高炉炼铁

---

引言

冶金学处理金属、**铁**及其合金的学科称为黑色冶金。古代人类已将**铁**用于多种用途。它是一种原子序数为26的金属元素，具有许多独特的特性。铁的密度很大，在地壳中储量丰富。大约百分之五的地壳由金属**铁**构成，丰度排名第四。铁位于d区或过渡元素中。纯**铁**金属具有许多优点，因此提取纯铁非常重要。15世纪高炉的发现使提取过程更加容易。

什么是高炉炼铁法提取铁？

用于提取**铁**的大型容器是**高炉**。**铁**矿石是含有氧化铁(III)，Fe₂O₃的赤铁矿。从其化学式本身可以看出，需要去除氧气。氧气的去除是通过还原反应完成的。使用焦炭是因为碳比铁更活泼，可以更容易地将铁从氧化铁中置换出来。高炉内温度很高，这进一步导致碳燃烧，碳转化为一氧化碳。

铁的提取过程

**铁的提取过程**主要包括三个步骤：

• **矿石富集** - **铁**矿石除了水溶性沙子和粘土外，还含有许多杂质。这些杂质可以通过富集过程分离，这可以通过有限的氧气供应来完成。该过程称为**煅烧**，是一种热分解过程。这些杂质被称为脉石。硫和碳酸盐通过此过程去除。

• **从富集矿石中提取铁** - 富集矿石后，**铁**通过与石灰石和焦炭反应提取。此过程借助**高炉**完成。在**高炉**顶部加入富集矿石、焦炭和石灰石等化合物。然后从**高炉**底部吹入热空气。此过程需要高温，焦炭燃烧产生一氧化碳。

  $$ \mathrm{C+CO_2→2CO} $$

  然后一氧化碳参与反应。由于那里的温度较低，该过程发生在高炉的上部。反应发生的温度为500K-800K。即

  $$ \mathrm{3Fe_2 O_3+CO→2Fe_3 O_4+CO_2} $$

  $$ \mathrm{Fe_3 O_4+4CO→3Fe+4CO_2} $$

  $$ \mathrm{Fe_2 O_3+CO→2FeO+CO_2} $$

  $$ \mathrm{3FeO+CO_2→Fe+CO_2} $$

• **铁的提纯** - 从**高炉**中获得的**铁**是不纯的。杂质主要由硅酸盐组成，可以用石灰石去除。石灰石以炉渣的形式去除**铁**中存在的杂质，并且可以很容易地从熔融状态的**铁**中去除。即

  $$ \mathrm{CaCO_3 (s) → CaO(s) + CO_2 (g)} $$

  $$ \mathrm{CaO(s) + SiO_2 (s) → CaSiO_3 (l)} $$

  经过此过程获得的**铁**含碳量为3%到4%，还含有一些其他杂质，称为**生铁**。它是一种脆而硬的金属。因此，降低碳含量非常重要，这可以通过再次熔化一些焦炭和**铁**废料，然后将其送入**高炉**来实现。然后获得的铁仅含有2%到3%的碳含量，这种**铁**称为**铸铁**。

什么是煅烧？

**煅烧**是一个涉及净化方法的过程。此过程需要有限的氧气供应。挥发性杂质很容易通过此过程去除。此过程通常用于石灰石，其中碳酸钙转化为氧化钙，并去除二氧化碳气体。

$$ \mathrm{CaCO_3→CaO+CO_2} $$

什么是焙烧？

此过程涉及在高于熔点的高温下用过量氧气加热矿石。焙烧过程涉及多种反应，例如氧化、热解水解、还原等。它主要用于硫化矿石，例如硫化锌。

$$ \mathrm{2ZnS+3O_2→2ZnO+CO_2} $$

煅烧和焙烧的区别是什么？

下表列出了**煅烧和焙烧**的一些区别。

煅烧	焙烧
在减少氧气供应的情况下加热金属矿石以去除挥发性杂质的过程是**煅烧**。	在过量氧气下加热金属矿石以去除杂质的过程是**焙烧**。
主要用于碳酸盐矿石。	主要用于硫化矿石。
会产生挥发性和有毒化合物。	会产生有毒气体和化合物。
此过程使用带封闭孔的反射炉。	此过程使用带开放孔的反射炉。
矿石中存在的成分主要以气体的形式逸出，矿石中会形成孔洞。	磷、砷和硫杂质以气态氧化物的形式逸出。

高炉中发生了什么？

**铁**矿石赤铁矿会发生几项反应，最终形成金属**铁**。这是一个高温过程，主要包括三个步骤：矿石富集、铁的提取和**铁**的提纯。这里在**高炉**中发生的整个过程是去除矿石中存在的氧气，所以这是一个还原过程。

什么是熟铁/韧性铁？

**铁**最纯净的形式是熟铁或韧性**铁**。在内衬赤铁矿的炉中加热**铸铁**会产生**熟铁**，这是市售的**铁**。反应为：

$$ \mathrm{Fe_2 O_3+3C→2Fe+3CO} $$

结论

从矿石中**提取铁**是一个复杂的过程，因为它涉及使用**高炉**。在**高炉**中加入铁矿石和其他几种化合物，可以**提取铁**。提取过程的主要原料是焦炭，其中含有碳。**铁**很容易获得，并具有多种用途。**煅烧**也参与提取过程。获得的铁称为**生铁**，然后经过一些额外的处理以获得**铸铁**，并用赤铁矿处理以生产最纯净形式的铁，即**熟铁**。

常见问题

1. 生铁和铸铁哪个更硬？

**铸铁**比**生铁**更硬。

2. 什么是冶金？

从矿石中生产金属的过程称为冶金过程。

3. 什么是钢？

通过与碳结合制成的**铁**合金是钢。在防锈性、耐腐蚀性、强度等方面，钢的性能优于**铁**。

4. 铁渣和矿石具有磁性吗？

是的，从高炉获得的炉渣、铁矿石和赤铁矿都具有磁性。

5. 炉渣的功能是什么？

炉渣作为熔融金属的保护层，因为它漂浮在其表面并保护金属免受氧化。