追溯高炉炼铁生产的演变历程

高炉炼铁演变史

首次炼铁起源隐藏于人类文明未记录历史中。古代使用铁器最早证据来自埃及，金字塔两石缝隙中发现铁工具。许多史前铁器可能源于陨铁。陨铁含5-26%镍(Ni)，冶炼铁仅含微量Ni，故陨铁制品可与冶炼铁器区分。

4000多年前人类发现陨铁。但再过2000年才开始从开采铁矿石生产铁。印度最早冶炼铁发现可追溯至公元前1800年。据称亚美尼亚Calybes人(赫梯帝国臣民)约公元前1500年冶炼铁。其帝国公元前1200年崩溃时，各部落带走炼铁知识传播欧亚。欧洲和西亚炼铁知识最终溯源于此。铁器时代始于冶炼铁发现。

炼铁开端

如铜硫化矿还原，首次氧化铁还原可能是偶然。古代冶金师(当时矿工、化学家、技术学家)观察力使他们意识到铁可在简单炉中用碳(C)直接还原氧化矿生产。最早冶炼过程记录描绘见埃及墓室壁画约公元前1500年(图1)。此法为简单坑炉，装矿和未知燃料，用脚踏风箱鼓风增火。此后3000年炼铁技术无显著变化：碳还原氧化物生成海绵铁，锤打海绵铁制铁制品。

氧化铁矿分布地球许多地区。大致同一时期埃及还原铁矿时，其他地区也在进行。印度、中国、非洲、马来亚为炼铁实践初期发展场所。或许值得注意的是这些国家发展炉型功能相同。形状尺寸有差异，但功能一致。化学还原生铁不熔化，产生金属相对纯软称熟铁。可锻打成有用形状。矛、箭头、匕首及其他工具武器可用此熟铁制造。

约2000年，至公元第一千年末，铁在小型局部炉床用“块铁法”生产。考古调查无此结构尺寸，但块铁炉现代复原内径300mm×高1000mm。块铁法建炉床，放入多层木炭和铁矿成堆。堆外筑粘土砖套，顶留排气孔、底留风箱鼓风孔。点燃木炭操作风箱至木炭耗尽。打开套，工艺顺利则得海绵铁堆和渣池。热海绵铁锤打成铁锭或铁制品。块铁法冶炼反应：木炭火生成一氧化碳(CO)热量驱除沼铁矿水生成赤铁矿。CO还原赤铁矿成亚铁氧化物方铁矿。CO再还原方铁矿成元素铁。反应未完全，达平衡位置，故产生气体为CO和二氧化碳(CO₂)混合物。但方铁矿也可与砂反应生成铁橄榄石(铁橄榄石)，为渣主要成分。此铁橄榄石对冶炼是死胡同，因炉况下不能还原成元素铁。铁熔点约1540℃，渣熔点约1100℃。温度足熔渣但不足熔铁。工艺尚可，但剩渣仍含大量铁，常达60%以上FeO(亚铁氧化物)。渣两种：部分沼铁矿渣多孔疏松，部分致密硬极难熔，来自红铁矿。

炼铁工艺发展

用石砌炉孔、泥和木皮风箱改进首次炼铁法(图2)。中国铁出现约公元前600年，战国时期(公元前403-222年)广泛传播。中国发展优越炼铁技术，公元前200年已生产液态铁，基于发现铸铁器皿。中国印度古籍均载炼铁。其他文物包括剑、斧、镰、锄。公元310年印度产铁量足建著名德里和达尔铁柱。德里熟铁柱高18m、直径410mm、重17吨。日本传统炼铁炼钢“多多良”至17世纪才完全发展。北美、南美、澳大利亚古代居民不知炼铁。炼铁技术由欧洲人带入这些国家。

地中海炼铁工艺北传欧洲。腓尼基人、凯尔特人、罗马人助传炼铁技术。罗马人传播远至不列颠早期碗炉或竖炉技术。此炉为碗状容器或圆筒竖炉高2m建山坡侧。炉内火用风由炉底附近开口面向盛行风提供。炉顶开口分层装木炭铁矿点燃，下口引燃。

两理论解释炼铁驱动：一风经底口吹入供气加热；二风吹过敞口顶在内前壁形成低压区吸气经下口入(图2)。两者均依赖风全年不可靠。产物仍海绵铁团，经下口取出锻打成最终形态。

另一种早期炼铁炉为蜂窝炉(图2)。平地堆叠交替层木炭铁矿建造。堆覆厚粘土层，鼓风管连风箱插入下侧壁。底层木炭点燃，风箱供压缩空气。批次冶炼结束粘土穹顶塌陷。挖出拆毁蜂窝炉海绵铁锻打。此炉产量小铁块，每次生产后炉须拆毁重建。

这些炼铁法用数百年入现代时代无大改进。约8世纪，西班牙东北加泰罗尼亚山区小锻造厂代表炼铁早期重大冶金进步。早期加泰罗尼亚锻造炉(图2)有石砌杯状炉床，高约910mm、直径760mm。底部前方短距离小孔安装称风口喷嘴。风口连风箱供风。炉床填木炭块至风口高。风口上放铁矿再层木炭。点燃木炭风箱风强迫热CO流过矿还原铁矿成热块状铁团。称“铁团”铁块重达160kg，可用钳子从锻造炉床取出不破坏石结构。此量铁5小时可生成，前技术5小时仅产约23kg。加泰罗尼亚锻造炉未来200年放大，用法传入法国、比利时、英格兰、德国。炉床尺寸增至1m方形，长方石块砌。风口送风量随“喷管”使用增加。水落喷管柱吸气入管底部排出。此装置入加泰罗尼亚锻造炉后风口风压0.10-0.14kg/cm²，显著超手/脚风箱。额外风压加速冶炼增加产量。

10-14世纪加泰罗尼亚锻造炉进一步演变。手/脚风箱替换水车风箱，增风量压力。尝试增炉烟囱高度捕获锻造炉烟囱废热，从烟囱顶装矿炭预热矿。此炉石砌烟囱高1.8-4.8m。烟囱高度及料柱高度增加因水车风箱能压风强入更高烟囱。

竖炉(图3)不仅有4.8m高烟囱，还有烟囱几何变化。炉呈两截头锥体最宽直径连接。两风口成标准因水车驱动两风箱一恒压缩供风。炉底开口排渣但须拆石砌取最终产品仍约318kg铁团。竖炉年产100-150吨超加泰罗尼亚锻造炉。副产品液态铁。因铁矿炉内停留时间长经化学反应暴露高温，铁吸收更多碳降低熔点。取出铁团时液态铁也排出。初视为有害因太脆不能锻锤加工。部分情况下重新装入炉甚至作为废弃物扔掉。竖炉被视为现代高炉(BF)先驱。进一步改为“Blauofen”(吹炉)可按炼铁人意愿生产液态铁或锻造级海绵铁。通过改变装燃料量10-15%和降低风口位置500mm推深炉内实现产品转换。16世纪这些炉高6.7m日产约1.8吨铁，燃料率约250kg木炭/100kg铁。炉寿命约45天。

下一步全时生产液态铁炉设计为“Flussofen”(流炉)。Flussofen或首座高炉发展于14世纪莱茵河谷及法国、比利时、德国邻区。但随战争技术和炼铁技术变革，用熔铁铸炮成主导产业而非海绵铁锻剑。早至1300年铁主主动寻求生产液态铁铸枪。首个可靠文献记载高炉1340年比利时Marche Les Dames建炉。Flussofen或高炉传播相对慢。欧洲大陆国家有功完全将高炉从加泰罗尼亚锻造炉原始炼铁团法发展成熟。现代高炉为竖炉，从竖炉和流炉逐渐演变而来。

木炭高炉演变

欧洲大陆发展木炭高炉(图3)很快传入英国，发生炼铁技术下一演变。1565年英格兰Monmouthshire建首座炉在迪安森林成主要炼铁中心。此炉高4.6m、炉腹最宽处1.8m(两截头锥体相接处)。1615年有300座高炉平均日产约2吨/炉。增长太快致使为木炭生产完全毁林。1600s法定限制保护剩余森林，多高炉关闭。

北美首座高炉1622年弗吉尼亚Falling Creek建。从未投产因全厂工人被杀铁厂被印第安人毁。北美首座成功木炭高炉1645年马萨诸塞Saugus启动。此炉炉身高6.4m外壁随高内倾，底部7.9m见方。花岗岩和当地石砌泥浆砌筑。建平地下切地下排水系统防潮，因驱动大风箱水轮使其特别易受潮。炉身大致蛋形内部，最大直径称炉腹顶1.8m。向下倾斜炉腹支撑矿、熔剂、木炭料柱。方形坩埚称炉床在炉腹底下衬砂岩(图3)。内衬砂粘土碎石在内衬外砌石间作缓冲垫应对热胀冷缩循环。外壁两侧大深拱。小拱穿两5.5m风箱鼻和两风口送风入高炉。大拱下为炉床工作区和浇铸地板。坩埚/炉床作液态铁储槽。炉床底460mm见方随高展宽至530mm达全高1.1m。其下部投影称前炉床，由两壁和前额石/坝组成。上方后退坝上方石帘墙称“鼓膜”，底边低于坝顶。操作员经鼓膜坝间口勺取铁浇模，用铁棍称“捣棒”撬除粘壁或风口鼻积渣。防此类操作磨损，鼓膜坝包铁板。排渣在称渣口处耙液态物料过坝石。出铁需打破插入前炉床侧壁与坝一端间窄隙称铁口的粘土塞。

除复杂砌筑，高炉建造涉及木材皮革工作。高炉顶与相邻悬崖间重木结构称装料桥。原料从悬崖堆场用独轮车经装料桥运高炉顶。高炉顶三面木防风屏为装料操作员装料入冒烟飞火偶尔喷焰装料孔提供安全庇护。高炉地面炉身两面木棚结构称铸铁房。此结构遮盖沟槽模具浇铸区及风箱。两风箱由凸轮轴连接上射水轮往复驱动。风箱主轴凸轮放气，配重木箱装石安装延伸梁超出铸铁房顶开孔鼓气。高炉每吨铁耗3吨铁矿、2吨熔剂石、2.6吨木炭。铁口每天开两次每次约450kg液铁。液铁引单沟或勺入砂模生产锅盆炉板等民用品。

上述木炭炼铁未大变延续100年至1700s。高炉炉身增大、鼓风设备改进。典型1700s木炭高炉增大至高9.1m、炉腹直径2.4m。高炉增大仅因风送设备改进致更高风压。风系统首改进发明木吹筒，方或圆似外钢箍木桶。水轮偏心曲柄驱动往复活塞杆和每侧吹筒。筒内活塞装皮革密封。一活塞上升压缩一筒气时另活塞下降另筒。每筒顶出气管连共用混风箱恒压。混风箱供压缩空气入风管或风管总管通炉风口。典型吹筒直径1.8m高1.8m产0.14kg/cm²风压。1760年英格兰John Smeaton进一步将木筒改铸铁筒先水轮后1769年蒸汽机驱动。首座蒸汽驱动鼓风机高炉1769年苏格兰建。蒸汽鼓风机发明致更高风压允许进一步使用矿物燃料(焦炭煤)。1700s这些改进使高炉产量从1600s 1吨/日增至1700s末3-5吨/日。此与矿物燃料使用致欧洲木炭炉数量急剧减少，虽北美木炭铁产能随人口西移在木材丰富地区增加。

1800s木炭铁产量达峰后下降。1800s中叶宾夕法尼亚和密歇根上半岛发现高品位铁矿有茂密原始森林。此区建木炭高炉最大最好装备。炉身高13.7m、炉腹直径2.9m。风口数从二增至三，炉三侧各一，铁口第四侧。鼓风设备通常水平吹气缸直径达1270mm行程1.5m。升降平台吊车替代装料桥，所有铁矿熔剂称重作标准冲料。木炭仍按大独轮车体积装料。铁壳板缓慢替代砌石炉身，天然石衬升级氧化铝砖。

这些木炭炉装重大技术改进之一为装料设备。原料原倾倒敞口炉身隧道头。高炉操作员认识敞口炉两弊：一炉顶逸出可燃气不能捕集烧锅炉；二原料分配造成炉运行低效。1832年德国首次捕集气体尝试在装料孔装活页盖仅倾料时开(图4)。炉上部侧壁也开口装管称下料管将高炉煤气引地面烧辅助设备。

高炉因原料装料低效需更复杂解决方案分步演变。此低效原因(高燃料率)因细料从炉顶中心装料孔倾倒留堆中心，粗料滚至炉壁。导致高炉周边透气性高大部分气热沿壁上升。此害炉运行因中心料达炉腹区未准备好熔化，同时壁过量气流加剧衬里磨损。首次解决配料分布尝试引入“杯锥”装料装置(图4)。由倒置铸铁漏斗固定炉顶通装料孔。锥约喉径50%。锥内坐铸铁杯，支点梁对面配重悬吊。杯用绞车连配重手动提升。此装置虽捕集气但大量粗料仍滚壁。杯锥装置次改进在炉内悬挂铸铁截头锥(图4)。结果原料峰值移近壁使粗料也能滚向炉中心，致更好中心透气和气流。

充料演变下一步完全消除杯锥：悬挂向下开口倒锥入炉(图4)。这是首个钟式高炉顶。此钟成功推原料峰向壁减少周边气流增加中心气流，但每次降钟高炉煤气逸出。解决方案：钟和装料孔盖。独轮车倾料时盖开钟闭保气。再盖闭钟开倾料也保气同时得合理配料分布。这些改进结果：炉内理化反应效率提高降低燃料需求、增加产量、减少耐火衬里磨损。

随高炉产量增加因设计改进，液态产品(铁渣)排除成问题。木炭高炉产量从1吨增至25吨/天。此高产量无法用铁口前单沟每天两次浇铸处理。铸铁房增至约12m宽21m长。铸铁房分铁浇铸区和除渣区。铁排除侧大沟槽称铁沟从炉前下倾入铸铁房砂底。再分两流道系统。每系统主流道平行铸铁房长向。主流道下倾定期筑砂坝。每坝前垂直砂中形成小流道称“母猪”。母猪旁形成众多型腔称“仔猪”。命名因酷似排排吸奶仔猪(图5)。压D形木模在铸铁房湿砂形成数排平行母猪仔猪。浇铸时每填满一母猪及其仔猪，主流道砂坝用撬棍敲开熔铁流向下一母猪仔猪床。两套完整系统允许高炉更频繁浇铸。一侧注铁时另一侧取仔猪重整床。

铸铁房另侧除渣。渣恒流过坝前顺渣流道入渣坑。炉前渣坝分两半各供独立渣流道和渣坑。渣坑砂中大凹陷底有脊。固化渣清除时脊作断裂点。部分铸铁房用臂式木吊车吊大渣块。若操作员觉渣层太厚，通常液态渣中心插铁棍。渣冷却绕棍后绕绳/链吊车吊大渣块。除渣也两套完整系统一用一清理准备。

“浇铸”一词源自认知液态铁从炉“浇出”。浇铸操作两部分。第一部分：液态渣在高炉形成浮液态铁面上至足够高位流经鼓膜坝间入渣流道至坑。第二部分：从炉炉床排液态铁。始于停风再尖棍铁锤打入铁口。液铁顺铁沟流入每连续母猪及仔猪。液铁停流后铁口用湿砂火粘土或砂煤手工堵塞。再送风入炉。

浇铸后铸铁房操作员从仔猪床取固化铁。仔猪冷却可搬运时发运。此循环每天重复6次，每浇4-6吨。生铁分不同等级。木炭铁低硫致韧性灰铸铁用生产支撑1800s扩张铁路所需钢轨铁路车轮。

木炭高炉1800s末停止，因生产成本无法满足矿物基炼铁竞争。

矿物燃料基炼铁

因维持木炭炼铁所需原始森林枯竭，必须寻找替代燃料。替代燃料为烟煤、无烟煤、焦炭甚至泥煤。焦炭和无烟煤炼铁发展并行共存木炭生产贯穿1700s和1800s。烟煤和泥煤用途有限从未成主要炼铁燃料。矿物燃料炼铁始于英国，因木炭生产毁林最先发生在那里。

1708年Abraham Darby租什罗普郡小木炭高炉1709年生产焦炭。1709-1718此炉焦炭木炭混合比例递增，1718年炉用100%焦炭。至1750年常规用焦炭三高炉属Darby家族。1750-1771焦炭使用扩散，共27高炉用焦炭生产铁。焦炭用增加铁产量因比木炭强。能支撑更多原料重量故高炉尺寸可增大。焦炭也改善高炉透气性允许更大风量通过炉。此大风量压缩空气由蒸汽机和吹气缸提供。

焦炭欧洲大陆传播慢。1785法国Le Creussot、1796西里西亚Gewitz、1826比利时Seraing、1849德国Mulheim、1871俄罗斯Donete、1880西班牙Bilbao用焦炭。北美1835宾夕法尼亚Huntington首用100%焦炭燃料。但1797起美国高炉焦炭混合其他燃料用。

焦炭无烟煤高效利用不仅加速于蒸汽鼓风设备，也因发明预热吹入高炉风。19世纪初信冷风改善生铁量质因观察高炉冬季产量高误认低风温原因。实因冬季空气湿度低给定风量支持更多燃料燃烧。

1828年James Neilson专利发明预热风送风口。加热设备简易锻铁箱1.2m×0.9m×0.6m外部加热。此箱最大风温93℃每风口需一箱。1832年Neilson改进用连接法兰形成连续长30m供热面22.3m²烧固体燃料炉产热风140℃。此后热风炉持续改进，1831年Dixon开发高炉U形管供315℃热风。1840年英国约55%生铁用热风生产。

随热风温升高，燃料量减、高炉产量增。但热风设备需大量维护。砖炉内铸铁管膨胀特性不同致多管开裂。另一问题：冷风输送设备用实心风口和管间皮革柔性接头不耐高温。原始热风系统另一问题：固体燃料加热炉成本增。这些问题推动热风设备进一步改进。先用高炉煤气替代固体燃料加热。初建原始热交换式热风设备高炉顶直接用废热预热通过铸铁管冷风。后炉顶煤气输送热风炉燃烧产热。此型热风炉相当复杂多排立管。铸铁管开裂问题通过消除管用耐火材料解决。用此法每高炉装2-4炉。一炉烧高炉煤气加热时另一炉放热热冷风。1854年Cambria Iron Works美首厂用再生式炉。炉铁壳内衬耐火含风多通道耐火件。典型此设计炉热面186-232m²。此类炉代表1857年Cowper和Whitwell产品。1875年Whitwell炉直径6.7m高9.1m总热面8546m²。首用六角耐火格子砖、铸铁格子支撑、半椭圆燃烧室改善煤气分布。此炉供高炉热风温度454-566℃。此炉设计基本延续至今仅耐火类型、格子形状、炉尺寸微调。

热风使用要求设备另一改进为风口和风口座设计。冷风炉用实心铸铁或铸铜风口替换水冷风口：空心锥形铸件内循环水。鼓风机至风口管冷风炉用皮革接头连接，重新设计金属对金属座。随热风温升高这些风管总管和风口座内衬耐火材料，要求整体增大尺寸。

热风用于焦炭和无烟煤炉。随新鼓风机风压增大，发现无烟煤可配木炭提高高炉产率。1886年(文中作1986应为笔误)东法冷风炉首尝试用无烟煤失败，因燃着无烟煤碎成小块堵塞风入炉。美1800s焦炭炼铁和无烟煤炼铁演变并行。1826宾州建小高炉专用无烟煤操作，彼处及美其他地均失败。1833年Frederick Geissenhainer博士成功用热风实验无烟煤冶炼铁。1836宾州Valley炉用100%无烟煤，1837年George Crane南威尔士一高炉周产36吨无烟煤铁。David Thomas用无烟煤高炉最成功铁主。1838来美1840建Catasauqua高炉(图6)。炉底10.7m见方、炉腹3.6m、高13.7m。烧煤热风炉能热风至315℃。因此炉周产50吨优质铸造铁，成用无烟煤燃料建高炉模型。1856年美运行121座无烟煤炉。

其他燃料也试高炉炼铁：泥煤和烟煤。泥煤炉似木炭炉通常不超6.7m。因泥煤物理弱，此炉用地靠近泥煤矿从未在炼铁演变扮主要角色。烟煤热风前用补充木炭。1830s苏格兰热风炉用劈煤。1856宾州6高炉、俄亥俄13高炉用烟煤。烟煤炼铁时代基本1895年结束。此法从未成主要力量因高炉放大用高风压煤碎成小块。焦炭最强最易得燃料，100%焦炭炉演变继续。但有初期挫折可能因低强度焦炭。1840s蜂窝炉改善焦炭质量。1867英格兰Norton建“怪兽”高炉。此焦炭炉高25.9m、炉腹宽7.6m、有效容积735m³。美1884匹兹堡附近Etna炉例大焦炭炉。高21.3m、炉腹直径6.1m、炉床直径3.4m、七个178mm风口、三Whitwell炉、三吹气缸直径2.1m。此炉1881年日产115吨、1882年161吨、1883年182吨。此时焦炭炉设计与同期无烟煤炉很似(图6)。

焦炭高炉进一步演变

100%焦炭高炉演变在1872-1913年间重大改进。若干技术改进围绕硬驱动高炉实践：更强鼓风机、更高热风温度、更大炉、更好装料设备、改进原料制备、生产清洁高炉煤气。

鼓风设备设计能力是硬驱动高炉高产关键步。吹气缸替换为大型蒸汽往复鼓风机提供更大风量显著更高风压。此鼓风机为步行梁蒸汽冷凝型。蒸汽缸活塞杆连接吊梁再曲柄连重大直径飞轮。吹气缸活塞杆连吊梁另端，蒸汽缸每行程提供对应吹气缸行程。冷风管接垂直吹气缸两端使活塞双向压缩空气。飞轮提供蒸汽缸回程动量。此法压缩空气离冷风管入连接热风炉冷风总管。此型鼓风机前正常风量210m³/min风压0.28kg/cm²。此鼓风机产456m³/min风量0.64kg/cm²风压。1910年最终重大鼓风机改进实施涡轮鼓风机。首台涡轮鼓风机装新泽西Empire Steel Co.高炉，供风量636m³/min。此涡轮鼓风机为现代涡轮鼓风机直系祖先，现代机供风量达7500m³/min风压4.00kg/cm²。

高产高炉另一重大改进增装料能力。1870s高炉装水力电梯。1883年首装跳汰提升机。跳汰增大加速入20世纪，存在斗式和轮式车。1960s早期部分配料系统替大输送带。

炉装料能力改进也含自动焦炭装料系统、配料房衡车、双钟顶、旋转布料器(图6)。1901年David Baker发明自动料线测量。1903年JE Johnson开始测顶煤气温度分析。

1850年炉尺寸增大炉顶可闭合。单钟斗装置可装料保持炉顶闭合密封。单钟斗每开钟放大量煤气逸出。快在其上加第二钟斗使两钟间供气密空间防小钟开时高炉煤气逸出。上钟斗不必大如下钟因可经上钟多次冲料沉降下钟，上钟闭合前下钟开倾料入炉。

1990s早期(文中作1990s应为1900s)尝试McKee旋转顶改进配料分布。每跳汰料冲小钟后，小钟斗旋转60°、180°、240°、300°或0°。防止跳汰桥正下方原料峰值导致气流不均衬里磨损不均。次尝试改进配料分布1960s末德国完成。在高炉喉部装可调角度活动铠甲用于矿或焦。此活动铠甲装大量高炉。

双钟系统持续为世界高炉唯一装料系统至Luxembourg S.A. Paul Wurth开发无钟顶(BLT)装料系统，首次成功工业应用BLT 1972年。此设备用气密料斗供料旋转原料分配槽可卸料时设多角度入炉。结果几乎无限制每料在料面任意位置布置，允许操作员达最大燃料效率。

BLT装料系统因向高炉操作员提供若干优势取代双钟系统。2003年Siemens VAI引入Gimbal装料概念。

高炉持续改进增加产量另一方向改进高炉煤气净化。随风口风量压力增大，炉顶排出煤气速度量增。更多烟尘随废气带走，若不除开始堵塞炉格子限制炉风量。煤气净化首步1880s引入粉尘捕集器。1892年引入软铁矿后干式捕集器不足。1909年Ambrose N. Diehl引入湿法煤气净化系统。含九高压喷淋塔和四旋转洗涤器。1914-1924各炉试多种塔式洗涤器多喷淋挡板组。1907年试高速转鼓煤气解离器。1929年U.S. Steel South Works成功用静电除尘器。今日塔式洗涤器、文丘里洗涤器、除雾器组合最常用煤气净化设备。

最新湿法净化设备为环隙洗涤器兼净化气体控制炉顶压力。所有煤气净化改进最终结果：炉格子砖孔径减小炉尺寸增大因堵塞泥基本消除。炉热面积结果增加最终允许现代炉供1270℃热风温度。现代煤气净化设备允许相关炉顶压力控制致炉顶压力达2.3kg/cm²。此高炉顶压增加气体密度、降低气速、增加炉内气体停留时间，产生更好气固反应、改善还原气利用率、降低燃料率。

近期新建改造高炉，特别是中国，干法袋式除尘器净化高炉煤气广泛应用。干法净化煤气较湿法洗涤器文丘里管有若干优势。

1870s末追求更高产率强迫改变炉尺寸配置。1870s炉高22.9m。1880年高炉尺寸增高24.7m、炉腹直径6.1m、炉床直径3.4m。日产120吨、焦比1574kg/吨。仅十年1890年建炉身28.0m高、炉腹6.7m。日产325吨。再十年1901年启动炉类似炉身炉腹尺寸但炉床直径增4.4m。此炉日产463吨焦比1113kg/吨。这些尺寸增加伴随微妙变化：降低炉腹/炉身弯曲线、陡峭炉腹角。此变化有害因炉见此炉腹角料柱下降差滑料。消除这些问题，此尺寸炉炉床直径1927年增至6.7m。此大炉床炉日产880吨焦比922kg/吨。首座1000吨/日炉1929年投产。此炉装炉床直径7.6m。1955年Great Lakes A炉世界最大炉床9.2m、24风口。下一跃升高炉尺寸增大发生1960s日本重建过时钢厂。今日欧洲亚洲炉床直径15m、40风口、4-5铁口高炉常见。

随大炉、高热风温、高驱动率，需更好高炉耐火衬里和冷却系统。1880s典型高负荷粘土砖约40%氧化铝46%二氧化硅。但1886年德国高炉用碳质耐火材料。

耐火技术当时相对未知，冷却衬里似乎是磨损问题答案。约1880年起同时发展用炉腹盘管或嵌砖冷却板维持炉衬努力。首用青铜炉腹板信1890年Julian Kennedy装一约1890年。水冷炉床套早期参考1882年炉上。此时关注炉床侧壁和炉腹冷却，炉身冷觉不必要。

当时著名高炉专家Fritz W Lurman 1892年评论：“无论使用所谓耐火材料，维持高炉炉壁最好方法是冷却水”。装水循环冷却器在高炉壳与上部耐火衬里间保护这些部件免热辐射。除自带冷却器外，邻近炉床和炉底壳部分在一些炉外部也用水喷淋冷却。

高炉冷却系统功能冷却炉壳防过热烧穿。冷却系统移除高炉产生多余热量否则负荷于壳。冷却系统防止壳和衬里温升。高炉壳冷却存在多种方法。早期用不同尺寸数量设计冷却箱配合外部冷却(喷淋冷却、双层壳)传热炉热量至冷却介质。铸铁冷却拄中1900s中运行。铸铁拄冷却原苏联发现传印度日本。1970s铸铁冷却拄获世界公认。引入铸铁拄冷却器后高炉冷却发展加速，今有多种冷却器适应现代大型高性能高炉极端应力条件内部冷却炉壳。

更高装料率也加速炉喉磨损。1872年炉喉砌体建入铁或钢护甲。以来各类护甲用于料线区。

制砖技术首重大发展直到1900s。1917年首机制砖引入随密度强度增加。1935年真空压制砖进一步改善砖质。1939年超高负荷氧化铝砖含氧化铝达60%首现。1930s碳砖用于德国炉炉床。今多种氧化铝、碳、碳化硅耐火材料供高炉衬里。炉冷却和衬里改进使典型炉龄从1880s两年增至1990s超十年。今日高炉炉龄进一步增至20年。

高炉另一随产量增加被迫改变区域为浇铸操作。旧式鼓膜坝敞口炉前不再足够。1867年Lurman炉前专利消除鼓膜坝。含水冷铸铁面板分设铁排出口(仍称铁口)和渣排出口(称渣口或渣口)。1880s此设计改为将渣口从铁口旋转90°。铁口面板和渣口面板均水冷。分离两液态出铁点，为高产率所需增加浇铸次数腾出更多空间布置炉。铁口前区域完全可用仔猪床而渣坑移炉侧(图5)。正常操作中液态渣位近风口时用撬棍开渣口。渣冲入坑或专用渣车。渣口吹风时用手动塞堵。铁口间排渣使炉床更大容积容液态铁致更大浇铸吨位。1880s铁浇铸工艺未大变前操作但仔猪床大，1909年装渣撇渣器撇去顺铁沟流下浮渣。

1896年EA Uehling发明铸锭机安装最终彻底消除铸铁房仔猪床。随后引入敞口砖衬钢包。装约10-100吨热金属要求高炉铸铁房架高地面钢包置铸铁房地下。虽仔猪床消失但铁沟流道保留并增设通钢包嘴。1915年首用鱼雷罐。铁路装90吨1925年增150吨。今日铁罐设计似但容量达400吨。敞口罐铁路车仍用。

1890年前铁口用撬棍铁锤开。1890年首用气动岩石钻。铁口风停炉手工堵至1914年HA Berg开发远程控制泥浆枪风压下推粘土塞入炉。1906年首用氧枪熔化铁口骨架。现代高炉演进含远控铁口钻机、液压泥浆枪、铸铁房渣粒化装置、铁翻转嘴供无限铁罐。高炉视尺寸可有1-4铁口、2-6渣坑。消除铸铁房瓶颈允许1929年首1000吨/日操作通向1990s 12,000吨/日产量水平。

1800s末起快速演变平行改进线为铁矿制备。炼铁铁矿含多地质形式：红赤铁矿、镜铁矿、磁铁矿、褐铁矿、化石矿、沼铁矿、碳酸盐。金属铁含量约沼铁矿30%至部分赤铁矿72%。所有铁矿混合地球其他化合物冶炼过程中不利。1700s起铁矿露天坑或封闭窑木炭焙烧。焙烧/煅烧目的：释放所有挥发成分(水、碳酸、沥青物质)、软化裂解矿石使更透还原气。1800s引入铁矿筛分更紧密定矿粒度改善炉内气透性。始用手工筛分设备，1870s蒸汽驱动矿洗机含一两穿孔筛筒细料随洗水排出，定粒洗矿从筒内出入独轮车或堆场。

铁产量增最纯铁矿许多区耗尽须开采低品位矿。这些矿有害杂质须富集提高铁品位。1880年Thomas A. Edison获电磁分离器专利。密歇根示范厂1889年生产893吨磁精矿。

1948年建黄铁矿精矿球团试验厂。1956年两商业规模黄铁矿开采加工运营生产球团。首台直线篦机球团机1956年制，首台链篦窑球团机1960年投产。球团技术从美传播全球。球团最新发展引入生石灰、白云石或橄榄石入球团改善冶金性质，进而提高高炉产率降低燃料率。

铁矿烧结早1900s从球团分离路线发展。烧结工艺起源有色行业作批次工艺19世纪末。1950s前多数烧结碱度比<1.0。但后15年认识到碱度比>1.0碱性烧结将预烧熔剂源入高炉致燃料率节省。

过去100年炼铁最终技术改进之一为风口喷吹剂。喷吹剂首次记录用1871年Morgan木炭炉冷却炉床。因冷料堵风口不能进风，炉壁风口上方打孔装大风口。煤油经管从炉顶压入风口。六天七桶油后积铁熔化炉恢复顺行。1900s头十年比利时小高炉早期氧喷吹试验。首次大规模富氧风1951年用。纯氧喷吹益处：增加高炉产量因增加燃料燃烧能力、能用更多烃类风口喷吹剂。烃类喷吹剂演变发生1940s-1950s。1944年William L. Pogue提交煤粉喷吹专利。1953年天然气喷吹实施。1960s早期多钢厂开发枪喷油焦油，因1959年实验高炉试验证明显著节焦。1967年大量高炉用某燃料(多煤粉)喷吹。今日许多高炉燃料喷吹率达燃料率40-45%。随燃料喷吹并行演变最终风口喷吹剂为湿度喷吹。历史上热风温度受限因过高温燃烧区致料柱下降差。湿度喷吹比单风消耗焦炭更快产生气体CO和H₂更富且密度更低。这些因素改善气固传热速率和炉身料柱还原速率，致炉顺行。

湿度喷吹、燃料喷吹、氧喷吹结合允许提高热风温度和利用所有风口变量进一步改善现代高炉产率降低燃料率。

高炉炼铁作为科学的演变

历史上炼铁更多是艺术而非科学。早期铁主通过多年向前辈学习习得行当。许多炼铁实践改进基于直觉或纯运气。但19世纪中叶科学渗入炼铁冶炼发展。

德国Charles Schinz为最早研究高炉内理化现象研究者之一，尝试高炉操作定量物料能量平衡但受限于缺乏准确热力学数据。他做实验室实验定热容和生成热，似首定铁矿可还原性。他定义高炉不同区及各区主要化学反应。成果1868年出版。

Sir Lothian Bell在1800s末提出若干今日公认原则。1872年出版书被认作高炉炼铁首部教科书。1884年似首记不同渣成分功能及对熔点影响。他观察高炉渣为复杂结构存在一系列渣成分致良好流动性和脱硫能力。最重要贡献为化学反应理解。他认识CO和CO₂重要性，首开始定义Fe-O-C系统平衡。进而Bell讨论铁矿预热预还原及炉身发生这些反应重要性。他也做高炉操作碳氧氮平衡显示部分冲入碳被炉身CO₂“溶解损失”反应消耗。

Bell同时代法国冶金教授ML Gruner进一步扩展Bell高炉热平衡法比较多不同炉操作。他也信高炉最低燃料率将在溶解损失消除时达成。

JE Johnson Jr.为首位探索高炉工艺美科学家，1900s早期出版两本高炉设计操作书。他应用热力学第一二定律炼铁解释风温如何影响燃料率。他假设存在临界炉温高于此需最小热量。此最小热量称“炉床热”。1913年出版书中Johnson绘制高炉化学反应等温线图。临界温度和炉床热概念应用进一步说服炉操作员高炉工艺理性可预测。

1920-1930期间PH Royster、SP Kinney、CC Furnas、TL Joseph工人组广泛研究高炉固气流动。此组对高炉理化现象感兴趣，为理解觉须取样探测运行炉。工作始小实验高炉延伸商业炉。研究结果显示：气固流动在高炉任意水平面不均匀，改善炉身气固接触能显著增加炼铁效率。Furnas和Joseph继续此工作确定原料粒度和可还原性对气固反应关键。此重要工作导致理解配料分布和优化铁矿粒度因影响可还原性和透气性。

1962年R. Stephenson解释溶解损失作用。此前认为CO₂与碳反应生成CO是燃料浪费。Stephenson指出铁氧化物还原为间接还原和直接还原结合，间接还原后溶解损失即直接还原。用此考虑确定所有这两还原路线组合碳率作为溶解损失函数，结果可绘“碳-直接还原图”。1960s-1970s早期这些高炉理论最佳应用在日本实践。目前日本改进以大型高度自动化高炉形式扩散他处。

铁冶炼技术理论实践过去4000年走过漫长道路。1300s从锻造炉海绵铁到高炉液态铁过渡是推进炼铁技术首大步。继1800s中叶从冷风木炭炉到热风焦炭炉变革将炼铁带入现代。更好理解炼铁反应和改进设备演变为1880s-1900s中心硬驱动炉操作。最后，炼铁冶炼科学应用革命、更复杂设备安装、电子控制系统出现加速高炉炼铁进入当前状态：约12,000吨/日高炉、燃料率<460kg/吨运行得到演示。