炼铁：从原料到生铁的完整生产体系

炼铁作为现代工业体系中至关重要的基础环节，是将含铁矿物转化为可供进一步加工的生铁的过程，其生产质量与效率直接影响钢铁产业乃至下游众多行业的发展。无论是建筑领域所需的钢材、机械制造中的零部件，还是交通运输工具的生产，都离不开炼铁环节提供的优质生铁原料。要全面理解炼铁过程，需从原料构成、核心工艺、关键设备以及产品特性等多个维度展开分析，从而清晰掌握这一复杂工业流程的内在逻辑与运作机制。

炼铁生产的顺利开展，依赖于多种原料的协同作用，不同原料在炼铁过程中承担着独特且不可替代的功能，这些原料的品质与配比直接决定了炼铁的效率和生铁的质量。

一、炼铁的核心原料体系

炼铁原料主要包括含铁原料、燃料和熔剂三大类，每一类原料都有其特定的来源、成分要求和作用，三者共同构成了炼铁生产的物质基础。

（一）含铁原料

含铁原料是炼铁过程中铁元素的主要来源，其核心是铁矿石，常见的铁矿石种类有赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。赤铁矿的化学式为 Fe₂O₃，含铁量通常在 50% – 60% 之间，颜色多为红色或暗红色，由于其结构相对疏松，易于还原，是工业炼铁中应用较为广泛的铁矿石之一。磁铁矿的化学式为 Fe₃O₄，含铁量可达 60% 以上，具有强磁性，这一特性使得它在选矿过程中更容易与脉石分离，从而获得高品位的铁精矿。褐铁矿的成分较为复杂，通常以 FeO (OH)・nH₂O 的形式存在，含铁量相对较低，一般在 30% – 50% 之间，但其分布广泛，且开采成本较低，在一些铁矿资源相对匮乏的地区仍有一定的应用。菱铁矿的化学式为 FeCO₃，在加热过程中会分解产生 FeO、CO₂，其含铁量约为 48.2%，由于分解过程中会释放出 CO₂，在一定程度上可以改善高炉内的透气性，不过其还原难度相对较大，在实际应用中通常需要与其他高品位铁矿石搭配使用。

除了天然铁矿石，钢铁生产过程中产生的废钢、铁合金渣等也可作为辅助含铁原料。废钢主要来源于钢铁制品的报废、生产过程中的切头切尾等，其含铁量高，且杂质含量相对较低，将其加入高炉或转炉中进行冶炼，可以有效降低铁矿石的消耗量，同时减少能源消耗和污染物排放。铁合金渣中含有一定量的铁元素，通过适当的处理工艺，如磁选、重选等，可以回收其中的铁，实现资源的循环利用。

（二）燃料

燃料在炼铁过程中主要起到提供热量和还原剂的双重作用，目前工业炼铁中最主要的燃料是焦炭，同时也会搭配使用喷吹燃料，如煤粉、天然气、重油等。焦炭是由炼焦煤在隔绝空气的条件下经过高温干馏制成的，其具有高强度、高固定碳含量、低灰分、低硫分等特点。在高炉炼铁中，焦炭首先在风口前与鼓入的热空气发生燃烧反应，产生大量的热量，为高炉内的各种物理化学反应提供所需的温度条件，使铁矿石能够顺利还原和熔化。其次，焦炭燃烧产生的 CO 是铁矿石还原的主要还原剂，能够将铁矿石中的铁氧化物逐步还原为金属铁。此外，焦炭在高炉内还起到支撑料柱的作用，保证高炉内气体的顺畅流通，维持高炉的正常顺行。

喷吹燃料是为了降低焦炭的消耗量，降低炼铁成本，同时改善高炉的操作指标。煤粉作为一种常见的喷吹燃料，具有来源广泛、价格相对较低的优势，将煤粉喷入高炉后，能够替代部分焦炭参与燃烧和还原反应，减少焦炭的用量。天然气喷吹则具有燃烧效率高、污染物排放少的特点，其主要成分甲烷在燃烧过程中产生 CO 和 H₂，两者都可以作为还原剂参与铁矿石的还原，同时天然气燃烧释放的热量也能为高炉提供补充热量。重油喷吹则具有能量密度高的特点，适用于一些对热量需求较高的炼铁工况，但由于重油价格相对较高，且燃烧过程中可能产生较多的硫分和灰分，其应用范围相对较窄。

（三）熔剂

熔剂在炼铁过程中的主要作用是与铁矿石中的脉石（主要成分是 SiO₂、Al₂O₃、CaO 等）以及焦炭燃烧产生的灰分发生反应，生成熔点较低的炉渣，从而将脉石和灰分从铁水中分离出来，保证生铁的纯度。常用的熔剂主要有酸性熔剂和碱性熔剂两类，在实际炼铁过程中，通常根据铁矿石和焦炭的成分来选择合适的熔剂类型和用量。

碱性熔剂是工业炼铁中应用最广泛的熔剂，主要包括石灰石（CaCO₃）、白云石（CaCO₃・MgCO₃）等。石灰石在高炉内受热分解生成 CaO 和 CO₂，CaO 是一种强碱性氧化物，能够与脉石中的 SiO₂反应生成 CaSiO₃，与 Al₂O₃反应生成 Ca₃Al₂O₆等低熔点炉渣。白云石分解后除了生成 CaO 外，还会生成 MgO，MgO 的加入可以改善炉渣的流动性和稳定性，提高炉渣的脱硫能力，同时还能减少炉衬的侵蚀，延长高炉的使用寿命。酸性熔剂主要包括硅石（SiO₂）等，当铁矿石中的碱性氧化物含量较高，或者焦炭灰分中的碱性成分较多，导致炉渣的碱度偏高、流动性变差时，加入适量的硅石可以调整炉渣的碱度，使炉渣保持良好的流动性和分离效果。

二、高炉炼铁的核心工艺过程

高炉炼铁是目前工业上生产生铁最主要的方法，其工艺过程复杂，涉及多个物理化学反应环节，整个过程在高炉内连续进行，大致可分为炉料准备、高炉冶炼和产品处理三个阶段。

（一）炉料准备阶段

炉料准备是高炉炼铁的前期基础工作，其目的是为高炉提供成分稳定、粒度均匀、透气性良好的炉料，以保证高炉冶炼的顺利进行。炉料准备主要包括铁矿石的选矿、烧结或球团处理，以及焦炭的制备和筛分等环节。

对于品位较低的铁矿石，首先需要进行选矿处理。选矿过程通常包括破碎、磨矿、选别等步骤，通过破碎和磨矿将铁矿石破碎成细小的颗粒，使其中的铁矿物与脉石充分解离，然后采用磁选、浮选、重选等选别方法，去除脉石中的大部分杂质，提高铁矿石的含铁品位，得到铁精矿。铁精矿的品位一般要求在 60% 以上，才能满足后续冶炼的要求。

为了改善炉料的透气性和还原性，提高高炉的冶炼效率，通常需要将铁精矿制成烧结矿或球团矿。烧结是将铁精矿、燃料（煤粉或焦粉）、熔剂（石灰石粉等）按照一定的比例混合均匀后，铺在烧结机的台车上，通过点火装置点燃表面的燃料，在抽风的作用下，燃料从表层向下逐步燃烧，产生高温，使混合料中的矿物发生熔化、粘结，形成具有一定强度和粒度的烧结矿。球团则是将铁精矿与少量的粘结剂（如膨润土）混合均匀后，在造球机中制成直径为 8 – 15mm 的生球，然后将生球送入球团竖炉或链篦机 – 回转窑中进行高温焙烧，使生球中的矿物颗粒相互粘结，形成强度高、还原性好的球团矿。

焦炭的制备则是通过炼焦工艺完成，将炼焦煤按照一定的配煤方案进行配合后，装入焦炉中，在隔绝空气的条件下，经过高温干馏（通常温度在 1000℃左右），使煤中的挥发分逸出，剩下的固体部分即为焦炭。出炉后的焦炭需要进行冷却、筛分，去除其中的碎焦和粉末，得到粒度符合要求的块状焦炭，一般要求焦炭的粒度在 25 – 80mm 之间，以保证在高炉内具有良好的透气性和支撑能力。

（二）高炉冶炼阶段

高炉冶炼是炼铁过程的核心环节，其本质是在高炉内利用焦炭燃烧产生的热量和还原剂，将铁矿石中的铁氧化物还原为金属铁，并与脉石分离，形成生铁和炉渣。整个冶炼过程是一个连续的、复杂的物理化学过程，涉及还原反应、熔化、造渣、渗碳等多个环节，主要包括以下几个关键步骤：

1. 炉料下降与煤气上升：经过准备的炉料（烧结矿、球团矿、铁矿石、焦炭、熔剂）按照一定的比例和顺序，通过高炉顶部的装料设备（如无料钟炉顶）装入高炉内，形成分层的炉料柱。同时，从高炉底部的风口向炉内鼓入经过预热的热空气（热风温度通常在 1000 – 1300℃），热空气与风口前的焦炭发生剧烈的燃烧反应：C + O₂ = CO₂ + 热量，生成的 CO₂在上升过程中与上层的焦炭进一步反应：CO₂ + C = 2CO – 热量，生成大量的 CO，即高炉煤气。高炉煤气在上升过程中，与下降的炉料进行充分的热交换和物质交换，一方面将热量传递给炉料，使炉料逐步升温；另一方面，煤气中的 CO 作为还原剂，将铁矿石中的铁氧化物逐步还原。
2. 铁矿石的还原过程：铁矿石的还原是一个从高价铁氧化物向低价铁氧化物，最终还原为金属铁的逐步过程。首先，赤铁矿（Fe₂O₃）在高炉上部的低温区（约 400 – 600℃）被还原为磁铁矿（Fe₃O₄）：3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂；随着炉料下降到温度较高的区域（约 600 – 800℃），磁铁矿进一步被还原为浮氏体（FeO）：Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂；最后，浮氏体在高炉下部的高温区（约 800 – 1000℃以上）被还原为金属铁（Fe）：FeO + CO = Fe + CO₂。在还原过程中，H₂也会参与还原反应，其还原机理与 CO 类似，尤其是在喷吹天然气或重油的情况下，H₂的还原作用更为明显。
3. 造渣与渗碳过程：在铁矿石还原的同时，熔剂与铁矿石中的脉石、焦炭中的灰分也会发生化学反应，生成炉渣。炉渣的主要成分是 CaSiO₃、Ca₂Al₂O₅、MgSiO₃等，其熔点通常在 1400 – 1500℃左右，低于铁水的熔点（约 1535℃），因此在高炉下部的高温区，炉渣会先于铁水熔化，并浮在铁水的表面。随着炉料的不断下降和反应的持续进行，铁水和炉渣的量逐渐增加，当达到一定量后，通过高炉底部的出铁口和出渣口分别排出炉外，实现铁渣分离。

在铁氧化物还原为金属铁的过程中，一部分碳会溶解到铁水中，这个过程称为渗碳。渗碳是高炉炼铁中必然发生的过程，其主要原因是高温下铁与碳的亲和力较强，同时焦炭中的碳可以通过直接接触或气相扩散的方式进入铁水。渗碳后的铁水含碳量通常在 3.5% – 4.5% 之间，这也是生铁与钢的主要区别之一（钢的含碳量一般低于 2.11%）。渗碳可以降低铁水的熔点，改善铁水的流动性，有利于铁水的排出和后续的铸造或炼钢处理。

（三）产品处理阶段

从高炉中排出的生铁和炉渣需要经过一系列的处理过程，才能成为合格的产品或进行后续的再利用。

1. 生铁处理：从高炉出铁口排出的铁水温度较高（约 1400 – 1500℃），首先需要将其输送到铁水罐中，然后根据后续的用途进行不同的处理。如果用于炼钢，铁水会被运送到转炉或电炉车间，进行脱碳、脱硫、脱磷等精炼处理，去除铁水中的有害杂质，调整钢的成分，最终制成钢水；如果用于铸造，铁水会被运送到铸造车间，通过浇铸设备将铁水浇入事先制作好的铸型中，待铁水冷却凝固后，形成各种铸造生铁产品，如机床床身、发动机缸体等铸件。在铁水输送和处理过程中，为了防止铁水温度下降过快，通常会对铁水罐进行保温处理，或者在铁水中加入适量的发热剂，以维持铁水的温度。
2. 炉渣处理：高炉炉渣是炼铁过程中的副产品，其产量较大，通常每吨生铁会产生 0.3 – 0.5 吨炉渣。炉渣中含有大量的 CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO 等有用成分，具有较高的利用价值，目前主要的处理方式有以下几种：一是作为建筑材料，将炉渣经过水淬处理（用高压水将熔融的炉渣击碎，使其快速冷却形成颗粒状的水渣）后，可作为水泥的混合材，用于生产矿渣硅酸盐水泥，这种水泥具有强度高、抗腐蚀性好等优点；二是用于生产建筑制品，如水渣砖、水渣砌块等，这些建筑制品具有轻质、高强、保温隔热等特性，广泛应用于建筑工程中；三是回收其中的有用成分，对于一些含有较高铁含量的炉渣，可以通过磁选等方法回收其中的铁，得到含铁较高的渣铁，重新返回高炉或转炉中进行冶炼；对于含有稀有金属或其他有价元素的炉渣，还可以通过特殊的工艺进行提取和回收。

三、高炉炼铁的关键设备与作用

高炉炼铁系统包含多种关键设备，这些设备相互配合，共同完成炼铁的整个过程，每种设备都有其特定的结构和功能，对炼铁生产的效率和质量起着至关重要的作用。

（一）高炉本体

高炉本体是高炉炼铁的核心设备，是进行铁矿石还原、造渣、铁水生成的主要场所，其结构主要包括炉基、炉壳、炉衬、冷却设备、风口装置、出铁口、出渣口等部分。炉基是高炉的基础，需要承受整个高炉及其内部炉料、铁水、炉渣的重量，通常采用钢筋混凝土浇筑而成，要求具有足够的强度和稳定性。炉壳是高炉的外壳，一般采用钢板焊接而成，其作用是保护炉衬，承受炉内的压力和温度，同时防止炉料和气体的泄漏。炉衬是高炉内部的耐火材料层，直接与炉内的高温气体、铁水和炉渣接触，其主要作用是抵抗高温侵蚀和化学腐蚀，保护炉壳，延长高炉的使用寿命，常用的炉衬材料有高铝砖、碳化硅砖、黏土砖等，不同部位的炉衬根据其工作条件选择不同材质的耐火砖。

冷却设备是高炉本体的重要组成部分，其作用是冷却炉衬，降低炉衬的温度，减缓炉衬的侵蚀速度，延长炉衬的使用寿命，同时防止炉壳因温度过高而变形或损坏。常用的冷却设备有冷却壁、冷却板、冷却柱等，冷却介质通常为水或水蒸气，通过冷却设备内的通道，将炉衬传递的热量带走。风口装置位于高炉炉缸的下部，其作用是将预热后的热空气送入高炉内，同时也是喷吹燃料（如煤粉、天然气）的通道，风口装置由风口套、风口砖、风口小套等部分组成，需要承受高温和高速气流的冲刷，因此通常采用耐高温、耐磨的材料制造。出铁口和出渣口分别位于高炉炉缸的下部和侧面，是排出铁水和炉渣的通道，出铁口和出渣口的大小和位置需要根据高炉的容积和生产能力进行合理设计，同时需要配备相应的启闭装置和维护设备，以保证铁水和炉渣的顺利排出。

（二）原料供应设备

原料供应设备主要用于将准备好的炉料（铁矿石、焦炭、熔剂）按照一定的比例和顺序输送到高炉顶部，保证高炉的连续供料，主要包括料仓、配料设备、输送设备和装料设备等。料仓用于储存各种炉料，根据炉料的种类和用量，通常设置多个独立的料仓，如烧结矿仓、球团矿仓、焦炭仓、熔剂仓等，料仓的容积需要根据高炉的日消耗量和原料的供应周期进行设计，以保证原料的稳定供应。

配料设备的作用是根据高炉冶炼的要求，将各种炉料按照一定的比例进行精确配料，常用的配料设备有圆盘给料机、皮带秤、定量给料机等，通过这些设备可以实现对每种炉料的精确计量和控制，保证炉料成分的稳定。输送设备用于将配料后的炉料从料仓输送到高炉顶部的装料设备，常用的输送设备有皮带输送机、斗式提升机等，皮带输送机具有输送能力大、输送距离长、运行稳定等优点，广泛应用于炉料的水平输送；