钢铁的冶炼过程相当复杂，通过本章的学习，可使青少年更详细地了解和认识炼铁炼钢的原理和流程。
第一节冶炼钢铁的所需原料
原料的种类
钢和铁的主要成分都是铁元素，只是它们的含碳量不同而已。
纯粹的铁元素叫做纯铁，自然界里不存在纯铁，也没人使用纯铁。通常人们把含碳量大于2﹪的称为“生铁”，含碳量小于这个数值的称为“钢”。冶炼钢铁时，要把含铁的矿石先放进高炉中，冶炼成熔融的生铁，接着再把熔融生铁转到炼钢炉中，精炼成钢。
炼制钢铁的原料有四大类：第一类是含有铁质元素的铁矿石；第二类是煤和焦炭；第三类为冶炼过程中，以产生炉渣方式，用来分离杂质的熔剂或助熔剂；第四类是各种配合原料，像废钢、氧气、脱氧剂以及炼制过程中的回收料等。
（1）铁矿石
铁矿石是指那些含有铁元素的矿石，其中以铁化合物形态存在的矿石有氧化物、碳酸盐、硅酸盐及硫化物等。
铁矿按粒度大小，可分为粉铁矿及块铁矿。粉铁矿再经处理成烧结矿或球团矿，再与块铁矿一起，放进高炉里提炼铁水。
粉铁矿添加细焦炭及助熔剂后，混合均匀，再经烧结成烧结矿。块铁矿则经过筛后送至高炉配料间。配料间内有焦炭、烧结矿、块铁矿、球团矿、锰矿、白云石、硅石等，它们都是高炉炼铁的基本原料。
（2）煤和焦炭
高炉炼制生铁时，不仅需要还原剂，还需要提供大量热能的燃料。
由于焦炭提供的热量多、杂质少、强度大，而且它还是效果很好的还原剂，因此目前大多数钢铁厂的高炉燃料还是以焦炭为主。然而世界上可用于制造炼铁焦炭的原料煤却是有限的，所以钢铁业界正在努力研究焦炭替代品。
（3）助熔剂
人们用助熔剂石灰调整炉渣的碱度。助熔剂是提供碱基的主要来源。它可以加快铁矿的烧结速度，控制烧结矿品质，减少有害的杂质，让烧结矿在高炉内更好地还原，节约焦炭的用量，增加铁水的产量。萤石在炼铁过程中也担当着调整成分、降低杂质熔点、节省燃料的重要任务，它也是重要的助熔剂。
（4）配合原料
除了主要原料外，有另外几项原料配合：
①纯氧气：用吹氧设备送入炼钢炉，它的作用是氧化生铁液中含有的碳。
②脱氧剂：用来脱除钢液中残余的氧。
③废钢：它来源于炼钢过程产出的、加工过程切除的废料以及生活中的废钢料；用于吸收多余的热量；由于废钢密度大、体积小，可缩短炼钢时间，既可作冷却材料，又可增加产量。
④其他铁合金：是用来冶炼特殊用途的合金钢材的。在炼制过程中添加各种金属成分，可以调整成品的性质。
⑤过程回收料：在烧结场里，炼铁过程回收使用的杂料有6种，包括细焦炭(提供热能)、块矿细料、轧钢铁屑皮、高炉尘、配料间过筛细回料、混杂料。
第二节原料准备与处理
1.原煤与焦炭
今天，焦炭仍然是钢铁工业还原氧化铁的原料和热源。原煤是钢铁厂的主要原料。焦炭品质和采购的原煤品质有关，也和煤处理的过程有关。
所以煤处理很重要，它的工作内容如下：
①把煤配成炼焦所要求的百分比，②将煤破碎成为一定粒度，并混合，③制造成均匀的混合煤，④在焦炉中加热，让焦炭的品质合乎要求。
2.助熔剂
助熔剂包括石灰石、白云石、蛇纹石、硅石、萤石、大理石。
3.块铁矿
块铁矿要经10毫米筛网过筛处理。粒度10~30毫米的料，送至高炉配料间储藏；粒度10毫米以下的料，则送往拌料工场料仓，作为烧结的原料。
4.锰矿
我国广西、湖南出产的锰矿，粒度在6毫米~63毫米，主要成分是锰，含量在30%～40%，不用作任何处理，可直接送至高炉配料间储藏，作为高炉的添加剂。
5.铁精矿粉
铁精矿粉粒度在6毫米或8毫米以下。
主要成分铁的含量在60%~70%，不用经过任何处理，可直接送至料场料仓，与粒度10毫米以下的块铁矿以及各类助熔剂等原料，依设定的搭配比例，在料场用布料机把它们布成一堆混合料。这堆混合料要成分均匀，以便作为烧结原料。
6.烧结矿
①在高炉配料间里，人们会筛下一些细烧结矿及铁矿。这些东西用皮带运输机运回烧结厂，重新烧结。
②将烧结厂生产的烧结矿，用不同的皮带运输机分别送往高炉配料间的料仓；也可由挡板的变换，将烧结矿送到堆料场，然后按烧结厂生产状况和高炉的需求，料场的烧结矿再由受料漏斗车，送回高炉配料间料仓。
第三节炼铁的过程
炼生铁的原理就是要想方设法，把铁矿石氧化铁中的氧除去，使它还原成单质金属铁。较常见的方法有高炉法、电气还原炉法、直接还原法，还有电浆熔炉法。
1.炼铁原理
高炉炼制生铁，是借助炉内焦炭燃烧产生的高温及焦炭燃烧产生的还原剂-一氧化碳气体，在各种浓度、压力与温度下与氧化铁进行还原反应。也可把高炉看成料柱与气流间的反应器，上升的炉气把下降的炉料加热，同时发生物理变化和化学反应。主要的反应有热交换、还原、燃烧、软化与熔融等。以下是各种反应的过程与说明：
燃烧带：在风口前端，热风吹入炉内后，空气中的氧便与赤热的焦炭发生燃烧反应，生成一氧化碳气体，2C＋O2＝2CO(放热反应)。
熔融带：在高炉的炉腹部位，除焦炭外，其他加入的原料都开始熔融。大约在900℃，铁矿石就开始软化；大约到达1000℃时，矿石就开始相互熔融。铁矿石或含铁料就这样熔融了，然后烧结，还原成铁，再渗入碳、硅、锰、硫、磷等元素，熔点就降低了，并化成向下滴的生铁熔液，会聚在炉缸里，此时炉渣也开始生成、熔融、滴下。
下部还原区：
在炉身下部到炉腰的地方，炉气上升与下落的铁矿石接触，发生间接与直接的还原反应，氧化铁被还原成固态的海绵铁。
此时石灰石也快速分解生成氧化钙，并到达下部还原区底部，与铁矿石中的脉石结合。
上部还原区：高炉炉身上部到加料线间的区域为上部还原区，此处为预热带，又叫做预热还原区。高炉的加入料被上升的气体预热至200℃~300℃；此时碳酸盐类开始分解，水分与结晶水被蒸发排出，铁矿石中的氧化铁和四氧化三铁逐渐下降，与上升的一氧化碳气体发生部分或完全还原。
2.炼铁流程
高炉炼铁的主要原料有三种：铁矿石、焦炭与石灰石。
①铁矿石。铁矿石中赤铁矿、磁铁矿和褐铁矿是较为普遍的。
如今人们已经很少直接把大量铁矿石加入炉中炼制了，而是把矿石先经烧结处理，形成烧结矿；或选矿及特殊处理的球团矿，作为含铁原料，再把含铁原料送入高炉中。
②焦炭。焦炭加入高炉内有重要作用，它提供反应及熔化所需的热量，它是还原剂，更具有高温强度，是料柱骨架。
③石灰石。石灰石是助熔剂，配合高炉原料的选用，也可用白云石代替。助熔剂能结合铁矿石中的脉石二氧化硅与焦炭中的灰分，降低它们的熔点，使它们形成炉渣排出。
现代炼铁厂的主要结构是：加料设备、高炉、热风炉、鼓风设备、除尘设备等构成。原料运送到原料存储场，经处理后输送到原材料仓储存。高炉是24小时连续不间断运行工作的，原料使用量极大，所以必须有充足的库存量供高炉运作。
以下是炼铁的主要流程及其说明：
①原料储存：原料从码头卸下送往原料堆存场，再经处理后送到原料库储存。
②加料：高炉操作时，把原料处理场或储藏储存库的原料运出来，这些铁矿石、焦炭、石灰石等原料，经量秤后，由原料输送设备送到炉顶的料斗，料斗自动按顺序分层输送原料，原料通过钟型炉顶或其他布料装置输入高炉里。
③还原熔融：鼓风机将冷风送至热风炉加热后，变成为热风，热风不断地由炉腹下缘各个风口吹进炉内。当炉内焦炭下降至炉腹下缘时，就与热风发生燃烧作用，作用中生成大量的一氧化碳气体和热能。这种高温还原性气体上升刚好与下降的铁矿石发生间接还原作用，其反应从炉顶往下逐渐增强，一直到炉腹部的熔融带。到了这里，装入料大部分都已熔解，体积也迅速减少。反应生成的熔铁液则汇集在炉缸里。熔点低、密度轻的炉渣则浮在铁液之上。
④出铁、出渣：当炉床内熔融状态的生铁与炉渣量积存满后，就由出铁口流出铁水及出渣口排出炉渣。大型高炉每天出铁的次数有10~12次，出渣的时机则由渣量的多少而定。
⑤铁水运送：从出铁口流出的熔铁，由铁水流道流入特制的铁水包里，直接运到炼钢工厂，倒入混铁炉内保温；也可以把熔铁装进保温的鱼雷车运往炼钢工厂，作为炼钢的原料；或把熔铁运到生铁铸造机，浇注入铁模内，再以冷水喷洒使它冷却，铸成块状的生铁。
⑥高炉煤气处理：高炉运作时，从炉顶排气管所排出的气体，称为高炉煤气，其中包含高炉中残余的一氧化碳气体、生成的二氧化碳气体，还有热风中没参与反应的氮气。高炉煤气含尘量高，多为细粉状的铁矿、石灰石以及细焦炭粒等。为避免原料损失和空气污染，一般高炉工厂都会采用除尘器和二级气体净化设备来处理高炉煤气。高炉煤气可循环利用，给热风炉及锅炉燃烧提供热能。
3.铁水预处理
目的：
铁水中有很多“杂质”，如碳、硅、磷、硫等，必须除掉。实施铁水预处理可以给转炉炼钢减负，铁水成分不同，不同方法的铁水预处理就有了存在的理由了，主要是脱硅、脱硫、脱磷，提取有益元素，降低生产成本，提高铁液品质。
方法：
（1）脱硫处理
脱硫剂：石灰、碳化钙、镁、苏打、碳酸钠。
过程：
①脱硫剂置放倾铸法
人们最早是用苏打灰做脱硫剂，投入铁水包后，再倒入铁水，剧烈搅拌，就能脱硫。
②摇包法
把铁水包偏心回转摇动，脱硫剂与铁水在波动混和中充分反应，达到脱硫目的。
③机械搅拌法
用搅拌器快速搅拌铁水，促进脱硫的反应。日本广畑制铁所采用的KR法最有名，将搅拌器以每分钟70~120转的高速搅拌，产生强烈的涡流，这样处理10~12分钟后，就能脱硫。
④脱硫剂喷吹法
把脱硫剂做成粉状，用高压气体对着铁水喷吹，也能脱硫。喷吹脱硫法最早被德国公司所采用，它以氧化钙及碳酸钠作为脱硫剂在铁水包中脱硫。
（2）脱硅处理
铁水脱硅，可降低转炉的石灰用量，减少转炉渣，保护耐火材料，减少铁的损失。脱硅用氧化铁皮、烧结矿粉等中间废料作为原料，使生产的成本大大降低。
脱硅有高炉铁水沟上置法与喷吹法两种。高炉铁水沟脱硅法反应效率低；而喷吹法的处理剂必须事先烘干和粉化才能使用。
脱硅剂基本上都是氧化铁系列及氧化钙等的混合物，近来为了消除脱硅反应中锰的损失，也有使用锰矿作为脱硅剂的。
第四节炼钢的过程
1.炼钢过程概述
高炉生产的生铁里含有4.0%以上的碳，同时含有相当多的硅、锰、磷、硫等元素，因此，它的性质硬而且脆，不能轧制或锻造。
要将生铁变成富有韧性而能加工的钢，必须去掉生铁中的碳及其他不纯的元素。含碳量越低，钢质越柔软。所以依据含碳量的高低，将钢分为高碳钢、中碳钢、低碳钢。另外，为某种目的而添加某种特殊元素所制成的钢被称为合金钢。
2.炼钢的阶段
无论是采用哪种炼钢法，大致来说，炼钢的操作顺序由下列四个阶段组成：
①原料准备：如果炼钢的原料是采用高炉生产的熔铁，贮存于混铁炉，让熔铁的成分及温度均匀，要在送进炼钢炉前先经过脱硫处理。如果采用废钢作为炼钢的原料，也必须先经过筛选过程，这样才能确保炼钢炉操作过程的顺利和稳定。
②熔化及精炼：将预处理过后的炼钢原料，加入炼钢炉内熔化后，在高温状态下，除去碳、硅、锰、磷、硫等元素，使这些元素先行氧化成氧化物；再加助熔剂使其与固体的氧化物结合成炉渣，而碳以氧化成一氧化碳或二氧化碳气体的方式排出。
③脱氧与添加合金元素：经炼钢炉氧化精炼后产出的钢液，其中含有过量的氧，所以在熔融状态时必须先行脱氧。采用的脱氧剂一般为硅铁、锰铁或铝等。这时要想使钢具有特殊性质，就可添加合金元素使其成为合金钢。
④铸造：将经由精炼及脱氧后的钢液浇铸成适当形状和大小的钢锭，或在连续铸钢机中浇铸成钢坯，这样就可以进行轧钢作业产出产品了。
3.炼钢法的分类
4.钢的铸造
钢具有延展性，更具有可塑性，因此钢铁的利用首先是从钢的铸造开始的。
（1）钢锭的浇铸
熔炼完成的钢液，倒入盛钢桶内，就是出钢。添加铁合金，调节钢液的成分。加脱氧剂脱氧精炼完成的钢液，可以直接铸造成铸钢品；或浇入钢锭模，使之凝固成钢锭，或浇入连续铸钢机，被浇铸成钢坯。
钢锭浇铸作业，铸成的钢锭，模铸法由于生产率低、损耗大、品质受影响，已被连续铸钢取代。
（2）钢锭种类
由于炼钢过程中须鼓入大量的氧气作助燃剂，导致炼钢炉内的熔钢的含氧量往往过多，因此出钢时要除掉过多的氧的含量。按照不同的脱氧程度，可以把钢锭分成镇静钢钢锭、半镇静钢钢锭及沸腾钢钢锭。