高炉炼铁原理（初中化学高炉炼铁的原理）

建設小高炉以“士”为主,它是具有现代钢鉄厂所沒有的优点如:投少、設备简单、技术容易为群众所掌握、建設时間短等等。建立座8立方公尺的高炉,可获得年产3000吨的生铁。

一般高炉构造如同人身一样,可分为几部分:1一缸;2一熽腹;3一腰;4一炉身(胸);5-炉喉。为了保护熽底不受到煤气、炉渣的冲刷和侵蚀,口下部常保留一层水,称为死层,一般高度在300~400毫米。爐缸部分有出铁口、出渣口及进风口。所以要做成这个形状,是由于必須給炉内发生的各种冶炼过程:炉料自上而下的下降,煤气自下而上的流动,以及一系列的物理化学变化的进行,创造良好的条件。

高爐的大小以高炉有效容积来表示,即高炉出铁口中心至高炉料鐘下降之間的容积。

高炉的有效高度即指高爐出鉄口中心至料鐘下降的高度。高炉的全高即指高炉出鉄口中心至炉頂平台的全部高度。

高炉炉料首先加入炉喉,上面有料鐘和料斗，料斗旁有一个探料孔,可炉料的高低。为了使炉料順利下去,且易于安装炉喉保护板(防止料打坏炉墙),所以将炉喉做成园筒形。炉喉侧面有煤气管(小高炉通常是一个),引导煤气,过除尘器等去尘后,送往热风炉燃烧。多余的煤气可以经放散閥放散或烧掉,炉喉的温度大約500~700°c

炉身主要作用是预热还原矿石。炉身区域內的温度,上部約800~1,000°C,下部1,000~1,200°C。由于炉料下降受热,因而体积膨胀,同时一氧化碳分解产生的碳黑,沉积在炉料中,使炉料透气性变坏。为了使煤气很快的通过,必须疏松料块因此炉身的形状为上小下大的平锥形,其底下的炉腹角一般在85~87°。

炉腰主要的作用是还原,液态的炉渣和铁开始生成,温度的在

1,200~1,300°C。由于反应变化不大,故做成筒形它的直比炉缸直径大1.5倍左右。为了砌筑方便,地方一些土高炉亦可不要这部分。

炉腹的主要作用是矿石进行直接还原的区域,矿石在此已全部成为液体，焦炭逐渐下降，到风口部分全部熔化，所以体积縮小 ，因此这部分做成上大下小的倒平锥形。爐腹下部温度在1300~1,400°C。

炉缸的作用主要是貯铁水和渣水,但也有一部分直接还原和鉄水的渗碳、脱硫等作用。它的形状为直圆筒形,下面有一个出铁口,上面有一个出渣口,再上面是进风口。从风箱打出来的冷风通过热风炉加热,从风口打入爐内。风口外端有一个窥孔可以观察炉内温度和炉内情况。这里温度在1,400~1500(风口燃燒焦点的温度可达1,800~2,000℃或更高),因此这里的炉墙要求有高的耐火度和强度,并且要有抗、抗渣的侵触能力砌磚时因而要求炉缸、炉底的磚缝不大于0.5毫米。

一般高炉外壳都用钢板(为了保证有一定的强度和密封性),鋼材产量不能满足需要的情况下,小高爐,尤其是土高爐,一般外部都用紅磚来代替。

高炉炉料从炉頂的加料斗按料批(指的一次装进炉内重量,包括矿石、石灰石和燃料)装人高炉中去。点火以后,把空气从高炉下部的进风口打进去。空气中大的含有五分之一助燃的氧气和五分之四不助燃的氮气,所以当空气在子里遇到了赤紅的焦炭,就发生高温和强烈的火焰。焦炭很快地和空气中的氧化合生成碳酸气(二氧化碳),即叫做焦炭的燃燒,用化学方程式表示就是:C(碳)+O2(氧)→CO2(二氧化碳)

空气中的氮气不发生变化而和二氧化碳一起上升,二氧化碳遇着紅热的焦炭就生成一氧化碳,此时燃放出大量的热量,使煤气温度升得最高。

CO2(二氧化碳)+C(碳)→CO(一氧化碳）

大量的一氧化碳和鼓风中的氮气一起上升,将矿石里的氧化物还原。同时,炉料又继续不断地从炉頂装人从高拉炉上部逐漸下降。所以高炉內的反应和变化是由二大相对的流动在进行着的,即一种是从下到上的煤气的气体运动,一种是从上到下的固体爐料运动。

炉料里铁矿石大多是铁的氧化物〔如Fe3O4(四氧化三铁),Fe2O3(三氧化二铁)等,一般铁的氧化物还原顺序都是高級到低級的,即Fe2O3(三氧化二铁)→Fe3O4(四氧化三铁）→FeO(一氧化铁)→Fe(铁)的。

炉料加人高炉内不久,三氧化二铁就被一氧化碳还原成四氧化

三铁:3Fe2O3(三氧化二铁)+co(一氧化碳)→2Fe3O4(四氧化三铁)+CO2(二氧化碳)

炉料继续下降,四氧化三铁又被还原为一氧化铁。

Fe3O(四氧化三铁)+co(一氧化碳)->3FeO(一氧化铁)+CO2(二氧化碳)

生成的一氧化铁再被一氧化碳还原,就变成海綿状的铁。

EeO(一氧化铁)+CO(一氧化碳)→Fe(铁)+CO2(二氧化碳)

这种氧化物完全被气态CO(一氧化碳)或H2(氫)还原的反应

叫做间接还原。此外在高温区液态的氧化物可直接被固体碳还原。这种反应叫做直接还原,如:FeO(液态一氧化铁)+C(固体碳)→Fe(铁)+CO2(二氧化碳)。因为固体碳不能进人到矿石中去,同时二者的接触面很小，只有当铁、渣已成液体状态与红热的焦炭接触很好时,固体碳才能直接还原其中的一氧化铁,但在高炉中类似此种形式还原出来的Fe(铁)的数量是很小的,所以高爐內直接还原,主要还是通过气体的还原剂来进行的,如方程式:

一氧化碳过还原作用变成的二氧化碳,未起作用的一氧化碳,不起作用的氮气,和石灰石分解出来的二氧化碳,从炉顶逸出,这就是高炉煤气。

铁氧化物还原后生成海綿状的铁,逐漸下降,吸收了一些杂质,其中主要的有矽、錳、磷、硫等,同时铁經过渗碳,使其熔点大为降低,高炉下部燃烧生成的高热就把它变成液体,这就是鉄水。

铁矿石除了氧化铁外,还有一部杂质,如二氧化矽、三氧化二鋁等这些杂质又称脉石。此外焦炭燃烧后,也留下一些灰烬，其中主要成份也是二氧化矽、三氧化二铝等。这些成份的脉石,熔点都很高,熔化温度高达1,700~1,750°C,这是高炉炉缸内不是经常可以达到的,因此必须加入熔剂(石灰石),降低其熔点。在通常的炉温下,就能使其熔化,和铁分离,成为炉渣,从渣口流出。加入的石灰石量和炉渣所需的硷度有关。炉渣中CaO(氧化钙)／SiO2(二氧化矽)的比值称硷度，硷度大小决定于炉渣的性能。当炉渣中CaO/SiO2比值=0.9—1.1时,炉渣的熔化性最低,而过多的大于1小于1时都会使熔化性升高(炉渣的熔化性指炉渣自由流动时的温度),熔化性高的炉渣,炉缸的温度就较高,之则低;CaO(氧化钙)在炉渣有脱硫作用,即能去除生中的硫。

FeS(硫化铁)+CaO(氧化钙)+o(一氧化碳)→Fe(铁)+CaS

(硫化鈣)+CO(二氧化碳)

因此炉渣的硷度愈高,一般的脱硫能力亦愈大。当炉渣中CaO/SiO2比值=1时,流动性很好,比值过多大于1(过硷的渣)或小于1(过酸的渣)都使炉渣变稠,这样就很难从高炉流出,不但阻塞缸,生成瘤,而且硫亦困难。因此选擇合适的爐渣硷度是必要的。通常高冶炼时炉渣CaO/SiO2的比值在1.05~1.2之间。

因此确定炉渣的硷度后,所需加人的石灰石量就可算而得了。

铁水和炉渣都沉在炉底。每隔一时間,在出铁口处放出。

铁水比重大,沉在下面,渣比较轻,浮在鉄铁水上面出铁前从渣口放出来的渣称上渣,出铁时从铁口和水一起流出来的称下渣,要求放出的上渣愈多愈好,一般上渣占渣量的2/3。高炉冶炼最后所得的主要产品为生,其余的为炉渣、煤气和煤气中清除下炉尘。

以上便是土法高炉炼铁的全过程