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铁是怎样炼成的——高炉炼铁

发布时间:2019/01/27 点击量:

  我国利用陨铁锻造兵器和工具的历史,可追溯至殷商时代。在春秋战国初期,我国就已经掌握人工冶铁技术,并开始较大规模地生产和使用铁器。

  常见的铁矿石主要有:赤铁矿[主要成分是氧化铁(Fe2O3)]、黄铁矿[主要成分是硫化亚铁(FeS2)]、菱铁矿[主要成分是碳酸亚铁( FeCO3)]、磁铁矿[主要成分是四氧化三铁(Fe3O4)]等等。

  以赤铁矿为例,在高温下,用具有还原性的一氧化碳与氧化铁发生反应,可以生成单质铁和二氧化碳,化学方程式为:3CO + Fe2O3高温 2Fe + 3CO2。

  在硬质玻璃管中装入不容易被磁铁吸引氧化铁粉末,而另一端的试管中盛放入石灰水。实验开始,先从玻璃管的一端通入一氧化碳,并在装置的尾部置放燃烧的酒精灯,当观察到导管口处出现蓝色火焰时,开始点燃酒精喷灯高温加热氧化铁。经过一段时间后,能够观察到石灰水变浑浊,玻璃管中红色的固体慢慢变成了黑色。充分反应后,撤去酒精灯,待装置冷却至室温后,停止通入一氧化碳。实验结束后用磁铁靠近黑色粉末,会发现黑色粉末被磁铁吸引。

  在整个实验过程中,红色粉末变黑,说明玻璃管中的氧化铁变成了我们要制备的铁,澄清的石灰水变浑浊,说明生成了二氧化碳,因此玻璃管中发生的反应是:一氧化碳还原氧化铁生成铁和二氧化碳,生成的二氧化碳进入到试管中,被石灰水吸收生成了碳酸钙和水。除此之外,我们还能观察到,在通入一氧化碳的过程中,装置尾部的导管口会有蓝色的火焰生成。这是由于气体不断流动,在反应过程中会有一部分不发生反应的一氧化碳被排出。又因为一氧化碳有毒,会污染空气,所以不能直接排放到空气中,因此用燃烧的酒精灯将其点燃,转化成无毒的二氧化碳再排放。所以燃烧的酒精灯作用于尾气的处理。

  工业上,炼铁的方法包括高炉法、直接还原法、熔融还原法、等离子法等等,高炉炼铁是现代炼铁的主要方法,其产量占世界生铁总产量的95%以上。

  高炉炼铁是一个复杂的过程。它使用的原料有铁矿石、石灰石和焦炭。在高炉内发生的反应主要分三部分,第一部分是制备还原剂的过程,第二部分是冶铁的主要原理,第三部分是除去杂质,形成炉渣的过程。但高炉冶炼出的铁并不纯,还含有少量的杂质,因此被称为生铁。

  上图是炼铁高炉及炉内化学反应过程示意图。炼铁时将原料铁矿石、焦炭和石灰石按一定比例分层加入高炉(炼铁炉)中,被热风炉加热过的大量富氧空气从进风口吹入高炉,使焦炭燃烧生成二氧化碳,二氧化碳再与上层炽热的焦炭反应还原成一氧化碳。一氧化碳从炉顶加入并与不断下降的铁矿石发生反应。其中铁的氧化物逐步被还原成液态的铁,俗称铁水。被还原出来的液态铁积累到一定程度后,由炉底放出。而炼铁时加入的石灰石起造渣作用,目的是使铁矿石中熔点很高的脉石(其主要成分是二氧化硅)与石灰石反应,生成浮于铁水之上的硅酸钙等,形成炉渣而与铁水分离。