高炉操作技术描述

现代燃煤高炉的操作。高度通常为20–30米。图中显示了炉内等温线的温度。炉内发生的反应显示在右侧；带下划线的元素为溶于铁中的元素。

实验研究提供了关于现代高炉内部发生情况的相当详细的资料，此处即描述这些内容。对于像四川传统使用的那种大型木炭高炉，可以说基本原理相同，但主要区别在于所有温度都较低。对于像大别山那种小型木炭高炉，可以合理假设基本原理大致相同，但可能存在令人意外的差异。

参见示意图。现代高炉连续运行数月或数年，焦炭、矿石和助熔剂从顶部装入，空气通过靠近底部的多个风口鼓入，液态铁和炉渣从底部的出铁口和出渣口分别放出。操作持续进行，直到炉衬因高温损坏严重，必须停炉维修为止。

矿石在入炉前已焙烧，因此其中的铁完全以 Fe₂O₃（氧化铁，赤铁矿）形式存在。高炉中的基本反应是这些氧化物被 CO（一氧化碳）还原，首先还原为 Fe₃O₄（四氧化三铁，磁铁矿），然后还原为 FeO（氧化亚铁，方铁矿），最后还原为金属铁。部分碳（通常约4%（重量））在炉底附近溶解于铁中；在此碳含量下，铁的熔点低于1200°C。

焦炭在风口处的燃烧产生 CO₂（二氧化碳），CO₂ 与碳反应生成所需的 CO。CO 与铁的氧化物反应再次生成 CO₂，CO₂ 又与碳反应生成 CO，如此循环往复。各反应所需的条件见此处的图示。重要的是，还原 FeO 需要高温和炉气中极高浓度的 CO。所需的 CO 浓度在使用木炭作燃料时比使用焦炭时更容易达到（因为木炭反应性更强），因此木炭高炉在较低温度下运行。

假设矿石仅由氧化铁组成，炼铁会很容易。实际上，所有矿石都含有大量二氧化硅（SiO₂）以及其他矿物；这些不需要的物质统称为矿石的脉石。由于高炉必须连续运行，脉石必须以液态形式排出；但其熔点通常远高于还原铁氧化物所需的温度。因此，助熔剂（通常为石灰石 CaCO₃）与矿石和燃料一同装入。助熔剂的选择应使其与脉石形成熔点较低（现代实践中低于1400°C）的炉渣。CaCO₃ 在炉中分解为 CaO（生石灰）和 CO₂，CaO 与 SiO₂ 的混合物的熔点远低于任一单一矿物。炉料中其他矿物，无论是脉石中附带存在的还是有意添加在助熔剂中的，都可能进一步降低炉渣的熔点。在此特别重要的是氧化铝（Al₂O₃）。

石灰石不仅是优良的助熔剂，还具有通过所示反应去除液态铁中硫（S）的特性。在现代实践中，使用含硫量较高的焦炭时，会使用大量的石灰石，使炉渣中的 CaO/SiO₂ 比值高达1.2；在木炭高炉中，硫很少成为问题，因此使用的石灰石量要少得多。

在一些前近代的中国高炉中，未使用助熔剂。在这种情况下，似乎必须满足以下一项或多项特殊条件：（1）所用矿石可能非常富集，即脉石含量很少；（2）矿石可能是“自熔性”的，脉石中含有相当比例的石灰石或氧化铝；（3）木炭可能来自生长在白垩质土壤上的木材，因此含有相当比例的石灰；（4）在操作中，炉衬可能被消耗足够多，从而向炉渣中添加了相当数量的氧化铝或其他矿物；（5）炉子的内部形状可能设计成使少量被还原的铁在炉底附近重新氧化为 FeO，从而为二氧化硅提供非常有效的助熔剂。在前近代的炉子操作中，似乎也可以容忍相当粘稠、与铁分离不佳的炉渣：产品是“带渣铁”，但铸造工、精炼工和搅炼工仍然能够使用而不会遇到大问题。

规模经济

从示意图中可以看出，在炼铁高炉正常操作下，炉身上部附近有一个“相对恒温区”，其中变化很小。这个区域的存在具有重大意义，因为它像一个缓冲器，保护炉身下部区域免受外部扰动的影响。这意味着这种炉子在操作中极其稳定，即使在放大到巨大尺寸时也是如此。因此，炼铁高炉是现代工业中使用的最大机器，其容积通常在1500–3000 m³ 范围内，典型日产量为2500–5000吨，最高可达10,000吨/天。

一般规则是，为达到最大效率，高炉应尽可能大，只要其原材料和劳动力的供应以及产品的市场能够可靠地支持。但不应超过此限度，因为效率还要求高炉连续运行数年；因劳动力或原材料短缺，或因生铁需求下降而导致的操作中断成本，会迅速吞噬预期的规模经济效益。

大型高炉效率更高的主要技术原因似乎有两个。第一，整个炉子的容积更大意味着向周围环境的热损失更少。第二，更高温度和更大容积的还原区意味着更快的还原速度。这两个因素都导致燃料利用效率更高。此外，较大的炉子相对于生产能力所需的投资较小，并且需要的劳动力也相对较少。

最后编辑：DBW，2023年2月23日