铁的冶炼过程
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编者按
钢铁，其实是两个名词——“钢”和“铁”的合称。炼钢之前先要炼铁。“铁”分为生铁和熟铁。“钢”的含碳量介于生铁和熟铁之间。
“生铁”一般指含碳量在2%~6.69%的铁的合金。又称铸铁。生铁里除含碳外，还含有硅、锰及少量的硫、磷等，它可铸不可锻。
“熟铁”是用生铁精炼而成的比较纯的铁。含碳量在0.02%以下，又叫锻铁、纯铁。纯铁要求碳、磷、硫等杂质元素含量很低，其冶炼难度较大，制造成本远大于生铁和钢。
01
铁的冶炼
炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等，其原理是矿石在特定的气氛中（还原物质CO、H2、C；适宜温度等）通过物化反应获取还原后的生铁。生铁除了少部分用于铸造外，绝大部分是作为炼钢原料。
“高炉炼铁”是现代炼铁的主要方法，钢铁生产中的重要环节。由于技术经济指标良好、工艺简单、生产量大、劳动生产率高、能耗低、高炉法生产的铁占世界铁总产量的95％以上。
▲ 高炉炼铁示意图
高炉是近似于圆柱形的炉子，它的外面包以钢板，内壁砌以耐火砖，整个炉子建筑在很深的混凝土基础上。
高炉生产时，从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。
铁矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶导出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。
02
原料：铁矿石、溶剂、燃料
①铁矿石
自然开采的矿石，无论在化学成分、物理状态等各方面，都很难满足高炉冶炼的要求，必须经过破碎、筛分、选矿、造块、混匀等准备处理，以品位高、成分、粒度均匀稳定的状态供应高炉。
冶金工业常用的铁矿石有以下四种。
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矿种 |
主要成分 |
理论含铁量 |
自然含铁量 |
|
赤铁矿 |
Fe2O3 |
70% |
50%~60% |
|
磁铁矿 |
Fe3O4 |
72.4% |
40%~70% |
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褐铁矿 |
2Fe2O3·3H2O |
59.8% |
37%~55% |
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菱铁矿 |
FeCo3 |
48.2% |
低 |
②溶剂
矿石中的脉石和燃料中的灰分，都含有一些熔点很高的化合物（如SiO2熔点为1625℃，Al2O3熔点为2050℃），它们在高炉冶炼的温度下，不能熔化成液体，因而不能使它们很好地与铁液分离，同时也使炉子的操作发生困难。
加入熔剂的目的在于其与这些高熔点的化合物形成低熔点的炉渣，以便在高炉冶炼温度下完全液化，并保持相当的流动性，以达到很好地与金属分离之目的，保证生铁的质量。
根据熔剂的性质，可分为碱性熔剂和酸性熔剂。采用哪一种熔剂要根据矿石中脉石和燃料中灰分的性质来决定。由于天然矿石中脉石大多数为酸性，焦炭灰分也都是酸性的，所以通常都使用碱性熔剂，如石灰石。酸性熔剂很少使用。
③燃料
高炉冶炼所需要的热量，主要是依靠燃料的燃烧而获得，同时燃料在燃烧过程中，还起着还原剂的作用，所以燃料是高炉冶炼的主要原料之一，常用的燃料主要是焦炭，还有无烟煤和半焦等。
03
理化过程：高温下的还原反应+造渣反应
高炉冶炼的目的，就是要把铁从铁矿石中还原出来，同时去除其中所含的杂质。整个冶炼过程中，最主要的是进行铁的还原反应以及造渣反应。
除此之外，还伴随着其他一系列复杂的物理化学反应，如水分及挥发物的蒸发、碳酸盐的分解、铁的碳化和熔化以及其他各种元素的还原等，而这一系列的反应，都只有在一定的温度下才能实现。因此，冶炼过程还需要有燃料的燃烧来作为必要的条件。
①燃料的燃烧
C＋O2→CO2
②炉料的分解
水分蒸发和结晶水分解；挥发物的排除；碳酸盐的分解。
③高炉内的还原反应
>>铁的还原
在高炉中，铁并不是直接从高价氧化物中还原出来的，而是要经过一个由高价氧化物还原成低价氧化物，再由低价氧化物还原出铁的过程：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
铁的还原，主要依靠一氧化碳气体和固体碳作为还原剂来实现。通常把一氧化碳的还原称为间接还原，把固体碳的还原称为直接还原。
间接还原总反应为：3Fe2O3＋9CO→6Fe＋9CO2
直接还原总反应为：3Fe2O3＋C→2Fe3O4＋CO
>>铁的碳化
从矿石中还原出来的铁，是固体海绵状的，它的含碳量极低，通常不超过1％。由于CO在较低的温度下分解，而分解出的C具有很强的活性，当它与铁接触时，很容易形成铁碳合金。
因此，固态海绵状铁在较低的温度下（400℃～600℃）就开始了渗碳作用。其化学反应如下：2CO＋3Fe→Fe3C＋CO2或3Fe（液）＋C（固）→Fe3C
④造渣过程
造渣过程就是矿石中的脉石和燃料中的灰分与熔剂合在一起，从高炉中被清除出去的过程。高炉中的成渣情况常见的有以下两种：
用普通酸性矿石冶炼时，熔剂以石灰石形态装入高炉，熔剂中的CaO并不能与矿石中的酸性氧化物密切接触，因此最初形成的渣，主要是SiO2、Al2O3与一部分已还原的FeO生成的Fe2SiO4。由于渣中有FeO存在，降低了炉渣的熔点，并有较好的流动性，在它往下降落的过程（同时也是温度升高的过程）中，所含的FeO逐渐被还原而失去，而CaO的含量随之增多，最后形成末渣流入炉缸。
用自熔性矿石冶炼时，由于矿石中含有较多的CaO，并且它与酸性的SiO2能很好地接触，所以在冶炼开始时CaO就立即参加了造渣反应，尤其是采用自熔性烧结矿冶炼时，早在烧结过程中CaO就和SiO2、Al2O3等形成了炉渣，因此在这种矿石的初成炉渣中CaO的含量就较高，在下降过程中炉渣的成分变化也较小。
04
高炉产品：生铁+铁合金
高炉冶炼的产品主要是生铁、铁合金，副产品有炉渣、煤气和炉尘等。
①生铁
生铁是含碳量在2％以上的铁碳合金，其中还含有Si、Mn、S、P等杂质。
根据用途和成分，可将生铁分成两大类。一类是炼钢生铁：这种生铁中的碳以化合物形态存在，其断面为银白色，也叫做白口铁；另一类是铸造生铁：直接用来制造机器零部件的。
②铁合金
铁与任何一种金属或非金属的合金都叫做铁合金（有的也叫它合金生铁）。铁合金的种类很多，有硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钨铁等。
③炉渣、炉气和炉尘
炉渣、炉气和炉尘是高炉的副产品，以前作为废物而抛弃，现在已经广泛用于建筑材料。