鋼鐵，其實是兩個名詞——“鋼”和“鐵”的合稱。煉鋼之前先要煉鐵。「鐵」分為生鐵和熟鐵。「鋼」的含碳量介于生鐵和熟鐵之間。

 

「生鐵」一般指含碳量在2~6.69%的鐵的合金。又稱鑄鐵。生鐵里除含碳外，還含有硅、錳及少量的硫、磷等，它可鑄不可鍛。

 

「熟鐵」是用生鐵精煉而成的比較純的鐵。含碳量在0.02%以下，又叫鍛鐵、純鐵。純鐵要求碳、磷、硫等雜質元素含量很低，其冶煉難度較大，制造成本遠大于生鐵和鋼。

 

鐵的冶煉

煉鐵方法主要有高爐法、直接還原法、熔融還原法等，其原理是礦石在特定的氣氛中（還原物質CO、H2、C；適宜溫度等）通過物化反應獲取還原后的生鐵。生鐵除了少部分用于鑄造外，絕大部分是作為煉鋼原料。

 

「高爐煉鐵」是現代煉鐵的主要方法，鋼鐵生產中的重要環節。由于技術經濟指標良好，工藝簡單，生產量大，勞動生產率高，能耗低，高爐法生產的鐵占世界鐵總產量的95％以上。

▲ 高爐煉鐵示意圖

高爐是近似于圓柱形的爐子，它的外面包以鋼板，內壁砌以耐火磚，整個爐子建筑在很深的混凝土基礎上。

高爐生產時，從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位于爐子下部沿爐周的風口吹入經預熱的空氣。在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。煉出的鐵水從鐵口放出。

 

鐵礦石中不還原的雜質和石灰石等熔劑結合生成爐渣，從渣口排出。產生的煤氣從爐頂導出，經除塵后，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料。

 

原料：鐵礦石、溶劑、燃料

①鐵礦石

自然開采的礦石，無論在化學成分、物理狀態等各方面，都很難滿足高爐冶煉的要求，必須經過破碎、篩分、選礦、造塊、混勻等準備處理，以品位高、成分、粒度均勻穩定的狀態供應高爐。

 

冶金工業常用的鐵礦石有以下四種。

礦種	主要成分	理論含鐵量	自然含鐵量
赤鐵礦	Fe2O3	70%	50%~60%
磁鐵礦	Fe3O4	72.4%	40%~70%
褐鐵礦	2Fe2O3·3H2O	59.8%	37%~55%
菱鐵礦	FeCo3	48.2%	低

 

②溶劑

礦石中的脈石和燃料中的灰分，都含有一些熔點很高的化合物（如SiO2熔點為1625℃，Al2O3熔點為2050℃），它們在高爐冶煉的溫度下，不能熔化成液體，因而不能使它們很好地與鐵液分離，同時也使爐子的操作發生困難。

 

加入熔劑的目的在于其與這些高熔點的化合物形成低熔點的爐渣，以便在高爐冶煉溫度下完全液化，并保持相當的流動性，以達到很好地與金屬分離之目的，保證生鐵的質量。

 

根據熔劑的性質，可分為堿性熔劑和酸性熔劑。采用哪一種熔劑要根據礦石中脈石和燃料中灰分的性質來決定。由于天然礦石中脈石大多數為酸性，焦炭灰分也都是酸性的，所以通常都使用堿性熔劑，如石灰石。酸性熔劑很少使用。

③燃料

高爐冶煉所需要的熱量，主要是依靠燃料的燃燒而獲得，同時燃料在燃燒過程中，還起著還原劑的作用，所以燃料是高爐冶煉的主要原料之一，常用的燃料主要是焦炭，還有無煙煤和半焦等。

 

理化過程：高溫下的還原反應+造渣反應

高爐冶煉的目的，就是要把鐵從鐵礦石中還原出來，同時去除其中所含的雜質。整個冶煉過程中，最主要的是進行鐵的還原反應以及造渣反應。

除此之外，還伴隨著其他一系列復雜的物理化學反應，如水分及揮發物的蒸發、碳酸鹽的分解、鐵的碳化和熔化以及其他各種元素的還原等，而這一系列的反應，都只有在一定的溫度下才能實現。因此，冶煉過程還需要有燃料的燃燒來作為必要的條件。

①燃料的燃燒

C＋O2→CO2

 

②爐料的分解

水分蒸發和結晶水分解；揮發物的排除；碳酸鹽的分解。

 

③高爐內的還原反應

>>鐵的還原

在高爐中，鐵并不是直接從高價氧化物中還原出來的，而是要經過一個由高價氧化物還原成低價氧化物，再由低價氧化物還原出鐵的過程：

Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe

鐵的還原，主要依靠一氧化碳氣體和固體碳作為還原劑來實現。通常把一氧化碳的還原稱為間接還原，把固體碳的還原稱為直接還原。

間接還原總反應為：

3Fe2O3＋9CO→6Fe＋9CO2

直接還原總反應為：

3Fe2O3＋C→2Fe3O4＋CO

 

>>鐵的碳化

從礦石中還原出來的鐵，是固體海綿狀的，它的含碳量極低，通常不超過1％。由于CO在較低的溫度下分解，而分解出的C具有很強的活性，當它與鐵接觸時，很容易形成鐵碳合金。

因此，固態海綿狀鐵在較低的溫度下（400℃～600℃）就開始了滲碳作用。其化學反應如下：

2CO＋3Fe→Fe3C＋CO2

或3Fe（液）＋C（固）→Fe3C

 

④造渣過程

造渣過程就是礦石中的脈石和燃料中的灰分與熔劑合在一起，從高爐中被清除出去的過程。高爐中的成渣情況常見的有以下兩種：

 

用普通酸性礦石冶煉時，熔劑以石灰石形態裝入高爐，熔劑中的CaO并不能與礦石中的酸性氧化物密切接觸，因此最初形成的渣，主要是SiO2、Al2O3與一部分已還原的FeO生成的Fe2SiO4。由于渣中有FeO存在，降低了爐渣的熔點，并有較好的流動性，在它往下降落的過程（同時也是溫度升高的過程）中，所含的FeO逐漸被還原而失去，而CaO的含量隨之增多，最后形成末渣流入爐缸。

 

用自熔性礦石冶煉時，由于礦石中含有較多的CaO，并且它與酸性的SiO2能很好地接觸，所以在冶煉開始時CaO就立即參加了造渣反應，尤其是采用自熔性燒結礦冶煉時，早在燒結過程中CaO就和SiO2、Al2O3等形成了爐渣，因此在這種礦石的初成爐渣中CaO的含量就較高，在下降過程中爐渣的成分變化也較小。

 

高爐產品：生鐵+鐵合金

高爐冶煉的產品主要是生鐵、鐵合金，副產品有爐渣、煤氣和爐塵等。

 

①生鐵

生鐵是含碳量在2％以上的鐵碳合金，其中還含有Si、Mn、S、P等雜質。

根據用途和成分，可將生鐵分成兩大類。一類是煉鋼生鐵：這種生鐵中的碳以化合物形態存在，其斷面為銀白色，也叫做白口鐵；另一類是鑄造生鐵：直接用來制造機器零部件的。

 

②鐵合金

鐵與任何一種金屬或非金屬的合金都叫做鐵合金（有的也叫它合金生鐵）。鐵合金的種類很多，有硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵等。

 

③爐渣、爐氣和爐塵

爐渣、爐氣和爐塵是高爐的副產品，以前作為廢物而拋棄，現在已經廣泛用于建筑材料。

 

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