炼铁是什么，炼铁是什么时候发明的？

大家好，这里是肥肠刺身，感谢关注！首先要说明一下，本回答不是在教大家如何炼铁，而是在帮助大家理解高炉冶炼过程的原理。高炉冶炼的过程是这样的：高炉冶炼实际上就是利用高温将铁矿石中的铁元素还原成液态铁水，然后让铁水进入钢水包。因此，如果不考虑炼铁炉和冷却方式对冶炼时间的影响，现代炼铁炉的冶炼时间一般为20分钟左右，而在古代是无法实现如此短的时间内冶炼出合格的钢铁。

1.炼铁炉

在古代，炼铁炉的主体材料一般都是铁矿石，而铁矿石中的铁元素大多是以氧化物的形式存在。在炼铁炉内，高温熔融的铁矿石和氧气相遇，将被还原成液态的铁水。在这个过程中，空气中的氧气被高温熔融铁矿氧化，生成氧化铁。而如果没有足够的氧气进行燃烧，反应无法顺利进行。随着时代的发展，人类逐渐掌握了使用含碳燃料（煤炭、木材等）进行燃烧生产氧气的技术，从而避免了高温熔融铁矿对氧气和空气的过度需求。由于这种方法不需要将铁矿完全熔化，因此可以通过降低温度和压力来提高生产率。这种技术被称为“富氧燃烧”。因此，人类开始使用富氧炉来冶炼钢铁。从战国到汉代初期，中国使用最广泛的炼铁炉是一种带有竖罐和回风鼓风机的小型火灶炉。到了汉代中期以后，炼铁炉开始使用多层燃烧器进行燃烧，从而提高了生产率。

2.高炉

1)高炉结构：最早的高炉是泥状结构，即铁矿石和焦炭（或者煤块）一起放在一个大池子里，这种高炉比较简陋，只能在很小的范围内冶炼，但是它是世界上第一个工业化炼铁的高炉。 2)冶炼原理：在泥状结构中，焦炭与铁矿石一起在高温下燃烧，产生的热量与铁水充分接触（一般都是从风口处吹入），焦炭中的碳与铁发生还原反应，生成液态铁，并进入铁水包。 3)工艺流程：首先将铁矿石送入熔炼室，用铁锹将铁矿石送入熔炼室；然后点燃焦炭，并使焦炭与铁矿石一起燃烧；在燃烧过程中会产生大量热量；在铁液经过高炉底部的出铁口时将铁水带出。因此高炉冶炼过程中需要使用大量燃料。 4)操作要点： ①使用木炭：焦炭燃烧的高温会使铁矿石中的碳和铁发生反应生成液态铁和氢气。木炭可以为高炉提供充足的氧气，加快高炉冶炼过程中燃料的燃烧速度。

3.蒸汽喷吹

这是一个相对较新的技术，但如果你认为这种方法在古代很难实现的话，那就太天真了。虽然它使用了一种新的方法，但在古代并没有被广泛使用。蒸汽喷吹是一种用热空气喷吹熔融金属和煤的工艺。与传统高炉相比，其优点在于，它可以将高品位的铁矿石转化为高质量的生铁，而这对于古代来说是非常困难的。例如，如果你想把一块铁矿熔化成铁，那么你需要花很多时间来收集所需材料，而这些材料很难被收集。这将导致大量时间浪费在寻找铁矿石上。此外，由于要在高温下熔化铁矿石，这也会导致对铁渣进行大量处理并消耗大量燃料。最后是安全性问题。即使不发生爆炸，只要有一块铁渣掉落就会造成严重事故。

4.焦炭

现代炼铁工艺的发展使焦炭成为了钢铁生产过程中必不可少的原材料。焦炭主要是由碳元素组成，和碳元素相比，氢元素的含量要少得多。因此，焦炭在现代钢铁生产中也是不可缺少的原材料。当然，也有一些古人利用木炭还原钢铁的方法。将木炭置于坩埚中，在木炭表面撒上一层草木灰，然后放入熔炉中烘烤，利用木炭之间产生的热量，可以将碳元素还原成金属铁。这种方法的原理与现代炼铁炉相同。对于古代人来说，上述方法是无法实现冶炼出钢铁的。如果想要炼铁，我们可以先将铁矿石中的铁元素还原成液态铁水，然后再将铁水注入炼铁炉中进行冶炼。这样我们就可以用现代工艺制造出合格的钢铁材料。

5.高炉渣钢

如果没有发生渣钢炼制过程，那么铁水就会进入钢水包。这就是为什么现代钢铁生产中会有两个高炉的原因，因为冶炼过程中既有铁水，也有钢水。在古代，炼铁炉的冶炼时间十分有限。所以如果用高炉冶炼出钢铁，那么就得经常把铁水从炉缸倒进钢水包，这不仅会浪费大量的时间，也会浪费大量的燃料。此外，由于古代钢铁冶炼需要使用木炭、焦炭等燃料来进行高温反应，这些燃料很难被完全利用。为了缩短冶炼时间，人们需要采取一些手段来延长炉渣的寿命。人们首先想到了用石灰来软化炉渣，但是石灰必须由石灰石和煤组成。在古代煤炉还没有普及的时候，石灰也只能通过木炭、石炭来获得。

6.现代钢铁的诞生和发展历程

18世纪，英国的科学家约翰·道尔顿提出了用煤来代替木炭作为燃料，这种方法被称为“现代炼铁法”。这一方法的优点是炼铁炉中不需要添加任何燃料，并且可以直接将铁矿石中的铁还原成液态铁水，从而大大提高了炼铁效率。1825年英国人罗伯特·毕格将这种方法推广到了其他国家，并在德国进行了首次试验。 1866年，美国人路易斯·富兰克林在一次试验中发现在真空条件下，氢原子可以将氧原子还原成碳原子。富兰克林通过实验发现了钢铁中的碳元素和氧元素也可以与氢原子发生反应，从而得到了一种新的物质——钢。 1883年，德国人奥古斯特·威廉·曼内斯曼成功地从含碳的高炉渣中还原出了铁和碳。曼内斯曼创造了一个新的钢种——奥氏体不锈钢。1886年，奥地利人卡尔·奥托发明了“奥氏体不锈钢”，并于1913年将其推广到世界各国。

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