[科普中国]-铁矿石烧结

铁矿石烧结是铁矿石造块的主要方法之一。将贫铁矿经过选矿得到的铁精矿，富铁矿在破碎和筛分过程中产生的粉矿，生产中回收的含铁粉料(高炉和转炉炉尘，连铸轧钢铁皮等)、熔剂(石灰石、生石灰、消石灰、白云石和菱镁石等)和燃料(焦粉和无烟煤)等，按要求比例配合，加水混合制成颗粒状烧结混合料，平铺在烧结台车上，经点火抽风烧结成块。

简介铁矿石烧结是铁矿石造块的主要方法之一。将贫铁矿经过选矿得到的铁精矿，富铁矿在破碎和筛分过程中产生的粉矿，生产中回收的含铁粉料(高炉和转炉炉尘，连铸轧钢铁皮等)、熔剂(石灰石、生石灰、消石灰、白云石和菱镁石等)和燃料(焦粉和无烟煤)等，按要求比例配合，加水混合制成颗粒状烧结混合料，平铺在烧结台车上，经点火抽风烧结成块1。

简史1887年英国人亨廷顿(T.Huntin gton)和赫伯莱茵(F.Heberlein)首次申请了硫化矿鼓风烧结法和用于此法的烧结盘设备的专利。1906年美国人德怀特(A.Dwight)和劳埃德(R.Lloyd)在美国取得抽风带式烧结机的专利。1911年第一台有效面积为8m2的连续带式抽风烧结机(亦称DL型烧结机)在美国宾夕法尼亚州的布罗肯钢铁公司建成投产。这种设备一出现就很快取代了压团机和烧结盘等造块设备。随着钢铁工业的发展，烧结矿的产量也迅速增加，到80年代全世界烧结矿的产量达到5亿多吨。中国最早的带式抽风烧结机于1926年在鞍山建成投产，烧结机有效面积为21.81m2。1935～1937年又有4台50m2烧结机相继投产，1943年烧结矿最高年产量达24.7万t。中华人民共和国成立后，钢铁工业迅速发展，烧结能力和产量均有很大提高。到1991年末，全国烧结机总有效面积达到9064m2，烧结矿年产量达到9654万t，重点企业高炉熟料率达90%。

带式抽风烧结法出现后，不仅烧结矿的生产规模和产量有了很大提高，而且生产技术有了很大进步：

(1)加强了烧结原料的加工处理，如矿粉混匀，燃料和熔剂的破碎、混合料的准确配料、制粒和预热等；

(2)开发了各种增产、节能和改善质量的新工艺，如厚料层烧结、低温烧结、小球烧结、双球烧结、细精矿烧结、双层烧结、热风烧结、新点火工艺、烧结矿整粒等；

(3)烧结设备大型化、机械化和自动化，计算机用于生产管理和操作控制；

(4)应用了除尘、脱硫和去除氮的氧化物等环保技术2。

原理矿粉烧结包括许多物理和化学反应过程。无论采用何种烧结方法，烧结过程基本上可以分为：干燥去水、烧结料预热、燃料燃烧、高温固结和冷却等阶段。这些过程是在烧结料中分层依次进行的。图1示出抽风条件下烧结过程各层的反应。抽入的空气通过已烧结好的热烧结矿层被预热，在燃烧层中使固体燃料燃烧，放出热量，获得高温(1250～1500℃)。从燃烧层抽出的高温废气将烧结料预热和脱水干燥。根据温度和气氛条件，在各层进行着不同的物理和化学反应：游离水和结晶水的蒸发和分解，碳酸盐的分解，铁氧化物铁tie的分解、还原和氧化，硫、砷等杂质的去除，一些氧化物(CaO、SiO2,FeO, Fe2O3, MgO)的固相和液相反应；液相的冷却结晶和固结等3。

燃烧和传热固体碳的燃烧可以提供烧结过程热收入中80%以上的热量和1250～1500℃的高温(在燃烧层)，保证了烧结过程中脱水、石灰石分解、铁氧化物的分解和还原、去硫、液相生成和固结等物理和化学反应的进行。燃烧反应对烧结机产量也有影响。

烧结料层中碳的燃烧反应较复杂，一般可表示为：C+O2=CO2；2C+O2=2CO；CO2+C=2CO；2CO+O2=2CO2 。在碳集中的区域，气相中CO浓度高，CO2浓度低，气氛呈还原性；在少碳和无碳的区域，CO浓度低，CO2浓度高，气氛呈氧化性。料层中碳燃烧应具备两个最重要的条件是燃料颗粒表面加热到着火温度和灼热的燃料表面需接触有足够氧浓度的气流。提高气流中氧的浓度、气流温度、气流速度和增加燃料的反应表面积等均有助于提高燃烧反应速度。烧结常用的燃料是焦粉和无烟煤；高挥发分的煤种，因大量挥发分在着火前挥发，容易堵塞管道，故不宜用于烧结。

烧结过程中传热速度很快。烧结料都是小颗粒物料，传热效率很高，而且还存在水分蒸发、分解等吸热过程，所以热传导在烧结料中进行得很快。烧结过程中热量利用好，主要表现在废气温度低和烧结过程的“自动蓄热作用”。后者是指被抽空气通过灼热的烧结矿层(相当“蓄热室”作用)时被预热到1000℃以上，增加了燃烧层中的热收入量(约占燃烧层总热收入的40%至60%)，提高了燃烧层的温度，随烧结矿层的增厚，这部分热收入增多；燃烧层温度升高，烧结液相增多，烧结矿强度提高，但烧结速度降低。燃烧层温度受燃料配加量和自动蓄热作用，以及燃烧层中各种化学反应的热效应等因素所影响。增加配碳量、增加放热反应和减少吸热反应有利于提高燃烧层温度，提高料层也有同样的作用。

烧结料层中的气流运动 烧结过程中的一切反应和变化都是在气流不断通过料层的条件下进行的。气流运动对烧结矿的产量和质量有很大影响。垂直烧结速度与通过料层的气流量成正比。而气流量又与抽风负压、燃烧层温度和料层透气性有关。由于烧结过程中各层在不断变化，因此料层透气性和气流量也在变化。烧结矿层气孔较多，透气性好；燃烧层温度高，有液相，透气性差。成球性好的湿料层透气性好，但有时因水汽冷凝使料层过湿，破坏料球，对气流产生较大阻力。若料球干燥后碎裂，则干燥层和预热层也会产生较大阻力。

烧结料层的透气性同矿粉粒度、返矿数量和质量、混料加水量、矿粉成球性、黏结剂的使用、烧结料预热和烧结温度等有关。气流沿料面分布得是否均匀会影响烧结过程的均匀性，特别是对于大型烧结机。不均匀的气流分布导致不均匀的烧结，从而成品率下降，返矿多而质量差，使烧结矿产质量下降。布料均匀，烧结台车结构合理而完好，有利于气流的分布均匀。

水分的蒸发和凝结 烧结料中加入一定量的水是粉料制粒的需要。当烧结料温度达到100℃或更高时，水分剧烈蒸发，烧结废气湿度增加。当废气离开干燥层进入湿料层后，由于冷却使温度降低到露点以下，废气中的水汽冷凝在湿料层中，使湿料层的湿度超过原始湿度，这就是“过湿现象”。过湿现象会破坏料球和降低料层透气性。采用预热烧结料可以减少或消除过湿现象。细精矿烧结时的过湿现象比富矿粉烧结时更严重。以结晶水形态存在的水分是一种化学结合水，需在较高温度下才能分解脱除3。

分解、氧化和还原烧结过程中的主要分解反应是碳酸盐(CaCO3、MgCO3和FeCO3等)和一些氧化物的分解。碳酸盐的分解压为101.325kPa时，其温度为：CaCO3 910℃，MgCO3 630℃，FeCO3 400℃。因此，在烧结过程中它们是完全可以分解的。如果石灰石粒度较粗，则不但分解时间延长，且不能完全分解并与其他氧化物充分进行矿化，烧结矿中残留的自由CaO，会导致烧结矿的粉化。因此，石灰石粒度要求小于3mm。碳酸盐分解为吸热反应，增加石灰石用量一般要相应地增加配碳量。

铁氧化物在烧结过程中，可根据其形态、温度和气相成分，而进行分解、还原或氧化反应。Fe2O3的分解压在1383℃时为20.6kPa(0.21大气压)，烧结过程中氧的分压较低(6.8～18.6kPa)，故在1300～1350℃(燃烧层)即可发生热分解(6Fe2O3=4Fe3O4+O2)。Fe3O4和FeO的分解压很小，在烧结过程中不可能产生热分解。Fe2O3分解压高，烧结废气中常含少量CO，可在300～400℃开始还原，所以Fe2O3在预热层和燃烧层中即被还原；Fe3O4的分解压低，只有在CO浓度高的气氛下才能被还原，所以还原仅在燃烧层中燃料颗粒附近的温度和CO浓度都较高的区域进行。FeO只有在燃料配比很高(>10%)的条件下才能被还原成部分金属铁。在燃料配比低的条件下，Fe2O3热分解和还原反应相对较少。在烧结矿层中，由于无碳存在，Fe3O4和FeO可部分地被氧化成Fe2O3。

非铁元素在烧结过程中的行为 MnO2和Mn2O3的分解压很高(分解压为20.6kPa时的温度分别为460℃和927℃)，因此它们在预热层中，就可分解和被还原，生成的Mn3O4与SiO2形成低熔点的Mn2SiO4。FeS2在565℃时开始热分解(2FeS2 = 2FeS+S2)，但在分解前即可进行氧化(4FeS2+11O2 = 2Fe2O3+8SO2)，在565～1383℃，氧化和热分解同时进行，温度更高时氧化产物是Fe3O4；FeS2(FeS)也可被Fe2O3氧化，生成的SO3 可以被CaO吸收生成CaSO4。缩小矿粉粒度，配合合适的燃料量以保持充分的氧化气氛和较高的温度，有利去脱；提高碱度降低去硫率，一般烧结过程可除去90%以上的硫。硫酸盐(BaSO4等)的分解温度较高，去硫率在80%～85%。As2O3易挥发去除，但As2O5却很稳定。PbS和ZnS可被氧化生成PbO和ZnO，熔解在硅酸盐渣相中。故As、Pb、Zn在烧结过程中较难去除，在高燃料配比的条件下，可去除一部分。加少量氯化物(CaCl2等)可生成易挥发的AsCl3、PbCl2和ZnCl2，可除去60%的As，90%的Pb和60%的Zn。K2O、Na2O和P2O5在烧结过程中较难去除。

矿粉的熔融和凝固矿粉熔融前存在固相反应。它是在矿粉被加热到其熔点以下的一定温度时，颗粒表面离子动能增加而引起的迁移、扩散和相互结合成新化合物的反应。固相反应产物2CaO·SiO2出现的温度为500～690℃；CaO·Fe2O3出现的温度为400～600℃；2CaO·Fe2O3为400℃；2FeO·SiO2为970℃。这些反应在预热层和燃烧层可以进行，但由于时间短，不会有很大发展。2CaO·SiO2在高温熔体中可以全部保存，2FeO·SiO2则部分分解，而CaO·Fe2O3和2CaO·Fe2O3则全部分解。固相反应都是放热反应，其反应程度除受温度影响外，还受相互间的接触条件和化学亲和力的影响。在还原、氧化和固相反应的过程中，烧结料中会出现一些低熔点的物质，如2FeO·SiO2(熔点为1205℃)及其共晶混合物(1177～1178℃)，CaO·Fe2O3(1216℃)，FeO-2CaO·SiO2系共晶混合物(1280℃)，CaO·Fe2O3-CaO·2Fe2O3系共晶混合物(1200℃)和CaO·Fe2O3- 2CaO·Fe2O3-Fe3O4系共晶混合物(1180℃)。这些物质首先熔化，并不断熔解其余的物料，改变自身的成分，形成新的熔体。熔体的成分受烧结料组成和还原氧化反应程度等因素的影响，但熔体基本上可以分成硅酸盐体系和铁酸盐体系两大类。烧结矿品位高(即含SiO2低)、碱度高和氧化程度高，有助于铁酸盐熔体的生成；反之，则有助于硅酸盐熔体的形成。熔体冷却凝固后，形成不同结构的烧结矿。在冷却凝固过程中，根据熔体成分的不同，可以结晶出赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、铁酸钙(CaO·Fe2O3和2CaO·Fe2O3)、硅酸钙(2CaO·SiO2和3CaO·SiO2等)和钙铁橄榄石(CaO·FeO·SiO2 )等矿物。在含TiO2和CaF2的烧结矿中，则可形成钙钛矿(CaO·TiO2) 和枪晶石(3CaO·2SiO2·CaF2)。最后凝固的是低熔点的玻璃体，其组成主要是成分复杂的硅酸盐。不同的矿物组成对烧结矿的性能有很大影响。例如，铁酸钙的还原性比钙铁橄榄石好，比铁橄榄石(2FeO·SiO2)更好；2CaO·SiO2在冷却过程中产生晶变(β2CaO·SiO2→γ2CaO·SiO2)，发生约10%的体积膨胀，引起烧结矿粉化；非晶态的玻璃体强度较晶态矿物差。凝固过程中，由于体积收缩而产生大小和数量不同的气孔，小而多的气孔有利于提高强度和还原性，大气孔结构不利于改善强度和还原性1。

烧结方法和设备烧结方法按气体在料层中的流向分为抽风烧结法和吹风烧结法两种。吹风烧结法虽然具有松动料层和提高料层透气性的透气的作用，但是此法有严重污染环境和矿粉吹损高等重大缺点。因之吹风烧结法已完全被抽风烧结法所取代。烧结设备有带式烧结机和间歇盘式烧结机。带式烧结机由于单机产量高和机械化、自动化程度高，已取代了间歇盘式烧结机。在世界上烧结矿的总产量中，99%以上是用带式抽风烧结机所生产。中国一些乡镇企业还使用土法烧结1。

烧结工艺将铁矿石(精矿、富矿粉)烧结成烧结矿的加工过程。现代烧结工艺包括三部分：原料准备、烧结、烧结矿处理。每部分由若干工序所组成。原料准备部分包括原料的贮存混匀(见矿石混匀)、熔剂和燃料的加工、配料、混合和制粒以及布料等工序。烧结部分包括点火及抽风烧结等工序。烧结矿处理部分包括冷却和破碎筛分整粒等工序3。

熔剂与燃料的加工烧结主要熔剂是石灰和白云石，它们是碳酸盐。在烧结过程中，不仅应完全分解，而且分解后的CaO和MgO应能与其他氧化物充分化合生成新矿物；否则，烧结矿中会含有游离CaO，引起粉化，不利于贮存。因此，熔剂粒度应小于3mm；但石灰石和白云石的入厂粒度一般为40～0mm或更粗，故必须进行破碎。熔剂的破碎流程基本是一段闭路破碎、破碎作业大多采用锤式破碎机或反击式破碎机；筛分作业采用自定中心振动筛。生石灰和消石灰一般入厂粒度较细，不必再破碎，但生石灰对人体皮肤有烧灼，宜用气体输送并加强作业区的密闭2。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所