钢铁是怎样炼成的？ 科普··· ··· 2013-01-24  钢铁是我们熟悉的一个名词，也是我们生活中离不开的东西。生活中到处都有钢铁的影子，大到火车、轮船，小到别针、发卡。没有人能够离开钢铁。钢铁的产量与质量简直可以衡量一个国家的实力。 现在我们就来认识一下钢铁的由来。首先，我们要了解一下铁。铁是一种化学元素，它是地球中最多的元素，约占35%。铁在太阳系以及宇宙中也非常多。但是在大自然中，我们见不到纯净的铁，它们都与其他元素混合在起，以铁矿的形式存在着。下面从上至下是四种最重要的铁矿石：赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿。     将铁矿和焦碳、石灰石一起进行熔炼就能够得到我们常见到的金属铁啦。 
 炼出来的 炼铁用的设备叫高炉，也称为鼓风炉。它的形状像一个筒。炼铁的方法就是从炉顶加入矿石、焦炭和石灰石，从炉底部向炉内通入加压空气，在焦炭燃烧时，矿石、石灰石与焦炭一起发生反应，最终形成铁水和炉渣。
此时进入炉内的预热空气可达900至1250摄氏度高温，这样的高温气体进入炉内后会与焦炭发生剧烈反应，生成煤气（一氧化碳）同时沿炉子内部上升，达到1650摄氏度，使炉料变成铁水和渣。炉腹是高炉最热的部位，因为那里是空气与焦炭激烈反应（也就是燃烧）的地方。为了保护外壳为钢板的炉子不被烧坏，人们在炉子的内部砌上耐火材料。在炉壁内还嵌有冷水循环系统、喷水装置等。由矿石生成的铁水聚集在炉缸内，炉缸装着出铁水的出铁口和出渣的出渣口。因为炉渣比铁水要轻，是飘浮在铁水上的，所以出渣口在出铁口的上方。大型高炉的出铁口和出渣口都不只一个。看一些示意图吧。
每次出铁间隔30～60分钟。放出来的铁水要流进铁水罐（见下图），然后被运到炼钢厂进行炼钢，也可以就近进行生铁的铸造。
出铁时用电钻将出铁口打通，让铁水顺着铁水沟流入铁水罐。出完铁水后，用一种叫泥炮的机器将封堵出铁口用的堵口泥打进出铁口，封住这个出口。出铁后过一会儿就开始排放炉渣。炉渣有专门的渣罐来盛接，装满后运走。因为高炉是连续作业的，所以下面出渣时，炉内的剧烈燃烧依旧，当炉渣快出完时，正在炉渣上面熊熊燃烧的炉料也到了出渣口附近，此时的场面将非常壮观——有火焰从出渣口喷出。这时就要将出渣口封堵住。一般高炉有两个出渣口，现代一些巨型高炉减少了出渣量，便不再设出渣口，让炉渣随着铁水一起从出铁口流出，然后再清理掉炉渣。高炉出铁出渣的地方也叫高炉出铁场，这里是高炉最繁忙的地方。我们一般在电影电视上看到工人们挥汗在炉前工作的景像，其实都是在高炉出铁场拍摄的。（见下图）
在18世纪以前，人们炼铁还没有使用焦炭而是使用煤或木炭。那时的高炉也很小，到20世纪初，美国的大型高炉也还只是日产几百吨铁。19世纪中期，人们发明了热风吹入高炉的方法而不再吹冷风，20世纪初革新了高炉鼓风机，高炉炼铁便得到了迅速的发展。现代的高炉高度为20多米到30多米，真径6到14米，每天可生产1千到1万吨生铁。 过去的小型高炉炉壁没有冷却设备，19世纪60年代高炉开始使用水进行冷却。冷却的方法有多种，而且因为高炉各区域的温度不一样，所采取的冷却方式也有所不同。有的地方用水箱，有的地方喷水，有的地方通风等等。带走高炉热量的水经冷却后再重复使用。 到此，我们算是对高炉及炼铁有了一个大概的认识了。其实高炉只是进行治炼的一个设备，与它相关的还有很多辅助系统设施。下面我们就来认识一下这些设备吧。 高炉有一个供料和装料系统为它服务，包括储存、输送、提升、装炉等设备。一般都是用火车或皮带运输机的方式将矿石、焦炭、石灰石等从原料场、炼焦厂运到高炉的贮料槽中。前面说过，高炉是连续作业不能中断的，所以这些贮料槽都与高炉的容积有一定的比率，要够高炉吃上几顿。这些原料在进入高炉前还要由筛分器筛分，再装到称量车中称量，再卸到高炉的料罐中，最后由料罐送上高炉顶部倒入炉内。现在大型高炉都使用带式输送机往炉内装料了（见下图）。
这种输送带有点像我们在超市使用的滚式电梯，只不过没有那么陡。它的上面都是炉料，以每秒2米的速度向高炉送料。在高炉顶部还要有一个装料设备，因为如果一股脑将炉料倒进炉中，会造成炉料在炉中分布不均匀。炉料分布不均匀就会形成局部气流堵塞，不能充分利用高温煤气的能量。还容易对高炉内部造成损坏。装料设备有多种布料方式。过去采用人工装料时，炉顶是敞开式的，现在则为封闭式。封闭后的炉顶内部压力一般在一到二个半大气压，最高可达3个大气压。这个压力已经超过小汽车轮胎的气压了。提高压力可提高产量和品质。
我们经常看到高炉旁边会立着几个大罐子模样的东西，那就是热风炉。它的作用是向炉内提供热风，那它的热量是怎么来的呢？原来，在热风炉内有很多耐火砖砌成的格子，在高炉炼铁时产生的煤气最后被送到这里进行燃烧。这里就是一个火的世界。等大火把热风炉内的耐火材料烧得通红后便停止燃烧，再将鼓风机输向高炉的空气经过这里逛上一圈，等这些空气出了热风炉时，温度就可高达1350摄氏度啦。这样的热风吹到哪儿，哪就会倾刻间化为乌有。一旦这个热风炉内的耐火砖温度降低，它便会再次燃烧起来，而这时另一个达到温度要求的热风炉便接替它开始工作。这就是为什么在高炉旁边会有几个热风炉的原因啦。在热风炉上接着冷风管和热风管，鼓风机将大量的冷空气压入热风炉，被加热后的热风再从热风管吹进高炉内。热风管上设有倒流风管，当这个热风炉暂停供风时，可以防止高炉内的煤气倒流进来。因为热风管内的空气温度极高，所以热风管内也要砌上耐火砖。 接下来，我们再了解一下高炉炼铁所需的原料。这些原料主要有铁矿石、石灰石和焦炭。石灰石在炼铁原料中又被称为熔剂。矿石和焦炭等在熔炼的过程中会形成一些炉渣，如果这些炉渣形成的块儿过大，则不能在炉内流动下降，最终堵塞高炉。加入石灰石可以降低矿石和焦炭在形成炉渣时的熔点，这样就可以形成容易流动的小块儿炉渣了（见下图）。将运出来的炉渣顷倒，冷却后可以再利用。
焦炭在炼铁的过程中不仅仅起燃烧加热矿石的作用，它还是一种还原剂。因为铁矿石中的铁是一种氧化铁，要它变成金属铁需要去掉其中的氧，鼓风机吹进高炉中的氧气与焦炭的燃烧会生产一氧化碳和氢气，这个过程中会除去矿石中的氧，从而得到还原铁，。所以焦炭也叫作还原剂。除此之外，焦炭在高炉中还承担着支撑其他原料的骨架作用。生产焦炭的成本很高，所以为了节省焦炭，可以从高炉的风口喷吹一些重油、天然气和煤粉。铁矿石的含铁量高叫富矿，含铁量低的则叫贫矿。贫矿不能直接进入高炉炼铁，要先经过选矿和造块，把它们变成人造富矿后再送入高炉。粉状铁矿不能直接加入到高炉中，它须要被造成粒状，称为造块。造块的方法是将它们与石灰石、焦炭等按比例配合并加水制成颗粒，然后在烧结机上进行烧结。（见下图）。
露天采矿场 下面是洗矿、选矿 现在我们来了解一些高炉的操作情况。首先是开炉，即新建成或新维修好的高炉点火进入生产的过程。高炉生产了若干年后，炉内的耐火材料（见下图）会受到损坏，如果继续生产会增加成本或发生事故。
这时就需要停炉进行维修，一般视需要更换的具体情况分为大修、中修和小修。高炉从开炉到停炉的时间称为高炉的寿命，有些高炉的寿命可以长达十几年。因为要更换风口、出渣口或其他一些小修理而暂时停止向炉内供风叫休风。有时休风只数分钟，有时则长得多。如果要停产一段时间，就要在炉内多装入焦炭，少装入矿石，然后停止供风，将风口和出渣口用耐火砖封堵，这叫封炉。休风和封炉期间，炉内仍然是有炉料而且仍然是高温状态，只不过燃烧得不那么剧烈罢了。这是因为不能让高炉彻底凉下来，否则损失太大。如果原料在炉中不能顺利下降，叫“难行”，“难行”严重了会完全停止下降，那就是“悬料”。悬料积多了会突然掉下去，叫“崩料”。这些都是高炉不正常的情况。有些情况下高炉内壁上会结一些炉瘤，这是高炉生产最危险的事情。去除炉瘤有很多办法，甚至采用爆炸的方法。 高炉的产品主要是生铁，副产品是炉渣和煤气。其中生铁有些要送到炼钢厂继续冶炼成钢，有些则被送到铸造厂去铸造成生铁制品（见下图）。炼钢用的生铁和铸造用的生铁在成分上会有所不同。有的铁矿石中含有铜、镍等金属，这样炼出的生铁也会含有这些元素而成为特殊生铁。特殊金属有一定的抗腐蚀性和机械性能，但含量过高也不好，可以对多余的金属成分进行脱除。炉渣可以用作建筑材料，比如制成水泥、铺路等。高炉中产生的煤气是一种可燃气体，它主要被用来对热风炉进行加热，除此以外，因为从高炉中出来的煤气具有很高的压力，人们便用它推动涡轮机旋转，带动发电机发电，然后再进入热风炉中燃烧。 上图为浇铸生铁锭，下图是一些常见的生铁制品。
下面我们来看一看炼钢吧 前面我们说过，铁在生产、生活中大都是作为钢来应用的。钢与铁的区别主要在于含碳量。将生铁炼成钢的过程主要就是去掉其中多余的碳。我们还知道，钢也被称为铁和碳的合金。因此，炼钢就是将铁在高温中（约1600摄氏度）进行熔化、净化（或称精炼）和合金化的一个过程。一般来说，就是将生铁（铁水、铁块）和废旧钢制品在炉中精炼，得到不同性能的钢。精炼过程主要包括用燃烧的方法去除掉生铁中过量的碳和硅以及锰和磷等杂质。这些杂质要么变成气体冒出去，要么变成残渣被清除掉。精炼时还可以根据需要加入某些其他元素。
炼钢时加入废旧钢铁是为了节约能源和资源。因为废旧钢铁本身已经过冶炼，冶炼它们省去了先冶炼矿石得到铁水后再冶炼成钢的过程，这样成本要低得多。而且钢铁的资源也需要节约。同时，全世界每年产生的废钢铁也非常多。
转炉炼钢也叫做空气转炉炼钢。转炉的炉体可以转动，用钢板做外壳，里面用耐火材料做内衬（见下图）。
转炉炼钢时不需要再额外加热，因为铁水本来就是高温的，它内部还在继续着发热的氧化反应。这种反应来自铁水中硅、碳以及吹入空气中的氧等元素。因为不需要再用燃料加热，故而降低了能源消耗，所以被普遍应用于炼钢。早期用转炉炼钢时，人们向转炉内吹入的是一般空气，后来发现空气中的氮气太多，影响钢的质量。于是改为吹入纯氧气。吹入的气体可从炉底部、顶部和侧部进入，从顶部吹入的就叫氧气顶吹转炉。过去采用底吹法，吹气喷嘴容易被高温损坏，人们就改为顶吹，但顶吹不如底吹更能充分进行氧化反应。后来人们有了冷却喷嘴的办法，并开始出现顶吹加底吹的复合法。现在这种技术已经普遍应用。 吹入炉内的氧气与铁水中的碳发生反应后，铁水中的碳含量就会减少而变成钢了。这种反应本身就会发出热量来，因而铁水不但会继续保持着熔化状态，而且可能会越来越热。因此，为调整铁水的适合温度，人们还会再加入一些废钢及少量的冷生铁块和矿石等。同时也要加入一些石灰、石英、萤石等，这些物质可以与铁水在变成钢水时产生的废物形成渣子。因此，它们被称为造渣料。转炉内部也要有一层隔热保温的耐火材料。这些耐火材料如果是用镁砂或白云石做的，则为碱性转炉，如果用硅材料做则为酸性转炉。两种转炉对生铁中的一些杂质会有不同的影响，比如酸性转炉不能去除生铁中的硫和磷，因此它只能炼优质生铁。 平炉（见下图）炼钢是需要燃料的，它以煤气或重油的火焰来加热生铁和废钢并使它们熔化，进而精炼成钢水。显然，平炉炼钢要比转炉炼钢耗费能源。
燃料及空气在蓄热室及平炉中通过示意图，下面是平炉车间 但是平炉可以使用大量废钢材，不像转炉那样加入过多的废钢会使铁水冷却。有些铁水转炉不能接受，但平炉不会那样挑剔。平炉能炼的钢种类比转炉多，质量也好。平炉炼钢时也可以吹进氧气加速精炼的速度与质量。平炉由熔炼室、炉头、上升道、沉渣室、蓄热室、换向阀、烟道、烟囱等组成。熔炼室是平炉的中心部分，前面有装料炉门、后面底部有出钢口。熔炼室底部为熔池，是钢水聚集的地方。平炉炼钢时，从炉头进来的燃料和空气在熔炼室内混合并燃烧，从炉门装入的原料在熔炼室熔池内熔化和精炼。其他各部分对称地布置在熔炼室两侧，起着向熔炼室输入空气、燃料或从熔炼室排出废气的作用。平炉的蓄热室很重要，它的作用是利用炉中排出的高温废气来加热进入平炉的空气和燃料，以进一步提高平炉内的温度。蓄热室的作用有点类似炼铁高炉的热风炉，其内部也是由耐火砖砌成格子通道。将这些砖加热后，通过其间的空气和燃料就会被加热。平炉容量很大，可高达600吨，通常会有好几个炉子在一起共同使用其他辅助设备。 电弧炉（见下图）也是需要热源的，它的热源是电能。
现在还可以对钢水进行炉外精炼，以提高钢的质量或特性。炉外精炼通常采用真空、喷吹惰性气体、搅拌、加热等等。
炼好的钢水需要进行浇涛，以使它们具有某种形状。有些浇铸成钢制品的形状，有些则浇涛成大块的钢锭，然后这些钢锭还要进行各种轧制（轧钢），以形成多种钢材，如钢板、钢筋、钢条等等。 前面我们知道了铁矿是如何被炼成铁水进而又被炼成钢。经过了两次冶炼，我们终于得到了钢水，下一步就是要将钢水变成钢制品了。钢水可以先被浇入一个模子（铸模）中，让它凝固成钢锭。以后根据需要再把钢锭加热进行各种轧制；也可以让钢水流入一个装置中，不等它冷却就直接进行轧制，这样的轧制是连续的，一头是流动的钢水，一头就是轧出的产品。这叫连续浇铸法。钢水也可以直接浇铸成多种产品，这需要先做出一个和产品完全对应的模具，然后将钢水浇进去，待钢水凝固后打碎模具取出产品。 对钢的加工分可为冷加工和热加工。热加工需要对钢进行加热，然后再进行锤击、冲压、模压和轧制。其中锤击和冲压又被称作锻造。轧制是应用最广的加工方法，它主要是使钢在两个转动的轧辊间通过，钢的温度和两个轧辊间的压力、距离及速度相配合，就能轧制出不同的钢制品。这有点像我们看到过的压面条的方法。冷加工也有轧制，还有挤压和拉制。冷加工通常比热加工得到的产品要精细些，一般都是在热轧后进行冷轧。
轧制钢圈 轧制钢条 轧制钢板 轧制时的钢锭与轧辊 现代化的大型轧机与传统艺人的手工锻造 谢谢浏览 |
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