本发明提供一种大型烧结机烧结钒钛磁铁精矿的工艺优化方法。所述方法包括：将烧结工艺构建为包括输入、中间环节和输出的烧结系统；选取返矿量、上料量、料层厚度、机速、料温等作为可调参数；通过时序相连的多个阶段来改善烧结系统的指标参数，其中，多个阶段中的每个包括记录烧结生产中的可调参数及与其对应的指标参数的多组记录，从所述多组记录中挑选出指标参数满足该阶段目标范围的记录；以多个阶段中的上一阶段的满足该上一阶段的目标范围的记录中的可调参数的平均值为基础来对下一阶段的可调参数进行控制，下一阶段的目标范围不劣于上一阶段。本发明能够改善烧结工艺中的诸如利用系数、转鼓指数和低固体燃耗等指标参数。