废铁如何炼成生铁？

这个过程主要在高炉 中进行，但也可以在电弧炉 中进行,下面我们分别详细介绍这两种主流方法。

核心原理

无论哪种方法，核心化学反应都是一样的：用还原剂将铁的氧化物还原成单质铁，并增加碳含量。

主要反应式：

1. 还原反应: Fe₂O₃ (氧化铁) + 3CO (一氧化碳) --(高温)--> 2Fe (铁) + 3CO₂ (二氧化碳) （一氧化碳是主要的还原剂,由碳与氧气反应生成）

2. 增碳反应: C (碳) + [Fe] (铁水) --(高温)--> [Fe-C] (生铁) （铁水溶解了大量的碳,形成生铁）

高炉法 (主流、大规模生产)

这是目前将废铁（通常称为“废钢”）炼成生铁最主要、最经济的方法,尤其适合大规模生产。

原料准备

• 废钢: 作为主要的铁源，为了不影响后续炼钢的质量，对废钢的要求相对较低，可以混杂一些杂质，但会进行分拣，去除有色金属（如铜、铝）和爆炸物等。
• 熔剂: 主要是石灰石 和白云石，它们的作用是去除废钢和焦炭中的杂质（如硅、锰、磷、硫的氧化物）,形成炉渣。
• 燃料: 焦炭，它有三个核心作用：
  • 提供热量: 燃烧产生高温（高炉内温度可达1500-1600°C）。
  • 提供还原剂: 焦炭燃烧生成一氧化碳,用于还原铁氧化物。
  • 提供骨架: 在高炉中形成多孔的“焦炭窗”,让气体和液体顺利通过。

冶炼过程

高炉是一个巨大的、垂直的、内衬耐火材料的圆筒形炉子，冶炼过程是连续的，从炉顶加入原料,从炉底出铁出渣。

• 装料: 将废钢、铁矿石（如果也使用的话）、熔剂和焦炭按照一定比例,通过斜桥和料车从炉顶分批装入炉内。
• 预热与还原: 炉料在下降过程中，首先被上升的热煤气预热，水分蒸发,部分铁氧化物被还原成海绵铁。
• 熔化与渗碳: 炉料下降到高温区（炉腹和炉缸）后，铁矿石完全熔化成铁水，炽热的焦炭与铁水接触，大量的碳溶解到铁水中，使其含碳量升高，最终形成生铁。
• 造渣: 熔剂与杂质反应，形成密度比铁水小、熔点低的炉渣,漂浮在铁水上方。
• 出铁出渣: 当炉缸内积聚到一定量的铁水和炉渣时，会定期打开出铁口和出渣口，分别将铁水和炉渣排出,铁水被运往炼钢厂或铸造成铁锭。

产品

• 生铁: 主要成分是铁（约94%）和碳（约3.5%-4.5%），此外还含有硅、锰、磷、硫等杂质，质地硬而脆，通常不能直接锻造成型,主要用作炼钢的原料或铸造铸件。
• 高炉煤气: 从炉顶排出的气体，含有大量一氧化碳和热量，经过除尘、降温后，可以作为燃料回收利用,用于发电或加热。
• 高炉渣: 经水淬后，可以制成矿渣水泥、建筑材料等。

高炉法优点: 生产效率高，产量巨大，技术成熟，成本相对较低。 高炉法缺点: 需要大量焦炭，能耗高，初始投资巨大,且会产生大量二氧化碳。

电弧炉法 (灵活、适合中小规模)

电弧炉主要用于废钢炼钢，但如果在冶炼过程中加入足量的碳，也可以生产出生铁（通常称为“电炉生铁”），这种方法更加灵活,适合中小型钢厂。

原料准备

• 废钢: 这是唯一的铁源，对废钢的要求比高炉法高,因为成分会直接影响最终产品的质量。
• 增碳剂: 由于主要原料是废钢（本身含碳量较低），必须额外加入高碳物质来提高铁水的含碳量，常用的增碳剂有焦炭粉、石墨粉、石油焦等。
• 电极: 电弧炉的“心脏”，通常是石墨电极,通过导电产生电弧。

冶炼过程

• 熔化: 将废钢装入炉内，放下电极，接通强大电流（可达数万安培），电极与废钢之间产生的高温电弧（温度可达3000°C以上）迅速将废钢熔化成铁水。
• 氧化与精炼 (可选): 如果目标是生产粗钢，会吹入氧气或氧气-燃料混合物，去除废钢中的碳、磷等杂质，但如果要炼生铁，这一步需要严格控制或省略。
• 增碳: 当废钢完全熔化后，根据目标含碳量，按计算量加入增碳剂,通过搅拌使其均匀溶解在铁水中。
• 合金化: 根据需要，可以加入硅铁、锰铁等合金,调整生铁的成分。
• 出铁: 达到目标成分和温度后，将铁水从出钢口倒入钢包中,再进行浇铸或运走。

产品

• 电炉生铁: 成分可控性强，杂质（尤其是磷、硫）含量可以比高炉生铁更低,质量更稳定。
• 电炉钢渣: 同样可以作为建筑材料。
• 废气: 含有大量粉尘,需要经过除尘系统处理。

电弧炉法优点: 启动快，灵活性高，对原料（废钢）的适应性强，产品质量好，二氧化碳排放量远低于高炉法。 电弧炉法缺点: 单位能耗高（主要耗电）,不适合大规模连续生产。

总结与对比

将废铁炼成生铁，高炉法是绝对的主流，它通过“还原+增碳”的化学过程，将废钢重新熔炼并提高其碳含量，最终得到符合要求的生铁，而电弧炉法则提供了一种更灵活、更环保的补充方案,尤其适合特定需求的生产场景。