高炉

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高炉是炼铁的一种设施，也是目前最具有规模经济的炼铁法。

## 历史

目前已知最古老的高炉，源于中国西汉时代（公元前1世纪）的熔炉。根据出土的中国文物，可发现早在纪元前5世纪，铸铁熔炼就以已经实用化。初期熔炉内壁是用粘土盖的，以提炼含磷铁矿。西方最早的熔炉，则源于瑞典，在1150年到1350年间出现。

1709年，使用石炭的近代高炉问世。由于欧洲当时森林多用途砍伐，导致木炭产量减少、被迫开发使用石炭的炼铁法导致新技术出现，并大幅增加炼铁效率。

日本第一个现代高炉，是岩手县釜石市的大桥高炉。其由大岛高任设计，安政4年（1857年）11月26日点火，12月1日第一批铁产出。这天也定为日本打铁业纪念日。大桥高炉的遗迹于2015年获登录为世界遗产。

由于高炉炼铁可连续生产不间断，大批大量生产铁水可直接铸造生铁，所以有稳定、大量的社会需求是高炉生产的前提。在钢铁行业不景气的时期，如2008年底至2009年上半年，维持高炉生产即便相当于“每天把一辆奥迪开到海里”，也不能轻易停炉，因为那将导致几千万元的更大损失。

## 高炉生产法

高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。

鼓风机送出的冷空气在热风炉加热到800～1350℃以后，经风口连续而稳定地进入炉缸，热风使风口前的焦炭燃烧，产生2000℃以上的炽热还原性煤气。上升的高温煤气流加热铁矿石和熔剂，使成为液态；并使铁矿石完成一系列物理化学变化，煤气流则逐渐冷却。下降料柱与上升煤气流之间进行剧烈的传热、传质和传动量的过程。

下降炉料中的毛细水分当受热到100～200℃即蒸发，褐铁矿和某些脉石中的结晶水要到500～800℃才分解蒸发。主要的熔剂石灰石和白云石，以及其他碳酸盐和硫酸盐，也在炉中受热分解。石灰石中CaCO3和白云石中MgCO3的分解温度分别为900～1000℃和740～900℃。铁矿石在高炉中于400℃或稍低温度下开始还原。部分氧化铁是在下部高温区先熔于炉渣，然后再从渣中还原出铁。

石炭在高炉中不熔化，只是到风口前才燃烧气化，少部分焦炭在还原氧化物时气化成CO。而矿石在部分还原并升温到1000～1100℃时就开始软化；到1350～1400℃时完全熔化；超过1400℃就滴落。焦炭和矿石在下降过程中，一直保持交替分层的结构。由于高炉中的逆流热交换，形成了温度分布不同的几个区域：

1区是矿石与焦炭分层的干区，称块状带，没有液体。

2区为由软熔层和石炭夹层组成的软熔带，矿石开始软化到完全熔化。

3区是液态渣、铁的滴落带，带内只有石炭仍是固体。

4风口前有一个袋形的石炭回旋区，在这里，焦炭强烈地回旋和燃烧，是炉内热量和气体还原剂的主要产生地。

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制钢过程铁矿石 铁矿石↓高炉 高炉 - 从铁矿石炼出铁↓镕洗预备处理 - 杂质酸化↓转炉 转炉 - 杂质取出↓二次精炼 二次精炼 - 成分微调↓连续铸造 连续铸造 - 成特定形状↓压延 压延 - 半成品加工的粗料↓钢

### 反应过程

炭的燃烧产生一氧化碳、二氧化碳。

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

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

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

一氧化碳和铁矿石产生氧化还原反应公式。

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

实际上还原反应又细分以下三阶段。

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

反应过程温度以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

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

### 杂质除去

原矿普遍含有杂质SiO2。通常会加入灰石（主成分CaCO3）作为氧化剂，而不是石灰（CaO）产生粘性反应去除杂质产生矿渣偏硅酸钙（CaSiO3）。

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

子反应。

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

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

### 闷炉

高炉和炼焦炉一样，一旦点火后就不能轻易停止运行，否则会使得炉体受到严重损伤。在经济不理想的情况下，企业压缩生产，但又不得停火，所以只能降低炉温，使得炉子处于保温状态，延长产品出炉的时间，减少营运成本。这种行为行内称为闷炉。

## 各地区现况

### 中国大陆

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中国有高炉的钢厂有首钢、包钢、宝钢、鞍钢等，其中宝钢高炉是4063立方米，日产生铁超过10000吨，炉渣4000多吨，日耗焦4000多吨。

首钢石景山厂区停产后，四座旧高炉留作他用。

### 日本

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日本有高炉的炼钢厂：

- 日本制铁：7座（室兰、日本制铁东日本制铁所君津地区、鹿岛、名古屋、和歌山、八幡、大分）
- JFE：4座（京滨、千叶、仓敷、福山）
- 神户制钢所：2座（神户、加古川）
- 日新制钢：1座（吴）

合计14座机组

### 台湾

台湾最早的高炉始自十大建设时期中国钢铁公司自美国引进技术安装后，此后30年来完全独占台湾高炉炼钢产能，直到2006年中龙钢铁跟进建设新高炉后才算是打破此局面，但中龙钢铁仍属中国钢铁公司旗下100%持股之子公司，故中钢集团目前仍算独占台湾高炉炼钢产能；随后虽有其他厂商希望跟进，但是在环保意识逐渐高涨下，高炉产生的大量二氧化碳使得中华民国政府受到环境保护团体压力，目前在台几乎已不可能再加入其他的高炉厂。

- 中国钢铁：4座（高雄）
- 中龙钢铁：2座（台中）

### 越南

- 台塑河静钢铁：台塑集团与中钢及JFE合资，于河静省建设2座高炉，一号高炉原预计于2016年6月25日点火，因官方审批作业未完成而延后，直到2017年5月29日点火、30日产出第一批铁水。

### 美国

- 美国米塔尔钢铁公司（Mittal Steel USA）原铁2005年年产量2千万吨
- 美国钢铁公司 原铁2005年年产量2.12千万吨
- AK钢铁集团 （AK Steel Group）铁制品2005年年产量640万吨
- 纽柯公司 （Nucor Corporation）售出2006年2千2百11.8万吨，2006年净销售额147.513亿美元

## 参考

### 书籍

- 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.