今亮点！【种花家务·化学】3-5-04生铁的冶炼——『数理化自学丛书6677版』
2023-02-21 20:52:43 哔哩哔哩
【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
第五章铁
(资料图片仅供参考)
§5-4生铁的冶炼
【01】生铁治炼的知识，我们按炼铁的原料、炼铁的原理、高炉的构造和冶炼的过程等四个方面来叙述。
炼铁的原料
【02】炼铁的原料是铁矿石、焦炭、熔剂和空气。
【03】铁矿石的主要种类已在§5-1中介绍过【山注，化3-5-01第21~23段，传送门CV21946468】。炼铁用的铁矿石应该是含铁量越高越好，硫和磷等杂质的含量越低越好，因为硫和磷会损坏钢铁的质量。黄铁矿不能直接用来炼铁，就是因为用它炼成的铁，含硫量很多。
【04】焦炭用作燃料（以供给炼铁所需的热量）和还原剂。
【05】炼铁时加入熔剂可以除去铁矿石中所含的脉石。最常用的熔剂是石灰石CaCO₃或白云石CaCO₃·MgCO₃。熔剂在受热的情况下能跟脉石形成熔点比较低的炉渣。
【06】空气是供给焦炭燃烧所需的氧气。
炼铁的原理
【07】从铁矿石里提炼生铁是一个氧化-还原过程。主要是用一氧化碳作为还原剂把铁从铁的氧化物里还原出来。所以就铁来讲，是一个还原过程。
【08】炼铁时，首先焦炭在灼热下跟空气中的氧气反应，生成二氧化碳，二氧化碳再被灼热的焦炭还原成一氧化碳。
【09】铁矿石里还原出铁来的反应是逐步进行的。如所用的是赤铁矿（主要成分是Fe₂O₃）时，它首先被一氧化碳还原生成
【10】一氧化碳除了能使铁矿石里的铁几乎完全还原出来以外，它还能把矿石里高价锰的化合物还原成低价锰的化合物【3MnO₂+2CO=Mn₃O₄+2CO₂；Mn₃O₄+CO=3MnO+CO₂】，然后再被灼热的碳还原成锰：
【11】铁矿石里的二氧化硅，也部分被碳还原生成硅：
【12】此外，还有硫和磷还原出来。
【13】还原出来的铁会在高温下跟碳、硅、锰、硫和磷生成合金。这种合金就是生铁。它的熔点（1140~1150°C）比纯铁的熔点（1535℃）低得多。
【14】加入的熔剂CaCO₃，在高温下先分解生成氧化钙和二氧化碳，氧化钙再跟脉石SiO₂发生反应生成硅酸钙，形成炉渣，浮在铁水的上部：
高炉的构造
【15】生铁是在高炉（又名鼓风炉或炼铁炉）里冶炼的。现代的高炉是用耐火砖砌成的高大建筑物，炉体的外面包着钢壳。大型的高炉高达几十米，比一般的十层楼房还要高，一昼夜可以生产2000~3000吨生铁。
【16】高炉构造如图5·1。最上部是炉喉，炉喉下面逐渐扩大呈截头的圆锥体部分叫炉身（也称炉胸)，炉身下面最阔的部分叫炉腰，炉腰下面呈倒放的截头圆锥体部分叫炉腹，炉腹下面部分叫炉缸。炉缸上部周围装有6~16个钢制的管子叫做风口，风口和环绕高炉的环形的热风总管相连。环形总风管用铁制成，内衬耐火砖，热风（热空气）从环形总风管通过风口进入炉内。在炉缸的下部有二个出口，一个用来出渣叫做出渣口，一个用来出铁叫做出铁口。出渣口的位置略高于出铁口。出铁口和出渣口都用耐火泥封住，需要出铁或出渣时，才分别把它们打开。
【17】高炉设计成这样的形状，和加入炉内的物料起变化时的体积是有很大关系的。
冶炼的过程
1、装料
【18】炉料（矿石，焦炭，石灰石）装在料车里，用斜的卷扬机升到高炉的顶部，由装料机加入炉内（图5·2）。空气在热风炉里预热后，从风口鼓入炉缸的上部，气流由下而上跟炉料形成逆流。
【19】装料机（图5·3）由二个大小不同的料斗构成，小料斗固定在大料斗的上方。大小料斗里分别装有料钟，堵住料斗的出口。炉料首先装进小料斗，这时小料斗的出口由小料钟堵着（图5·3(a)）。放下小料钟，炉料就落入大料斗，这时大料斗的出口由大料钟堵着（图5·3(b)）。然后升起小料钟，放下大料钟，炉料就落入炉内（图5·3(c)），在大料钟放下的时候，小料钟已经堵住了大料斗和小料斗之间的道路，使炉内的高炉煤气不致逸出炉外。
2、生铁的熔炼
【20】在炉缸靠近风口一带，灼热的焦炭跟从风口鼓入的热空气反应，生成二氧化碳，并放出大量的热，使温度达到1800℃左右（见图5·1）。二氧化碳跟灼热的焦炭反应生成一氧化碳。生成的一氧化碳和其他气体（如空气中的氮气等）在高炉内由下而上地流动着，跟铁矿石相遇时，把铁从它的氧化物里还原出来，同时一氧化碳本身又变成二氧化碳。这时生成的二氧化碳又会跟灼热的焦炭反应而生成一氧化碳，一氧化碳又可使铁矿石中的铁还原出来。上述的反应，可简单表示如下：
【21】上列这些反应不断地进行着，铁就不断地被还原出来。大部分的铁都在炉身中生成，炉身逐渐向下扩大，便于已熔化的材料向下流动，使这些材料容易跟上升的气体接触。除了铁被还原出来以外，锰、硅、磷等元素也分别从它们的化合物里被还原出来。
【22】在炉腰，铁开始跟碳、锰、硅、硫、磷等元素熔合生成生铁，炉渣也开始生成。生铁和炉渣的生成一直继续到炉腹。这些液态生成物形成以后，熔化的炉料的体积逐渐变小，所以炉腹逐渐变窄。
【23】液态生成物流入炉缸。在炉缸里液体分成二层，下层是生铁，上层是炉渣。炉渣盖在铁水面上能防止生铁和空气里的氧气起反应。
3、出铁和出渣
【24】炉渣和生铁在炉缸里越积越多，需要不断地放出来。出铁时打开出铁口，使铁水流入用耐火砖作衬里的铁水包里，可直接运往炼钢车间炼钢，或注入模子铸成铁锭。炉渣由出渣口流出。炉渣可用作水泥的原料，也可以用来作建筑铺路等材料。
4、高炉煤气的生成
【25】在炉喉处，生成大量的高炉煤气。高炉煤气含有大约60%的氮气，30%的一氧化碳，10%的二氧化碳以及少量的氢气和甲烷。由于一氧化碳、氢气和甲烷是可燃性气体，所以高炉煤气从炉内导出后，可用作气体燃料来预热空气。治炼一吨生铁所得的高炉煤气约有5000立方米左右。
5、空气的预热
【26】为了减少焦炭的消耗和提高炉内的温度，鼓进高炉的空气需要在热风炉里预热。通常把这种经过预热的空气叫做热风。热风的温度一般在900~1000℃左右。
【27】热风炉（图5·4）是一个钢塔（高达25~30米），内衬耐火砖。塔内分成二室，一为高炉煤气的燃烧室（由耐火砖砌成的直立孔道），一为蓄热室（用空心耐火砖砌成的格子房）。热风炉里的热交换是这样进行的：高炉煤气在燃烧室里燃烧，生成的热的烟道气进入蓄热室把砖格子加热，待达到高温后，高炉煤气就停止燃烧，然后将冷空气以相反的方向通入热风炉，吸收砖格子所积聚的热量。空气和烟道气轮流地通过热风炉，这样就能使空气在未进入高炉以前得到预热。每座高炉通常备有三、四座热风炉轮流使用。一座热风炉燃烧高炉煤气加热蓄热室，另一座在加热通过的冷空气，空闲的可进行清扫、修理或用作后备。
【28】高炉炼铁的技术水平可以用“高炉利用系数”来衡量。高炉利用系数就是高炉有效容积每立方米在一昼夜所能生产生铁的吨数。
习题5-4
1、冶炼生铁的原料是什么？在炼铁过程里各起什么作用？炼铁时有何副产品？有什么用途？
2、从铁矿石里炼铁的原理怎样？写出铁从赤铁矿Fe₂O₃里还原出铁来的各步化学方程式。
3、为什么高炉里只能炼得生铁而不能炼得纯净的铁？生铁的成分怎样？
4、画出高炉的构造简图，在图上注明各部分的名称，并在每部分里用化学方程式注明所起的化学变化。
5、某座高炉的有效容积是1100立方米，利用系数是1.94，这座高炉每个月（以30天计）能炼出多少吨生铁？【64020吨】
6、如果磁铁矿Fe₃O₄里铁的含量是59%，炼得的生铁含铁95%，铁的损失量是1%，那未1吨磁铁矿可炼得多少吨生铁？【61.5吨】
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