高爐

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高爐是煉鐵的一種設施，也是目前最具有規模經濟的煉鐵法。

## 歷史

目前已知最古老的高爐，源於中國西漢時代（西元前1世紀）的熔爐。根據出土的中國文物，可發現早在紀元前5世紀，鑄鐵熔煉就以已經實用化。初期熔爐內壁是用粘土蓋的，以提煉含磷鐵礦。西方最早的熔爐，則源於瑞典，在1150年到1350年間出現。

1709年，使用石炭的近代高爐問世。由於歐洲當時森林多用途砍伐，導致木炭產量減少、被迫開發使用石炭的煉鐵法導致新技術出現，並大幅增加煉鐵效率。

日本第一個現代高爐，是岩手縣釜石市的大橋高爐。其由大島高任設計，安政4年（1857年）11月26日點火，12月1日第一批鐵產出。這天也定為日本打鐵業紀念日。大橋高爐的遺跡於2015年獲登錄為世界遺產。

由於高爐煉鐵可連續生產不間斷，大批大量生產鐵水可直接鑄造生鐵，所以有穩定、大量的社會需求是高爐生產的前提。在鋼鐵行業不景氣的時期，如2008年底至2009年上半年，維持高爐生產即便相當於「每天把一輛奧迪開到海裡」，也不能輕易停爐，因為那將導致幾千萬元的更大損失。

## 高爐生產法

高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續生產過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，並使爐喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內形成交替分層結構。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和渣，聚集在爐缸中，定期從鐵口、渣口放出。

鼓風機送出的冷空氣在熱風爐加熱到800～1350℃以後，經風口連續而穩定地進入爐缸，熱風使風口前的焦炭燃燒，產生2000℃以上的熾熱還原性煤氣。上升的高溫煤氣流加熱鐵礦石和熔劑，使成為液態；並使鐵礦石完成一系列物理化學變化，煤氣流則逐漸冷卻。下降料柱與上升煤氣流之間進行劇烈的傳熱、傳質和傳動量的過程。

下降爐料中的毛細水分當受熱到100～200℃即蒸發，褐鐵礦和某些脈石中的結晶水要到500～800℃才分解蒸發。主要的熔劑石灰石和白雲石，以及其他碳酸鹽和硫酸鹽，也在爐中受熱分解。石灰石中CaCO3和白雲石中MgCO3的分解溫度分別為900～1000℃和740～900℃。鐵礦石在高爐中於400℃或稍低溫度下開始還原。部分氧化鐵是在下部高溫區先熔於爐渣，然後再從渣中還原出鐵。

石炭在高爐中不熔化，只是到風口前才燃燒氣化，少部分焦炭在還原氧化物時氣化成CO。而礦石在部分還原並升溫到1000～1100℃時就開始軟化；到1350～1400℃時完全熔化；超過1400℃就滴落。焦炭和礦石在下降過程中，一直保持交替分層的結構。由於高爐中的逆流熱交換，形成了溫度分布不同的幾個區域：

1區是礦石與焦炭分層的干區，稱塊狀帶，沒有液體。

2區為由軟熔層和石炭夾層組成的軟熔帶，礦石開始軟化到完全熔化。

3區是液態渣、鐵的滴落帶，帶內只有石炭仍是固體。

4風口前有一個袋形的石炭迴旋區，在這裡，焦炭強烈地迴旋和燃燒，是爐內熱量和氣體還原劑的主要產生地。

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製鋼過程鐵礦石 鐵礦石↓高爐 高爐 - 從鐵礦石煉出鐵↓鎔洗預備處理 - 雜質酸化↓轉爐 轉爐 - 雜質取出↓二次精煉 二次精煉 - 成分微調↓連續鑄造 連續鑄造 - 成特定形狀↓壓延 壓延 - 半成品加工的粗料↓鋼

### 反應過程

炭的燃燒產生一氧化碳、二氧化碳。

$$\rm 2C +O_2 \longrightarrow 2CO$$

$$\rm C + O_2 \longrightarrow CO_2$$

$$\rm CO_2 + C \ \overrightarrow\longleftarrow \ 2CO$$

一氧化碳和鐵礦石產生氧化還原反應公式。

$$\rm Fe_2O_3 + 3CO \longrightarrow 2Fe + 3CO_2$$

實際上還原反應又細分以下三階段。

$$\rm Fe_2O_3 \longrightarrow Fe_3O_4 \longrightarrow FeO \longrightarrow Fe$$

反應過程溫度以T表示

320℃ < T < 620℃

$$\rm 3Fe_2O_3 + CO \longrightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2$$

620℃ < T < 950℃

$$\rm Fe_3O_4 + CO \longrightarrow 3FeO + CO_2$$

950℃ < T

$$\rm FeO + CO \longrightarrow Fe + CO_2$$

### 雜質除去

原礦普遍含有雜質SiO2。通常會加入灰石（主成分CaCO3）作為氧化劑，而不是石灰（CaO）產生粘性反應去除雜質產生礦渣偏矽酸鈣（CaSiO3）。

$$\rm SiO_2 + CaCO_3 \longrightarrow CaSiO_3 + CO_2$$

子反應。

$$\rm CaCO_3 \longrightarrow CaO + CO_2$$

$$\rm CaO + SiO_2 \longrightarrow CaSiO_3$$

### 悶爐

高爐和煉焦爐一樣，一旦點火後就不能輕易停止運行，否則會使得爐體受到嚴重損傷。在經濟不理想的情況下，企業壓縮生產，但又不得停火，所以只能降低爐溫，使得爐子處於保溫狀態，延長產品出爐的時間，減少營運成本。這種行為行內稱為悶爐。

## 各地區現況

### 中國大陸

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中國有高爐的鋼廠有首鋼、包鋼、寶鋼、鞍鋼等，其中寶鋼高爐是4063立方米，日產生鐵超過10000噸，爐渣4000多噸，日耗焦4000多噸。

首鋼石景山廠區停產後，四座舊高爐留作他用。

### 日本

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日本有高爐的煉鋼廠：

- 日本製鐵：7座（室蘭、日本製鐵東日本製鐵所君津地區、鹿島、名古屋、和歌山、八幡、大分）
- JFE：4座（京濱、千葉、倉敷、福山）
- 神戶製鋼所：2座（神戶、加古川）
- 日新製鋼：1座（吳）

合計14座機組

### 臺灣

台灣最早的高爐始自十大建設時期中國鋼鐵公司自美國引進技術安裝後，此後30年來完全獨佔台灣高爐煉鋼產能，直到2006年中龍鋼鐵跟進建設新高爐後才算是打破此局面，但中龍鋼鐵仍屬中國鋼鐵公司旗下100%持股之子公司，故中鋼集團目前仍算獨佔台灣高爐煉鋼產能；隨後雖有其他廠商希望跟進，但是在環保意識逐漸高漲下，高爐產生的大量二氧化碳使得中華民國政府受到環境保護團體壓力，目前在台幾乎已不可能再加入其他的高爐廠。

- 中國鋼鐵：4座（高雄）
- 中龍鋼鐵：2座（臺中）

### 越南

- 台塑河靜鋼鐵：台塑集團與中鋼及JFE合資，於河靜省建設2座高爐，一號高爐原預計於2016年6月25日點火，因官方審批作業未完成而延後，直到2017年5月29日點火、30日產出第一批鐵水。

### 美國

- 美國米塔爾鋼鐵公司（Mittal Steel USA）原鐵2005年年產量2千萬噸
- 美國鋼鐵公司 原鐵2005年年產量2.12千萬噸
- AK鋼鐵集團 （AK Steel Group）鐵製品2005年年產量640萬噸
- 紐柯公司 （Nucor Corporation）售出2006年2千2百11.8萬噸，2006年淨銷售額147.513億美元

## 參考

### 書籍

- Archaeological Investigations on the Beginning of Blast Furnace-Technology in Central Europe
- A. Wetterholm, 'Blast furnace studies in Nora bergslag' (Örebro universitet 1999, Järn och Samhälle) ISBN 91-7668-204-8
- N. Bjökenstam, 'The Blast Furnace in Europe during the Middle Ages: part of a new system for producing wrought iron' in G. Magnusson, The Importance of Ironmaking: Technological Innovation and Social Change I (Jernkontoret, Stockholm 1995), 143–53 and other papers in the same volume.