高爐鍊鐵

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引言

冶金學處理金屬、**鐵**及其合金的學科稱為黑色冶金。古代人類已將**鐵**用於多種用途。它是一種原子序數為26的金屬元素，具有許多獨特的特性。鐵的密度很大，在地殼中儲量豐富。大約百分之五的地殼由金屬**鐵**構成，丰度排名第四。鐵位於d區或過渡元素中。純**鐵**金屬具有許多優點，因此提取純鐵非常重要。15世紀高爐的發現使提取過程更加容易。

什麼是高爐鍊鐵法提取鐵？

用於提取**鐵**的大型容器是**高爐**。**鐵**礦石是含有氧化鐵(III)，Fe₂O₃的赤鐵礦。從其化學式本身可以看出，需要去除氧氣。氧氣的去除是透過還原反應完成的。使用焦炭是因為碳比鐵更活潑，可以更容易地將鐵從氧化鐵中置換出來。高爐內溫度很高，這進一步導致碳燃燒，碳轉化為一氧化碳。

鐵的提取過程

**鐵的提取過程**主要包括三個步驟：

• **礦石富集** - **鐵**礦石除了水溶性沙子和粘土外，還含有許多雜質。這些雜質可以透過富集過程分離，這可以透過有限的氧氣供應來完成。該過程稱為**煅燒**，是一種熱分解過程。這些雜質被稱為脈石。硫和碳酸鹽透過此過程去除。

• **從富集礦石中提取鐵** - 富集礦石後，**鐵**透過與石灰石和焦炭反應提取。此過程藉助**高爐**完成。在**高爐**頂部加入富集礦石、焦炭和石灰石等化合物。然後從**高爐**底部吹入熱空氣。此過程需要高溫，焦炭燃燒產生一氧化碳。

  $$ \mathrm{C+CO_2→2CO} $$

  然後一氧化碳參與反應。由於那裡的溫度較低，該過程發生在高爐的上部。反應發生的溫度為500K-800K。即

  $$ \mathrm{3Fe_2 O_3+CO→2Fe_3 O_4+CO_2} $$

  $$ \mathrm{Fe_3 O_4+4CO→3Fe+4CO_2} $$

  $$ \mathrm{Fe_2 O_3+CO→2FeO+CO_2} $$

  $$ \mathrm{3FeO+CO_2→Fe+CO_2} $$

• **鐵的提純** - 從**高爐**中獲得的**鐵**是不純的。雜質主要由矽酸鹽組成，可以用石灰石去除。石灰石以爐渣的形式去除**鐵**中存在的雜質，並且可以很容易地從熔融狀態的**鐵**中去除。即

  $$ \mathrm{CaCO_3 (s) → CaO(s) + CO_2 (g)} $$

  $$ \mathrm{CaO(s) + SiO_2 (s) → CaSiO_3 (l)} $$

  經過此過程獲得的**鐵**含碳量為3%到4%，還含有一些其他雜質，稱為**生鐵**。它是一種脆而硬的金屬。因此，降低碳含量非常重要，這可以透過再次熔化一些焦炭和**鐵**廢料，然後將其送入**高爐**來實現。然後獲得的鐵僅含有2%到3%的碳含量，這種**鐵**稱為**鑄鐵**。

什麼是煅燒？

**煅燒**是一個涉及淨化方法的過程。此過程需要有限的氧氣供應。揮發性雜質很容易透過此過程去除。此過程通常用於石灰石，其中碳酸鈣轉化為氧化鈣，並去除二氧化碳氣體。

$$ \mathrm{CaCO_3→CaO+CO_2} $$

什麼是焙燒？

此過程涉及在高於熔點的高溫下用過量氧氣加熱礦石。焙燒過程涉及多種反應，例如氧化、熱解水解、還原等。它主要用於硫化礦石，例如硫化鋅。

$$ \mathrm{2ZnS+3O_2→2ZnO+CO_2} $$

煅燒和焙燒的區別是什麼？

下表列出了**煅燒和焙燒**的一些區別。

煅燒	焙燒
在減少氧氣供應的情況下加熱金屬礦石以去除揮發性雜質的過程是**煅燒**。	在過量氧氣下加熱金屬礦石以去除雜質的過程是**焙燒**。
主要用於碳酸鹽礦石。	主要用於硫化礦石。
會產生揮發性和有毒化合物。	會產生有毒氣體和化合物。
此過程使用帶封閉孔的反射爐。	此過程使用帶開放孔的反射爐。
礦石中存在的成分主要以氣體的形式逸出，礦石中會形成孔洞。	磷、砷和硫雜質以氣態氧化物的形式逸出。

高爐中發生了什麼？

**鐵**礦石赤鐵礦會發生幾項反應，最終形成金屬**鐵**。這是一個高溫過程，主要包括三個步驟：礦石富集、鐵的提取和**鐵**的提純。這裡在**高爐**中發生的整個過程是去除礦石中存在的氧氣，所以這是一個還原過程。

什麼是熟鐵/韌性鐵？

**鐵**最純淨的形式是熟鐵或韌性**鐵**。在內襯赤鐵礦的爐中加熱**鑄鐵**會產生**熟鐵**，這是市售的**鐵**。反應為：

$$ \mathrm{Fe_2 O_3+3C→2Fe+3CO} $$

結論

從礦石中**提取鐵**是一個複雜的過程，因為它涉及使用**高爐**。在**高爐**中加入鐵礦石和其他幾種化合物，可以**提取鐵**。提取過程的主要原料是焦炭，其中含有碳。**鐵**很容易獲得，並具有多種用途。**煅燒**也參與提取過程。獲得的鐵稱為**生鐵**，然後經過一些額外的處理以獲得**鑄鐵**，並用赤鐵礦處理以生產最純淨形式的鐵，即**熟鐵**。

常見問題

1. 生鐵和鑄鐵哪個更硬？

**鑄鐵**比**生鐵**更硬。

2. 什麼是冶金？

從礦石中生產金屬的過程稱為冶金過程。

3. 什麼是鋼？

透過與碳結合製成的**鐵**合金是鋼。在防鏽性、耐腐蝕性、強度等方面，鋼的效能優於**鐵**。

4. 鐵渣和礦石具有磁性嗎？

是的，從高爐獲得的爐渣、鐵礦石和赤鐵礦都具有磁性。

5. 爐渣的功能是什麼？

爐渣作為熔融金屬的保護層，因為它漂浮在其表面並保護金屬免受氧化。