铁矿石烧结
铁矿石烧结(sinteringofironore)
原理
燃烧和传热---烧结料层中的气流运动---水分的蒸发与凝结分解---氧化和还原---非铁元素在烧结过程中的行为---矿粉的熔融和凝固
烧结工艺
熔剂和燃料的加工---配料---混合和制粒---点火燃烧---烧结矿的热破碎和筛分---烧结矿的冷却---烧结矿整理---烧结厂的余热利用
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，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。
简史1887年英国人亨廷顿(T．Huntington)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(见方团矿)和烧结盘(见烧结盘烧结)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。
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。
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。烧结料的透气性指数P可用下式表示：
P=F/A(h/S)n
式中F为风量，m3／min；A为抽风面积，m2；h为料层厚度，m；S为抽风负压，kPa；n为同气流性质，原料特性及烧结过程中物料状态有关的系数，一般n=0．5～1．0。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。
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：CaCO3910℃，MgCO3630℃，FeCO3400℃。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。
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(见带式烧结机烧结)。中国一些乡镇企业还使用土法烧结(见平地吹烧结)。
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(见图2)。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。
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。
烧结用燃料(焦粉和无烟煤)的合适粒度应小于3.0mm，但它们的入厂粒度一般为25～0mm或更粗，所以入厂燃料需要破碎。一般燃料的加工采用二段开路破碎流程：第1段为对辊破碎机或反击式破碎机；第2段采用四辊破碎机或棒磨机。有的大型烧结厂还设有预筛分作业，这对含水较低和粉末较多的燃料是适宜的。既提高了破碎筛分系统的效率，又可防止燃料的过粉碎。燃料的破碎筛分流程见图3，熔剂与燃料的加工作业可以在原料场进行，也可以设置在烧结厂内。
配料根据使用的原料和烧结工艺的条件以及高炉冶炼对烧结矿质量的要求(主要是碱度、含铁量、FeO含量和MgO含量等)，经过计算，将各种原料按比例进行配合。配料的方法有容量配料法和质量配料法两种。容量配料法多为老厂所用，它基于物料堆密度不变的原理，用调节圆盘给料机的开口度或是增减圆盘给料机的运转台数来实现配料控制。这种配料方法精度较差，也难以实现自动控制。新建的烧结厂都改用质量配料法，即采用定量圆盘给料机(带有电子皮带秤和转速可调的圆盘给料机)或带电子秤的胶带给料机，以电子秤的检测结果自动控制圆盘(或胶带)给料机的转速而改变给料量，实现配料控制。质量配料法配料精度高，而且可以连接全厂的计算机实现烧结生产的自动控制。配料作业有集中和分散两种方式。集中配料是将参加配料的组分集中在一个配料室中进行。有的工厂，受厂区平面布置等的限制，将几种原料分别在不同的厂房中配料，然后再集中到一条运输胶带机上。从配料的准确和便于管理考虑，前者优于后者。
配料计算是根据各种原料的化学组成及对烧结矿成分的要求来计算各种原料的配比，然后再按烧结机的处理量来确定各种原料的给料量。配碳量高，烧结矿强度好，但FeO高还原性差，烧结速度慢；配碳量低，FeO低还原性好，但强度差。因此，合适的配碳量是通过试验或生产实践来确定的。钢铁厂内各种循环物料(包括返矿及回收的粉尘等)，除个别要通过试验来确定其适宜的配用量以外，主要的是以工厂物料平衡原则来确定其配用量。
混合和制粒混合的目的除了将各种原料混合成一种成分均一的混合料外，另一个目的是在混合过程中加水，使其达到适宜的含水量，将混合料中小于0．2mm的细粉制粒成小球，尽可能减少混合料中小于3mm的粉末的含量，以改善烧结料层的透气性。不同原料的适宜含水量不同，如磁铁矿和赤铁矿的适宜含水量为6％～9％；褐铁矿为14％～28％。为强化制粒，常配加一定量的生石灰和消石灰(它不仅是熔剂，而且也是黏结剂)以及有机黏结剂。
烧结工艺一般设置二段混合，第一段起混合及加水湿润作用，第二段适量添加补给水，主要作用在于制粒。混合设备通常采用圆筒混合机，也有少数工厂采用一台大规格的圆筒混合机来完成二段混合作业。混合时间约5min。通过选择不同规格的混合机(圆筒长度、转速、倾角等)来满足不同产量和不同原料混合时间的要求。对地处寒冷地区或是以细精矿为主要原料的烧结厂，往往在混合过程中通入过热蒸汽，将混合料预热到60～70℃，以改善料层透气性，提高烧结速度。
点火烧结混合料经布料设备铺到烧结机上后即可点火。常用的布料设备有：圆筒给料机、梭式布料器、多辊布料器以及各种偏析布料装置。
点火是将表层混合料中的燃料点火燃烧，烧结成块，因此点火温度必须高于燃料的着火温度，但又不能过高，以免表面熔化而形成不透气的熔结层，阻碍烧结过程。点火温度一般为1100～1250℃，点火时间约1min。点火用燃料大多采用气体燃料，如焦炉煤气，混合煤气等；高炉煤气因热值过低，不宜采用。在没有气体燃料的地方也可以采用液体燃料(如重油)或固体燃料(煤)。点火设备为点火炉，其结构随使用的燃料种类不同而异，其规格由烧结机的规格(烧结机的面积、机速等)及点火时间的要求来确定。为了改善点火质量和降低点火能耗，点火器的结构有很大改进，主要是向多烧嘴、短火焰的高温短暂集中点火方式发展。这类点火器的型式很多，有代表性的如线型烧嘴点火器和多缝式烧嘴点火器等。
料层点火后烧结过程在抽风负压的作用下由料层表面逐步向下进行。台车的运行速度应能使台车到达机尾时，料层的烧结也正好达到终点(即整个料层烧结完毕)。机速要与沿料层的垂直烧结速度、料层厚度和烧结机长度相适应。机速过快，会产生大量未烧透的返矿，不仅恶化了劳动条件，而且还引起配料、混合和制粒等工艺的波动以及产量、质量的下降。机速过低，设备能力得不到充分利用，生产率下降。料层厚度、抽风负压和风量也是烧结过程的重要工艺参数。料层厚度一般为300～600mm，采用厚料层烧结，对改善质量和节省燃耗有利(见厚料层烧结)。抽风负压和风量由一个与烧结机相衔接的主抽风系统控制。该系统由主抽风机及主除尘器构成。主抽风机为烧结机造成必要的负压，一般为11．76～17．65kPa，每分钟通过1m2烧结面积的风量为90～100m2。主除尘器使用电除尘器、多管除尘器或旋风除尘器。除尘器及烧结机风箱和集气管中沉降的粉尘及散料，经加水润湿制粒后配入混合料循环使用。为满足日趋严格的环保要求，烧结废气还需进行脱硫和脱氮处理，以减少SOx和NOx对大气的污染，有关装置还在研制试验中。
为了强化烧结、改善质量和节约燃耗，有的工厂尝试采用热风烧结、双层烧结、富氧烧结、低温烧结及小孕球烧结等取得了不同的效果。
烧结矿的热破碎和筛分将从烧结机尾卸下的热烧结饼破碎到150mm以下，筛去其中小于5mm的粉末，以便使烧结矿顺利通过各转运漏斗和有效地冷却。热破碎采用单辊破碎机。筛分采用热矿振动筛。热矿振动筛的作业条件恶劣，事故及检修比较频繁，因而有的工厂取消热矿筛分作业，破碎后的热烧结矿(连同返矿)直接给入冷却机(亦称直接装料法)。
烧结矿的冷却烧结矿经过冷却有利于整粒。高炉使用冷烧结矿可强化高炉冶炼，降低炼铁焦比，改善炉顶设备工作条件和提高炉顶压力，延长贮矿槽的寿命。使用冷烧结矿则可采用胶带机进行运输和上料。这可使冶金厂的总图运输紧凑，因而适应高炉大型化和自动化发展的需要。
冷却烧结矿的介质是空气。当空气通过热烧结矿层时与之进行热交换，使烧结矿冷却到150℃以下。冷却机的型式主要有带式冷却机和环式冷却机，其他型式的冷却机，如盘式冷却机、格式冷却机和塔式冷却机等，很少应用。空气在烧结矿层中的运动，可以是抽风式，也可以是鼓风式。鼓风式冷却机的冷却时间长，冷却效果好，排出的废气温度高，有利于废气余热利用，因而有逐步取代抽风式冷却机的趋向。烧结矿冷却也有在烧结机上进行的，即在烧结机上另设冷却段，而不另设冷却机。采用机上冷却工艺，烧结机设备要加大规格，电耗也增加，但无需热烧结矿的破碎和筛分作业，工厂劳动条件得到改善。
烧结矿整粒整粒有两个目的：一是为高炉送去粒度均匀的成品矿，粒度上限为40～50mm，下限为5mm；二是分出烧结作业所需的粒度为10～20mm的铺底料。整粒工艺的典型流程示于图4。该流程包含一段开路破碎和四段筛分作业。第一段筛分筛出大于50mm的大块，经一次冷破碎(采用双齿辊破碎机)后汇同筛下物料一起进入第二次筛分。第二次筛分用于控制铺底料的粒度上限(约20mm)，第三次筛分用于控制铺底料的粒度下限(约10mm)，即第三次筛分的筛上物料可送至烧结机头部作铺底料之用。第四次筛分的筛孔通常为5mm，它将烧结矿中的粉末筛出，作为返矿返回配料作业。筛上物汇同第二次筛分的筛上物作为成品烧结矿送高炉使用。在此流程中，第一段筛分用固定筛，第二、第三、第四段筛分均用单层振动筛。也有的工厂用双层振动筛或两段筛(前段和后段筛孔不同)代替第二、第三次筛分，从而减少一段筛分简化流程，但筛网更换较困难。
烧结厂的余热利用烧结厂的能耗在钢铁联合企业中仅次于炼铁厂。烧结过程几乎一半的热量被烧结废气和冷却机的废气带走，排人大气。这不仅浪费了能源，而且还污染了环境。20世纪70年代中期，烧结厂废气余热利用技术开始有了发展。从利用冷却机热废气(含氧量与空气相同)作为烧结点火的助燃空气，发展到利用烧结机机尾部分高温废气及冷却机热废气余热生产热水、蒸汽以至发电和热风烧结等。目前，这一技术尚在发展和完善阶段，但在新厂建设和老厂改造中已成为一项必需考虑的节能措施。
