高炉炼铁
铁矿石是铁和氧的化合物。焦炭在风口前烧成一氧化碳，一路往上，把矿石里的氧一步步拿走；铁水从炉缸放出。
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矿石里的氧
地壳里约 5% 是铁，但它几乎都和氧连在一起。今天炼铁用的矿石主要是赤铁矿（Fe₂O₃），有时还有少量磁铁矿（Fe₃O₄）。
要得到铁，就要把氧拿走。高炉用碳来做：焦炭在炉子下部烧成一氧化碳，一氧化碳往上走，从矿石里夺走氧，自己变成二氧化碳。
2025 年，世界上的高炉炼出约 12.7 亿吨生铁，同年世界粗钢约 18.5 亿吨。worldsteel 说，今天约 71% 的钢走的是“高炉 + 转炉”这条路：高炉炼出铁水，转炉把它炼成钢。
地壳里约 5% 是铁（USGS）· 赤铁矿 Fe₂O₃、磁铁矿 Fe₃O₄ · 2025 年世界生铁约 12.7 亿吨（worldsteel）
从炉顶装进去
矿石（多半先烧结成块，或做成球团）和焦炭轮流装进炉顶，在炉里一层矿、一层焦。焦炭既是燃料和还原剂，也是料柱的骨架：没有它撑住，高炉就开不下去。
炉顶是密封的：炉里比外面高出 0.25 到 2.5 巴的压力。现在的大高炉多用无料钟炉顶，料从料罐落进一根旋转的溜槽；改变溜槽的倾角，料就落到料面的不同半径上。thyssenkrupp 的一座高炉上，溜槽约 3 米长，每 7.5 秒转一圈。
按欧盟 2004 年的平均，每炼 1 吨铁水，要装进约 1.6 吨含铁料，其中烧结矿 1,088 千克、球团 358 千克、块矿 180 千克；焦炭 359 千克；另从风口喷进煤粉 162 千克。
一层矿、一层焦 · 无料钟炉顶：旋转溜槽布料 · 欧盟 2004 年平均每吨铁水焦炭 359 千克、煤粉 162 千克（BREF）
风口前的火
炉缸上沿一圈有几十个风口，大高炉最多 42 个。热风从风口吹进焦炭层，吹出一个空腔，焦炭在里面打着旋燃烧，这叫回旋区。这里的温度可以超过 2,000 °C。
焦炭先烧成二氧化碳。可周围全是炽热的焦炭，碳马上又把二氧化碳变回一氧化碳：按本页的热力学计算，1,000 °C 时和焦炭平衡的气体里，一氧化碳占 99% 以上。所以离开回旋区的，是一氧化碳和空气里的氮。
风口是通水冷却的铜件。剖开的两面恰好落在两个风口之间，看到的是回旋区的侧面。
最多 42 个风口 · 回旋区可超过 2,000 °C（BREF）· C + CO₂ → 2 CO · 离开回旋区的气体：CO 和 N₂
一步一步去氧
一氧化碳不是一次把氧全拿走。从约 500 °C 起，赤铁矿先变成磁铁矿（Fe₂O₃ → Fe₃O₄），这一步很容易；磁铁矿再变成浮氏体（FeO），浮氏体最后变成铁。每一步，一个一氧化碳分子拿走一个氧原子，变成二氧化碳。
最后一步最难：在 900 °C，气体里的一氧化碳要占约 68% 以上，浮氏体才会变成铁（本页按热力学数据计算）。所以炉顶出来的煤气里还剩不少一氧化碳，只有约一半变成了二氧化碳。
炉身中部，炉料的温度在 950–1,000 °C 停留一段，叫热储备区，浮氏体在这里被煤气还原成铁。约 1,100 °C 以上，剩下的氧化铁直接和焦炭反应（FeO + C → Fe + CO），叫直接还原，要吸收很多热。台上那块亮起的矿石是示意，走得比真的快得多。
Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe · 900 °C 还原 FeO 要约 68% 的 CO（计算）· 热储备区 950–1,000 °C（新日铁 2006）
一个下行，一个上行
炉料往下走，煤气往上走，方向相反。下来的料越走越热，上去的气越走越冷：在风口前，温度超过 2,000 °C；到了炉顶，只剩 100–230 °C。热和氧都在这一路上交换。
一块矿石从炉顶走到炉缸要五到八个小时。剖面上的白色流线是示意，只画出煤气往上走，不是真实的速度和路径。
炉顶出来的煤气里，一氧化碳约占 20–28%，二氧化碳 17–25%，氮 50–55%；每立方米能放出 2.7–4.0 兆焦的热。它先进重力除尘器，再经湿法洗涤，然后拿去烧热风炉。
炉料 5–8 小时下到炉缸 · 炉顶煤气 100–230 °C · CO 20–28%、CO₂ 17–25%、N₂ 50–55%（BREF）
软熔带
矿石层往下走到约 1,100 °C，开始变软、粘结、熔化。这一段在炉里排成一个倒 V 字，也可能是 V 字或 W 字，看怎样布料、怎样操作，叫软熔带。
软熔带的形状、厚度和位置，决定了煤气在炉里往哪里走。焦炭这时还是固体；软熔带下面，铁水和渣一滴一滴穿过焦炭往下淌，落进炉缸。
人们是把高炉突然冷却、再剖开之后才看见它的：1970 年代，日本剖开了 4 座试验炉和 9 座生产炉，看到矿层和焦层一直保持着装进去时的层次，直到矿石层熔化。
约 1,100 °C 开始软化熔化 · 倒 V、V 或 W 形 · 1970 年代解剖淬冷的高炉时看见（Zhang 2016）
浮在铁上的渣
矿石里除了铁的氧化物，还有二氧化硅、氧化铝这类脉石，焦炭烧完也剩下灰。石灰石（CaCO₃）受热变成石灰（CaO），和它们结合成炉渣，主要是氧化钙、二氧化硅、氧化铝和氧化镁。
现在石灰多半先配进烧结矿：欧洲烧结矿的碱度平均 1.8，直接加进高炉的石灰石平均每吨铁水只有约 26 千克。
每吨铁水出渣 175–350 千克。渣比铁水轻得多：每立方米渣约 2,400 千克，铁水约 6,700 千克，所以渣浮在上面。欧盟的高炉渣约四分之三用水淬成粒，可以代替一部分水泥熟料。
渣：CaO 38–42%、SiO₂ 33–37% · 每吨铁水 175–350 千克 · 水淬渣做水泥原料（BREF）
打开出铁口
铁水和渣积在炉缸里，隔一阵放一次。开口机在炉缸侧墙上钻开出铁口，铁水和渣一起流出，通常渣比铁晚一点出来。一座高炉有 1–4 个出铁口。
流出来的铁水约 1,440–1,500 °C，含碳约 4%。在撇渣器那里，浮在上面的渣被挡住、分进渣沟；铁水从下面流过去，进铁水罐或鱼雷罐车。
放完一次，泥炮把耐高温的炮泥打进出铁口，把它堵上。
铁水约 1,440–1,500 °C、含碳约 4% · 撇渣器分开渣和铁 · 泥炮堵口（BREF、Metinvest）
热风炉
热风来自旁边的热风炉，一座高炉配 3 到 4 座。每座是一座砌满格子砖的高塔。先烧高炉自己的煤气，拱顶烧到约 1,100–1,500 °C 时，热已经存进砖里；再停火，把冷风反着吹过去，出来的就是 900–1,350 °C 的热风。
几座炉子轮流：一座送风，其余的在烧。台上画了两座，近的一座剖开，露出燃烧室和格子砖。
在新日铁 2006 年列出的六座大高炉上，风温最低 1,138 °C、最高 1,262 °C；鼓风里的氧，比空气多出 2.8 到 8.3 个百分点。
每座高炉 3–4 座热风炉 · 拱顶 1,100–1,500 °C · 热风 900–1,350 °C（BREF）
从木炭到焦炭
1709 年，Abraham Darby 在英国 Coalbrookdale 的老高炉里用焦炭代替木炭炼出了铁。在他之前也有人试过，是他让这件事划算起来。那座炉子今天还立在那里，是铁博物馆的一部分。
James Beaumont Neilson 在 1828 年取得了热风的专利。Percy 1864 年的书里写着：Clyde 铁厂 1829 年用冷风，每炼一吨生铁要用约 8.1 吨煤。到了 1830 年，风被加热到约 150 °C，用煤降到了约 5.2 吨。
1857 年，Edward Alfred Cowper 取得蓄热式热风炉的专利。他 1860 年的报告说，头一对热风炉在 Ormesby 铁厂把风加热到约 700 °C，两座炉子每两小时换一次。今天的热风炉还是这个办法。
1709 年 Darby：焦炭 · 1828 年 Neilson：热风 · 1857 年 Cowper：蓄热式热风炉
每吨铁的碳
高炉靠碳拿走氧，碳最后大多变成二氧化碳。按 IEA 的估算，2019 年钢铁业直接排放约 26 亿吨二氧化碳，占能源系统排放的约 7%。
worldsteel 的数（2024 年，含外购电力等间接排放）：平均每吨钢约 1.92 吨二氧化碳；“高炉 + 转炉”这条路约 2.34 吨，天然气直接还原加电炉约 1.47 吨，废钢电炉约 0.69 吨。
另一条路是用氢代替碳去拿走氧，副产物是水。瑞典的 HYBRIT 在中试厂用氢还原出约 100 吨海绵铁（2021 年）；三家公司说它能去掉炼钢环节约九成的排放。工业规模的示范厂还没建成：LKAB 2024 年说要推迟到 2027 年底，很可能到 2028 年。
2019 年钢铁业直接排放约 26 亿吨 CO₂，占能源系统约 7%（IEA）· 每吨钢平均 1.92 吨 CO₂（worldsteel 2024）
壳、砖和冷却壁
高炉拆成：炉顶装置、钢板炉壳、冷却壁、耐火砖衬、炉缸的炭砖、风口和热风围管、基础。2013 年，浦项光阳 1 号高炉扩到内容积 6,000 立方米，当时是世界最大；沙钢 4 号高炉 5,800 立方米，设计的日产量是 14,000 吨铁水。新日铁 2006 年的报告说，它最近停下的几座高炉，一代炉役约 15 年。
按 Metinvest 的说法，炉壳是厚到 35 毫米的钢板。里面一圈冷却壁通着水，一些大高炉的炉身改用了铜冷却壁。再往里是耐火材料，炉缸处厚达 1.5 米，炉底是炭砖上面垫一层陶瓷。
指针停在哪一件上，它就单独托出来、标出名字；不动时，各件轮流托出。
炉顶 · 炉壳 · 冷却壁 · 砖衬 · 炭砖炉缸 · 风口和围管 · 基础
热风与火焰
NIST-JANAF 热化学表给出各种气体和碳的焓，本页拿它做能量平衡，算出读数一：回旋区的理论燃烧温度。条件是干风、焦炭以 1,500 °C 进入回旋区、不喷煤、不加湿、没有热损失。读数二是每立方米风带进的热。
本页算出：风温升高 100 °C，火焰约高 79 °C；鼓风里的氧多加 1 个百分点，约高 45 °C。真实高炉喷煤、加湿，火焰更低：新日铁一个模型的基准工况在 1,100 °C 风温下是 2,111 °C。
风口前回旋区的亮度跟着读数变。
读数：理论燃烧温度 · 每立方米风带进的热 · 本页按 NIST-JANAF 计算
试一试把热风从 900 °C 调到 1,250 °C：风口前的理论燃烧温度升高多少？再加 5% 的富氧呢？
模型省略了什么
台上是原理模型，不是哪一座高炉：炉型按约 5,000 立方米级的大高炉画（1:80），热风炉、除尘器和出铁场画得比真的小、靠得更近；真实高炉配 3–4 座热风炉，这里画两座；平台、管道、出铁场的厂房都省略了很多。剖面里料层、软熔带、回旋区、死料柱和铁水的位置和形状是示意：料层厚度和颗粒都画大了，下降比真的快一百多倍；白色流线只表示煤气往上走。那块亮起的矿石是示意。实验台的火焰温度是理想的能量平衡（干风、不喷煤、焦炭 1,500 °C、没有热损失），真实高炉更低。
几个容易误会的地方
一氧化碳不是只在炉顶起作用：它从风口一路往上，一路还原。也不是所有的氧都被一氧化碳拿走：温度高的地方，焦炭直接拿走氧，要吸收很多热。高炉里焦炭不会全部烧掉：它要撑住料柱，一直下到炉缸。炉渣不是废物，大多做成了建材。“高炉 + 转炉”每吨钢约 2.34 吨二氧化碳是 worldsteel 按它的口径算的平均，不同工厂差别很大。用氢还原只是换掉拿走氧的东西；HYBRIT 的“约九成”是公司的说法，工业规模的示范厂还没建成。
常见问题 · 5
- 高炉是怎样把铁炼出来的？
要得到铁，就要把氧拿走。
01矿石里的氧 ↑- 高炉的回旋区是什么？
热风从风口吹进焦炭层，吹出一个空腔，焦炭在里面打着旋燃烧，这叫回旋区。
03风口前的火 ↑- 铁矿石在高炉里是怎样一步步被还原的？
一氧化碳不是一次把氧全拿走。
04一步一步去氧 ↑- 高炉的软熔带是什么？
矿石层往下走到约 1,100 °C，开始变软、粘结、熔化。
06软熔带 ↑- 热风炉怎样把风加热？
热风来自旁边的热风炉，一座高炉配 3 到 4 座。
09热风炉 ↑
资料来源
- 欧盟委员会联合研究中心《钢铁生产最佳可行技术参考文件》（2013）：分区和温度、热风炉、炉料和焦比、煤气、渣、出铁、炉衬
- 《新日铁技术报告》第 94 期（2006）：热储备区、风温和富氧、焦比和煤比、煤气利用率、大型高炉的容积和炉役
- M. Naito、K. Takeda、Y. Matsui（2015）：Ironmaking Technology for the Last 100 Years，ISIJ International 55, 7（软熔带的形状、无料钟布料、日本的大高炉）
- W. Zhang（2016）：A Review on the Dissection of Quenched Blast Furnaces，Processes 4, 36（解剖高炉看到的分区）
- Z. Zhang（2023）：The Characteristics and Reduction of Wustite，IntechOpen（还原的顺序和温度、炉料停留时间）
- M. Roche 等（2020）：Drainage Model of Multi-taphole Blast Furnaces，Metall. Mater. Trans. B 51（出铁口、铁和渣的密度）
- NIST-JANAF 热化学表（第 4 版，1998）：本页计算理论燃烧温度和还原平衡用的焓和吉布斯能
- thyssenkrupp Steel 新闻稿（2023-01-20）：无料钟炉顶 50 年，1972 年杜伊斯堡 4 号高炉，旋转溜槽
- Metinvest：Iron and slabs（铁水含碳 4.0–4.3%、炉壳厚到 35 毫米）
- Danieli Corus 新闻（2024、2026）：沙钢 4 号高炉 5,800 立方米，设计日产 14,000 吨铁水
- POSCO 公司大事记：2013 年光阳 1 号高炉内容积 6,000 立方米
- worldsteel：World Steel in Figures 2026（2025 年粗钢、生铁、直接还原铁的产量，转炉和电炉的份额，每吨钢的二氧化碳）
- IEA（2020）：Iron and Steel Technology Roadmap（钢铁业的直接排放和份额）
- 美国地质调查局（2026）：Mineral Commodity Summaries，Iron Ore；Statistical Compendium，Iron ore（地壳里的铁）
- HYBRIT（SSAB、LKAB、Vattenfall）新闻稿（2021）和 LKAB 新闻稿（2024、2026）：氢还原海绵铁，示范厂的进展
- 联合国教科文组织：Ironbridge Gorge（世界遗产 371 号）
- 英国机械工程师学会：The Old Furnace, Coalbrookdale（工程遗产）
- J. Percy（1864）：Metallurgy: Iron and Steel（Neilson 的专利和 Clyde 铁厂的用煤）
- E. A. Cowper（1860）：On hot-blast stoves，Proc. IMechE（Ormesby 铁厂的第一对热风炉）
数据
The raceway’s flame temperature and the gas that reduces each iron oxide are computed from the NIST-JANAF Thermochemical Tables (M. W. Chase, 4th edition, 1998). Furnace practice and numbers are from the EU’s Best Available Techniques reference document for iron and steel production (2013), the Nippon Steel Technical Report No. 94 (2006), M. Naito, K. Takeda and Y. Matsui (ISIJ International, 2015), W. Zhang (Processes, 2016) and others listed below; production from worldsteel’s World Steel in Figures 2026 and the USGS; emissions from the IEA (2020) and worldsteel; the history from J. Percy, Metallurgy: Iron and Steel (1864), E. A. Cowper (Proc. IMechE, 1860), UNESCO and the IMechE. The furnace, the stoves and the cast house are a model of the principle, not any one plant. Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).
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拉普拉斯的迷你世界，图版 57《高炉炼铁》，https://world.lapla.si/zh/blastfurnace/，CC BY-NC 4.0，2026-10-29 更新。
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图版 54从空气里取氮空气里近八成是氮，庄稼却用不上：氮分子的三键太牢。哈伯-博施法把氮和氢压到 100–250 巴、加热到 350–550 °C，在铁催化剂上结合成氨。温度低，平衡时氨多但反应太慢；温度高，反应快但氨少，工厂取的是折中。每过一次只转化两三成，剩下的气体循环再过。今天造出的氨，约七成做成化肥。
图版 C01瓦特的蒸汽机一只浸在冷水里的铁罐，省下了一大半的煤；两只飞球一转，机器便自己拿捏快慢。它 1788 年造于伯明翰，如今静立在伦敦。
