烧结工艺及烧结矿质量控制

全面解析烧结矿的性能指标、软熔特性、质量评价体系、返矿控制与节能环保技术

烧结工艺流程概述

烧结是将铁矿粉、熔剂、燃料按一定比例配合，经混合制粒后布在烧结机台车上，通过点火抽风使燃料燃烧产生高温，物料局部熔融并发生物理化学变化，冷却后形成具有足够强度和冶金性能的人造块矿的过程。烧结矿是高炉炼铁的主要含铁炉料，一般占炉料结构的 70%~80%。

原料准备

铁矿粉、熔剂、燃料

配料混合

精准称量、一次混合

制粒

二次混合、造球

布料点火

偏析布料、点火保温

抽风烧结

燃烧带下移、液相生成

破碎冷却

单辊破碎、环冷机冷却

筛分成品

冷返矿循环使用

关键工序控制要点

工序 工艺目的 关键控制参数
配料 保证烧结矿化学成分与碱度稳定 称量误差 <0.5%，碱度波动 ±0.05
混合制粒 改善料层透气性，提高成球率 水分 7.0~8.5%，3~8mm 粒级 ≥60%
布料 实现粒度与燃料偏析，均匀透气 料层厚度偏差 ≤±5mm，料面平整
点火 引燃表层混合料，保证表层强度 温度 1050~1150℃，时间 1.5~2.5min
抽风烧结 完成固结与液相生成，形成烧结矿 负压 12~16kPa，最高温度 1250~1350℃
冷却筛分 降低温度、分离粉末，保证成品粒度 出口温度 <150℃，-5mm 占比 ≤8%

烧结矿化学成分指标

不同品级烧结矿化学成分标准（%）

烧结矿的化学成分直接影响其冶金性能和高炉冶炼效果，以下为各品级的主要成分控制范围

成分 优质品 一级品 合格品 控制意义
TFe ≥56.5% ≥56.0% ≥55.0% 衡量含铁量，影响高炉产量和焦比
FeO 8-12% 7-13% 6-14% 反映烧结温度，影响强度和还原性
SiO₂ 4.5-6.0% 4.0-6.5% 3.5-7.0% 影响渣量和脱硫能力，需与高炉炉渣匹配
Al₂O₃ 1.5-2.5% 1.4-2.8% 1.3-3.0% 过高会增加炉渣黏度，影响高炉顺行
S ≤0.08% ≤0.10% ≤0.12% 有害元素，影响钢材质量，需严格控制
P ≤0.05% ≤0.07% ≤0.09% 有害元素，使钢材冷脆，需严格控制
CaO 8.0-10.0% 7.5-10.5% 7.0-11.0% 调节碱度，影响烧结矿强度和还原性
MgO 2.0-3.0% 1.8-3.2% 1.5-3.5% 改善炉渣流动性和脱硫能力
CaO/SiO₂ 1.8-2.2 1.7-2.3 1.6-2.4 碱度指标，影响烧结矿冶金性能

主要成分控制趋势

烧结矿冶金性能指标

还原度(RI)
60-75%
衡量还原性能

测试条件：900℃，CO/CO₂=30/70，还原3小时

优质烧结矿应≥70%

软化开始温度
>1050°C
软化特性指标

指5%体积收缩时的温度

温度越高，软化性能越好

熔滴温度区间
<100°C
熔滴性能指标

指软化终了到滴落开始的温度差

区间越小，高炉透气性越好

荷重软化温度
>1400°C
高温性能指标

指4%压溃时的温度

反映高温强度和稳定性

其他关键性能指标

物理机械性能

  • 转鼓指数： ≥78%（+6.3mm），反映冷强度，影响运输和筛分效率
  • 筛分指数： ≤8%（-5mm），控制粉末含量，减少高炉料柱阻力
  • 低温还原粉化率(RDI)： RDI+3.15mm≥65%，评价低温还原后的强度稳定性

高温冶金性能

  • 还原膨胀率： ≤20%，防止高炉料柱透气性恶化
  • 滴落开始温度： ≥1400℃，保证高炉块状带高度
  • 熔滴带压差： ≤4kPa，反映料柱透气性，影响高炉顺行

软熔区间与高炉操作

烧结矿在高炉内随温度升高经历软化 → 熔融 → 滴落三个阶段。软化开始温度到滴落开始温度之间的温度范围称为软熔区间（ΔT）。软熔区间越窄、位置越低，高炉块状带越厚，间接还原越充分，燃料比越低。因此，软熔性能是评价烧结矿高温冶金性能的核心指标之一。

软熔过程关键温度点

软化开始温度 T₁₀
收缩率 10% 时的温度，反映烧结矿开始软化的难易程度。一般要求 ≥1050℃，优质品 ≥1080℃。
软化终了温度 T₄₀
收缩率 40% 时的温度，反映软化带的下限位置。一般控制在 1150~1250℃，过高会压缩块状带。
滴落开始温度 Td
熔融物开始滴落的温度，反映软熔带的下限位置。一般要求 ≥1400℃，优质品 ≥1420℃。
软熔区间 ΔT
ΔT = Td - T₁₀，目标值 <100℃，优质品 <90℃。区间越窄，高炉料柱透气性越好，压差越低。

软熔收缩曲线示意图

指标 优质品 一级品 合格品 对高炉的影响
软化开始温度 T₁₀ ≥1080℃ ≥1050℃ ≥1020℃ 提高块状带高度，改善间接还原
软化终了温度 T₄₀ ≤1200℃ ≤1250℃ ≤1300℃ 软化带下移，扩大间接还原区域
滴落开始温度 Td ≥1420℃ ≥1400℃ ≥1380℃ 保证炉腹高温区稳定，减少滴落带压差
软熔区间 ΔT <90℃ <100℃ <110℃ 区间越窄，料柱透气性越好，压差越低
熔滴带压差 ΔP ≤3.5kPa ≤4.0kPa ≤5.0kPa 直接影响高炉顺行与产能
最大压差 ΔPmax ≤8kPa ≤10kPa ≤12kPa 反映软熔带透气性的综合指标

优化软熔性能的措施

  • 控制碱度在 1.9~2.1，碱度过高会使软熔区间变宽
  • 适量添加 MgO（2~3%），改善炉渣流动性与滴落温度
  • 降低 FeO 至 8~10%，减少低熔点液相，提高滴落温度
  • 优化 SiO₂ 含量，避免渣量过大导致软熔区间加宽
  • 适当提高 Al₂O₃ 控制精度，过高会显著恶化软熔性能
  • 采用低温烧结技术，改善矿物组成，提高软化温度

烧结矿质量评价体系

烧结矿质量评价是连接烧结生产与高炉冶炼的桥梁。单一指标（如 TFe 或转鼓指数）只能反映质量的某一侧面，必须建立"化学成分—物理性能—冶金性能—稳定性"多维度的综合评价体系，才能客观判断烧结矿对高炉冶炼的适配性。本体系采用百分制加权评分法，输出综合质量指数 QI（Quality Index），用于指导配料调整、工艺优化与高炉炉料结构决策。

30%

化学成分

TFe、FeO、碱度、S、P 等指标，决定烧结矿的"含铁品位"与冶炼经济性。

30%

物理性能

转鼓指数、筛分指数、粒度组成，决定烧结矿在运输与高炉料柱中的强度表现。

30%

冶金性能

还原度 RI、RDI、软化熔滴性能、还原膨胀率，决定高炉内间接还原效率与顺行状态。

10%

质量稳定性

成分与性能的批次波动、合格率，稳定性差会显著增加高炉操作难度。

综合质量评分标准（百分制）

各指标按实测值落入区间对应得分，乘以权重后累加得到综合质量指数 QI

评价指标 权重 90~100分 80~89分 70~79分 <70分
TFe 10 ≥57.0% 56.5~57.0% 56.0~56.5% <56.0%
FeO 8 8.5~10.5% 8.0~8.5% 或 10.5~11.5% 7.0~8.0% 或 11.5~13.0% <7.0% 或 >13.0%
碱度 R (CaO/SiO₂) 8 1.90~2.10 1.80~1.90 或 2.10~2.20 1.70~1.80 或 2.20~2.30 <1.70 或 >2.30
S + P 含量 4 ≤0.10% 0.10~0.14% 0.14~0.18% >0.18%
转鼓指数 (+6.3mm) 15 ≥82% 78~82% 74~78% <74%
筛分指数 (-5mm) 8 ≤5% 5~8% 8~11% >11%
粒度组成 (5~40mm) 7 ≥85% 80~85% 75~80% <75%
还原度 RI 15 ≥72% 68~72% 62~68% <62%
低温还原粉化 RDI+3.15 12 ≥72% 65~72% 58~65% <58%
软化熔滴性能 8 T₁₀>1080℃ 且 ΔT<90℃ 1050~1080℃ 且 90~100℃ 1020~1050℃ 且 100~110℃ <1020℃ 或 ΔT>110℃
还原膨胀率 5 ≤15% 15~18% 18~22% >22%
合计 100 加权累加得到综合质量指数 QI

综合评价计算模型

QI = Σ ( Wi × Si )

其中 Wi 为第 i 项指标权重，Si 为该指标得分

计算示例

指标 权重 实测 得分 加权分
TFe 10 56.8% 85 8.5
转鼓指数 15 80.5% 85 12.75
还原度 RI 15 70% 85 12.75
RDI+3.15 12 68% 85 10.2
其余指标加权分合计（示例） 41.8
综合质量指数 QI 86.0

质量等级判定

优质品

各项指标均衡，适合高炉高比例配用

QI ≥ 90

一级品

性能良好，可正常配用

80 ≤ QI < 90

合格品

需关注薄弱指标，适当降低配比

70 ≤ QI < 80

不合格品

需查明原因，禁止直接入炉

QI < 70

评价注意事项

  • 单项指标低于 60 分时，无论 QI 高低均判定为"限制性缺陷"，需专项整改
  • 取样应覆盖机头、机中、机尾及上下层，避免以偏概全
  • 评价周期建议：日常评价以班为单位，完整评价每周不少于一次
  • 权重可根据高炉实际炉料结构和冶炼需求动态调整

质量评价雷达图对比

粒度组成要求

合理粒度组成是保证高炉料柱透气性与还原效率的重要前提

粒级 控制范围 说明
>40mm ≤10% 粒度过大内部强度差，易破碎
25~40mm 20~35% 最佳粒级，透气性与强度兼顾
10~25mm 30~40% 主体粒级，保证料柱骨架
5~10mm 15~25% 适量存在，过多影响透气性
-5mm ≤8% 粉末，严格控制上限

质量评价实施流程

1

取样

多点、分层、定时取样

2

检测

化学、物理、冶金性能检测

3

打分

按评分标准逐项赋分

4

加权计算

计算综合质量指数 QI

5

分级判定

确定质量等级与缺陷项

6

反馈改进

指导配料与工艺调整

烧结质量控制

原料质量控制

  • 进厂检验制度

    每批次原料检测化学成分和物理性能，建立原料档案

  • 原料储存管理

    分区存放，防止混料，先进先出原则，定期检查库存

  • 水分控制系统

    严格控制混合料水分在最佳范围（7-8%），波动≤0.5%

  • 原料粒度控制

    铁矿粉-0.074mm粒级占比控制在60-70%，确保成球性

  • 熔剂活性控制

    生石灰活性度≥300ml，确保充分消化和制粒效果

过程质量控制

  • 配料精度控制

    电子称重系统误差<0.5%，在线监测并自动调整

  • 布料制度优化

    确保料层平整，透气性均匀，料层厚度偏差≤±5mm

  • 终点控制

    根据机尾断面判断烧结终点位置，控制在最后两个风箱

  • 温度制度控制

    点火温度1050-1150℃，烧结最高温度1250-1350℃

  • 负压与风量控制

    根据料层透气性实时调整，确保垂直烧结速度稳定

成品质量检测

  • 化学成分分析

    每班检测TFe、FeO、SiO₂等指标，采用X荧光快速分析

  • 物理性能检测

    每日检测转鼓指数、筛分组成，每小时取样监测

  • 冶金性能检测

    定期检测还原性、软熔性等指标，每周至少一次

  • 质量追溯系统

    建立从原料到成品的全程质量追溯体系，记录关键参数

  • 质量异议处理

    建立快速响应机制，24小时内完成原因分析并采取措施

质量改进措施

厚料层烧结

料层厚度从500mm提高到700mm以上，通过增加蓄热作用提高烧结矿强度，降低燃耗，改善上下层烧结矿质量均匀性

低碳厚料操作

控制燃料配比在3.5-4.0%，减少过熔现象，降低FeO含量，改善烧结矿还原性，同时减少CO₂排放

强化制粒

采用二次混合工艺，添加3-5%生石灰消化放热强化制粒，提高混合料透气性，3-8mm颗粒占比达到60%以上

偏析布料

利用粒度偏析原理，实现料层粒度合理分布，下部粒度粗、上部粒度细，提高垂直烧结速度和烧结矿均匀性

质量异常处理流程

  1. 发现质量异常（在线检测或实验室分析）
  2. 启动应急预案，隔离可疑批次产品
  3. 多维度分析原因（原料、设备、操作参数）
  4. 制定并实施纠正措施
  5. 跟踪验证措施效果
  6. 标准化改进措施，预防再发生

常见质量问题及对策

问题现象 主要原因 对策措施
转鼓指数偏低
冷强度不足
  • 燃料配比偏低，液相生成不足
  • FeO 过低，硅酸盐黏结相强度差
  • 混合料水分不当，制粒效果差
  • 料层过薄，表层欠烧
  • 适当提高燃料配比 0.2~0.5%
  • 将 FeO 控制在 8~10% 区间
  • 稳定水分在最佳值 ±0.3%
  • 提高料层厚度至 650mm 以上
RDI 偏高
低温还原粉化严重
  • Fe₂O₃（赤铁矿）含量高
  • 碱度过高导致粉化加剧
  • Al₂O₃ 偏高，产生体积膨胀
  • 冷却速度过快，内应力大
  • 提高 FeO 含量，增加磁铁矿比例
  • 适量添加 MgO（2~3%）
  • 控制碱度在 1.9~2.1
  • 延长冷却时间，减缓冷却速度
还原度偏低
还原性差
  • FeO 过高，结构致密
  • 烧结温度过高，玻璃相多
  • 气孔率低，比表面积小
  • 降低燃料配比，控制 FeO ≤11%
  • 采用低温烧结技术
  • 优化制粒，提高料层孔隙率
碱度波动大
成分不稳定
  • 原料成分波动未及时补偿
  • 称量系统精度不足
  • 熔剂粒度不均，离析严重
  • 建立原料成分在线预补偿模型
  • 定期校核电子秤，误差 <0.5%
  • 熔剂破碎至 <3mm 并均匀配加
-5mm 粉末偏多
筛分指数超标
  • 烧结终点提前，欠烧严重
  • 机尾破碎过度
  • 筛板磨损，筛分效率下降
  • 将终点控制在最后两个风箱
  • 调整单辊破碎机辊隙
  • 定期更换筛板，检查筛分设备
S 含量超标
脱硫效果差
  • 原料含硫高，未充分配加熔剂
  • 碱度偏低，脱硫能力不足
  • 烧结温度低，渣相未充分形成
  • 适当提高碱度至 2.0 以上
  • 增加 CaO 配比，提高脱硫率
  • 优化温度制度，保证液相充分
上下层质量差异大
均匀性差
  • 料层过薄，蓄热不足
  • 偏析布料不合理
  • 风量分布不均
  • 推行厚料层烧结（≥700mm）
  • 优化布料装置，强化粒度偏析
  • 检查台车篦条与密封，减少漏风
软熔区间过宽
高温性能差
  • 碱度过高或过低
  • FeO 含量偏高，低熔点液相多
  • Al₂O₃ 含量高，渣黏度大
  • MgO 配加不足
  • 控制碱度在 1.9~2.1
  • 降低 FeO 至 8~10%
  • 适量添加 MgO（2~3%）
  • 稳定 Al₂O₃ 含量，避免波动

降低返矿率与提高综合成品率

返矿是烧结生产中的重要循环物料，按来源分为内返和外返。降低返矿率、提高综合成品率，是烧结工序降本增效的核心任务之一，直接影响烧结矿产量、燃料消耗和高炉炉料成本。

内返（内部返矿）

烧结机尾未烧透的欠烧料、破碎筛分产生的粉末，在烧结厂内部循环使用。正常内返率 15~25%，先进水平 ≤15%。

外返（外部返矿）

高炉槽下筛分出的 -5mm 粉末，返回烧结厂作为原料使用。外返量取决于烧结矿冷强度与粒度组成，正常 5~10%。

综合成品率

η = 成品烧结矿 / (成品 + 内返 + 外返) × 100%

目标值：≥75%，先进水平 ≥80%

内返率目标

≤15%

外返率目标

≤8%

综合成品率

≥78%

转鼓指数

≥80%

降低返矿率的具体措施

按原料、工艺、设备、操作四个维度系统施策，综合成品率可提高 5~10 个百分点

类别 措施 技术要点 预期效果
原料优化 稳定原料成分 建立原料预均化堆场，TFe 波动 ≤±0.5%，碱度波动 ≤±0.05 内返降低 2~3%
优化粒度组成 铁矿粉 -0.074mm 占比 60~70%，熔剂粒度 <3mm 成球率提高 5%
控制混合料水分 水分稳定在 7.0~8.5%，波动 ≤±0.3% 粉末减少 1~2%
工艺优化 厚料层烧结 料层厚度提高至 700~800mm，利用蓄热作用改善均匀性 返矿率降低 3~5%
低碳操作 燃料配比 3.5~4.0%，FeO 控制在 8~10% 强度提高，外返减少
强化制粒 二次混合 + 生石灰消化，3~8mm 粒级 ≥60% 透气性改善，成品率提高
优化点火制度 点火温度 1050~1150℃，点火时间 1.5~2.5min，减少表层欠烧 表层返矿减少 2%
设备改进 减少漏风 密封台车、栏板、风箱，漏风率从 45% 降至 30% 以下 烧结均匀性提高
优化破碎筛分 调整单辊破碎机辊隙，定期更换筛板，筛分效率 ≥90% 成品率提高 2~3%
台车边缘治理 安装边缘压料装置，减少边缘效应导致的欠烧 边缘返矿减少
操作管理 终点精准控制 BTP 控制在最后两个风箱，避免欠烧或过烧 内返降低 3~5%
智能化控制 采用 BTP 预测模型、水分前馈控制，减少人为波动 稳定成品率 ±2%

返矿率优化前后对比

实施要点与注意事项

  • 系统施策：降低返矿率不能仅靠单一措施，需从原料、工艺、设备、操作多方面协同推进，综合施策效果最佳。
  • 质量优先：不能以牺牲烧结矿质量为代价追求成品率，需在保证转鼓指数和冶金性能的前提下降低返矿。
  • 数据驱动：建立返矿率与关键工艺参数的关联模型，通过数据分析精准定位返矿来源，针对性改进。
  • 持续改进：设立返矿率攻关目标，定期分析、总结、优化，形成 PDCA 循环，持续提升综合成品率。
  • 关注外返：外返取决于烧结矿冷强度与粒度，提高转鼓指数是降低外返的关键，需与高炉协同优化。

烧结节能技术

余热回收利用

烧结矿显热回收

通过环冷机余热锅炉回收烧结矿冷却显热，产生中压蒸汽（1.0-1.6MPa），回收效率可达60-70%

技术参数： 环冷机出口废气温度可从350-400℃降至150-180℃

烟气余热回收

回收烧结机头烟气余热（150-200℃）用于混合料预热或厂区供暖，降低燃料消耗

节能效果： 混合料温度可提高30-50℃，降低燃耗1.5-2.0kg/t

烧结余热发电

建设余热发电站，采用ORC低温发电技术或蒸汽轮机发电，实现能源梯级利用

经济效益： 吨矿发电量可达15-20kWh，投资回收期3-5年

工艺节能措施

  • 优化燃料结构

    增加焦炉煤气、转炉煤气等气体燃料使用比例，替代部分固体燃料，降低固体燃耗10-15%

  • 提高自动控制水平

    采用智能化控制系统，稳定烧结过程参数，减少波动，降低单位能耗3-5%

  • 加强漏风治理

    密封烧结机头尾部及台车缝隙，将漏风率从40-50%降至30%以下，降低风机电耗

  • 推广高效电机

    主抽风机、环冷风机等大型设备采用高压变频调速技术，节电率可达20-30%

  • 低温烧结技术

    添加烧结助剂，降低烧结温度100-150℃，减少燃料消耗15-20%，同时降低碳排放

节能减排效果

燃耗降低

3-5kg/t

固体燃料

年节约标准煤约1.5-2.5万吨（按年产500万吨烧结矿计）

电耗降低

2-4kWh/t

综合电耗

年节约电量约1000-2000万kWh（按年产500万吨烧结矿计）

CO₂减排

8-12%

单位产品排放

年减少CO₂排放约4-6万吨（按年产500万吨烧结矿计）

余热发电

15-20

kWh/t矿

年发电量约7500-10000万kWh（按年产500万吨烧结矿计）

节能措施实施前后对比

烧结工艺优化技术

原料配比优化

基于原料特性和烧结矿质量要求，通过多目标优化模型确定最佳原料配比，实现质量、成本和能耗的平衡。

铁矿粉配比
70-80%
熔剂配比
10-20%
燃料配比
3.5-4.5%
返矿配比
5-15%

关键工艺参数优化

  • 料层厚度

    600-800mm，根据原料透气性调整，厚料层有利于节能和提高质量

  • 烧结机速度

    1.0-2.0m/min，根据原料特性和产量要求调整，确保烧结时间充足

  • 点火温度

    1050-1150℃，确保表层烧结矿充分熔融，强度达标

  • 混合料水分

    7.0-8.5%，根据原料亲水性调整，保证最佳制粒效果

  • 抽风负压

    12-16kPa，根据料层透气性调整，保证垂直烧结速度稳定

智能化烧结技术应用

智能配料系统

基于机器学习算法，根据原料成分波动和烧结矿质量要求，自动优化配料方案，实现动态调整

过程智能控制

通过多传感器数据融合，建立烧结过程数学模型，实现烧结终点、温度等关键参数的精准控制

数字孪生系统

构建烧结全流程数字孪生模型，实现虚拟仿真与优化，指导实际生产，降低试验成本

环保与废气处理技术

烟气脱硫技术

活性炭吸附法

脱硫效率≥98%，同时可脱除二噁英等污染物，副产品可资源化利用

氨法脱硫

脱硫效率≥95%，副产品为硫酸铵，可作为化肥使用，适合有氨源的企业

钙基脱硫

成本低，操作简单，脱硫效率≥90%，副产品为石膏，可用于建材生产

烟气脱硝技术

SCR脱硝技术

脱硝效率≥85%，工作温度280-420℃，需使用催化剂，运行成本较高

SNCR脱硝技术

脱硝效率50-70%，无需催化剂，投资低，适合中小型企业

联合脱硝技术

SCR+SNCR组合工艺，脱硝效率≥90%，兼顾高效性和经济性

除尘及其他环保技术

高效除尘技术

电袋复合除尘器，除尘效率≥99.95%，可捕集PM2.5以下细微颗粒

二噁英控制

采用活性炭吸附+袋式除尘组合工艺，去除效率≥90%，排放浓度≤0.1ng-TEQ/m³

固废资源化

除尘灰100%返回烧结系统利用，废水循环利用率≥98%，实现近零排放

环保指标及排放标准

污染物 排放标准(mg/m³) 我们的控制水平(mg/m³) 控制技术
颗粒物 ≤20 ≤10 电袋复合除尘
SO₂ ≤50 ≤35 活性炭脱硫
NOₓ ≤150 ≤100 SCR脱硝
二噁英 ≤0.1ng-TEQ/m³ ≤0.05ng-TEQ/m³ 活性炭吸附