钢铁是怎样炼成的？

【专家解说】：炼铁过程实质上是将铁从其自然形态——矿石等含铁化合物中还原出来的过程。炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等，其原理是矿石在特定的气氛中（还原物质CO、H2、C；适宜温度等）通过物化反应获取还原后的生铁。生铁除了少部分用于铸造外，绝大部分是作为炼钢原料。 一、生铁的几个基本概念 （一）铁与钢 铁在自然界中蕴藏量极为丰富，占地壳元素含量的5％，居地球物质中的第四位。铁元素很活泼，容易与其它物质结合。习惯上常说的钢铁是对钢和铁的总称。钢和铁是有区别的，所谓钢铁， 主要由两个元素构成，即铁和碳，一般碳和元素铁形成化合物，叫铁碳合金。含碳量多少对钢铁的性质影响极大，含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化。由铁原子构成的物质叫纯铁，纯铁杂质很少。含碳量多少是区别钢铁的主要标准。生铁含碳量大于2.0％；钢含碳量小于2.0％。生铁含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性。钢不仅有良好塑性，而且钢制品具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击、易提炼等优良物化应用性能，因此被广泛利用。 （二）白口铁和灰口铁 碳（C）在铁中有石墨和碳化铁两种状态。石墨是碳的一种形态。石墨是片状的碳，滑润柔软，像煤屑一样，很不坚固，散存在铁中，将铁基体割裂，好像铁中有很多条状的窟窿，破坏了铁的坚固性。这种以石墨状态存在于铁中的碳，将铁染成灰色，所以叫灰口铁。灰口铁因含柔软的石墨，做成机器零件，易被机床切削。石墨在液体铁水中有“润滑”作用，使铁水流动性变好，适合于浇注铸件，所以灰口铁又叫铸造铁。 碳化铁是白色的，又硬又脆，含量过多时，铁会像石头一样。失去可塑性。用这种铁做的零件，切削困难，所以白口铁主要用来炼钢，故又叫炼钢铁。 石墨和碳化铁也可以互相转化，决定性条件有两个：一是铁水的化学成分，如果铁水含硅量高，能促进碳化铁分解，变成石墨所以铸造铁的含硅量总是高的；另一个因素是铁水凝固的快慢在成分适合时，如果冷得太快，铁水中的碳化铁来不及分解，便成为白口铁。如果冷得慢，碳化铁分解成石墨和铁，这样就变成灰口铁。 二、高炉炼铁的冶炼原理 生铁的冶炼虽原理相同，但由于方法不同、冶炼设备不同，所以工艺流程也不同。下面分别简单予以介绍。 高炉生产是连续进行的。一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。生产时，从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风，喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。 高炉内的还原气体产生于风口前的燃料燃烧，这一过程产生了两大运动流：一个是上升的热煤气流，一个是下降的炉料流（铁矿石、焦炭、熔剂等）。高炉内的一切反应均发生于煤气和炉料的相向运动和相互作用之中。它包括炉料的加热、蒸发、挥发和分解；铁及其它元素的还原；炉料中非铁氧化物的熔化、造渣和生铁的脱硫；铁的渗碳及生铁的形成；炉料和煤气之间的热交换等等，是一系列物理化学反应过程的总和。