优化烧结矿质量：铁矿烧结关键工艺解析

烧结矿质量与铁矿烧结工艺概述

烧结矿通常是高炉（BF）料负荷主要组分。烧结矿由铁矿烧结过程产生多矿相组成。烧结矿质量性能取决于烧结矿矿物结构。但因烧结条件通常在烧结床不均匀，相组成及烧结质量在烧结床中变化。

烧结矿结构不均匀。由不同尺寸孔隙和复杂矿相集合体组成，各矿相性能不同。孔隙和矿相组合及其相互作用决定烧结质量，也使烧结性能预测极难。虽大量研究烧结矿，但烧结化学成分矿物学与其性能行为相关性仍不完全清楚。

烧结混合料与产品烧结矿示意见图1。

图1 烧结混合料与产品烧结矿示意

烧结工艺是描述将铁矿、熔剂、焦炭和固体废弃物（粒度-10 mm）绿色混合料烧结成能承受高炉操作压力温度条件烧结矿的通用术语。粉尘、污泥、炉渣、轧钢氧化皮等固体废弃物用于烧结混合料利用其复杂化学结构和矿物成分。烧结工艺详见单独文章：https://www.ispatguru.com/the-sintering-process-of-iron-ore-fines-2/

烧结过程化学反应与相形成

烧结过程中，细焦炭颗粒在700-800℃开始燃烧生成CO气体。铁矿核心表面及附着细粉还原为磁铁矿。温度升至1100℃，低熔点相如Fe₂O₃·CaO、FeO·CaO、FeO·SiO₂经固-固反应形成。此时形成SFCA（硅铁酸钙铝相）。SFCA鉴定为CaO·2Fe₂O₃含少量溶解Al₂O₃和SiO₂固溶体。此相为复杂四元相。

烧结过程中，因火焰前沿快速通过烧结床，平衡相关系通常不达成。导致烧结高度不均一，形成热力学考虑不预期的非平衡相。烧结成分因个别矿石熔剂颗粒性质及其反应程度不同，在块体材料中处处变化。

宏观烧结矿结构不均匀，有大不规则孔隙。微观由结合相、残留矿石颗粒、残余玻璃相、极小不均匀孔隙裂纹组成。随温度、成分、氧分压、时间、气氛等参数不同，不同相以不同比例形成，不同形貌发育。形貌本质反映形成模式，与特定化学成分、烧结加热冷却速率相关。

针状SFCA在1185℃以下开始形成；温度升至1245℃未反应赤铁矿消失，SFCA晶粒增大。温度超1300℃ SFCA开始分解：氧分压高且温度<1350℃生成赤铁矿；氧分压低且温度>1350℃生成磁铁矿，渣成分重新分配入熔体。延长分解温度以上时间、提高最高温度促进SFCA分解。

烧结过程中上述化学反应在高温下进行，形成熔融相，用于固液反应同化结合铁矿细粉和熔剂。熔融相在火焰前沿温度>1100℃处形成。熔体凝固成为结合相，占烧结矿中大多数其他相。主要结合相通常由SFCA组成。

熔融相体积在烧结过程中起重要作用。过度熔融导致均质玻璃结构，还原性低；熔融浓度极低导致强度不足，返矿量大。

烧结化学反应形成烧结块，为多相材料，微观结构不均匀。由几个矿相组成，主要相为赤铁矿、磁铁矿、铁矿石、SFCA、二硅酸钙、玻璃相。不同相矿物学分布决定烧结微观结构，赋予烧结机械强度及高炉中还原行为。SFCA因在烧结矿中丰富且对烧结质量显著影响，被视为结合相最重要成分。

从烧结机制看，烧结相主要在>1100℃烧结过程中形成。因此烧结温度-时间特征强烈影响烧结微观结构和相组成。

烧结床温度特征：加热周期陡峭上升至最高温度。最高温度通常>1300℃，可达1350℃。达到最高温度后缓坡指示冷却周期成品烧结相对缓慢冷却。

因烧结过程中床层透气性变化，从顶到底获得不同温度曲线。故加热速率、最高温度、>1100℃时间、冷却速率在烧结床顶、中、底层通常不同。因温度-时间特征差异，烧结床相组成变化。因此烧结矿可分类：

• 顱部烧结矿——通常脆弱易碎，合格粒度产率差。此烧结高温熔融后立即淬冷。从烧结机冷态排出。
• 中部烧结矿——在熔融退火最优条件下形成，合格粒度产率最大。冷态从烧结机排出。
• 底部烧结矿——热态排出，经热烧结破碎机和排矿筛进入烧结冷却机严重淬冷。导致物理性能差，合格粒度产率低。若采用在线冷却，性能近似中部层烧结矿。

烧结矿典型成分

烧结矿通常体积组成：40%-70%铁氧化物，20%-50%铁酸盐（多为SFCA），~10%二硅酸钙，~10%玻璃相。也可含少量硫化物（FeS）、辉石[(Mg,Fe)SiO₃]、石英、石灰。烧结反应调节各矿相体积分数，特别控制SFCA相浓度和微观结构。这反过来控制改善烧结特性。

烧结质量定义

烧结质量指烧结物理冶金性能。通常按以下定义：

• 室温物理强度或冷强度，经碎裂或鼓球测试测定
• 还原降解指数（RDI）值，550℃低温还原后烧结破碎程度，经还原降解测试测定
• 还原性指数（RI），900℃还原性测试测定烧结还原性
• 高温软化熔滴性能，还原>1150℃时烧结开始软化、熔化、滴落温度
• 所有这些性能由烧结微观结构支配，特别是结合相（特别是SFCA），占烧结矿相高达80%

上述所有性能通常按标准化测试评价，与烧结矿物学、微观宏观结构强相关。因烧结颗粒间相组成高度变异，即使来自同一块体材料，这些测试重现性低。

矿石粒度影响

矿石粒度起重要作用。细矿同化能力强于粗颗粒。铁矿细粉反应表面积大导致反应速率高。但形成高浓度熔体降低熔体流动性。故烧结混合料须掺入粗颗粒改善烧结床透气性，因其与熔体固体颗粒大尺度运动增加相关。

掺入大颗粒烧结床烧结性因透气性改善和烧结反应改善而提高。大颗粒在烧结床中形成低密度区改善透气性。因透气性增加，大颗粒周围气流速率和火焰前沿速度比细颗粒高。熔体反应和同化因熔体高流动性在大颗粒周围快速发生。

烧结质量重要相关特性

• 烧结结构包含对烧结强度还原性有益铁酸盐。最优结构通常为赤铁矿核心被针状铁酸盐晶格包围。此结构在较高烧结碱度下有利。
• 铁矿石粒度影响烧结性能。增大铁矿石粒度促进烧结产量，但略微降低鼓球强度，略省焦炭。
• 烧结矿物学比其物理化学性能更易从化学成分预测。
• 烧结中MgO浓度增加，尖晶石（镁铝氧化物）和玻璃相增加。烧结中MgO改善RDI，因MgO稳定磁铁矿降低赤铁矿含量，减少赤铁矿向磁铁矿还原时烧结应力。
• 烧结中SiO₂浓度增加，总SFCA量增加，针状/柱状SFCA比和玻璃相含量减少。
• 烧结中Al₂O₃含量增加，化学物理性能急剧恶化，虽SFCA相浓度增加。随氧化铝增加，针状、柱状、块状SFCA显著增加，树枝状和共晶SFCA大幅减少。
• 铁烧结MgO和SiO₂含量对物理化学性能似有相互关联效应。预测不同量MgO和SiO₂对烧结性能影响复杂。唯一清晰趋势：磨损指数（AI）随MgO含量增加而增加，烧结RI和AI随SiO₂含量增加而减少。
• 低FeO含量（<8%）烧结利于还原性。矿石混合化学成分固定时，FeO可指示烧结条件，特别是焦炭率。烧结中FeO含量增加降低（改善）RDI指数。但FeO含量增加时还原性下降。须找最优FeO含量改善RDI不改变其他性能。
• 熔剂以何种矿物形式加入烧结原料混合料（如氧化物vs碳酸盐）对产出烧结矿物学和性能有显著影响。
• 因原料化学成分各异、颗粒度分布不均，烧结过程反应不均匀，产生结构不均匀烧结矿。