[高炉工艺]高炉冶炼过程
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。
焦炭在高炉中不熔化,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。在图1中，①区是矿石与焦炭分层的干区，称块状带，没有液体；②区为由软熔层和焦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，带内只有焦炭仍是固体；④风口前有一个袋形的焦炭回旋区，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。
液态渣铁积聚于炉缸底部,由于比重不同,渣液浮于铁液之上,定时从炉缸放出。铁水出炉温度一般为1400～1550℃，渣温比铁温一般高30～70℃。
煤气流沿高炉断面合理均匀地分布上升，能改善煤气与炉料之间的传热和传质过程，顺利地完成加热、还原铁矿石和熔化渣、铁等过程，达到高产、低耗、优质的要求。
高炉中铁的还原 高炉中主要被还原的是铁的氧化物:Fe2O3(赤铁矿),Fe3O4（磁铁矿）和Fe1-yO（浮氏体，y从0.04到0.125）等。每得到1000公斤金属铁，通过还原被除去的氧量为：赤铁矿429公斤,磁铁矿382公斤,浮氏体（按FeO计算）286公斤。
主要还原剂 焦炭中的碳和鼓风中的氧燃烧生成的CO气体，以及鼓风和燃料在炉内反应生成的H2是高炉中的主要还原剂。约从400℃开始,氧化铁逐步从高价铁还原成低价铁，一直到金属铁。
间接还原 氧化铁由CO还原生成CO2或由H2还原生成H2O的过程。还原顺序为: Fe2O3─→Fe3O4─→FeO─→Fe（低于570℃时，FeO不稳定,还原顺序为：Fe2O3─→Fe3O4─→Fe）。从图2可看到各级氧化铁与气相的平衡关系。
氧化铁还原的主要还原反应为：
3Fe2O3+CO─→2Fe3O4+CO2 +8870千卡
Fe3O4+CO─→3FeO+CO2 -4990千卡
FeO+CO─→Fe+CO2 +3250千卡
以及 3Fe2O3+H2─→2Fe3O4+H2O -1000千卡
Fe3O4+H2─→3FeO+H2O -14860千卡
FeO+H2─→Fe+H2O -6620千卡
H2和CO同时作为还原剂存在时，受水煤气反应的制约：
H2+CO2─→H2O+CO -9870千卡
注：式内反应热从工程习惯按公斤分子计。
直接还原 在高温区（约 850℃开始）因有大量焦炭存在,生成的CO2和H2O立即与焦炭反应,转化成CO和H2：
CO2+C─→2CO -39600千卡 H2O+C─→H2+CO -29730千卡
所以从全过程看，可认为是由碳素直接还原氧化铁生成CO和铁：
FeO+C─→Fe+CO -36350千卡
这种高温还原叫做直接还原。因为直接还原比间接还原耗热大得多，所以在高炉内应尽可能提高中温区的间接还原率，以降低焦比和燃料比。
影响还原速度的因素 气体还原铁矿石的速度受到许多因素的影响：矿石的性质（例如粒度，气孔度，气孔表面积）,是难还原的磁铁矿还是易还原的褐铁矿,煤气的成分和流速以及还原温度等。气－固还原过程包括以下基本环节：①还原气体通过矿粒表面的气膜向矿石表面扩散；②还原气体通过已还原金属层向矿石内部扩散；③金属铁－浮氏体两相界面上的化学反应；④还原气体产物通过已还原金属层向外扩散；⑤还原气体通过附面气膜向外扩散。
还原模式有两种：当矿石结构致密，还原金属层是自外表逐步向矿粒中心扩展，中心未反应的核心部分逐步缩小，可称为“未反应核”还原模式；如果矿石多孔疏松，内扩散十分容易，且粒径不大，则还原过程将同时在整个矿石内部环绕每一个氧化铁微晶进行氧化铁的气固还原反应，这是另一种模式。
整个反应速度决定于化学反应速度和扩散速度。如果化学反应慢，称为反应处于“化学控制”；如果扩散慢，则称反应处于“扩散控制”。温度提高，化学反应速度加快，气体的扩散速度也会增加，但增加的幅度较小。一般说，温度低，矿石粒度小或气孔度大，气流速度高，还原趋向于化学控制范围；相反，温度高，矿石粒度大或者气孔度小，则趋向于扩散控制范围。如果能出现扩散与化学反应的速度彼此较接近的情况，称还原处于“混合控制”。还有一种情况，矿石的软熔温度低，当温度升高到使矿石软熔后，矿石的气孔度减小，还原速度反而可能减慢。因为H2的扩散速度比CO高，H2的还原速度也高于CO。当煤气中存在CO2或H2O分子时,CO和H2的有效浓度降低，将减慢CO和H2的还原速度。从铁矿石的还原条件来看,应在矿石不软化的条件下,尽量保持高一些的还原温度，以加快还原速度。对矿石则要求气孔度大，使还原过程不受扩散的限制；致密的铁矿石应适当减小粒度，这样不仅能使内扩散距离缩短，而且会使气－固相接触总面积增大，有利于还原过程（见冶金过程动力学）。
高炉中其他元素的还原 进入高炉的矿石的脉石和焦炭灰分还含有其他一些氧化物(SiO
2、Al2O
3、CaO、MgO等)、硫化物(FeS2)和磷酸盐【Ca3(PO4)2】。一些共生铁矿还含有锰、钛、铬、钒、铜、钴、镍、铌、砷、钾、钠等的含氧化合物和少量硫化物。各种氧化物因化学稳定性不同，有的在高炉内全部还原，有的部分还原，有的完全不能还原，不还原的氧化物就进入炉渣。
硅的还原 硅比铁难还原，要到高温区才能被碳还原出来，熔于铁水：
(SiO2)+2【C】→【Si】+2CO -151696千卡 耗热比铁的直接还原大得多。式中圆括弧表示炉渣中的氧化物；方括弧表示铁水中的有关元素。
大部分生铁中的硅是焦炭灰分或渣中的SiO2，通过风口附近高温区（1700℃以上）时，先被还原生成气态SiO，SiO在上升过程中再被还原成硅并熔于铁水。冶炼高硅生铁时，有一部分 SiO随煤气逸出炉外。含硅愈高，挥发愈多；SiO冷却后又被氧化成极细的SiO2粉末,除增加能耗外，还会恶化炉料透气性和堵塞煤气管道。为了炼得含硅较高的生铁或合金,宜配用碱度较低的炉渣,以利于酸性SiO2的还原。由于反应热耗大，必须维持较高的炉温，生铁含硅愈多，燃料消耗（焦比）和成本也愈大。
锰的还原 锰矿中的化合物MnO
2、Mn3O
4、Mn2O
3、MnCO3等都很容易被CO还原成MnO，但MnO只能从炉渣中被碳直接还原并熔于铁水：
(MnO)+【C】→【Mn】+CO -68640千卡
其单位耗热低于硅,但高于铁的直接还原。MnO是弱碱性，冶炼含锰高的铁，宜采用碱性较高的炉渣，以提高渣中MnO活度，加快还原。由于需维持较高的炉温,反应热耗又多，生产高锰生铁的燃料消耗和成本也比较高。
其他元素的还原 以3CaO·P2O5或3FeO·P2O5形态进入高炉的磷，以及以氧化物或硫化物形态存在的铜、镍、钴、砷、铅等全部被还原。钒、铌、铬等的氧化物一般可被还原75～80％。二氧化钛在高炉内只有少量被还原。
钾、钠、锌等金属的沸点低，其化合物在高炉下部高温区被还原成金属后立即挥发，一部分随煤气逸出炉外，一部分又被氧化后沉积在上部炉料表面，随炉料再下降到高温区。再还原，再挥发，再沉积,循环积累,造成以下严重危害：破坏矿石和焦炭的强度和炉料的透气性；沉积在炉衬中破坏耐火材料，引起结瘤。因此，对高炉原料中这些元素的含量要有一定的限制,必要时,可以定期降低炉渣碱度,使K2O和Na2O更多地进入炉渣，排出炉外,减轻危害。包头铁矿石含K2O、Na2O和CaF2较多，影响炉况顺行，现已找到解决途径。
钒、铜、镍、钴、铌等是宝贵的合金元素，它们在铁矿石中如达到一定含量，应考虑回收利用。中国攀枝花的钒钛磁铁矿和包头的含铌铁矿石，在炼铁过程中得到含钒和含铌的生铁,在进一步处理和回收钒、铌上,取得良好的成果。
铁水中的碳 因为在高炉内还会出现还原和渗碳到Fe3C的反应：
3Fe+2CO→Fe3C+CO2
FeO(MnO,SiO2)+C→Fe(Mn,Si)+CO
3Fe+C→Fe3C
所以高炉生铁含碳高，其含量主要决定于铁水的成分。凡能生成碳化物并溶于铁水的元素如锰、钒、铬、铌等能使铁水含碳增加；凡能促使铁水中碳化物分解的元素如硅、磷、硫等会阻碍铁水渗碳。普通生铁含碳4％左右。铁水溶解某些碳化物达到饱和后，剩余的碳化物便留在炉渣中，例如炼高硅生铁时的SiC,在炉料含TiO2较多时形成的TiC等。碳化物熔化温度一般都很高(SiC＞2700℃，TiC3290℃)，以固相混杂在炉渣中，使炉渣流动性变坏，造成冶炼上的困难。
高炉炉渣及渣铁反应 一般高炉炉渣主要由SiO
2、Al2O
3、CaO、MgO组成,另含少量 FeO、MnO、CaS。冶炼复合矿时,还可能含有CaF
2、TiO
2、BaO、RxOy(R代表稀土元素)等。用钒钛磁铁矿炼铁时，炉渣流动性差,冶炼困难，中国在实践中发展一项新工艺可在含TiO2为25～30％的炉渣下进行冶炼。
高炉冶炼对炉渣的要求 ①一般在炉缸的温度1350～1550℃下，炉渣能很好地熔化，并具有良好的流动性和具有渣－铁、渣－气间的界面性能，能很好地与铁水、气体分开，并能顺利地从炉内放出。②炉渣性能既要有利于去除生铁中的有害杂质（如硫等），也要能根据需要控制某些反应的程度（SiO2的还原）和促使有益元素如锰、钒铌等更好地还原入生铁。③高炉中从开始软化到生成自由流动的炉渣的区间(软熔带)要小，减小气流通过的阻力，以有利于高炉炉料的顺行和强化冶炼。④炉渣性能稳定，不因炉温和炉渣成分的小量波动而引起炉渣物理性能的剧烈变化。⑤渣量要小，以减少熔剂和燃料的消耗，改善料柱下部的透气性，先进高炉每吨生铁的渣量已降到300公斤以下。⑥要有利于保护炉衬。
炉渣碱度 是表征和决定炉渣物理化学性能的最重要的特性指数。碱度用
等碱性氧化物与酸性氧化物的重量百分比的比值来表示。为简便起见通常均用
,当Al2O3和MgO的含量高、波动大时，采用后两种表示方法。
渣中(CaO+MgO)＜(SiO2+Al2O3)的渣叫酸性渣。这种渣粘度大,凝固慢,通称长渣。(CaO+MgO)＞(SiO2+Al2O3)的渣叫碱性渣。高碱渣凝固温度高，冷凝快，熔融时流动性好；但温度偏低时，析出固相，就变得粘稠。这种渣也叫短渣。 (CaO+MgO):(SiO2+Al2O3)≈1.0的炉渣,凝固温度较低，流动性也较好。在高炉中，为了保证炉况顺行和某些反应的顺利进行，炉渣在炉缸温度范围内的粘度最好不大于5泊，最高不宜超过25泊。同时,粘度也不宜过低，过低时容易侵蚀炉衬，缩短高炉寿命。
渣铁反应 在高炉下部，渣铁间进行一系列反应。部分亲氧力较铁强的金属如锰、钒、铌、硅等的氧化物和在上部来不及还原的FeO将从炉渣中还原出来。这些反应决定了铁水的成分和有关元素的回收率。
各种氧化物从渣中还原的反应式为：
(MexOy)+y【C】─→x【Me】+yCo
由于铁水中的碳饱和，炉缸中CO分压基本固定，因而上述各元素的还原情况主要决定于铁水中有关元素和渣中有关氧化物的活度以及炉缸温度。一般规律是：炉缸温度愈高，各元素还原入铁水的量愈多；炉渣碱度愈大，能形成碱性氧化物的金属如锰、钒、铌等还原入铁水的量就愈多，而形成酸性氧化物的元素（如硅）的还原就愈困难。
脱硫 是渣铁间最重要的反应，将决定生铁的质量。CaO的脱硫反应式为：
【FeS】+(CaO)+【C】─→
(CaS)+【Fe】+CO-35620千卡
如上所述，由于铁液中碳饱和，炉缸中CO分压基本固定，所以脱硫反应的程度主要决定于渣中CaO、CaS的活度和铁液中硫的活度以及反应的温度和动力学条件。从热力学角度看，CaO比MgO、MnO有更高的脱硫能力。渣中CaO的活度在碱度（CaO/SiO2比值）高过1.0左右后,提高很快，因而炉渣脱硫能力显著提高。由于MgO、MnO本身也能在一定范围中与硫起反应,又能改善炉渣的流动性,所以它们的存在对脱硫有利。高炉炉渣的碱度首先根据脱硫需要确定，一般在0.9～1.3。过高的碱度会使炉渣的熔化温度过高，炉渣流动性变坏，反而不利于脱硫。
当渣铁间脱硫反应达到平衡时,硫分配系数Ls=(S)/【S】，决定于反应平衡常数的大小，式中(S)为炉渣中硫的含量,【S】为铁水中硫的含量。在高炉中由于受出铁出渣时间和反应动力学条件的限制，Ls达不到平衡值。一般高炉渣平衡时的Ls可达200以上,而实际生产中的仅为30～80。因此，提高炉缸温度、降低炉渣粘度等改善脱硫的动力学条件的措施，都有利于炉内脱硫。
优质钢的含硫量一般为0.01％ 左右，特殊的要求＜0.003％。高炉铁水的含硫量常在0.02～0.05％,这不能满足炼钢要求。如果进一步提高高炉脱硫能力，又不经济。因此现在多采用铁水炉外脱硫。
炉料和煤气的运动 高炉内炉料不断均匀下降和煤气流稳定上升并尽可能与铁矿石多接触是正常冶炼的基本前题。
炉料能够下降是因为：①风口前的焦炭不断燃烧气化,经渣口、铁口定期放出渣和铁,使炉缸中有了自由空间。②促使料柱下降的重力能克服炉墙的摩擦阻力、煤气流动的阻力和浮力以及炉缸炉腹中心以焦炭为骨架的相对运动较慢的死料柱的阻力，其中最主要的是煤气流的阻力。爱根 (Ergun)公式能较全面、近似地反映出多种因素对煤气阻力的影响。煤气流的压力梯度表示为：
式中Δp为压力降(公斤力/米2),h为料层高度(米)，ε为炉料空隙度（无因次）, dp为炉料直径(米)，∮为形状系数,无因次(∮＜1)，g为重力加速度(米/秒2)，μg为气体粘度系数 (公斤力·秒／米2)，γg为煤气重度（公斤力／米3），vg为空炉时煤气流速（米／秒）。
由上式看出：
① 炉料空隙度(ε)影响透气性最大。筛净炉料粉末,炉料粒度均匀,对高炉顺行和强化冶炼至为重要。②炉料粒度愈小，虽对还原速度有利，但增加煤气流的阻力。③压力梯度的增加与气流速度(vg)平方相关。高炉采用高压操作可以减小vg，这是强化高炉冶炼和促进顺行的有效手段。
为了充分利用煤气流的热焓和化学势以获得最佳生产指标，还要求煤气流在高炉横断面合理分布，以求与矿石充分接触。在理论上，如果断面上各点炉料粒度和空隙度大致相等，将得到最佳的煤气流分布。但一些属于结构和设备的原因，造成断面上煤气分布不均。例如炉墙表面平滑，透气性比他处好。又如传统的双钟布料方法，使炉喉处料面堆成一个带尖峰的圆圈，一批矿石料沿半径分布厚薄不匀，并且有粒度偏析，必然导致煤气分布不匀。为此，通过改变装料制度（批重大小、装料顺序、料线高低等）来调节煤气分布。新型无钟炉顶的旋转溜槽和可调炉喉等，为达到最佳的煤气分布创造了有利的条件。
在煤气流与炉料柱热交换的过程中，煤气流是载热体。同一水平面上煤气通过多的地区必然温度高，矿石软熔早。如炉顶装料时边缘透气差的矿石少于其他地区，或者风口风速过低，煤气流不易达到炉缸中心，则沿高炉炉墙附近通过的煤气较多，靠炉墙的矿石将比炉中心矿石提前软熔。结果软熔带将不是如图1中的倒V字形,而是正V字形。在这种情况下,不仅炉腹砖衬和冷却器容易烧坏，而且炉缸中心容易堆积炉料,导致不顺行和产生出高硫生铁。如形成图1中的倒 V形软熔带，则中心锥型焦炭滴落带透气性好，高温煤气通过较多，滴下的渣和铁得到充分还原和加热，使炉缸内渣、铁反应充分进行，温度均匀，热量充足，获得良好的冶炼效果。煤气流是经过软熔带的焦炭夹层进入块状带的，所以软熔带起着煤气流分布器的作用。中心顶点过高的倒 V形软熔带虽然有利于高炉强化，但会减少间接还原所依赖的块状带空间。通过调整炉喉矿石分布和风口送风制度，可适当控制倒V形软熔带的高度，以降低炼铁能耗,充分进行间接还原。
