铁矿石烧结：理论、实践与工艺洞察

铁矿石烧结理论与实践

铁矿石烧结是将铁矿石细矿、熔剂、燃料（焦粉）和厂内回收细矿（如氧化铁皮、高炉粉尘、回收烧结矿等）组成的烧结混合料（生料或绿料），经加热使各颗粒表面开始熔融，形成液相桥连接颗粒，固化后得到具有一定孔隙度、筛分粒度通常5–30mm（上限可达50mm视当地要求）、能承受高炉内操作压力和温度环境的固体多孔物料——烧结矿的过程。

烧结是涉及熔融和同化反应的热力操作。第一阶段是熔融物形成，即细铁矿颗粒与熔剂反应。初始熔融物由加热时粘附细粉经铁矿与熔剂反应生成。随后核心颗粒部分同化或溶解入初级熔融物形成更多熔体。在完全熔融前，因最高温度停留时间短，温度下降，熔体固化并析出矿物相，形成结合相。

烧结过程中，高温下铁矿和熔剂化学反应结合，形成由铁矿、钙铝硅铁酸盐（SFCA）、硅酸二钙和玻璃相组成的烧结块。烧结反应调控各矿相体积分数，影响烧结质量进而影响高炉性能。

烧结首阶段是混合料造球（结核或球团），在混合鼓中加6–8%水均质数分钟。造球料铺设在透气烧结机篦床上。床面由气体燃料点火，透过篦床吸风。短时间点火后停止床面加热，窄燃烧带/火焰前沿（FF）向下移动，依次加热各层。床层颗粒加热至1250–1350°C软化部分熔融，经系列反应生成半熔融物料，冷却结晶出不同化学和形态组成的矿相。

烧结床截面与区带演变

焦粉燃烧产生高温燃烧区向下移动。细颗粒反应快，形成初级熔融物部分溶解粗矿颗粒。中断烧结的床截面示意见图1。焦粉燃烧进程决定温度分布和床内不同区带形成。燃烧带下移，熔融相因吸风固化形成烧结区。燃烧带下方为未反应烧结混合料，可分两区：紧邻燃烧带为热气脱水区，再下方为冷区蒸汽冷凝。

原则上烧结反应为细矿与熔剂反应生成熔融相，经固液反应同化粗矿。烧结熔融相作结合相。SFCA因丰度高且显著影响烧结质量，被视为结合相最重要成分，烧结反应研究重点控制SFCA浓度和微观结构。熔融相量影响重大：过度熔融致均质玻璃结构、还原性差；熔融太少致强度不足、回收细矿多。

工艺能量由焦粉燃烧提供。燃烧带前水分蒸发、挥发分析出。燃烧带内反应生成强烧结矿。燃烧带上部气体热量大多被下层吸收用于干燥、焙烧和预热。燃烧带到达床底，过程结束，热烧结块翻出篦床，经热破碎机粗碎。

烧结是连续过程。烧结带由一系列带侧壁和透气篦床的托盘组成，装料、经点火罩、向下吸风、翻料、回装料位。篦下风箱经风机连接气体净化系统。

烧结混合料

烧结混合料主要含铁矿、焦粉、熔剂、回收细矿。其烧结行为和烧结质量主要取决于铁矿的化学、粒度和矿物组成。矿石特性影响烧结行为，是烧结生产关键。多项研究混合料组成对烧结矿相的影响，进而影响碱度（CaO/SiO₂）、温度、热制度、Al₂O₃和MgO含量对铁酸盐含量、全赤铁矿、由磁铁矿再氧化的再氧化赤铁矿、还原性指数（RI）、降解指数（RDI）、鼓指数（TI）、孔隙率和焦比。

混合料行为取决于化学组成。多研究考察化学组成对熔融物形成和同化反应的影响。铁矿化学组成微小变化可致烧结矿相形成显著变化。

烧结质量取决于结合相形成，进而取决于铁矿烧结性。铁矿反应性显著受粒度影响，决定反应表面积和混合料堆积密度（孔隙率）。故铁矿粒度控制烧结反应至关重要。

矿石粒度影响

细矿同化能力强于粗矿，反应表面积大、反应速率高。但高浓度熔融物增加粘度降低流动性。故混合料需粗颗粒改善床层透气性，促进熔体与固体颗粒大尺度移动。铁矿平均粒度影响床透气性，进而影响烧结微观结构和产量。大颗粒利于扩散结合，小颗粒利于熔渣结合。高比例细颗粒形成过量熔融物劣化质量；大量粗颗粒降低强度。增大平均粒度可提高产量。

大颗粒掺入烧结床研究发现：改善床透气性和烧结反应。大颗粒周围形成低密度区，透气性增大使气流速和FF速度在大颗粒周围更高，熔融反应和同化因熔体流动性高而加快。

粒度分布影响压实球团堆积密度，影响烧结速率。细颗粒混合物堆积密度随粗颗粒替代部分细颗粒而提高。压实时固体颗粒靠近，接触点多、堆积密度高（低孔隙）。粗颗粒替代细颗粒使堆积密度增至最大后随粗颗粒比例过高而下降。最大堆积密度出现在粗颗粒间隙被细颗粒填满时。粗颗粒可产生高堆积密度（低孔隙）压实粉末，提高烧结速率。

矿石混合料中超细分（特别是-50μm）在造球中关键：先在核心颗粒周围形成包覆层，再将较大粘附细粉与包覆层结合。

焦粉粒度影响

焦粉是烧结最佳燃料。粒度分级关键。<3mm焦粉粒度经济效率最佳。研究显示0.25–3mm焦粉对产量和还原性最佳。<0.25mm焦粉虽不利产量但不影响燃烧效率。粗焦粉更经济，耗用更少。不同粒度对比：粗焦粉（<3mm且>1mm）优于细焦粉（<1mm）。细焦粉主要作造球粘附细粉形成表面包覆；细焦粉燃烧快，粗焦粉燃烧慢可拓宽FF，但可能降产。粗燃料更经济、强化生产、改善RDI、降低SO₂排放。

烧结锅试验研究焦粉粒度对产量、焦耗、质量影响：粗焦粉致FF速度高、燃烧效率好。细焦粉燃烧效率差、放热少、降低烧结温度，需增焦比维持质量。

烧结混合料造球

造球目的使细颗粒相互粘结成粗颗粒，缩小粒度范围，降低气体通过阻力。造球对烧结至关重要，良好透气性很大程度上决定工艺速率和产量。通常在烧结前用回转鼓加6–8%水造球数分钟。完整造球过程含加水、造球、入机约30–60分钟。

日本制铁早期研究造球料结构，提出“准颗粒”（伪颗粒，图2），由铁矿核心组成，烧结时部分未熔，被含SiO₂脉石的细矿包围，处于高碱度（CaO/SiO₂）环境。

造球时<0.2mm细颗粒粘附>0.7mm大颗粒表面形成颗粒。0.2–0.7mm中间颗粒难造球、角色不明。实践中需最小化中间颗粒，因其不利造球、降低透气性。增水可使中间颗粒作粘附细粉但粘附差、干燥期脱落；也可作核心形成小尺寸准颗粒，显著降低透气性和产量。

烧结时铁酸盐在粘附核心层形成，因赤铁矿与含少量SiO₂、Al₂O₃的CaO-Fe₂O₃熔体固液反应。粘附强烈受造球水分影响。核心性质、颗粒形状、表面性质次要。

混合料水分是造球关键参数。粘附细粉形成准颗粒过程强烈依赖可用造球水分（总水分减原料吸收水分）。最优加水量（小于最大透气率所需水分）得最大产量，通常操作在最大透气率所需水分的0.85倍。因FF逼近时上部水分蒸发在底层冷凝，通常在烧结前2分钟露点前发生。

严格控制加水关键。鼓内加水需调整维持设定水分。自动控制优于人工，响应快、给料稳定。

回转鼓滚动造球靠两类力增大颗粒：(i) 颗粒“互锁”，(ii) 加水形成液相“桥”吸引。互锁力大小可通过调整混合料形成顺序变化，利用特定组分（如回收烧结矿）提供造球核心聚集作用。也可通过选择性造球或预团工艺改变互锁力：单独处理矿粉、精矿、部分回收矿、石灰，加水在鼓或盘微球团后入主造球回路。回收矿作核心、石灰作团聚剂。此法允许用更多细粉不降产量。

液桥力源于加水，添加剂可增强。两者造球颗粒强度均不高，仅足保证运输和铺床不破碎。入机造球料粒度约1–10mm。

三维颗粒结构研究常用3D X射层析。一研究配制精矿/矿石比20:80、50:50、80:20、100:0，碱度0.8、1.4、2.0生产烧结。增精矿使造球更复杂。超细粉不只粘附粗颗粒，也可形成耐久核心结合中间颗粒，超细粉越多颗粒粒度分布越不可预测。无粗矿（精矿/矿石100:0）颗粒无核心，极少石灰石粘附表面，初始由球团机制形成，结构类似球团。造球行为无法用单一因素（如精矿/矿石比）完全解释，矿物学、组成、脉石量、热耗、水分均相关。

产量直接与床透气性相关，透气性与颗粒粒度分布和平均粒度相关，又依赖加水量。透气率随水分升至最大。最大产量在最大透气率所需水分的85%处获得，因底层水分冷凝。

预测不同性质铁矿造球行为的研究建立最优水分方程，作为矿石性质、组成、粒度函数。最优水分定义为达到最大床透气率所需最低水分。方程适用各矿石及混合料（含焦粉、熔剂、回收矿），实测与计算值高相关。

测定多种铁矿及混合料持水能力（定义为矿粒间能保持最大水分）的设备研究。持水能力随外表面积增大、矿石孔隙体积增大而减小。最优水分(W)与持水能力(MC)关系式：W=6.94+0.12MC，实验数据显示高相关。

进一步研究提出最优水分(W)方程：W=2.28+0.427L+0.810A–0.339S+0.104D+0.036E，L为矿石加热减重(g)，A为矿中Al₂O₃%，S为SiO₂%，D为<0.2mm矿粉比，E为0.2–1mm矿粉比。高持水能力矿样需更高水分达最佳透气率。无法直接关联透气率与矿石性质。

研究水分加加和润湿性对造球影响：测定氧化铁-水接触角、造球适应性。考察参数：(i)矿石性质(孔隙)，(ii)水分，(iii)润湿时间，(iv)接触角，(v)表面粗糙度，(vi)球团鼓转速，(vii)粘附细粉比(AR)，(viii)准颗粒破碎强度(FS)。最佳造球：针铁矿核心、高孔隙、低粗糙度、低接触角（润湿好）。

两段造球系统

部分烧结厂采用两段造球。有助处理细矿、提高FF速度、透气性和产量。改进常规造球尤对针铁矿、褐铁矿（Al₂O₃通常高于赤铁矿、劣化烧结性质）有利。研究显示：鼓混合机常规造球后接第二阶段改善质量。第一阶段鼓内放铁矿+回收矿；第二阶段加入焦粉+石灰石+白云石，形成以铁矿为核心、焦粉熔剂为包覆的颗粒。包覆造球改善熔剂形成反应（CaO从石灰石在Fe表面偏析），降低烧结温度、改善透气性和产量、减少次生赤铁矿形成、改善RDI。TI和还原性也改善，因形成更多微孔阻止裂纹扩展（RDI劣化原因）。

二段鼓混合时间关键，最优约50秒。过短核心包覆不全；过长因焦粉熔剂掺入核心破坏准颗粒，退化为单段常规准颗粒。

焦粉石灰石包覆造球

详细研究焦粉石灰石包覆造球改善产量、还原性和高炉操作。技术：一段鼓造球得准颗粒，鼓末端皮带高速喷射焦粉石灰石实现包覆。包覆时间最关键控制因子，调节皮带速度。正常40–60秒，过短包覆不全，过长破坏准颗粒。

研究分别造球粒子偏析（焦粉包覆、石灰石包覆），两者产量均高于常规。焦粉包覆提高准颗粒内聚应力，改善湿区透气性。石灰石包覆降低次生赤铁矿、形成耐裂纹结构（改善RDI）、更多初生赤铁矿和SFCA（改善RI）、改善熔体流动性。高炉轴利用率提1%，还原剂率降7kg/t铁水。

选择性造球技术

日本部分烧结厂采用。用于烧结高Al₂O₃铁矿（因Al₂O₃载体反应性低、初级熔体粘度高难烧结）。筛分矿石：大粒级低Al₂O₃入常规造球；小粒级高Al₂O₃球团成2–5mm颗粒入常规回路。小粒级含粘土质矿、高Al₂O₃、需高熔温。选择性造球得核心Al₂O₃含量高于常规。低Al₂O₃粘附细粉与石灰石反应促进低温初级熔融形成。

选择性造球原料处理率高、连续处理粘性原料、节省焦粉和鼓风动力、提高产量、降低FeO含量。还原性改善降低高炉焦耗。RDI值改善。

火焰前沿（FF）

FF/燃烧带温度对烧结时间和产量影响大，因影响FF透气性。降低FF温度通常有利产量，因FF对气流阻力与气速三次方成正比。升高FF温度显著增加气流阻力，延长烧结时间、降产量。测量床不同高度温度可监测燃烧带移动，定义FF速度为温度上升最快层面移动速率。图3示理想床温分布。

高温区（>1100°C）加热时间需短（1.5min），因焦粉燃烧致该区pO₂低，易生成有害还原性的FeO。冷却时间（至1100°C）需长（3–5min），以利SiO₂存在下形成脉石基质得强结构。多点测温显示燃烧带宽度和Tmax随下移增加。

为得均匀Tmax，部分厂采用双层烧结：上层焦粉含量高于下层，抵消Tmax上升倾向。除双层控制热分布，开发连续测温设备直接信号全床温度分布，及测量篦床吸风量分布装置。可调整带速和混合料焦粉含量控制热分布。

最高FF温度与烧结结构关系

<1300°C烧结：~1200°C床内生成熔融物（主Fe₂O₃+CaO），铁氧化物和细粉同化入熔体。熔体渗透赤铁矿晶粒发生界面破坏，留下初生赤铁矿（未熔），有利烧结因改善RI。CaO、Al₂O₃同化入熔体与铁氧化物反应生成含Al₂O₃、SiO₂固溶的针状钙铁酸盐（<10μm），按Fe₂O₃+CaO+SiO₂+Al₂O₃→SiO₂·CaO·(Fe,Al)₂O₃。SFCA极有利烧结结构：良好还原性、赋予机械强度、改善碎裂指数(SI)和鼓指数(TI)。

低温（<1300°C）烧结：磁铁矿形成减少（少FeO），改善RI、降低RDI。高炉最优还原性结构：赤铁矿核心（未熔）包裹针状铁酸盐晶格。>1300°C烧结：部分铁酸盐溶解熔融转化为赤铁矿/磁铁矿和脉石组分。冷却形成新相：(i)大铁酸盐晶体，还原性劣于针状铁酸盐；(ii)次生赤铁矿，有害RDI。图4示烧结结构随Tmax发育。

表1列矿相组成和烧结质量指数随Tmax变化。

表1 床内最高温度下典型矿相组成和烧结质量值
项目	单位	~1200°C	~1250°C	~1300°C
初生赤铁矿	%	50	42	22
次生赤铁矿	%	5	5	20
磁铁矿	%	10	15	20
SFCA	%	35	38	30
玻璃相+2CaO·SiO₂	%	7	10	12
FeO	%	35	30	15
孔隙率	%	3	4	5.5
RDI	%	30	32	36
还原性指数	%	72	70	64
碎裂指数(SI)	%	93	94	95

~1250°C获最佳结果：最高铁酸盐%、高初生赤铁矿、低次生赤铁矿、良好孔隙率、优质量指数（FeO、RDI、RI、SI）。

高炉中烧结矿软化熔融

高炉操作取决于粘结带几何和状况，由软化(ST)和熔融(FT)等温线限定。粘结带由交替软烧结矿和焦层组成，后者称“焦窗”允许还原气通过炉腹。粘结带应尽可能窄（利还原气穿透）和低（炉腹上方准备带足够大以允许铁氧化物还原）。需ST、FT尽可能高且差值最小。部分需焦节约源于烧结质量改善，特别是还原性和高温性能。

多研究烧结矿高炉软化熔融基本机理。序列：(i)预软化，(ii)软化，(iii)渗出，(iv)滴落。软化机理与核心熔融速率随温度函数相关。变形被认为与熔体从核心向外层转移产生的大孔隙直接相关。初始熔融物形成影响软化开始、还原、延迟和熔体滴落。

一研究在1400°C实验装置测定不同碱度(1.5–3.0)、MgO(3.3–10%)、多还原性等级烧结矿软化熔融。软化-熔融范围定义为反转点(T1软化)至10%收缩(T2熔融)温度区间。发现高炉表现随烧结/矿石比增加而改善（粘结带更低更窄）。

另一研究FeO含量对软化熔融及高炉工作影响：A型10% FeO，B型12% FeO。高FeO致早期软化（高炉不利）。未还原FeO高温按FeO+C=Fe+CO还原，直接还原量大致高焦比。风量、产量、生产率均低于10% FeO烧结料操作。烧结MgO从1.75%降至1.5%引起炉况变化，归因于软化熔融温度变化。

研究物料组成对高炉负担软化熔融性质影响。1580°C模拟高炉环境装置实验。烧结高软化温度(~1400°C)但相对低熔融比、差高温透气性。增碱度不利高炉熔渣铁流动性，致更多熔渣铁阻塞焦层，降熔融比、增气阻。故需降碱度。增Al₂O₃(0.9–2.6%)或MgO降渣熔点，利降高温气阻。烧结软化熔融优于球团或矿石，但熔融比和高温透气性较差。65%烧结+20%块矿+15%球团混合负担在FT、ST、熔融比、高温气阻方面略优其他组分。

另一研究：随矿石脉石含量增加软化温度下降，因脉石形成低熔点化合物如2FeO·SiO₂、FeO·SiO₂·CaO、Fe₂O₃·SiO₂·CaO（图5）。脉石中碱金属也形成低熔点化合物如Na₂SiO₃、K₂SiO₃、NaAlSi₂O₆。1300–1350°C产烧结软化温度取决于组成和矿物学。

烧结床透气阻力K通常用软化性质试验评价。K对床温作图，1000–1600°C积分得KS床阻力参数。降低烧结SiO₂、增MgO改善透气性(降KS)和软化性质。SiO₂作用因减少填充床孔隙熔体；MgO作用因提高CaO-FeO-SiO₂渣熔点。Al₂O₃对软化性质影响小。

另一研究：Al₂O₃从1.8%降至1.5%改善烧结，高炉还原和软化熔融更好，粘结带透气阻力指数改善。可能因还原效率提高和Al₂O₃降低致低熔点熔体量少。

三块赤铁矿和一烧结矿在带负荷装置测定软化熔融。块矿床因形成低熔点组分 Fayalite(~1175–1205°C) 早收缩。烧结无 Fayalite形成，高温生成熔体粘度较大，床变形较小。烧结与80%烧结+20%块矿混合软化熔融温度无显著差异。此混合作铁质负担，透气率正常操作范围，同100%烧结，无非均匀气流或异常粘结带问题，气利用率甚至略增。

熔体聚聚特性重要：将均匀堆积颗粒床转化为烧结颗粒和床内巨大通道。熔体聚聚行为需对FF性质有利影响以决定床透气性。

烧结过程反应

烧结过程中，铁矿与熔剂在特定最高温度发生系列化学反应，将疏松物料转化为固体块。这些反应称烧结反应，涉及熔融相形成及大颗粒同化入熔体。

研究烧结矿相形成序列（图6）。反应发生在FF，细分铁矿与主要熔剂反应生成液相作结合相。反应始于粘附细粉层，细活性矿与熔剂紧密接触。故固-固反应首发，生成初级熔融物。大颗粒因反应面积大，此阶段几乎不活泼。

烧结反应含熔融物形成和同化反应（图7）。相关起点为伪颗粒：大核心颗粒(核)包覆粘附细粉和熔剂层。图7(i)示造球形成伪颗粒基本结构。烧结反应始于粘附细粉层，细物料紧密接触。温升(~1100°C)钙铁酸盐由赤铁矿和石灰固-固反应首先生成。~1200°C钙铁酸盐分解形成初始液相熔融物，可溶解SiO₂、Al₂O₃。此阶段示意图7(ii)。烧结推进，液相熔融物与核心颗粒反应，溶解核心生成更多熔体，图7(iii)。同化反应取决于初始熔体和核心颗粒性质。熔体反应性越强，溶解固体核心能力越大。同理，固体核心反应性越大，同化量越多。

原则上烧结反应为细矿与熔剂反应生成熔融相，经固液反应同化粗矿。烧结熔融相作结合相。

烧结过程将混合料升温达部分熔融产生熔融物料，冷却结晶固化成若干矿相团聚整体结构。能量由焦粉燃烧提供。

XRD、DTA、EPMA联合研究SFCA形成反应序列。首发铁酸盐形成为固-固反应，750–780°C始，至1200°C这些铁酸盐熔点止，序列：硅酸二钙铁酸盐(C₂F)→钙铁酸盐(CF)→钙二铁酸盐(CF₂)（图6），方程：

Fe₂O₃ + 2CaO = 2CaO·Fe₂O₃  750–780°C
2CaO·Fe₂O₃ + Fe₂O₃ = 2[CaO·Fe₂O₃]  920–1000°C
CaO·Fe₂O₃ + Fe₂O₃ = CaO·2Fe₂O₃  1050–1150°C

CaO烧结中极重要，易与混合料Fe氧化物生成钙铁酸盐。熔融反应始于矿粉与CaO接触点。同时固-固SFCA形成反应~1050°C始，>1200°C转固-液反应。Al₂O₃增SFCA稳定性、降低铁酸盐形成起始温度。>1200°C固-液(固-熔)反应主导，熔融相强化物料同化成铁酸盐：

CaO·Fe₂O₃ + Al₂O₃ + SiO₂ = CaO·SiO₂·(Fe,Al)₂O₃

SFCA形成反应序列示意图(图5)。Al₂O₃高活性，进入C₂F、CF、CF₂固溶（图5阴影区）。研究显SiO₂不与Fe₂O₃或CaO反应，惰性至>1050°C SFCA形成始。

研究1000°C化学计量Fe₂O₃(铁矿)和CaCO₃(石灰石)混合物生成2CaO·Fe₂O₃。Fe₂O₃按CO/(CO+CO₂)还原气分压决定的O₂分压，在石灰石分解前还原为Fe₃O₄和FeO。Fe氧化物与CaO反应生成硅酸二钙铁酸盐反应速率顺序：FeO→Fe₃O₄→Fe₂O₃。

全程Fe氧化物可被焦煤部分燃烧生成CO同时还原：

2Fe₂O₃ + CO = Fe₃O₄ + FeO + CO₂

Fe₃O₄可氧化为Fe₂O₃。FeO可氧化为Fe₃O₄或Fe₂O₃，并可外部能量启动低熔点渣形成反应：

FeO + CaO = CaO·FeO  1120°C
FeO + SiO₂ = SiO₂·FeO  1180°C
FeO + CaO + SiO₂ = CaO·SiO₂·FeO  1220°C

铁矿SiO₂可与熔融铁酸盐反应生成硅酸钙，按系统pO₂析出赤铁矿或磁铁矿连同硅酸盐：

CaO·Fe₂O₃ + SiO₂ = CaO·SiO₂ + Fe₂O₃

上述反应序列因烧结重要性被广泛研究。一研究烧结CF样品、CF+Al₂O₃、CF+SiO₂样品。显Al₂O₃加入更有效溶解CF中赤铁矿，SiO₂加入更有效提高CF形成速率。烧结CF₂和CF₂+Al₂O₃(3–9%)+SiO₂(1–7%)制备SFCA，XRD监测演化。1250°C CF₂中Al₂O₃溶解度5–7%，SiO₂ 2–4%。单斜CF₂与Al₂O₃、SiO₂反应成三斜SFCA。1200°C加SiO₂致CF₂部分分解成硅酸钙。Al₂O₃/SiO₂比增大，赤铁矿形成减、SFCA形成增。Fe³⁺(半径0.65Å)四面体中心被较小离子(Si⁴⁺0.40Å、Al³⁺0.54Å)取代，单胞体积随Si⁴⁺、Al³⁺加入CF₂趋向减小。