铁矿石烧结与球团工艺：历史演变与技术发展

铁矿石烧结工艺与球团工艺是现代炼铁生产的核心环节，其历史演变见证了钢铁工业从依赖天然块矿转向高效利用精细矿粉的技术革命。本文系统梳理了烧结、球团、块团、结团四大造块工艺的起源、关键技术突破及工业化应用历程，重点分析了德怀特-劳埃德烧结机、格林沃尔特工艺、勒波尔窑-链篦机球团工艺等里程碑式创新对高炉冶炼性能的提升作用，并回顾了中国近二十年 grate-kiln（链篦机-回转窑）球团工艺的爆发式增长。

一、 铁矿石造块工艺概述

铁矿石造块工艺主要分为四类：块团、结团、烧结、球团（图1）。其中烧结与球团是支撑现代高炉与直接还原铁生产的两大支柱工艺。

图1 造块工艺分类

• 块团：最早、最简单的工艺。将细粒铁矿粉加水或粘结剂，在高压下压制成枕状块团。属于冷结合工艺，主要用于钢厂回收铁质废料。
• 结团：将精矿与含碳物料送入倾斜回转窑，在气体或燃油加热下软化成球。因产品成分波动大、过致密、缺乏气孔，未获广泛应用。
• 烧结：将铁矿粉、焦粉、熔剂等混合，点火后依靠燃料燃烧热使物料烧结成块。适合处理较粗颗粒矿粉，是高炉主要负荷来源。
• 球团：将超细精矿（-200目占80%以上）加粘结剂在球团盘/鼓中制成湿球，再经高温焙烧硬化。球团品位高、还原性好，是优质高炉料及直接还原铁唯一优选原料。

据世界钢铁协会数据，2014年全球高炉铁产量11.83亿吨、直接还原铁7300万吨，合计炼铁量12.56亿吨，需烧结矿与球团矿合计超13亿吨/年。高炉首选烧结/球团混合，直接还原则专用球团。

二、 烧结工艺的历史演进

1. 早期探索：锅式烧结与上吸风工艺

• 1887年：英国哈伯莱因与亨廷顿发明硫化矿烧结法（专利号786814），采用上吸风，属锅式间歇作业，产品成分不均、下部过烧成渣、上部未烧结，需返矿并破碎，成本高。
• 1902年：德国W. Job申请黄铁矿渣烧结专利（德专利137438），仍为上吸风锅式。
• 1905年：E.J. 萨维尔斯贝格引入焦粉作固体燃料（德专利210742），奠定现代烧结配料基础。

图2 锅式烧结法示意

2. 里程碑突破：德怀特-劳埃德下吸风连续烧结机

• 1906年：美国亚瑟·史密斯·德怀特与理查德·刘易斯·劳埃德在墨西哥卡纳内亚铜矿建成首台连续带式烧结机（专利882,517），采用下吸风、薄料层、料层静止燃烧，解决了锅式烧结的压力不均、气流扰动等缺陷，产品气孔率高、易碎、化学成分稳定，完美适配高炉需求。
• 1908年：在美国科罗拉多萨利达建成首套工业化连续烧结生产线，实现自动卸料。
• 1910年：首台处理铁矿石的德怀特-劳埃德烧结机投产；1917年德国建成首座此类工厂。
• 此后虽经机械结构优化（环冷机、布料装置、烟气循环等），但薄层、下吸风、料层静止燃烧的核心原理沿用至今。

3. 格林沃尔特间歇式下吸风锅烧结

• 1909年：J.E. 格林沃尔特在丹佛建成首座商业化间歇锅式下吸风烧结厂，底部透气板、可倾锅体卸料，漏风少，先用于高炉煤气灰烧结，后推广至铁矿石。虽早于德怀特-劳埃德几月申请专利，但因间歇操作产能受限，未成主流。

4. 其他早期机型

• 1906年：德怀特-劳埃德真空烧结带机；1909年：冯·施利彭巴赫回转式烧结机；1913年：巴特上吸风烧结带；1914年：格林沃尔特矩形倾斜锅真空烧结；1930年：萨哈尔诺夫环形烧结机。

三、 球团工艺的历史演进

1. 萌芽期（1910s-1930s）：欧洲早期专利与试验

• 1912年：瑞典AG Andersson获首项球团专利（专利35124）；1913年德国C.A. Brackelsberg获专利。
• 1926年：克虏伯在莱茵豪森建成120 t/d 试验球团厂（竖窑焙烧），1937年因让位大型烧结厂拆除。

2. 奠基期（1940s）：美国明尼苏达大学矿山实验室与“塔科尼特”攻关

• 二战期间，戴维斯博士团队攻克明尼苏达塔科尼特（磁铁石英岩，品位25%-30% Fe，磨矿至-325目占80%解离，精矿品位65% Fe）的富集与造球难题。
• 1943年：竖炉焙烧实验球团成功；1947年：瑞典建成类似实验装置。
• 确立球团盘制球 + 竖炉焙烧基本路线，但面临气流分布不均、料柱下料困难、单台产能低、放大规律不清等痛点。

3. 突破期（1950s）：勒波尔窑工艺移植与“链篦机-回转窑”诞生

• 水泥工业的勒波尔窑（链篦机预热/预烧 + 回转窑高温烧成 + 余热回收）启发了铁矿球团工艺。
• 1954年：储备矿业公司联合阿利斯-查尔默斯、麦基公司建成1000 t/d 实验机，采用上吸风干燥 + 下吸风焙烧 + 机上冷却余热回收，验证了热效率与产能优势，随即订购6台大型机组建银湾厂。
• 同期，伊利矿业建成霍伊特莱克斯厂（24座竖炉），竖炉路线在磁铁矿领域并存。

4. 红铁矿球团的突破：格雷特-链篦机-回转窑体系

• 密歇根红铁矿（镜铁矿，需浮选/重选，无磁铁矿氧化放热优势）对竖炉适应性差。
• 1956年：克利夫兰-克利夫斯公司在鹰磨厂试用链篦机，后建成两座大型链篦机-回转窑工厂，由阿利斯-查尔默斯工艺、麦基工程总包，证明该工艺对红铁矿极其适用。
• 结论：磁铁矿宜直链篦机/竖炉（利用氧化放热）；红铁矿宜链篦机-回转窑（外部供热、热回收完善）。

5. 商业化里程碑与全球格局演变

• 1952年：美国巴比特建成首座商业球团厂（竖炉）；1960年：密歇根洪堡矿建成首座链篦机-回转窑球团厂。
• 阿利斯-查尔默斯（美卓前身）累计建设约50座链篦机-回转窑厂，1975年前建成者多已退役。
• 神户钢铁1966年建成首座链篦机-回转窑厂，迄今建成十余座，多数仍在运行。
• 2000年后：中国首钢集团引入并自主改进链篦机-回转窑工艺，江苏宏达、中信重工等新兴装备商崛起，中国新建产能呈指数级增长，成为全球球团产能扩张主引擎。

四、 结语

从锅式烧结到德怀特-劳埃德连续带式烧结，从竖炉球团到链篦机-回转窑，铁矿石造块技术的每一次跨越都伴随着精细矿粉高效利用、高炉冶炼强化、能源循环利用三大主题。当前，烧结工艺向大型化、超低排放、烟气循环深度利用方向演进；球团工艺则在大型化链篦机-回转窑、智能化制球与焙烧控制、低品位/复杂矿种适应性拓展上持续突破。中国已成为全球最大烧结球团生产国与装备制造高地，未来技术迭代将更聚焦于碳排放强度降低、氢基冶金适配性、全流程数字化协同。