古代钢铁是如何练成的？

中国古代炼铁铸铁和生铁炼钢一直是主要方法。

1、我国炼铁始于春秋时代。那时候的炼铁方法是块炼铁，即在较低的冶炼温度下，将铁矿石固态还原获得海绵铁，再经锻打成的铁块。

2、冶炼块炼铁，一般采用地炉、平地筑炉和竖炉3种。我国在掌握块炼铁技术的不久，就炼出了含碳2%以上的液态生铁，并用以铸成工具。 战国初期，我国已掌握了脱碳、热处理技术方法，发明了韧性铸铁。

3、战国后期，又发明了可重复使用的“铁范”(用铁制成的铸造金属器物的空腹器)。

4、西汉时期，出现坩埚炼铁法。同时，炼铁竖炉规模进一步扩大。

1975年，在郑州附近古荥镇发现和发掘出汉代冶铁遗址，场址面积达12万m2，发掘出两座并列的高炉炉基，高炉容积约50m3。西汉时期还发明了“炒钢法”，即利用生铁“炒”成熟铁或钢的新工艺，产品称为炒钢。同时，还兴起“百炼钢”技术。

5、东汉(公元25～220年)，光武帝时，发明了水力鼓风炉，即“水排”。我国古代水排的发明，大约比欧洲早1100多年。

6、汉代以后，发明了灌钢方法。《北齐书·綦母怀文传》称为“宿钢”，后世称为灌钢，又称为团钢。这是中国古代炼钢技术的又一重大成就。

扩展资料：

1、我国古代炼钢技术至迟发明于春秋晚期。由先秦到西汉中晚期，主要制钢工艺是块铁渗碳法；由汉代到明清，主要又是炒钢法和灌钢法，其次还有百炼钢法和炒铁渗碳法，汉魏南北朝时还有“铸铁脱碳钢”，汉代还有坩埚炼钢法。

炒钢工艺主要生产一般的可锻铁(包括钢和熟铁)，灌钢工艺主要生产含碳较高的刃钢，百炼钢是对普通炒钢的再加工。

2、人类早期冶炼的钢一般都是在低温还原冶炼后再经渗碳而成，整个过程约分两步:第一步先由矿石炼取块炼铁，第二步再由块炼铁渗碳成钢。此渗碳过程中要不断地折叠锻打，以帮助碳的扩散。这样得到的钢便叫块铁渗碳钢。燕下都钢剑等兵器就是由这种钢制成的。

炒钢工艺是一种半液态冶炼。它以生铁为原料，把生铁加热到液态半液态后，利用鼓风中的氧使生铁脱碳到钢和熟铁的成分范围。冶炼过程中要不断地炒动金属。古谓之“擣刚”，本世纪五十年代以前，习谓之炒铁、炒“熟铁”。

3、中国人在商周时期就掌握了不同比例的青铜合金技术。中国的铁器出现在西周，铸铁则出现在春秋末期，战国时候就掌握了铸铁柔化技术（公元前6、5世纪）。西方的冶铁技术是在14世纪，而铸铁柔化处理技术是16世纪。

4、而我国炒钢技术大约发明于西汉后期。其法是把生铁加热成液态或半液态，并不断搅拌，使生铁中的碳份和杂质不断氧化，从而得到钢或熟铁。

5、创始于魏晋南北朝时期的灌钢技术，是中国冶金史上的一项独创性发明。灌钢的工艺过程大致为，将熔化的生铁与熟铁合炼，生铁中的碳份会向熟铁中扩散，并趋于均匀分布，且可去除部分杂质，而成优质钢材。在坩埚炼钢法发明之前，灌钢法是一种最先进的炼钢技术。

6、典籍：董文安：《韩国十大宝剑产地初考》；《易县燕下都44号墓葬铁器金相考察初步报告》；唐《夏侯阳算经》、宋苏颂《图经本草》、明唐顺之《武编前编》、赵常吉《神器谱》、朱国桢《涌幢小品》、清屈大均《广东新语》等书中都可看到

—冶铁术

冶金企业煤气安全知识 一、高炉煤气 高压鼓风机鼓风,并且通过热风炉加热后进入了高炉,这种热风和焦炭助燃,产 生的是二氧化碳和一氧化碳,二氧化碳又和炙热的焦炭产生一氧化碳,一氧化碳 在上升的过程中,还原了铁矿石中的铁元素,使之成为生铁,这就是炼铁的化学 过程铁水在炉底暂时存留,定时放出用于直接炼钢或铸锭 这时候在高炉的炉气中,还有大量的过剩的一氧化碳,这种混和气体,就是高 炉煤气每炼一吨铁可产生 2100-2200 立方米的高炉煤气 这种含有可燃一氧化碳的气体,是一种低热值的气体燃料,可以用于冶金企业 的自用燃气,如加热热轧的钢锭、预热钢水包等也可以供给民用,如果能够加 入焦炉煤气,就叫做混和煤气,这样就提高了热值 高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品,主要成分为:CO, C02, N2、H2、CH4 等, 其中可燃成分 CO 含量约占 25%左右,H2、CH4 的含量很少,CO2, N2 的含量分别 占 15%,55 %,热值仅为 3500KJ/m3 左右高炉煤气的成分和热值与高炉所用的 燃料、所炼生铁的品种及冶炼工艺有关,现代的炼铁生产普遍采用大容积、高风 温、高冶炼强度、高喷煤粉量的生产工艺,采用这些先进的生产工艺提高了劳动 生产率并降低能耗,但所产的高炉煤气热值更低,增加了利用难度高炉煤气中 的 CO2, N2 既不参与燃烧产生热量,也不能助燃,相反,还吸收大量的燃烧过程 中产生的热量,导致高炉煤气的理论燃烧温度偏低高炉煤气的着火点并不高, 似乎不存在着火的障碍,但在实际燃烧过程中,受各种因素的影响,混合气体的 温度必须远大于着火点,才能确保燃烧的稳定性高炉煤气的理论燃烧温度低, 参与燃烧的高炉煤气的量很大,导致混合气体的升温速度很慢,温度不高,燃烧 稳定性不好 燃烧反应能够发生的另一条件是气体分子间能够发生有效碰撞,即拥有足够能 量的相互之间能够发生氧化反应的分子间发生的碰撞,大量的 C02,N2 的存在, 减少了分子间发生有效碰撞的几率,宏观上表现为燃烧速度慢,燃烧不稳定 高炉煤气中存在大量的 CO2L, N2,燃烧过程中基本不参与化学反应,几乎等 量转移到燃烧产生的烟气中,燃高炉煤气产生的烟气量远多于燃煤

由于赤铁矿的主要成分是氧化铁，所以反应物是一氧化碳和氧化铁，生成物是铁和二氧化碳，用观察法配平，反应条件是高温写在等号的上边，由于反应物中有气体，生成物中的气体不能标气体上升符号．

故答案为：3CO+我e二O3

生铁的冶炼

1绪论

人类早先是在一种偶然的情况下，用薪火加热熔解铁矿石后而发现铁的。最初的产量很少，极为贵重，只供装饰用。据考古发现的铁制指环推算，约在纪元前5000年左右就有铁器的出现；不过正式由铁矿石初步提炼生铁，则大约始于纪元前1400年。最初采用的方法极为简单，只是将初掘的铁矿石块堆上多量的木柴，点火燃烧；以后渐渐进步用木炭代替薪柴，用兽皮来鼓风。但比较新的炼铁方法用木炭作燃料及用石块堆砌熔矿炉，是到了十四世纪初才出现的。当时，把铁矿石及木炭由炉上部加入，同时由炉下吹送空气，已略具近代制铁高炉（Blastfurnace）之雏型。至18世纪英国达拜父子（Abraham Darby Ⅰ 1677～1717； Darby Ⅱ 1711～1763）发明以煤代替木炭。炉体设计几经改进，后来又以焦炭代替煤，终于渐渐演变确立了近代以铁矿石及焦炭大量炼制生铁的方法。由这种方式炼成的铁，含有较多的杂质，如碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）等，称为生铁（Pig iron）、铣铁或简称为铣。铣的含碳量一般在2％以上，含纯铁量只有94％（纯粹的铁，炼制困难且实用性亦少），大部分用作炼钢原料，一部分则作为铸造铁器之用。

至于我国，生铁的炼制为时甚早，远在夏禹之前已知使用铁制农具。中国古代炼钢亦均用鼓风的炼铁熔，炉是用盐拌和泥土砌成。周初以后由于风箱的发明，炼铁业趋于兴盛；不过大规模采用新式高炉为时较迟。清末督抚张之洞倡设铁政局，直到光绪十六年才创办汉阳钢铁厂，冶炼大冶矿。到光绪廿一年，中国第一座日产生铁一百吨的新式炼铁高炉才于汉阳钢铁厂正式生产，此亦为我国新法炼铁的开始。

2生铁的炼制

传统的高炉制铣法

Ⅰ 高炉简介

传统上炼制生铁，是于高炉中进行。高炉（英文Blast furnace或称鼓风炉），为一略似保龄球瓶的垂直筒状，外部为钢板焊接而成，内部则砌以耐火砖，作为内衬（Lining）。高炉内部自下而上，划分为炉床（Hearth）、炉腹（Bosh）、炉腰（Belly）、炉胸（Stock or shaft）、炉喉（Throat）等部分，及其顶端另装有炉顶设备（见图五-1）。炉床底部有出铁口，在其上方之适当高度处有出渣口，但两口位置并不在同一垂直线上。在炉床上部，炉腹下缘之下的一圈，均匀地围绕着许多个鼓风口（Tuyere），与热风炉（Hot blast store）的热风管相连。鼓风口的个数视炉床内径大小而定，鼓风口之中心约在1米2左右。炉喉之上即为炉顶，一般设置一双层或三层的钟型炉盖及料斗（Double orthree bell and hopper）用的防止炉内气体泄漏，并可使装入原料均匀分布于炉内。靠近炉盖下方，炉壁周围有四支炉顶气排气管，此四支排气管于炉外最后合而为一降流管（Down commer）而与除尘器相衔接。图五-2为实际高炉之外观图，炉之支架亦有数种型式，如图五-3所示。炉之高度假若不计炉顶装置，大型者约高30米～40米。整个高炉结构，可达90米～100米高，相当于30层以上的高楼高度。炉床内径，近年新建者多在9米以上，深度约3米半至4米半。高炉之内容积（Inner volume）普通由1800立方米至2000立方米不等，最大型者可达4000立方米以上。至于高炉的「容量」或生产率是以每24小时所生产的铁液量而定，大者可达一万吨以上，小者只有百吨而已。

由于整个高炉本体耐火材料内衬（Refractorylining）一直处于高温状态下，故须以水在外部冷却之，以延长高炉之使用寿命。一座高炉内衬的寿命，在良好的操作情况下，一般可达六百万吨的总出铁量，更高者可达一千万吨。届时，须完全停工，重行修砌炉内的耐火内衬。

Ⅱ 高炉制铣之主要原料

加入高炉中炼制生铁之主要原料为：铁矿石、焦炭与石灰石。普通使用的铁矿石，主要为赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）、及褐铁矿（2Fe2O33H2O）。现代加入高炉内之铁矿石，含铁量约在60％左右。一般对铁矿石品质上要求为（1）含铁分高，（2）还元易，（3）有害的杂质要少，如硫、磷、铜等含量低，（4）有适当的粒度及强度。为达到上述各项要求，及避免由于多量石灰石在炉中分解吸热，近年各国之高炉已很少以大量铁矿石直接加入炉中，多已大比例地配用矿石经过烧结处理（Sintering）的烧结料（Sinter）或选矿及特殊处理的团矿料（Pellet）加入高炉中。这些加入料，统称为含铁料（Iron-bearing material）。至于每生产一吨生铁所需之含铁料多寡视所含铁分之高低而不同。对含Fe 55～60％者而言，大约须1700公斤的含铁量。亦有随含铁料加入少量之碎铁屑及炼钢渣作原料的情形。

高炉加入焦炭主要的作用为供给反应及熔解所须的热量并作为还元剂；此外尚具有支持加入料（Burden）加强炉内透气性的功用。高炉焦灰一般要求含较高的固定碳：（Fixed carbon），较低的水分、灰分、杂质（硫分及挥发物）含量，并有适当的粒度（Size）与强度。每炼制一吨生铁所耗用的焦炭量称为焦炭比（Coke rate），视操作情况与辅助燃料喷入的多少而定。因之各国情况不同，日本高炉平均焦炭比约在500公斤以下，西德约为560公斤，苏俄为574公斤，英美两国则达620公斤。

高炉所加入的助熔剂（Flux）主要为石灰石（CaCO3）。视加入料的不同，有时亦配用白云石（CaCO3MgCO3）。其功用主要在收集铁矿石中所含之脉石，主要为二氧化硅（SiO2）与焦炭中之炭分，并降低其熔点，使生成炉渣（Slag）而排出。大约炼制每1吨生铁，其总耗用量需200公斤至250公斤。

除了上述三种主要原料外，炼制生铁尚须在高炉鼓风口处鼓入大量之空气，藉空气中的氧气与炉中的焦炭反应，以供给热量及还原性气体。鼓入高炉之风（Blast）须有足够的压力与体积，使足以透入炉中各部分，并阻止由炉顶装入的原料过速下降。近代鼓入高炉之风皆已采用预先热过的空气，其预热温度有时高达1000℃以上。

Ⅲ 高炉操作简介

一座现代化的炼铁厂主要由加料设备高炉、热风炉、鼓风设备、除尘设备等构成。一般钢铁厂为易于取得原料多建于临海地区，或交通便利地区，或靠近矿区。图五-4为一典型之临海炼铁厂，侧面外观图。原料由码头运至原料堆存场，经处理后运到原料库储存。由于高炉为一连续24小时不停操作的炼铁炉，所需原料量极大，故原料须有充分的库存量。高炉炼制生铁的流程及操作情形，可参考图五-5，五-6。

高炉操作时，铁矿石、焦炭、石灰石等原料由原料处理场或储存库经秤量后以原料输送设备，主要为运送带（Conveyer）或加料车（Skip），直接送到炉顶部料斗，顺次自动分层由炉顶通过钟型炉盖，加入高炉中。此时由鼓风机送来的冷风通过热风炉被加热而为热风，立刻由炉下部各鼓风口连续吹入炉中，而与炉内下降至炉腹（Bosh）下缘的焦炭发生燃烧作用，生成大量之还原性的一氧化碳气体及热能。此种高温的还元性气体上升而与下降的铁矿石发生间接还原，由炉顶加料线（Stockline）以下反应渐次加强，至炉腹部熔融带（Smeltingzone）装入料（Burden）大部熔解，体积锐减。生成的熔铁液（Molten iron）则滴流聚集于炉床内。铁矿石所含的主要杂质——二氧化硅（SiO2），焦炭中残留的灰分（主要成分为SiO2,Al2O3）等与由石灰石在炉中分解出的氧化钙（CaO）相作用化合而成熔点较低，比重较轻的炉渣而浮积于炉床中铁液之上。

当炉床内熔融的生铁与渣量积存至相当量后，即由出铁口及出渣口分别排出大型高炉。每日出铁的次数大约10～12次，至于出渣的时机则一般于出铁前视渣量之多寡而定之。

由出铁口排出的生铁液经铁水流道，流入特制的盛桶，直接将生铁液运至炼钢工厂，例入混铣炉（Mixer）保温，或流入鱼雷型之保温车（Topedocar）运往炼钢工厂供作炼钢用之原料，或将铁液运至铸铁机注入铁模内，以冷水喷洒冷却，铸成块状的生铁。图五-7为近代新式的铸铁机。

高炉之渣亦经另外之渣流道流至渣坑（Slag pit），洒水造成块状渣，或以高压水柱急速喷激冷却而成较细的粒状渣。炉渣压碎后可供填土，铺路或作为水泥之掺合料。如以高压力的蒸汽或空气处理熔融之炉渣，使凝成细长纤维状的结晶，更可作为绝热的隔热材料。

至于高炉操作时由炉顶排气管排出之气体，一般称为炉顶气（Top gas），其主要成分由高炉中未完全反应之一氧化碳气体（CO gas）与生成的二氧化碳气体（CO2 gas）及热风中不起反应的氮气（N2gas）所组成。其排放量甚大，一般每生产一吨熔铁，由炉顶排出之气体与鼓入高炉中之风量有直接的关系，体积约有2000立方米。炉顶气含尘量很高，尘埃之组成主要为细粉状的铁矿（Fine ore）、石灰石以及细的焦炭粒（Coke breeze）等等。对于一日产生铁量3000吨级的高炉而言，每日由炉顶气排出的尘埃就有70公吨左右，用大卡车来运也得运上十几趟。由此可以想象得到如此高的尘量如不加处理利用，一定会造成极大的原料损失以及严重的污染问题，而且对炉顶气的再利用极有妨碍。因此炉顶气须在最经济的原则下，尽量除去其所含尘埃。一般高炉工厂皆多采用除尘器连合次级气体清净设备（Secondary gas-cleaning）以处理此项炉顶气体。处理过的清净炉顶气其含尘量一般可低至001g/nm3以下。又由于炉顶气尚具有相当高的热值量约在800kcal/Nm3左右，可供再燃烧生热。一贯作业钢铁厂通常收回此项气体作为加热热风炉及锅炉之用。

Ⅳ 高炉制铣之基本原理及炉内反应

制炼生铁之基本原理，就是设法将铁矿石中氧化铁的氧还原除去，使成为激离状的金属铁。利用高铁炼制生铁，就是藉炉内赤热的焦炭及其发生的CO气体作为还原剂在各种浓度，压力与温度下与氧化铁进行还原反应。

下面为简明起见以图五-8表示，高炉内上升气体与下降物料间所起之最主要的变化。当然实际上高炉内的反应并非如此简单，下面我们将就高炉内之重要反应大略地分别区域，进一步加以说明：

（1）燃烧带（Combustion zone）

在鼓风口前部，热风吹入后立刻与赤热之焦炭先发生燃烧反应：

C+O2=CO2+943kcal (放热反应)

生成的CO2气体立即与其周围多量的焦炭再反应而生成CO气体：

C+CO2=2CO－411kcal (吸热反应)

因此主要的燃烧带反应可总合上两式而为：

2C+O2=2CO+532kcal

加入炉中之焦炭大约有85％以上是在各鼓风口前燃烧生成CO气体，火焰温度的理论值可达2000℃以上，为整个高炉中温度最高区。吹入热风中的N2气体在炉内并不起反应，被加热后随着CO气体上升，而热风中之水分与焦炭亦起下述反应，分解而放出H2气体，为吸热之反应：

C+H2O=CO+H2－3138kcal

（2）熔融带（Smelting zone）

于高炉炉腹部分，除焦炭外，其它加入料全部都开始熔融。此区之温度高约在1350℃～2000℃，各种直接还原反应皆发生于此处。由于已发原之铁吸入C,Si,Mn,S,P等元素，熔点降低，生成熔铁液，滴下集聚于炉床，渣亦开始生成，此区之主要反应式为：

FeO＋C→Fe＋CO（固体C素之直接还原）

3FeO+5CO→Fe3C+4CO2

Fe＋MnO＋C→Fe－Mn＋CO

FeS＋CaO＋C→CaS＋Fe＋CO

SiO2+2C+Fe→Fe－Si+2CO

3CaOP2O5+3SiO2+5C+6Fe→3(CaOSiO2)+5CO+2Fe3P

CaO+Al2O3+SiO2→硅酸监(Silicate)

（3）下部还原区（Lower zone of reduction）

在炉胸下部，炉腰等部分，由炉腹上升之炉腹气（Bosh gas）迅速与下落之铁矿石起间接与直接的还原反应，将氧化铁还原为固态之海绵铁（Spongiron）。石灰石亦快速进行分解，生成CaO而于此处之下部开始与铁矿石中之脉石结合。本区之温度约可达900℃以上，主要之反应式为：

（4）上部还原区（Upper zone of reduction）

在炉胸上部以上至加料线部分，亦可称为预热及预还原区域。高炉之加入料首先被预热至200～300℃，水分与结晶水被蒸发排出，铁矿石渐次下降而与上升之CO气体起间接之还原。主要反应式如下：

3Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2

Fe2O3+CO→2FeO+CO2

Fe3O4+CO→3FeO+CO2

2CO→C+CO2

以上之分区只为供方便说明而已，实际上高炉内有很多反应并不只限发生于某一区，受操作情况各项因素之影响而变化。高炉内情况详细的讨论，因涉及热力学与反应动力学的问题，为免置于繁杂，在此从简不作介绍。

Ⅴ 高炉的大型化与设计上的变迁

钢铁工业为一种资本密集的工业。一座钢铁厂其生产容量（Capacity）愈大，成本愈低。以高炉为例，炉的内容积愈大，其每吨生铁生产费用愈低。

由于碱性氧气转炉炼钢法（BOF or LDProcess）的广泛采用，及世界钢铁需要量的急增，熔铁液的需求大为增加1960年全世界粗钢产量为341亿吨，但到1970年10年之间产量倍增，已达到595亿吨；1971年又增为632亿吨。据预测在本世纪末转入下一世纪之际，世界粗钢产量，依保守的估计也将达15亿吨以上。要维持此项钢产量所须的生铁量就须在10亿吨左右，因此最近新设立的高炉，生产规模，显著增大，设备趋于大型化。少量的生产已不符经济亦不足应急。近年各国炉床内径10米以上的高炉纷纷出现，目前世界上各国以日本为钢铁厂大型化的先驱者，其拥有之大型高炉数目较多。

高炉的大型化已为无可避免的趋势。不过在此还要加以说明的，就是炉内容积，炉床内径的增大，与炉高之间的关系并不是相对于原比例增高。高炉内容积之高度与炉径之比，我们可以由图五-9看出，有日渐减小的趋向。

此项改变主要是由于高炉操作技术的改进，原料处理的改善及求达到更佳的炉内还原情况所致。

Ⅵ 高炉制铣的新技术

由于富矿（指含Fe％高之铁矿石）及良好的冶金焦炭不易以低廉价格获得，而生铁的要求日益庞大，所以在基于需求增加，减少焦炭消耗，以降低成本的原则下，钢铁工程人员不断的研究，高炉制铣技术近年来已有重大的进步。高炉效率大为提高。兹就较重要者，简介其原理及发展情形如下：

（1）原料处理的强化

此部分在上一章「钢铁的原料」（注：科学月刊第期四卷第十期」，已有详细的介绍。在此所要特别指出的就是加入料对高炉之影响及其趋势。

高炉之加入料，其粒度大小，强度与还原性都直接影响到高炉内原料之分布，透气性及操作情况。一般采用于高炉加入料之粒度大约为：铁矿石8～30mm，烧结料5～75mm，焦炭15～90mm，粒度愈一致愈好。为求炉内分布之均匀与透气性之良好, 近年已有逐渐减少其范围之趋势，如铁矿石，日本多已改用10～25mm，焦炭也改变为22～65mm，烧结料的配合率也大为增加。近代各国多已采用自熔性烧结料（Self-flux sinter），使大部分应加入高炉的石灰石在烧结机（Sintering machine），烧结过程中烧成为石灰（lime CaO），而减少直接加入高炉之CaCO3量，因石灰石在炉内分解为吸热反应增加焦炭之消耗。目前配合率一般已可达70％以上，视烧结料之盐基度（Basicity）而定。除烧结料外，亦有配用团矿料（Pellet）者，且有增加之趋势。

（2）高温鼓风（High temperature of blast）

增加鼓入高炉中空气的温度，可以减少焦炭的消耗，增加生铁产量。其原理甚为简单。因为加热空气，空气的显热（Sensible heat）增高，于鼓入高炉后，利用空气中之显热可以取代一部分由焦炭燃烧所发生之热量，亦即减少炉中碳（Carbon）之消耗量。自1817年JB Neilson首先采用热风以来，至1955年热风温度已升高到500～800℃。近年大型高炉更多将用热风温度1000℃以上；更配合水蒸汽的添加，辅助燃料的喷入，以求大量节省高炉焦炭的用量。（3）调湿鼓风（Moisture addition for blast）

由于鼓风的温度近年已有相当程度的提高，因此在鼓入高炉中的热风中添加较多量的水蒸汽已成为可能。

当热风鼓入高炉后，热风中之水分，在鼓风口附近高温区，急速被周围的焦炭所还原而分解，为一吸热反应。就此而言，焦炭的消耗量增高，但生成多量的还原性气体CO及H2；尤其是H2气体在高温时为比CO气体更强之还原剂，能使铁矿石之还原加速，高炉的生产能力增加。故就整个高炉而言，每吨生铁所消耗的焦炭量反而可以减低，单位时间的生铁产量增加。当然为了补偿鼓风中水分在鼓风口前的分解吸热，送风的温度也应对应提高。

一般鼓风中的水蒸汽添加量大约在20~35g/Nm3之间。

（4）氧气富化鼓风（Oxygen enrichment）

氧气富化鼓风于二次大战之后迅速发展。由于氧气炼钢方法的发展，导至氧气生产的大量化，伴随氧气价格的下降。空气中原含有约79％的N2气体，21％O2气体，而事实上鼓入高炉热风中真正发生化学反应的只是氧气。如增加氧气在热风中的比例，则在同一气体发生量下CO气体浓度大，一氧化碳还原效率增加。虽然在单位时间内，焦炭比例增加，但就总结果而言，因生产率提高，单位生铁所须之焦炭反稍可减低。根据日本高炉实际操作报告，热风中，氧气富化率每增加1％，产量约平均可增加48％。至于目前高炉操作氧气富化的添加量大约在2％以下。

（5）辅助燃料的喷入（Injection of Auxiliary fuel）

高炉热风温度的提升，及冶金焦炭的缺乏，导致高炉中喷入辅助燃料技术的发展。理论上在高炉鼓风时，于鼓风口附设一喷管（Injecting lance）将含氢的辅助燃料伴随热风一起吹入高炉燃烧带中反应生成大量的还原性气体CO+H2可节省焦炭之消耗。目前世界各国所采用的辅助燃料大都为重油，煤焦油、天然气、炼焦炉气（Coke-oven gas）、粉煤（Pulverized coal）等。一般多采用重油喷入，通常每喷入一公斤的油，大约可节省10～16公斤的焦炭，视操作条件及喷入量多寡而不同。理论上最大的喷油量，对每生产一吨生铁而言约为300公斤左右。也就是说，所有鼓入高炉中的热风中的氧气全部只用来气化燃油生成CO及H2。但事实上在高炉操作中，此为不可能达到的，因燃油喷入在燃烧带造成强吸热现象，喷入量过多，炉内温度大降，此时反将耗用更多的焦炭来维持高炉熔解区必需之温度。今日世界上各新式高炉燃油喷入量，通常亦仅在20～80公斤/吨生铁之间。

（6）高顶压操作（High top pressure operation）

所谓高顶压操作就是提升高炉顶部逸出的炉顶气的压力。因高炉内由下部上升的气体受炉内加入料之阻力，压力逐渐下降，压力下降差的高低随气体速率之增加而增高。提高炉顶气的压力，亦即使炉内气体流速减缓，密度因之加大，气体在炉内滞留的时间较长，分布亦较均匀。同时由于压力之改变使气体与矿石间反应平衡常数改变，造成炉内气体的利用率（指间接还原的增加，气体与加入料间热传导良好，而使耗焦率降低，增加生铁之产量。

二次大战前一般高炉操作炉顶气压大约在01公斤/平方厘米，以后渐提高至07公斤/平方厘米。以高炉制铣技术较进步的日本为例，新建的高炉，炉顶气压多在10公斤/平方厘米以上。近年更有所谓超高顶压操作（Supper top pressure operation）出现，如日本室兰（Muroran）4号高炉（1969年6月建立），名古屋（Nagoya）3号高炉（1969年5月建立），其炉顶压更高达20公斤/平方厘米及25公斤/平方厘米。今后此气压尚有再增高的趋势，不过此项炉顶压力之提高须配合炉顶装料设备的构造，材质及高炉炉壁冷却系统的改善，才能达到。

3其它生铁炼制的方法

历来生铁的大量制炼，绝大部分采用高炉法，亦有受其它条件影响，因地制宜，而采用别的方法炼制生铁。下面我们就介绍二种比较常被采用的方法：

（1）电气还原炉炼制生铁

使用电力作为热源炼制生铁，起源于1889年E Stassano在高温鼓风口安装电极以加速铁矿石之熔融还原。以后渐渐改良，至1920年TyslandHole型电气还原炉（Electric ruduction furnace或称为电铣炉）出现，才造成了炼制生铁用电炉的大革新。电气还原炉通常用来生产较特殊的合金铁或生铁。

电气还原炉之结构如图四-10，有点像炼钢用的电弧炉（Electric-arc furnace）。

电气还原炉之炉顶部有开口供连续加料用。如炼制生铁加入炉中之主要原料为粉矿（ore）、焦粉（Coke breeze）、或煤、石灰石。此炉之操作原理为利用电能转变为热能，使炉中铁矿石的氧化铁在高温下被焦炭或煤中的碳直接还原为铁，及生成CO气体，而由炉顶下侧逸出，如连续加入原料，矿石的还原与熔解亦连续于炉床内进行。铁液与渣则由炉床下侧流出。有关电气还原炉制炼生铁时炉内状况可参考图五-11。

此种电炉炼铁的最大利益在（Ⅰ）可使用较低品质的原料，尤其是可使用未经焦化（Non-coking）的烟煤或无烟煤作为还原剂，（Ⅱ）生成的生铁液含硫量较低，（Ⅲ）炉气有甚高的热值（Calorificvalue）可再供利用。

电气还原炉一般所用者多日常生铁100吨左右，最大者也不过200吨而已；与高炉日产生铁数千，一万吨相比之下，生产性及生产规模都显得太少，而且耗用电力亦高。大约每生产一吨生铁需要2000～2500瓦度的电力，因此在特殊情况下采用此法来炼铁。

（2）Krupp-Renn直接还原制造海绵铁法

自1911年E Sieurin首次以Höganäs法，生产海绵铁（Spongeiron）以来，直接还原法（Directreduction process）遂大为盛行，但迄今其发展，在工业化经济性的观点上，尚无法与高炉炼制生铁的主流相抗衡。

直接还原法炼制海绵生铁所根据的理论为，当小颗粒状、干燥的纯氧化铁（Fe2O3或Fe3O4）存在于多量的还原剂中时，在低于其熔点（Melting point）的温度下反应，将被直接还原为多孔质、固态海绵状的铁。此项产物一般称作为海绵铁，含有部分的渣；冷却压碎后，以磁性选矿的方法可以将渣与还原铁分离，作为炼钢之原料。下面我们就介绍一种较常见的直接还原制造海绵生铁的Krupp-Renn法。

此种Krupp-Renn法之操作，为将粒度小于10mm的铁矿石，与粉煤、焦粒等燃料及还原剂混合后装入于回转炉窑（Rotary kiln）。此转窑略呈倾斜，在其末端（Discharge end）以粉煤，燃料油与过量的空气混合吹入回转窑中燃烧加热。此炉最高温度约1250℃，此温度足以使铁矿石中之脉石（Gange主要为SiO2）改变为粘性非常高的高硅渣（High silica slag），但不足以使由铁矿石被还原所得的海绵铁。熔融还原铁形成圆粒状（冶金学名称为Luppen）与糊状的半熔融渣相混而结合。由炉中取出后使其急速冷却，再压碎，最后用磁选法可将Luppen与渣分离；其含铁量高，约在94～97％之间。

Krupp-Renn法之设备简图及炉内各部主要反应如图五-12所示。

4结语

未来炼制生铁方法的展望

本篇的介绍，特别着重于高炉制炼生铁方法的说明。主要是因为传统性的高炉加上碱性氧气炼钢这条路仍是今日世界各主要钢铁生产国生产钢铁的主流。

至于新的直接还原炼铁法，有人预测即将可能成为未来钢铁冶炼的新路线，造成另一种新的主流。他们所根据的论点为，高炉目前所占的优势，现在正受到用以炼焦的焦性煤（Coking coal）供应不足，冶金焦炭日渐短缺，富矿缺乏，以及钢铁需求量不断的增加等因素影响。未来炼钢的方法，可能就必须要采取能处理固态加料的方式，如此将来可能发展以「直接还原法接续以传统性电弧炉炼钢法」，使固态铁直接炼成钢，进而与传统上一贯作业钢铁厂以「高炉加碱性氧气转炉」的路线相竞争。

根据图五-13，从钢铁冶炼过程的观点上来看，由铁矿石炼铁再提炼成钢，直接还原法加电炉法，就理论上来讲是比较有利的。不过目前直接还原法制生铁要与高炉法制生铁相竞争，仍是障碍重重；除了每吨生铁产量的投资费用上和操作费用上难与高炉制生铁相比外，电力的供应，电价的高低也将直接影响到采用直接还原炼体加电炉炼钢路线的发展。

当然直接还原制铁法的研究不会停滞不前，将来总会发展出一种较目前更能符合工业化经济性生产的方法来。不过近年来高炉制生铁的技术也有重大的进步，也因此才能使过去20年中发展出来的其它由铁矿炼制生铁的方法尚无法与高炉法相比。

因此我们可以相信，未来十数年之中，生铁的制炼，仍将以高炉法为主。

1高炉炼铁概述

1．1高炉炼铁生产工艺流程与特点

1．1．1高炉炼铁生产工艺流程

1．1．2高炉炼铁生产特点

1．2高炉炼铁产品

1．2．1生铁

1．2．2炉渣

1．2．3煤气

1．2．4炉尘(瓦斯灰)

1．3高炉炼铁技术经济指标

1．3．1高炉有效容积利用系数

1．3．2焦比(干焦比)、综合焦比、煤比、燃料比(综合燃料比)

1．3．3冶炼强度

1．3．4休风率

1．3．5生铁合格率

1．3．6生铁成本

1．3．7炉龄

复习思考题

2高炉炼铁原料和燃料

2．1铁矿石

2．1．1铁矿石的分类及主要特性

2．1．2高炉冶炼对铁矿石的要求

2．2铁矿石入炉前准备处理

2．2．1铁矿石入炉前准备处理概述

2．2．2烧结法造块

2．2．3球团法造块

2．3熔剂

2．3．1熔剂在高炉冶炼中的作用

2．3．2熔剂的分类

2．3．3高炉冶炼对碱性熔剂的质量要求

2．4燃料

2．4．1焦炭

2．4．2喷吹燃料

2．4．3焦炭代用品

复习思考题

3高炉内炉料的蒸发、挥发和分解

3．1炉料中水分的蒸发和水化物的分解

3．1．1游离水的蒸发

3．1．2结晶水的分解

3．2高炉内炉料中挥发分的挥发

3．2．1燃料挥发分的挥发

3．2．2其他物质挥发分的挥发

3．3炉料中碳酸盐的分解

3．3．1炉内碳酸盐的分解反应、分解压力、开始分解温度和化学沸腾温度

3．3．2CaCO3分解对高炉冶炼的影响

3．3．3消除CaC03分解不良影响的措施

复习思考题

4高炉内的还原过程

4．1高炉内氧化物还原的基本理论

4．1．1矿石中金属氧化物的生成自由能4．1．2矿石中金属氧化物的分解压力

4．1．3还原反应进行的条件

4．1．4标准自由能△G与温度关系图和分解压与温度关系图

4．1．5逐级转化原则

4．1．6平衡移动原则

4．2用碳还原铁氧化物

4．3用CO、H2还原铁氧化物

4．3．1用CO3还原铁氧化物

4．3．2用H2还原铁氧化物

4．3．3过剩系数n

4．3．4温度和成分对铁氧化物还原反应的影响

4．3．5用CO和用H2还原铁氧化物的比较

4．3．6一氧化碳利用率和氢利用率

4．4炭素气化反应及其对还原反应的影响

4．4．1炭素气化反应

4．4．2炭素气化反应对还原反应的影响

4．5直接还原与间接还原

4．5．1直接还原与间接还原的区别

4．5．2直接还原与间接还原的主要特点和差别

4．5．3直接还原与间接还原在高炉中的分布

4．5．4直接还原度和间接还原度的概念及其计算

4．5．5直接还原和间接还原的炭素消耗(直接还原与间接还原对炭素消耗的影响)

4．5．6降低焦比的基本途径

4．6复杂化合物中铁氧化物的还原

4．6．1硅酸铁的还原

4．6．2钛磁铁矿中铁的还原

4．7非铁元素的还原

4．7．1硅的还原

4．7．2锰的还原

4．7．3磷的还原

4．7．4硫的还原

4．7．5铅、锌、砷的还原

4．7．6碱金属在还原过程中的行为

4．8渗碳和生铁的形成

4．9铁矿石还原的动力学

4．9．1铁矿石的还原机理

4．9．2铁氧化物的还原速度

4．9．3影响铁矿石还原反应速度的因素

复习思考题

5造渣和脱硫

5．1高炉造渣过程

5．1．1炉渣的作用

5．1．2炉渣的主要成分及分类

5．1．3炉渣的形成过程

5．1．4造渣过程对高炉冶炼的影响

5．2炉渣的性质及对高炉冶炼过程的影响

5．2．1炉渣的熔化性

5．2．2炉渣的稳定性

5．2．3炉渣的黏度

5．3炉渣结构理论5．3．1炉渣的分子结构理论

5．3．2炉渣的离子结构理论

5．3．3炉渣离子结构理论对炉渣现象的解释

5．4高炉渣成分和渣量的选择

5．4．1高炉冶炼对炉渣性能和成渣过程的要求

5．4．2炉渣成分和渣量的选择

5．5生铁去硫

5．5．1硫的来源、存在形态、循环富集和危害

5．5．2硫在煤气、渣、铁中的分配及影响生铁含硫量的因素

5．5．3炉渣脱硫

5．5．4影响炉渣脱硫能力的因素

5．5．5炉外脱硫

复习思考题

6高炉内的燃料燃烧过程和热交换

6．1燃料燃烧

6．1．1焦炭燃烧反应

6．1．2喷吹燃料燃烧反应

6．1．3焦炭燃烧与喷吹燃料燃烧的差异

6．1．4燃烧产物炉缸煤气成分计算

6．2燃烧产物(煤气)成分的变化

6．2．1风口至炉缸中心煤气成分的变化

6．2．2煤气在上升过程中体积和成分的变化

6．3燃烧带及其对冶炼过程的影响

6．3．1燃烧带

6．3．2燃烧带对高炉冶炼过程的影响

6．3．3影响燃烧带大小的因素

6．4高炉内的热交换

6．4．1炉料(或煤气)的水当量

6．4．2理论燃烧温度

6．4．3炉内温度的变化和分布规律

6．4．4热交换规律

6．4．5改善煤气利用的途径

复习思考题

7高炉内炉料和煤气的运动

7．1炉料运动

7．1．1炉料下降的空间条件和力学分析

7．1．2影响p有效的因素

7．1．3炉料下降的规律

7．2炉料在炉喉的分布

7．2．1炉料在炉喉分布的重要作用

7．2．2炉料在炉喉的分布对煤气分布的影响

7．2．3炉料在炉喉的合理分布

7．2．4影响炉料在炉喉分布的因素

7．3煤气运动

7．3．1煤气通过料柱时的阻力损失△p

7．3．2影响△p的因素

7．4煤气的分布

7．4．1炉喉煤气流分布状况的判断

7．4．2煤气的合理分布

7．4．3影响煤气分布的因素7．5炉料运动和煤气运动的失常

7．5．1流态化

7．5．2管道行程

7．5．3液泛

7．5．4偏料

7．5．5崩料

7．5．6悬料

复习思考题

8高炉炼铁计算

8．1配料计算

8．1．1配料计算方法

8．1．2配料计算所需资料

8．1．3计算实例

8．2物料平衡计算

8．2．1物料平衡计算方法

8．2．2原始条件的确定

8．2．3计算实例

8．3计算

8．3．1每批料的出铁量计算

8．3．2灰石用量的计算

8．3．3渣量的计算

8．3．4常用定量调剂

8．3．5冶炼周期

复习思考题

9高炉冶炼强化技术

9．1高炉冶炼强化技术概述

9．1．1高炉冶炼强化的目的和技术进步

9．1．2高炉冶炼强化的基本方向

9．1．3台炼强度与焦比的关系

9．1．4高炉冶炼强化技术的主要措施

9．2精料

9．2．1提高矿石品位

9．2．2增加熟料比，

9．2．3稳定炉料成分

9．2．4优化入炉炉料的粒度组成

9．2．5改善人造富矿的质量

9．2．6合理的炉料结构

9．2．7提高焦炭质量

9．3高风温

9．3．1提高风温对冶炼的影响

9．3．2提高风温的效果

9．3．3界限风温

9．3．4提高风温的途径

94

9．4．1高压操作对冶炼过程的影响

9．4．2高压操作的效果

9．4．3高压操作的特点

9．4．4高压操作必备的条件及技术进步

9．5富氧鼓风

9．5．1富氧鼓风对冶炼过程的影响9．5．2富氧鼓风的效果

9．5．3富氧鼓风技术的发展

9．6喷吹燃料

9．6．1喷吹燃料对高炉冶炼过程的影响

9．6．2喷吹燃料的效果

9．6．3喷吹燃料的高炉操作特点

9．6．4煤粉喷吹的热滞后，热补偿和对煤的性能要求

9．7加湿与脱湿鼓风

9．7．1加湿鼓风

9．7．2脱湿鼓风

复习思考题

10炼铁技术发展

10．1炼铁技术发展概况

10．2高炉炼铁新技术

10．2．1高炉大型化和自动化

10．2．2计算机控制技术

10．2．3高炉冶炼低硅生铁

10．2．4高炉煤气的余压利用

10．2．5等离子体炼铁

10．2．6高炉使用金属化炉料

10．2．7高炉喷吹还原气体

10．3非高炉炼铁

10．3．1直接还原法

10．3．2熔融还原法

10．3．3直接还原铁的性质与应用

10．3．4非高炉炼铁的发展

复习思考题

11炼铁环境保护

11．1炼铁生产环境保护概述

11．1．1炼铁生产环境保护的重要性和必要性

11．1．2炼铁生产过程中的污染源

11．2烟尘治理

11．2．1高炉出铁场烟尘治理

11．2．2高炉原料系统粉尘治理

11．2．3除尘设备的结构和工作原理

11．3废水治理

11．3．1高炉煤气清洗废水治理

11．3．2高炉水冲渣废水治理

11．4炉渣处理

11．4．1高炉渣的处理方法及分类

11．4．2高炉渣的利用

11．4．3渣水分离方式方法