高炉炼铁技术发展史

钢铁是人类社会最重要的材料，钢铁的生产影响了人类社会的方方面面。

在人类社会使用的所有材料中，钢铁的使用量仅次于水泥，但是钢铁的用途和使用范围远大于水泥。

当今社会球海运最大宗的商品是铁矿石，其次是煤炭，这两种商品都与钢铁的生产相关。

人类炼铁技术的发展过程，就是使钢铁产量越来越大、生产成本越来越低的过程。

在工业革命前，一座高炉每年的产量在几百吨至上千吨左右。

工业革命后，随着焦炭的使用、机械鼓风代替水力鼓风、热风炉、烧结矿等新技术的发明和使用，高炉的生产规模越来越大。

1900年，全球最大高炉日产量为500吨；

1930年，全球最大高炉日产量为1000吨；

50年代初，全球最大高炉日产量达到2000吨；

80年代，全球最大高炉的日产量达到12000吨~13000吨。

80年代至今，全球最大高炉的容积基本在6000m³以下，日产量仍然维持在12000吨~13000吨的水平。

工业革命前的炼铁技术

 早期炼铁都是使用简陋的碗式炉，这种炉是供炼铁用的最原始的炉型，它是在地上或岩石上挖出的一个坑，风从鼓风器通过风嘴直接鼓入。这种炼炉没有出渣口，炉渣向下流到底部结成渣底。

进入中世纪，碗式炉逐渐被淘汰，竖式炉经过不断的发展改进，到中世纪后期逐渐演变为熟铁吹炼炉。

这种炉通常是环形中空的，四周由黏土围成，是高炉的雏形。

 一个高炉在16世纪平均一年可以产出200吨铁，相比吹炼炉最高年产量为45吨，高炉的产量大约是其的4.5倍。

其次，高炉溶炼的生铁水具有更好的流动性，可以轻易流入一些相对要求较高的铸模当中，比如枪炮。15至16世纪战争不断，需要大量生铁铸造枪炮，因此对高炉生产的生铁需求量大为增加。

工业革命前后，全球最大的钢铁生产国是英国，英国一直引领了全球钢铁技术的发展，很多重要的新技术都是在英国诞生的。

工业革命前，高炉炼铁技术整体水平十分低下，高炉炼铁技术的主要特点是：

1、普遍使用木炭做燃料。

2、采用水力鼓风；

3、鼓风温度是常温，未对吹进高炉的空气进行加热。

4、矿石未经处理直接入炉。

1660年至1750年整个时期，英国全国木炭生铁的产量在22,000吨左右，上下浮动的范围不超过2,000或3,000吨。

木炭高炉的产量不仅受限于英国木炭的供应量，也极大的受制于技术本身。

焦炭炼铁技术的诞生

使用木炭炼铁首先受制于木炭的供应量。

在17~18世纪时期，冶炼一吨生铁2.5 担木炭或800立方英尺实木，相当于10英亩林地一年的自然增长(一英亩林地一年内增长达100 立方英尺)。

一座年产500吨生铁的高炉需要近7,000英亩林地才能维持生产，此外为了精炼530吨条形铁还需6,000英亩林地。

供应一座年产500吨高炉和锻铁炉，需要13,000英亩林地。

炼铁生产的扩大首先就受制于木炭的供应量，即受制于土地的数量。

要扩大生铁的产量，必须选择木炭的替代能源。

从生物能源向矿物能源的转变是工业革命前后很多产业重要的技术进步。16~17世纪，几乎其他所有的使用热能的工业部门(啤酒、玻璃、有色金属、石灰石焙烧、染色以及其他行业)都转而使用煤炭。

在炼铁业，虽然很多人开始尝试使用煤炭代替木炭，然而由于煤炭含有许多有害杂质，炼铁业却是最后完成这一变迁的行业之一。

自16世纪以来，英国制铁业主就开始不断试图使用泥煤、煤炭和焦炭来炼铁，但是都没有成功。直到18世纪早期，达比才成功的实现使用焦炭炼铁技术进行商业生产。

达比可能最早于1709年就已开始成功的使用焦炭炼铁。并可能直到1715年才完全掌握焦炭冶铁的技术，并在煤溪谷地区新建了第二座高炉。

煤炭里含有对炼铁有害的杂质（木炭则没有）且更难燃烧，这是使用煤炭炼铁的主要难题。

使用煤炭作为燃料炼铁，首先需想办法去除煤炭中的一些有害杂质，其次需要更强大的鼓风设备。

去除煤炭中的有害元素需要通过炼焦煤，通过炼焦可以有效的降低有害杂质硫含量。煤溪谷地区的煤矿含硫量低，可以生产出优质的焦炭，这是焦炭炼铁诞生在此处的一个重要原因。

其次，需要建造一座大规模高炉，以保证铁矿石与燃料长时间接触，并通过安装更强大的鼓风设备以提升炉温，保证焦炭的充分燃烧和氧化。

达比的成功最可能主要是源于燃料的质量以及高炉大小和更强劲的鼓风设备。

18世纪20年代，英国煤溪谷地区的年平均产量只有大约200吨，且燃料消耗高，可能主要是由于水利供应不足的缘故。

到30年代晚期，由于1735年安装了一部抽水机，这意味着可以利用更多的水量带动驱动风箱的水车。鼓风强度得到提高，能够将更多的空气鼓入高炉中，因而提升高炉工作温度以及燃料燃烧效率，燃料消耗和产量都随之提升。

燃料消耗方面，1723年至1724年燃料消耗高，每吨焦炭生铁消耗高达18.1吨煤炭。这一数值在1725年至1732年间降到13.8吨，其后一直稳步下降到1737年至1738年的8.5吨。

蒸汽鼓风代替水力鼓风

18世纪，随着煤逐步代替木材成为主要燃料，能源危机得到缓解，但炼铁生产又面临新的问题——那就是鼓风动力的问题。

早期鼓风的动力来自水车，由水流推动水轮驱动用木材和皮革制成的风箱向高炉鼓风。

水车驱动鼓风会遇到两个棘手的问题：

第一，水车鼓风动力不足。随着焦炭的使用，高炉需要更加强劲的鼓风以保证焦炭的燃烧，这时即使是最为湍急的水流也难以满足需要。

第二，水车鼓风受到季节影响严重。在水量充沛时可以满足水车驱动鼓风箱鼓风，但水量不足时则没法推动鼓风箱产生鼓风，高炉不得不关闭。

这样的状况在旱情严重的年份显得格外突出。

受河流水量的影响，这时期高炉每年只有30周左右的运行时间，动力问题已成为限制焦炭炼铁发展的瓶颈。

1742年，达比二世利用纽卡门式蒸汽机将冲击水车转动后下泄的水流重新抽回到上游的蓄水池当中，使其沿着与相同的路径向下游流动从而再次冲击水车转动，实现了水资源的循环利用，这种蒸汽机被称为“抽水蓄能式蒸汽机”。

不过这种蒸汽机仍然需要借助一套水车系统来驱动产生动力，无法直接产生动力作用于鼓风箱，应用性受到很大限制。

1766年，瓦特的新式蒸汽机被用于为布罗斯利的威尔金森工厂的高炉直接鼓风，这台蒸汽机有一个30英寸的汽缸，这是蒸汽机第一次被用于抽水以外的用途。

1780年后，瓦特的蒸汽机陆续得到一些改进。这些改进使瓦特蒸汽机变得更为可靠，动力更强。很多制铁厂厂主开始订购瓦特蒸汽机为高炉鼓风，这些蒸汽机被安装在从约克到南威尔士的广大地区。

蒸汽机取代水车为鼓风提供动力，具有革命性的意义。

1、首先，提高了鼓风的强度和速度，提高了焦炭铁的产量。

鼓风设备由皮木结构的箱式鼓风器变为蒸汽机和汽缸，这样提高了鼓风的强度和速度，使用焦炭作为燃料的高炉变得更大，提高了焦炭铁的产量。

达比的高炉在18世纪50年代早期的平均年产量为700吨，到18世纪80年代晚期，平均年产量达到了1000吨，到1805年，平均年产量更飙升至1500吨。由于采用蒸汽机鼓风，焦炭高炉的容积可以建的更大，这是提高高炉产量的主要途径之一。

2、其次，蒸汽机使高炉的关闭时间大为缩短。

高炉生产不再受到水量影响。除去必要的用来修补炉衬的时间，高炉差不多在一整年都能够运作，不会因为水力供应的问题而被迫关闭。

3、最后，蒸汽机改变了高炉的分布格局。

水不再是高炉选址的决定因素，这使得高炉从木材丰富、水力充沛的地区迁移到煤炭丰富、离矿石较近的地区，

另外，蒸汽机还使一个地方可以建造多个高炉，而用水做为鼓风动力却没法做到这一点，有限的水力只能满足一个高炉的需要。

蒸汽机使高炉使用焦炭成为了必然趋势，而且极大地提高了高炉产量，直接促进了钢铁工业的发展和生产技术的改进。

热鼓风代替常温鼓风

炼铁使用的燃料是煤，高炉对煤的消耗是巨大的。

18世纪末，生产一吨生铁所需的煤为9到10吨。19世纪初，尽管生产一吨生铁所需要的煤已经减少到7吨左右，但热效率仅仅只有5%，也就是说许多煤被白白消耗掉了。（C.Bodsword, British Iron and Steel AD 1800-2000 and beyond, 2001.）

格拉斯哥的一位煤气厂主尼尔森在苏格兰做了一些不同的试验，并在1828年9月获得了热鼓风的专利。

此后，他与克莱德公司合作，在高炉中使用经过预热的气流来帮助其燃烧。他们通过一个由外部煤火加热的铸铁管使鼓风的温度达到120℃。

1830年，克莱德公司的高炉开始使用热鼓风。

在使用冷风的情况下，高炉生产一吨生铁需要消耗8.05吨的煤。

当鼓风的温度达到时120℃，煤的消耗量下降到5.20吨，其中还包括加热炉中加热鼓风所消耗掉的0.4吨煤。

克莱德公司的生产证明热风比冷风更加节省燃料。

尼尔森使用的设备有一个设在砖结构中的熟铁换热室，下面有加热格栅。冷鼓风在加热格栅上方的换热室一端进入，经过加热后在另一端流进风口。

尼尔森还对加热炉进行改进，使热鼓风的温度达到300-350℃。

1841年，大约50万吨生铁由热风炉生产的，其中60%是苏格兰生产的。

到1850年，几乎所有的英国高炉都采用了热鼓风。

19世纪70年代，英国高炉平均的燃料消耗有了明显的下降，封闭式高炉的广泛推广和热风炉使用的增多加速这一趋势的发展。

1869年，每生产1吨生铁需要耗费3吨煤（或吨1.5焦炭）；

1880年，下降到了2.2吨煤（或1.1吨焦炭）；

到19世纪末，一吨生铁只需要消耗1.5吨煤。

在1800年到1880年期间，生铁熔炼的燃料利用效率提高8倍。（C.Bodsword, British Iron and Steel AD 1800-2000 and beyond. London:IOM Communication Ltd, 2001. P15）

人造富矿：对铁矿石的预处理

现代炼铁技术的主要构成要素中，烧结工艺的发展和成熟时期最晚。

高炉内的炼铁过程本质上是一个还原反应：在高温下用还原剂把氧化铁还原成单质铁。

这个反应的高效进行需要温度、炉料透气性好和分布均匀等条件。

为了确保良好的透气性和高效还原,装入高炉的矿料应尽可能形成大小一致的块状。

从矿山开采出来的铁矿并不符合这种外形要求，而通过选矿提高含铁量往往需要把原矿粉碎磨成粉末进行筛选，导致原料的透气性变差。

因此有必要对入炉的矿料进行预处理，使矿料的形状变为大小一致、透气性好的块状。

这些经过预先处理的原料被称为人造富矿！

为提高生产效率、降低炼铁成本，钢铁企业很早就开始尝试用不同的方法对进入高炉的矿料进行处理。

1896年，美国伊利诺伊钢铁公司的南部工厂就进行了烟道灰造块的尝试，他们把这些原料与石灰石混合物一起压制成块,作为高炉料的一部分。

1899年一位瑞士工程师，磁选法的倡导者格伦达尔(G.Grondal)在芬兰工作期间创造了一种压块工艺,即把矿粉同水混合,放入模子里压实,然后放到带蓄热室的隧道窑中焙烧。这种工艺中把矿粉同焦炭粉末相混合,由活动炉篦传送,并使它们受到热处理形成块状,以便装入高炉。

1906年,两位美国工程师德怀特(A.S.Dwight)和劳埃德(R.L.Lloyd)在墨西哥炼铅期间,首创在活动炉篦上利用抽风连续烧结的方法。1911年在伯兹伯勒首先采用这种机器，并称为1910-1920 年期间美国生产烧结矿的主要方式。

烧结工艺在英国进展很小，1950年高炉料中使用的烧结矿约14%。

但大量使用烧结矿料的主要转变发生在接下来的20年里。较早的烧结机是烧煤的,但后来改为烧油、焦炭、高炉煤气或混合气,以提供工业用热,也会添加焦粉和废钢。

除了烧结外，还有一种造块方法是将矿粉造球,这需要在旋转圆筒内将矿粉滚成球团,然后经过热处理使之硬化。

20世纪50年代以后，对铁矿石进行预处理的比例不断提高，特别是烧结成为炼铁工业的必备环节。

高炉技术经济指标的改善，烧结的普遍推广是主要贡献者之一。

高炉的大型化

早期的高炉通常较小，主要是受到木炭强度和鼓风强度两个条件的限制。

由于木炭很脆，难以承载较多的重量，高炉最多不能超过6米。

水力鼓风的强度低，无法满足大型高炉的鼓风需求。

随着焦炭和蒸汽鼓风机的应用，限制高炉大型化的因素都被移除，高炉的规模迅速扩大。

高炉的高度迅速增长至12-15米，容积也从立42方米增加到170立方米。

1850年前后，除了烧结工艺外现代高炉炼铁的主要组成要素都已经发明并得到普遍的应用：

1、焦炭取代木炭；

2、蒸汽鼓风取代水力鼓风，在电力革命发生后则是电动机鼓风；

3、吹入热空气取代常冷空气，此后更是进一步发明了富氧鼓风、喷吹煤粉等加快高炉内部燃烧和提升燃烧稳定的措施；

4、人造富矿取代矿石直接入炉；

在这些基本的高炉技术全部发明之后，炼铁技术的发展方向是各基本要素的进一步深化，这些发展推动了高炉的大型化。

高炉的容积变得越来越大，效率越来越高，炼铁的生产成本越来越低。

1902年，美国钢铁公司建造了当时全球最大和最新式的高炉,其日产生铁大约为500吨。这座高炉的高度差不多有89英尺,炉缸直径为15英尺6英寸。

20世纪前半期末,美国最好的高炉日产量接近1400吨,炉高达108英尺,炉缸直径31英尺。

20世纪50年代在苏联的援助之下武钢建成了两座1500m³级别的高炉，设计年产能150万吨，两座高炉的平均日产量在2000吨左右。苏联的炼铁技术在全球处于领先水平，而苏联向中国提供的技术在当时是属于较为先进的。

20世纪50年代至80年代是高炉大型化的黄金时期，日本钢铁工业充分利用先进的技术建设了多个最先进的大型沿海钢铁基地，使得日本钢铁工业称霸全球。

1970年日本钢铁工业建成的水岛钢铁厂三号高炉内容积达3363m³, 是当时世界上最大的高炉。

1976年时全球最大的高炉是新日铁大分厂建成的5000m³高炉，其使用寿命、利用系数、吨铁焦比等技术经济指标都领先其它高炉。

1980年后全球高炉大型化的速度显著放缓。

受制于焦炭的强度，高炉内容积无法进一步扩大，当今全球最大高炉的容积一直维持在6000m³的水平，代表性高炉有韩国浦项制铁光阳钢铁厂6000m³的高炉，首钢京唐5800m³的高炉，江苏沙钢5860m³的高炉等。

高炉炼铁技术从1980年开始就接近于成熟，后期新建高炉的技术经济指标继续提高的空间已经十分有限。

从石器时代至今，人类社会已有上百万年的发展历史，但是现代炼铁技术的诞生和成熟是很晚的事。

英国是现代炼铁技术的主要诞生地，主导了早期炼铁技术的发展：焦炭炼铁、蒸汽鼓风、热鼓风等技术都是英国发明的。

20世纪50年代至80年代又是炼铁技术的快速发展时期，高炉的大型化速度显著加快，高炉炼铁技术逐步达到成熟。日本钢铁工业充分利用了最新的技术建设了多个大型沿海钢铁基地，使得日本钢铁工业的技术和竞争力迅速超过美国和欧洲国家。

中国掌握现代炼铁技术始于50年代，始于苏联的援助。

50年代至改革开放，中国努力学习和掌握苏联技术，攀钢的建成标志着中国完全掌握了苏联技术并有所发展。

改革开放后中国从日本、德国等国家引进现代钢铁工业的技术，并逐步弥补了与西方发达国家的技术差距。

宝钢2号高炉和武钢5号高炉的建成投产标志着中国掌握了现代高炉技术。

中国钢铁工业腾飞的基础就在于我们掌握了技术！

参考资料：

1、《世界冶金发展史》

2、《汉冶萍公司史》，张后铨

3、《汉冶萍公司与中国近代钢铁技术移植》，方一兵

4、《论近现代英国钢铁技术的发展》，王龙。

5、《战后日本钢铁工业及其技术改造》

6、《战后日本钢铁工业》

7、《日本钢铁工业地理》

8、《日本钢铁工业》

9、《鞍钢炼铁厂志》

10、《鞍钢炼铁技术的形成与发展》

11、《现代大型高炉设备及制造技术》

12《中国重大技术装备史话-宝钢二期成套设备制造》