铁

背景

铁是地球上最常见的元素之一。几乎每个人的建筑都至少含有一点铁。它也是最古老的金属之一，至少在 3500 年前首次被制成有用的装饰品。

纯铁是一种柔软的灰白色金属。尽管铁是一种常见元素，但自然界中几乎从未发现过纯铁。已知天然存在的唯一纯铁来自坠落的陨石。大多数铁存在于由铁与其他元素结合形成的矿物质中。氧化铁是最常见的。那些靠近地球表面的含铁量最高的矿物被称为铁矿石，并进行商业开采。

铁矿石通过几个过程转化为各种类型的铁。最常见的工艺是使用高炉生产生铁，生铁含有约 92-94% 的铁和 3-5% 的碳以及少量其他元素。生铁的用途有限，大部分铁会进入钢厂，在那里通过进一步降低碳含量并添加其他元素（如锰和镍），将其转化为各种钢合金，以赋予钢特定的性能。

历史

历史学家认为，大约五六千年前，埃及人是第一批使用少量铁进行工作的人。他们使用的金属显然是从陨石中提取的。被认为是铁矿开采和冶炼的第一个例子的证据指向现在土耳其的古代赫梯文化。因为铁是制造武器和工具的一种比任何其他已知金属都要优越的材料，所以它的生产是一个严密保密的秘密。然而，基本技术很简单，铁的使用逐渐普及。与其他材料相比，铁虽然有用，但也有缺点。由它制成的工具的质量差异很大，这取决于铁矿石的开采地区和提取铁的方法。提取过程中发生的变化的化学性质尚不清楚；尤其是碳对金属硬度的重要性。世界不同地区的做法千差万别。例如，有证据表明，中国人很早就能够熔化和铸造铁器，而日本人用少量的钢就产生了惊人的效果，可追溯到几个世纪前的传家宝剑就证明了这一点。中东和印度也取得了类似的突破，但这些过程从未出现在世界其他地方。几个世纪以来，欧洲人根本没有将铁加热到熔点的方法。为了生产铁，他们在粘土衬里的烤箱中用木头慢慢地燃烧铁矿石。铁从周围的岩石中分离出来，但从未完全熔化。相反，它形成了硬壳渣，通过锤击去除。这种重复的加热和锤击过程将氧气与氧化铁混合以产生铁，并从金属中去除碳。结果是几乎是纯铁，用锤子和钳子很容易成型，但太软了，不能拿来保持良好的边缘。因为金属是通过锤击成型或锻造的，所以它被称为熟铁。

从东方带回欧洲的工具和武器是由熔化和铸造成型的铁制成的。保留更多的碳，铸铁比锻铁更硬，并且会保持切削刃。然而，它也比熟铁更脆。欧洲钢铁工人知道东方人有更好的铁，但不知道制造更坚固的铁产品所涉及的过程。整个国家都开始努力发现这个过程。

直到 1740 年，欧洲在铸铁生产方面的第一个已知突破才出现，并迅速导致了第一批实用钢的出现。那一年，本杰明·亨斯迈 (Benjamin Huntsman) 取得了用于生产钢弹簧的材料熔化的专利。用于钟表制造。在接下来的 20 年左右，该程序得到了更广泛的采用。亨斯迈使用高炉在粘土坩埚中熔化熟铁。然后，他将仔细测量过的纯木炭添加到熔化的金属中。当铸造成弹簧时，所得合金既坚固又柔韧。由于 Huntsman 最初只对制造更好的时钟感兴趣，因此他的坩埚钢直接导致了航海天文钟的发展，这反过来又使航海者能够精确地确定他们的东/西位置，从而使全球航行成为可能。事实上，他还发明了现代冶金术，这是他显然没有注意到的副作用。

原材料

用于在高炉中生产生铁的原材料是铁矿石、焦炭、烧结矿和石灰石。铁矿石主要是氧化铁，包括磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和许多其他岩石。这些矿石的铁含量从 70% 到 20% 或更低不等。焦炭是一种通过加热煤直到它变成几乎纯碳而制成的物质。烧结矿由较低品位的细碎铁矿石制成，与焦炭和石灰一起焙烧以去除矿石中的大量杂质。石灰石是天然存在的，是碳酸钙的来源。

其他金属有时会在生产各种形式的钢时与铁混合，例如铬、镍、锰、钼和钨。

矿石提取和精炼过程

铁矿石在用于高炉之前，必须从地下提取并部分精炼以去除大部分杂质。

这位年轻的铁匠帮手在 1860 年代初期为这张照片摆姿势，当瓦肯之子是一个年轻的联盟时。 （来自亨利福特博物馆和格林菲尔德村的收藏。）

历史上，铁是通过热风法或后来的无烟煤炉生产的。无论哪种方式，炼铁的基本活动都涉及一名工人搅拌小批量生铁和煤渣，直到铁与炉渣分离。被称为“水坑”，这是一项技术含量高的工作，但也很热、很费力、很危险。它需要大量的经验以及丰盛的体质。水手们骄傲、独立，而且薪水很高。

普德勒斯于 1858 年在匹兹堡成立了钢铁行业的第一个工会，火神之子。1876 年，该工会与其他三个劳工组织合并，成立了钢铁工人联合协会。这是安德鲁卡内基在 1892 年的宅基地罢工中击败的工会，使工会陷入混乱，该行业在 1930 年代之前基本上没有组织。

威廉 S. Pretzer

提取

• 1 世界上大部分铁矿石是通过露天开采开采的，其中 纯铁是一种柔软的灰白色金属。尽管铁是一种常见元素，但自然界中几乎从未发现过纯铁。靠近地球表面的含铁量最高的矿物被称为铁矿石，用于商业开采。地表被重型机器移除，通常是在一个非常大的区域，以暴露下面的矿石。在移除表面不经济的情况下，将竖井挖入地下，并使用侧隧道沿着矿石层。

精炼

• 2 开采的矿石被压碎和分选。最好品位的矿石含有超过 60% 的铁。在将矿石运送到高炉之前，对较低品位的矿石进行处理或精炼以去除各种污染物。这些精炼方法统称为选矿，包括进一步破碎、水洗以将沙子和粘土浮走、磁选、造粒和烧结。随着世界上更多的高铁含量矿石供应耗尽，这些精炼技术变得越来越重要。
• 3 然后将精炼矿石装上火车或轮船并运送到高炉现场。

制造
过程

高炉装料

• 1 加工后的矿石与其他矿石混合后进入高炉。高炉是一种塔形结构，由钢制成，内衬耐火砖或耐热砖。原料混合物或装料从高炉顶部进入。在熔炉底部，非常热的空气通过称为 tuye'res 的喷嘴吹入或吹入。 焦炭在热空气的存在下燃烧。空气中的氧气与焦炭中的碳反应生成一氧化碳。一氧化碳 然后与铁矿石反应生成二氧化碳和纯铁。

铁渣分离

• 2 熔化的铁沉到炉底。石灰石与矿石中的岩石和其他杂质结合，形成比铁轻的矿渣，浮在上面。随着装料体积的减少，在炉顶不断添加更多。铁和炉渣分别从炉底排出。熔化的铁可能会进入进一步的合金化过程，或者可能被铸造成称为猪的锭。炉渣被运走处理。

处理气体

• 3 化学反应中产生的热气体从顶部排出，然后送到气体净化厂，在那里进行净化或洗涤，然后送回炉子；特别是剩余的一氧化碳对炉内进行的化学反应很有用。

  高炉通常日夜运行数年。最终，砖衬里开始破碎，然后关闭熔炉进行维护。

质量控制

高炉操作高度仪表化并持续监控。检查并记录时间和温度。检查从各个矿山收到的铁矿石的化学成分，并将矿石与其他铁矿石混合以达到所需的装料。从每次浇注中取样并检查化学成分和机械性能，例如强度和硬度。

副产品/废物

钢铁工业有很多可能的环境影响。第一个也是最明显的是露天采矿的过程。大片土地被剥离成裸露的岩石。今天，枯竭的矿场通常用作垃圾填埋场，然后覆盖和美化。其中一些垃圾填埋场本身已成为环境问题，因为在最近，一些垃圾填埋场被用于处理渗入土壤和水中的剧毒物质。

从矿石中提取铁的过程会产生大量有毒和腐蚀性气体。在实践中，这些气体被洗涤和回收。然而，不可避免的是，一些少量的有毒气体会逃逸到大气中。

铁提纯的副产品是炉渣，会大量生产。这种材料在很大程度上是惰性的，但仍必须在垃圾填埋场进行处理。

炼铁消耗了大量的煤炭。煤不直接使用，而是首先被还原成几乎由纯碳组成的焦炭。焦化的许多化学副产品几乎都是有毒的，但它们在商业上也是有用的。这些产品包括氨，用于大量产品；苯酚，用于制造塑料、切削油和防腐剂；甲酚，用于除草剂、杀虫剂、药物和照相化学品；甲苯是许多复杂化学产品的成分，如溶剂和炸药。

废钢铁——以旧汽车、电器甚至整个钢梁建筑的形式——也是一个环境问题。然而，大多数这种材料都被回收利用，因为废钢是炼钢的重要资源。未被回收的废料最终会变成氧化铁或铁锈，并返回地面。

未来

从表面上看，钢铁生产的未来——尤其是在美国——似乎陷入困境。在可以经济开采的地区，优质矿石的储量已大大枯竭。许多长期存在的钢厂已经关闭。

然而，这些表象都是骗人的。新的矿石浓缩技术使低品位矿石的使用更具吸引力，而且这种矿石的供应量很大。近几十年来，许多钢铁厂已经关闭，但这主要是因为需要的钢铁厂减少了。仅高炉的效率就显着提高。本世纪初，美国最大的高炉每天生产 644 吨生铁。相信不久后单炉日产量可能达到4000吨。由于这些更现代化的工厂中有许多是在海外建造的，因此在某些情况下，将钢材运送到大洋彼岸实际上比在旧的美国工厂生产更经济。