[科普中国]-铁是怎样炼成的——高炉炼铁

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。

炼铁是指将金属铁从含铁矿物（主要是铁的氧化物）中提炼出来的工艺过程。

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 。

铁到底是怎样炼成的？我们先来了解一下工业冶铁的实验过程。

图 一氧化碳还原氧化铁

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。

审核人：李继良

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