铁矿石烧结工艺：提升高炉效能的关键预处理

铁矿石粉矿烧结工艺

烧结厂通常与联合钢厂高炉炼铁生产相关联。烧结工艺本质上是炼铁预处理工序，将铁矿粉及冶金废料（收尘灰、污泥、氧化铁皮等）制成高炉负担材料——烧结矿。

烧结技术最初为利用高炉铁矿粉及钢厂冶金废料中铁而开发。但目前焦点已转变：现代烧结工艺旨在生产高质量高炉负担。如今烧结矿是大型高炉主要金属负担。

烧结原理

烧结是热过程(1300-1400°C)，将铁矿石(配矿)、回矿、钢厂回收产品(氧化铁皮、高炉粉尘等)、造渣元素、熔剂、焦粉在烧结机上团聚，制造适宜化学成分、质量(物理)、粒度进入高炉的烧结产品，保障高炉均匀稳定运行。烧结前有重要工序——混合造球。混合造球是在旋转筒中用7%-8%水均质铁矿混合料，获得预团聚产品，铺铺在连续移动料带或烧结带上获得烧结产品。此工序基础作用：保证烧结床透气性，从而保证烧结机好生产率。

烧结工艺灵活性允许将多种材料转化为熟料状团块：铁矿粉、捕集粉尘、矿石精矿、小粒度含铁材料(如氧化铁皮)。

烧结过程涉及预团聚产品加热生成半熔融团块，凝固成具备进入高炉所需粒度强度特征的多孔烧结块。

产品——烧结矿

烧结产品称烧结矿。优质烧结矿质量特征：(i)化学成分，(ii)粒度分布，(iii)还原性，(iv)烧结矿强度。表1列出典型烧结矿性能。

图1 铁矿石烧结矿

烧结矿分类

烧结矿分酸性烧结矿、自熔剂烧结矿、超熔剂烧结矿。自熔剂烧结矿含足够CaO(石灰)熔融其酸性成分(SiO₂、Al₂O₃)。超熔剂烧结矿额外含CaO熔融高炉通过其他负担材料引入酸性成分。自熔剂和超熔剂烧结矿中，石灰降低烧结混合料熔点，在相对低温(1100-1300°C)下FeO存在时形成强结合。加熔剂优势：

• 与铁矿石杂质固体燃料生成渣，产生适宜颗粒凝聚基质
• 改善烧结矿物理冶金性能
• 降低烧结混合料熔点
• 减少/消除高炉石灰石添加，节省石灰石煅烧反应(CaCO₃=CaO+CO₂)所需燃料，从而降低高炉焦比

烧结工艺流程

烧结始于原料准备：铁矿粉、熔剂、厂内冶金废料、燃料、烧结回矿。这些材料在旋转造球筒中混合加水达适宜团聚，形成微球团。微球团助于烧结过程获得最优透气性。微球团输送至烧结机形成混合料上层。

烧结为连续过程，基于烧结混合料(矿粉、回矿、熔剂等)料层在表面燃烧器作用下处理。由此上至下加热。料层搭在台车带上，抽风系统使全厚度达适宜温度部分熔融、随后团聚。

Dwight-Lloyd烧结机中，烧结格栅为长宽大连续链，由系列台车连接成烧结带(图2)。每台车通过料斗装料：先铺粗粒度(10-20mm)厚30-60mm底料层，主要由回收烧结矿组成。底料层保护钢格栅烧结时免过热。

图2 Dwight-Lloyd烧结机

底料层上铺第二层微球团并整平。台车通过点火炉，混合料表面着火燃烧。同时混合料经向下吸风。向下吸风将空气吸入移动料床使燃料燃烧。

台车继续推进，燃烧按气流方向推进。烧结过程由此进行。燃烧非同时发生全料层厚度，而是作为水平层垂直向下移动穿过料床。此层厚度为料床小部分分数。料床透气性是混合料质量要求，故混合料造球颗粒是烧结重要工序(造球改善料床透气性)。

燃烧区上方高温烧结产品加热通过层空气，预热空气到达燃烧区。前序加热空气/气体热量在冷段吸收，致使负担预热与混合料水分蒸发。此背景下达到引起部分熔融高温，烧结发生。

高热效率源于称为烧结区或火焰前沿的部分料层热量积累。火焰前沿以10-30 mm/min速度向烧结格栅推进。约500mm料床高度，过程通常约25分钟。到达带末端，烧结物料排出经冷却、破碎、筛分。

烧结过程受"烧透点"(BTP)控制，定义为废气温度达最高值点。即火焰前沿到达烧结料床底部基点。控制烧结机速度与煤气流量确保烧透点在烧结矿排出前刚好发生。烧透点确定对稳定工艺、提升质量产量至关重要。

机尾烧结物料以烧结饼形式排入热烧结破碎机。热烧结饼破碎至预定最大粒度。经烧结冷却机冷却，可为直线或环形冷却机。冷却后进入筛分段，通常分三个粒级分数。第一分数0-5mm称回矿，回送配料斗。5-15mm粒度烧结矿用作烧结带底料层。不用于底料层的5-15mm部分与第三粒级15-50mm混合送高炉。

烧结过程中不可避免产生回矿，循环回烧结工艺。回矿通常占含铁材料30%-40%。烧结筛分回矿比高炉筛分回矿更易同化，因高钙铁素体含量较低。

烧结料床高度识别四个区域：

• 冷湿区：<100°C区域。由待烧结混合料形成，上限水/水蒸气饱和
• 干燥区：100-500°C区域。烧结混合料水分蒸发、氢氧化物脱水
• 反应区：500°C(焦炭起始燃烧)-900°C(冷却开始)区域。最高温达1300-1400°C。主要过程：(i)焦炭燃烧(放热)，(ii)碳酸盐分解(吸热)，(iii)固相反应，(iv)铁氧化物还原再氧化，(v)烧结团块形成反应
• 冷却区：紧邻反应区后。烧结产品冷却再结晶。表层区烧结层比其他部分脆

研究烧结工艺波动原因以降低碳消耗、减少CO₂排放。厂数据频率分析(某风箱废气温度、混合料装料高度、混合料水分)显示：混合料水分变化与特定风箱废气温度波动相关。将混合料水分控制在窄范围值带可改进过程控制，降低碳消耗、减少CO₂排放。

废气回路须完全无泄漏，防止大气空气被系统吸入，节省废气回路动力。废气经旋风分离器、静电除尘器、湿式洗涤器或布袋除尘器除尘处理。烧结厂流程图见图3。

图3 烧结厂流程图

烧结机类型

烧结机两类：(i)环形机，(ii)直线机(又称Dwight-Lloyd机)。Dwight与Lloyd1906年建首座连续烧结厂。

环形烧结机通常适用有效容积≤650m³高炉。表2列出部分环形机主要参数。

环形机特点：

• 相比直线机投资低、建设周期短
• 风箱与格栅同步移动采用水封，密封性好、漏风少
• 卸料系统使冷烧结矿粒度无需额外破碎机
• 操作灵活性高

图4 环形烧结机

直线机用于大型烧结厂。烧结面积通常≥50m²。现代直线机宽度2-5m，有效烧结面积200-600m²。生产率通常30-46 t/m²·天。产能19万吨/年至650万吨/年。图5为直线烧结机。

图5 直线烧结机

烧结与烧结厂重要议题

• 使用烧结矿降低高炉焦比、提高生产率
• 烧结工艺利用采矿产生铁矿粉(0-10mm)
• 烧结工艺回收钢厂所有含铁、燃料、熔剂废料
• 烧结工艺利用钢厂副产品煤气
• 烧结矿不可长期储存，长储存产生过量细粉
• 烧结厂多次搬运产生过量细粉/粉尘