、氧化以及石灰石和硫化物分解等反应。
此带对烧结过程产量及质量影响很大。
该带过宽则料层透气性差，导致产量低，过窄则烧结温度低，液相量不足，烧结矿粘结不好，强度低。
该带的宽窄受燃烧粒度、抽风量等因素影响。
在干燥预热层中发生水分蒸发，并从燃烧带出来的高温废气中吸收热量，使燃料加热到着火温度。
此层内还会出现固相反应、氧化还原反应以及结晶水分解等。
此带特点是热交换迅速，由于热交换剧烈，废气温度很快从1000℃下降到60~70℃。
水分冷凝带又称过湿带，因上层下来的废气中含有大量水汽，由于废气温度降低到与之相应的露点以下，水汽重新凝结于混合中，产生过湿现象。
水分冷凝破坏已造好的混合料小球，使料层透气性变差。
原始料带处于料层最下部。
在此带中物料的物理、化学性质基本不变。
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烧结过程的理论基础烧结就是将矿粉、熔剂和燃料，按一定比例进行配加，均匀的混合，借助燃料燃烧产生的高温，部分原料熔化或软化，发生一系列物理、化学反应，并形成一定量的液相，在冷却时相互粘结成块的过程。
一、烧结过程的基本原理近代烧结生产是一种抽风烧结过程，将矿粉、燃料、熔剂等配以适量的水分，铺在烧结机的炉篦上，点火后用一定负压抽风，使烧结过程自上而下进行。
通过大量的实验对正在烧结过程的台车进行断面分析，发现沿料层高度由上向下有五个带，分别为烧结矿带、燃烧带、预热带、干燥带和过湿带。
当前国内外广泛采用带式抽风烧结，代表性的生产工艺流程如图3—1所示。
1、烧结五带的特征（1）烧结矿带在点燃后的烧结料中燃料燃烧放出大量热量的作用下，混合料熔融成液相，随着高负压抽风作用和燃烧层的下移，导致冷空气从烧结矿带通过，物料温度逐渐降低，熔融的液相被冷却凝固成网孔状的固体，这就是烧结矿带。
此带主要反应是液相凝结、矿物析晶、预热空气，此带表层强度较差，一般是返矿的主要来源。
（2）燃烧带该带温度可达1350~1600度，此处混合料软化、熔融及液相生成，发生异常复杂的物理化学变化。
该层厚度为15~50mm。
此图3—1 烧结生产一般工艺流程图高炉灰轧钢皮 （10~0mm ） 碎焦无烟煤 （25~0mm ） 石灰石白云石 （80~0mm ） 精矿富矿粉 （10~0mm ）带对烧结产量及质量影响很大。
该带过宽会影响料层透气性，导致产量低。
该带过窄，烧结温度低，液相量不足，烧结矿粘结不好，导致烧结矿强度低。
燃烧带宽窄主要受物料特性、燃料粒度及抽风量的影响。
（3）预热带该带主要使下部料层加热到燃料的着火温度。
一般温度为400~800度。
该带主要反应是烧结料中的结晶水及部分碳酸盐、硫酸盐分解，磁铁矿进行还原以及组分间的固相反应等。
（4）干燥带烧结料的热废气从预热带进入下层，迅速将烧结料加热到100℃以上，因此该带主要是水分的激烈蒸发。
（5）过湿带从烧结料点火开始，物料中的水分就开始转移到气流中去。
含有水蒸气的废气经过料层冷却后，废气被冷却到露点温度，致使其中水蒸气冷凝，这部分烧结料中的水分含量超过了物料的原始水分，出现了过湿现象，这一区域成为过湿带。
该带严重影响了烧结料的透气性，破坏已造好混合料小球，最好的解决办法就是预热混合料。
温度，℃图3—2 烧结过程各层反应示意图2、烧结过程分层原因带式烧结机有明显的分层性，如图3—2所示。
抽风烧结过程的这种分层性，是烧结过程自上而下进行的特点所决定的。
烧结料中的燃料点燃之后，随抽入的空气继续燃烧，于是料层的表面形成了燃烧层，当这一层的燃料燃烧完毕后，下部料层中的燃料继续燃烧，于是燃烧层向下移动，而其上部形成了烧结矿层。
燃烧层产生的高温废气进入燃烧层以下的料层之后，很快将热量传递给烧结料，使料温急剧上升。
随着温度的升高，到100℃以上，首先出现混合料中的水分蒸发，达到300~400℃，水分蒸发完毕，继续升高到800℃，混合料中的燃料着火。
这样，燃烧层下部形成了100~400℃之间以水分蒸发为主的干燥层和400~800℃之间的预热层。
实际上，干燥层和预热层之间没有明显的界限，因此，也有统称为干燥—预热层的。
高温废气将热量传递给混合料使之干燥和预热之后，进入干燥层以下的料层，当温度下降到水蒸气的露点（大约60℃）以下时，在干燥层中蒸发进入废气的水分在这里重新凝结，形成了过湿层。
随着烧结过程的进行，燃烧层、预热层和干燥层逐渐下移，烧结矿层逐渐扩大，湿料层逐渐减小，最后全部烧结料变为烧结矿层。
3、烧结料层中发生的物理化学变化及其对烧结生产的影响烧结矿层在料层的最上部，抽入的空气首先要穿过烧结矿层，而烧结矿层中已无燃料的燃烧，所以被抽入的空气所冷却，发生熔融矿物的结晶和新相的形成过程，并将自身的热量传递给空气，使空气温度升高（称为自动蓄热作用）。
由于气流作用和来不及逸出的气泡及冷却时的体积收缩，熔融物冷却后成为多孔状块矿，使料层透气性增加，负压降低。
在与空气接触的烧结矿表面层，还可能发生低价氧化物的再氧化反应。
燃烧层主要是固体燃料的燃烧，引起料层温度的升高和液相的生成。
燃烧层的温度高达1350~1600℃，超过了烧结料的软化和熔化温度，为产生一定数量的液相使烧结料粘结成块创造了条件。
此外，燃烧层内还发生碳酸盐和硫酸盐的分解，磁铁矿的氧化、赤铁矿的热分解以及在固体燃料颗粒的周围高价氧化物的还原等反应。
由于燃烧层内存在大量液相粘结物，气体通过料层的阻力增加，透气性变坏，不利于提高产量，因此，生产中要求燃烧层的厚度不要太大，一般在15~50mm之间。
干燥层中主要发生水分的蒸发。
由于烧结过程的气流速度很快，烧结料又是细粒散料，所以，烧结料温度能迅速提高，在一个很窄的区域（13~30mm）内完成干燥过程。
在预热层中，水分蒸发完毕，干料温度继续升高，达到着火温度（800℃左右）。
此层内发生部分碳酸盐的分解、硫酸盐的分解和磁铁矿的局部氧化，以及烧结料各成分之间的固相反应。
干燥和预热层中，由于升温速度过快，料球易受破坏，恶化料层透气性。
在过湿层中，由于重新凝结的水分充塞于烧结料颗粒之间，使气流通过的阻力增加，同时，由于水分过多，超过混合料的原始水分，严重时使物料成泥泞状，严重降低料层透气性，大大降低烧结速度。
粒度愈细和吸水性差的物料，这种现象愈明显。
燃烧层对烧结的影响：燃烧层是烧结生产过程中最重要的部分，这里主要对此层对烧结生产的影响做详细的叙述。
燃烧层是烧结料层中温度最高的区域，因此也称高温区。
高温区温度水平和厚度对烧结过程的影响非常显著。
首先，高温区移动速度，即垂直燃烧速度，是决定烧结矿产量的主要因素。
产量同垂直烧结速度成正比关系，而垂直烧结速度和风速成0.77~1.05次方的关系。
因此，增加风速即可提高垂直烧结速度，提高产量。
但垂直烧结速度也不能过快，过快会引起烧结矿强度下降，成品率低。
混合料的热容量大，导热性好，粒度小，以及吸热反应发展，都能增加混合料从废气中吸热的能力，从而使烧结速度减小，降低烧结矿产量。
而适当增加混合料的水分和溶剂用量时，由于改善了烧结料层的透气性，有利于提高烧结速度。
其次，高温区温度高，生成的液相多，可以提高烧结矿强度，但温度过高会造成过溶现象，降低烧结矿的还原性，同时，液相过多，增加气流阻力，降低烧结速度，影响产量。
最后，高温区厚度过大，也会增加气流阻力，降低烧结速度，但厚度过小，又不能保证各种高温反应所必需的时间，影响烧结矿质量。
因此，必须有一个合适的高温区温度和厚度，才能使烧结生产过程得到改善。
二、烧结生产的意义1、烧结生产是一种人造富矿的生产过程，由于有了这种造块方法，自然界中大量存在的贫矿便可以通过选矿和烧结后成为能满足高炉冶炼要求的优质人造富矿，从而使自然资源得到充分利用，有力的推动钢铁工业的发展。
2、烧结过程中可以利用富矿粉、高炉炉尘、转炉炉尘、轧钢皮、硫酸渣等其他钢铁及化工工业的若干废料，使这些废料得到有效利用，做到变“废”为宝，变“害”为利。
3、经过烧结生产制成的烧结矿，与天然矿相比，粒度合适，还原性和软化性好，成分稳定，造渣性能良好，保证了高炉生产的顺行。
尤其是烧结料中配入一定数量的熔剂后生产的自熔性或熔剂性烧结矿，可使高炉冶炼少加或不加石灰石，降低炉内消耗，从而改善高炉生产指标。
4、烧结过程可以除去80~90%的S、F、As等有害杂质，大大减轻了高炉冶炼过程中的脱硫任务，提高了生铁质量。
三、烧结生产操作中几种主要的操作方法1、“稳定水碳”操作“稳定水碳”操作是稳定烧结与冷却过程的条件。
（1）烧结料含碳量由料层高低与返矿量大小而定，一般控制在3%左右，一定时期因受原料成分等各方面因素的影响，含碳量应根据具体情况随时调整。
（2）随时通过出点火器的台车情况，风箱与总管负压、废气温度、机尾断面情况判断烧结料的含碳量。
a.台车出点火器后3—4米不变色；风箱与总管负压升高；机尾断面燃烧带过宽；机尾断面出现大孔薄壁或石头结构，均说明烧结料含碳量（燃料配比）高。
b.台车出点火器后料面立即变色、有浮灰；风箱与总管压力降低；风箱与总管废气温度降低；机尾断面结构松散；返矿量增加，均说明烧结料含碳量（燃料配比）低。
（3）接班后，含碳物料配比变化大于0.5时，均要进行烧结料含碳量与燃料配比的计算，并做好记录。
（4）要根据实际生产情况与计算的燃料配比，确定与调整燃料配比。
（5）发现烧结料含碳量发生变化，立即查明原因，及时调整燃料配比，在新料未到烧结机前，应进行相应的烧结机操作调整。
a.燃料配比高或燃料多时，适当提高烧结料水分，降低点火温度，并优先考虑减料层厚度，后降低机速。
b.燃料配比低或燃料量少时，烧结料水分控制在下限，适当提高料层厚度与点火温度，降低机速。
（6）布料前混合料的水分应控制在7.5或更高一些。
（7）水分适宜的烧结料，台车料面平整、点火火焰不外喷、机尾断面整齐；水分过小时，台车料面不平整、料层厚度自动加厚、严重时点火火焰外喷、料面点火不好、负压升高。
水分过大时，台车料面有拉沟，料层厚度自动减薄，严重时有空台车，料面点火不好，负压升高、机尾断面松散、窝料有花脸；（8）发现水分异常，立即与球盘联系，并采取以下操作。
a.水分偏大时，适当提高点火温度、降低机速，上述操作无效时，适当降低料层厚度。
b.水分偏小时，适当降低点火温度。
2、“合理用风”操作合理用风就是使烧结机冷却过程的风量沿台车宽度分布要均匀一致，在整个烧结过程中，烧结机头部应少用风，以免混合料过早的被压实影响透气性，中间处风量要大，可增加垂直烧结速度，机尾风量也应适当减小，防止烧坏台车篦条。
具体注意事项如下：（1）铺底料厚度沿台车宽度要均匀一致，不许无铺底料操作。
发现亏料，立即与矿槽联系，调整铺底料给料量，无铺底料时，立即停机，向上级汇报。
（2）泥辊闸门开口度要一致，台车料面要平整，台车两侧要铺严，且略高于中部。
不准拉沟、亏料、空台车，发现局部亏料、空台车，立即查明原因，及时处理。
出现空台车要及时关闭风箱闸门。
（3）随时破坏台车料面因收缩产生的裂缝。
3、“低碳厚料”操作“低碳厚料”操作是提高质量、降低能耗的有效措施。
（1）严格控制球盘操作，保证混合料球的粒度，提高料层透气性，从而提高料层厚度，增加产量。
（2）控制好燃料配比，料层越高，配比越低。
（3）要保证松料器的正常使用，尽可能的发挥其效应。
对松料器的要求：a.松料器要完整良好。
b.利用停机时间，清理松料器上面的积料。
当烧结料粒度、料温、水分、固定碳等影响透气性的因素波动不大时，应采取固定料层厚度，调整其他的操作方法。
4、“烧透冷好”操作“烧透冷好”操作是烧结生产的目的，是生产出优质烧结矿的有力保证。
（1）根据生产过程的主要参数（废气温度和负压等），准确判断烧结终点与冷却终点。