【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過(guò)我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。??

第五章鐵?

§5-4生鐵的冶煉

【01】生鐵治煉的知識(shí)，我們按煉鐵的原料、煉鐵的原理、高爐的構(gòu)造和冶煉的過(guò)程等四個(gè)方面來(lái)敘述。

煉鐵的原料

【02】煉鐵的原料是鐵礦石、焦炭、熔劑和空氣。

【03】鐵礦石的主要種類已在§5-1中介紹過(guò)【山注，化3-5-01第21~23段，傳送門CV21946468】。煉鐵用的鐵礦石應(yīng)該是含鐵量越高越好，硫和磷等雜質(zhì)的含量越低越好，因?yàn)榱蚝土讜?huì)損壞鋼鐵的質(zhì)量。黃鐵礦不能直接用來(lái)煉鐵，就是因?yàn)橛盟鼰挸傻蔫F，含硫量很多。

【04】焦炭用作燃料（以供給煉鐵所需的熱量）和還原劑。

【05】煉鐵時(shí)加入熔劑可以除去鐵礦石中所含的脈石。最常用的熔劑是石灰石CaCO?或白云石CaCO?·MgCO?。熔劑在受熱的情況下能跟脈石形成熔點(diǎn)比較低的爐渣。

【06】空氣是供給焦炭燃燒所需的氧氣。

煉鐵的原理

【07】從鐵礦石里提煉生鐵是一個(gè)氧化-還原過(guò)程。主要是用一氧化碳作為還原劑把鐵從鐵的氧化物里還原出來(lái)。所以就鐵來(lái)講，是一個(gè)還原過(guò)程。

【08】煉鐵時(shí)，首先焦炭在灼熱下跟空氣中的氧氣反應(yīng)，生成二氧化碳，二氧化碳再被灼熱的焦炭還原成一氧化碳。

【09】鐵礦石里還原出鐵來(lái)的反應(yīng)是逐步進(jìn)行的。如所用的是赤鐵礦（主要成分是Fe?O?）時(shí)，它首先被一氧化碳還原生成

【10】一氧化碳除了能使鐵礦石里的鐵幾乎完全還原出來(lái)以外，它還能把礦石里高價(jià)錳的化合物還原成低價(jià)錳的化合物【3MnO?+2CO=Mn?O?+2CO?；Mn?O?+CO=3MnO+CO?】，然后再被灼熱的碳還原成錳：

【11】鐵礦石里的二氧化硅，也部分被碳還原生成硅：

【12】此外，還有硫和磷還原出來(lái)。

【13】還原出來(lái)的鐵會(huì)在高溫下跟碳、硅、錳、硫和磷生成合金。這種合金就是生鐵。它的熔點(diǎn)（1140~1150°C）比純鐵的熔點(diǎn)（1535℃）低得多。

【14】加入的熔劑CaCO?，在高溫下先分解生成氧化鈣和二氧化碳，氧化鈣再跟脈石SiO?發(fā)生反應(yīng)生成硅酸鈣，形成爐渣，浮在鐵水的上部：

高爐的構(gòu)造

【15】生鐵是在高爐（又名鼓風(fēng)爐或煉鐵爐）里冶煉的?，F(xiàn)代的高爐是用耐火磚砌成的高大建筑物，爐體的外面包著鋼殼。大型的高爐高達(dá)幾十米，比一般的十層樓房還要高，一晝夜可以生產(chǎn)2000~3000噸生鐵。

【16】高爐構(gòu)造如圖5·1。最上部是爐喉，爐喉下面逐漸擴(kuò)大呈截頭的圓錐體部分叫爐身（也稱爐胸)，爐身下面最闊的部分叫爐腰，爐腰下面呈倒放的截頭圓錐體部分叫爐腹，爐腹下面部分叫爐缸。爐缸上部周圍裝有6~16個(gè)鋼制的管子叫做風(fēng)口，風(fēng)口和環(huán)繞高爐的環(huán)形的熱風(fēng)總管相連。環(huán)形總風(fēng)管用鐵制成，內(nèi)襯耐火磚，熱風(fēng)（熱空氣）從環(huán)形總風(fēng)管通過(guò)風(fēng)口進(jìn)入爐內(nèi)。在爐缸的下部有二個(gè)出口，一個(gè)用來(lái)出渣叫做出渣口，一個(gè)用來(lái)出鐵叫做出鐵口。出渣口的位置略高于出鐵口。出鐵口和出渣口都用耐火泥封住，需要出鐵或出渣時(shí)，才分別把它們打開。

【17】高爐設(shè)計(jì)成這樣的形狀，和加入爐內(nèi)的物料起變化時(shí)的體積是有很大關(guān)系的。

冶煉的過(guò)程

1、裝料

【18】爐料（礦石，焦炭，石灰石）裝在料車?yán)铮眯钡木頁(yè)P(yáng)機(jī)升到高爐的頂部，由裝料機(jī)加入爐內(nèi)（圖5·2）?？諝庠跓犸L(fēng)爐里預(yù)熱后，從風(fēng)口鼓入爐缸的上部，氣流由下而上跟爐料形成逆流。

【19】裝料機(jī)（圖5·3）由二個(gè)大小不同的料斗構(gòu)成，小料斗固定在大料斗的上方。大小料斗里分別裝有料鐘，堵住料斗的出口。爐料首先裝進(jìn)小料斗，這時(shí)小料斗的出口由小料鐘堵著（圖5·3(a)）。放下小料鐘，爐料就落入大料斗，這時(shí)大料斗的出口由大料鐘堵著（圖5·3(b)）。然后升起小料鐘，放下大料鐘，爐料就落入爐內(nèi)（圖5·3(c)），在大料鐘放下的時(shí)候，小料鐘已經(jīng)堵住了大料斗和小料斗之間的道路，使?fàn)t內(nèi)的高爐煤氣不致逸出爐外。

2、生鐵的熔煉

【20】在爐缸靠近風(fēng)口一帶，灼熱的焦炭跟從風(fēng)口鼓入的熱空氣反應(yīng)，生成二氧化碳，并放出大量的熱，使溫度達(dá)到1800℃左右（見(jiàn)圖5·1）。二氧化碳跟灼熱的焦炭反應(yīng)生成一氧化碳。生成的一氧化碳和其他氣體（如空氣中的氮?dú)獾龋┰诟郀t內(nèi)由下而上地流動(dòng)著，跟鐵礦石相遇時(shí)，把鐵從它的氧化物里還原出來(lái)，同時(shí)一氧化碳本身又變成二氧化碳。這時(shí)生成的二氧化碳又會(huì)跟灼熱的焦炭反應(yīng)而生成一氧化碳，一氧化碳又可使鐵礦石中的鐵還原出來(lái)。上述的反應(yīng)，可簡(jiǎn)單表示如下：

【21】上列這些反應(yīng)不斷地進(jìn)行著，鐵就不斷地被還原出來(lái)。大部分的鐵都在爐身中生成，爐身逐漸向下擴(kuò)大，便于已熔化的材料向下流動(dòng)，使這些材料容易跟上升的氣體接觸。除了鐵被還原出來(lái)以外，錳、硅、磷等元素也分別從它們的化合物里被還原出來(lái)。

【22】在爐腰，鐵開始跟碳、錳、硅、硫、磷等元素熔合生成生鐵，爐渣也開始生成。生鐵和爐渣的生成一直繼續(xù)到爐腹。這些液態(tài)生成物形成以后，熔化的爐料的體積逐漸變小，所以爐腹逐漸變窄。

【23】液態(tài)生成物流入爐缸。在爐缸里液體分成二層，下層是生鐵，上層是爐渣。爐渣蓋在鐵水面上能防止生鐵和空氣里的氧氣起反應(yīng)。

3、出鐵和出渣

【24】爐渣和生鐵在爐缸里越積越多，需要不斷地放出來(lái)。出鐵時(shí)打開出鐵口，使鐵水流入用耐火磚作襯里的鐵水包里，可直接運(yùn)往煉鋼車間煉鋼，或注入模子鑄成鐵錠。爐渣由出渣口流出。爐渣可用作水泥的原料，也可以用來(lái)作建筑鋪路等材料。

4、高爐煤氣的生成

【25】在爐喉處，生成大量的高爐煤氣。高爐煤氣含有大約60%的氮?dú)猓?0%的一氧化碳，10%的二氧化碳以及少量的氫氣和甲烷。由于一氧化碳、氫氣和甲烷是可燃性氣體，所以高爐煤氣從爐內(nèi)導(dǎo)出后，可用作氣體燃料來(lái)預(yù)熱空氣。治煉一噸生鐵所得的高爐煤氣約有5000立方米左右。

5、空氣的預(yù)熱

【26】為了減少焦炭的消耗和提高爐內(nèi)的溫度，鼓進(jìn)高爐的空氣需要在熱風(fēng)爐里預(yù)熱。通常把這種經(jīng)過(guò)預(yù)熱的空氣叫做熱風(fēng)。熱風(fēng)的溫度一般在900~1000℃左右。

【27】熱風(fēng)爐（圖5·4）是一個(gè)鋼塔（高達(dá)25~30米），內(nèi)襯耐火磚。塔內(nèi)分成二室，一為高爐煤氣的燃燒室（由耐火磚砌成的直立孔道），一為蓄熱室（用空心耐火磚砌成的格子房）。熱風(fēng)爐里的熱交換是這樣進(jìn)行的：高爐煤氣在燃燒室里燃燒，生成的熱的煙道氣進(jìn)入蓄熱室把磚格子加熱，待達(dá)到高溫后，高爐煤氣就停止燃燒，然后將冷空氣以相反的方向通入熱風(fēng)爐，吸收磚格子所積聚的熱量?？諝夂蜔煹罋廨喠鞯赝ㄟ^(guò)熱風(fēng)爐，這樣就能使空氣在未進(jìn)入高爐以前得到預(yù)熱。每座高爐通常備有三、四座熱風(fēng)爐輪流使用。一座熱風(fēng)爐燃燒高爐煤氣加熱蓄熱室，另一座在加熱通過(guò)的冷空氣，空閑的可進(jìn)行清掃、修理或用作后備。

【28】高爐煉鐵的技術(shù)水平可以用“高爐利用系數(shù)”來(lái)衡量。高爐利用系數(shù)就是高爐有效容積每立方米在一晝夜所能生產(chǎn)生鐵的噸數(shù)。

習(xí)題5-4

1、冶煉生鐵的原料是什么？在煉鐵過(guò)程里各起什么作用？煉鐵時(shí)有何副產(chǎn)品？有什么用途？

2、從鐵礦石里煉鐵的原理怎樣？寫出鐵從赤鐵礦Fe?O?里還原出鐵來(lái)的各步化學(xué)方程式。

3、為什么高爐里只能煉得生鐵而不能煉得純凈的鐵？生鐵的成分怎樣？

4、畫出高爐的構(gòu)造簡(jiǎn)圖，在圖上注明各部分的名稱，并在每部分里用化學(xué)方程式注明所起的化學(xué)變化。

5、某座高爐的有效容積是1100立方米，利用系數(shù)是1.94，這座高爐每個(gè)月（以30天計(jì)）能煉出多少噸生鐵？【64020噸】

6、如果磁鐵礦Fe?O?里鐵的含量是59%，煉得的生鐵含鐵95%，鐵的損失量是1%，那未1噸磁鐵礦可煉得多少噸生鐵？【61.5噸】