高炉为什么那么高？

    花上十分钟，了解一个工业常识。

    高炉有多高？这个我挺有发言权，参加工作第一个练手项目，是高炉的炉外照明设计，有一盏航空警示灯，高层建筑都要装的，要装在高炉的最高点，为了实地考察，平生唯一一次爬上了高炉炉顶。

    估计一下高度，能有五六十米，接近二十层楼高，那还不是最大的高炉，是1250立方米的，当时最大的高炉有四千立方米，现在有六千的了，高度也应该接近一百米了吧。

    炉顶是露天的，好在我不恐高，不然可能有胆子上没胆子下。

    高炉为什么要建那么高呢？有原因的吧？

    了解一个新知识，最省事因此也是最好的办法，是拿已经了解的相近的旧知识去做对比，找到相同之处，可以直接明白一部分内容，再找到不同的地方，那就是了解新知识的关键点了。

    在前一篇'古人怎么炼钢铁’里，我介绍了古代的块炼铁工艺，它的基本原理和高炉炼铁工艺一样，都是用碳去还原铁矿石，确切说是以一氧化碳间接还原为主。

    在讲到块炼铁工艺时，我没有画图，因为没必要，那炉子就是一个容器，把铁矿石和木炭装在里边，是高是胖都不要紧。

    但讲高炉炼铁工艺，不画图就不行了，要复杂很多，没有图讲不清楚，下面是高炉主体部分的示意图，左边是高炉的主体结构图，右边是高炉运行时内部的炉料分布和温度分区示意图。

    先看左图，从里往外，最里边是空心的炉膛，然后是耐火砖砌的炉衬，外面则是钢炉壳，古代竖炉不用钢做炉壳，外部就要用砖石堆砌成上小下大的稳定形状，但这样一来，出铁、出渣就不方便操作了。

    从上往下看，最上面叫炉喉，下面越来越大的一段叫炉身，占了高炉一半多的容积，直径最大的部分叫做炉腰，再往下，炉体就开始收紧了，是漏斗形的，叫做炉腹，炉腹下面直筒形的叫做炉缸。

    炉体上有一些开口，炉身上方用管道接出去的一对开口，是收集高炉尾气的，尾气中还有一些一氧化碳，会污染大气，收集起来后经过净化，就成了高炉煤气，虽然发热值比较低，但可以和高发热值的焦炉煤气混合，作为燃气在钢铁企业里自产自销。

    应该很容易想到，这给高炉炉顶出了难题，既要隔离气体，还要放炉料进来，这就是炉顶工艺，我们放后面再讲。

    在炉缸的上沿，有一圈开口，那是进风口，所有进风管道汇聚到环形母管上，用鼓风机对母管鼓风，鼓的不是冷风，是一千到一千三百度的热风，这是提高高炉温度的好办法，很遗憾，这不是我们的老祖宗发明的，是竖炉工艺传到西方以后，由英国人发明的。

    热风温度那么高，还全额保留了氧气，怎么做到的？这就是热风工艺，也在后面去讲。

    炉缸是存放铁水渣液的容器，中段开有出渣口，平时是封闭的，出渣时才打开，最下方是出铁口，也是定时开闭的。

    那么问题又来了，如此高温的渣液铁水，没有一种阀门能够打开关闭它们吧？怎么做到的，这就属于出铁场工艺了，也放后面去讲。

    炉腹炉腰部位温度很高，炉壳和耐火砌层都会吃不消，需要通水冷却，为了节约用水和避免产生水垢，采用软水强制循环冷却，这是常规辅助工艺，有散热塔做冷却，沉淀池和过滤池做净化，还有水泵提供循环动力，冷却水箱的具体分布情况我不清楚，图中就没有表示出来，你知道有这个东西就行了。

    一旦高炉开始运行，里边的情况就谁都看不见了，温度太高，不可能开些观察窗往里看，那么，右边画的运行情况示意图，怎么来的，想当然画的吗？

    网上很多分析图还真是想当然画的，所以你也别信，但我这个是有出处的，是炼铁学教材里，按高炉解剖研究项目的成果画出来的。

    也不知道高炉解剖研究是怎么搞的，是不是让高炉在运行中直接停止鼓风，让高炉保持原样冷下来，然后剖开高炉研究内部，废掉一座高炉为代价来搞研究，这个不重要，重要的是这个图不是瞎猜的。

    高炉唯一的燃烧区在下部，就是进风口附近，热风里的氧气在这里耗尽了。因此从这里往上，是位置越高温度越低。

    因为炉壁散热的原因，每一平面上，是中心位置温度高，越往边缘位置温度越低。

    把这两条连起来一想，高炉里的等温面，就应该是拱形的了，想一想看看对不对？

    所有等温面里，有两个面很特别，一个是铁开始软化的温度，差不多一千二百度吧，称为软化线，另一个是含杂质的铁融化的温度，差不多一千四百度吧，称为融化线。

    夹在软化线和融化线之间的，叫做软融带，在这里，铁会软化、半融化直到融化滴落，图中的软融带我画得很显眼的。

    软融带以上的温度低于软化温度，不管是铁矿石，还是已经还原的海绵铁，都会保持固体形态，这就像一个块炼铁的炉子，只要这里有高浓度的一氧化碳，铁矿石就会固态还原成海绵铁，那么，高炉炼铁和块炼铁的共同点，就在这里了，称为块料区，大部分在炉身位置。

    现在我们知道了，高炉里也会练出海绵铁的哈，只不过练出来不算完，会在软融带里化掉，矿石中的脉石和加进去的石灰石反应，生成低熔点的炉渣，也在这里化掉，最后会得到干净的铁水，这就是高炉工艺和块炼铁工艺最大的不同：多走了一步，先还原，再融化，时间先后的两件事，在连续生产的流动中，变成了在两个区域里完成。

    软融带是铁打的营盘，只要高炉运行保持稳定，软融带就一直在那里，位置都不怎么变。

    软融带里的炉料，是流水的兵，在融化线上，海绵铁、炉渣，都融化了，没还原完的氧化铁，软化以后和焦炭接触，发生直接还原，然后也融化了、全都滴落下去，孤零零的焦炭挂不住了，也会掉落下去。

    所以，软融带的下方不断消融，会导致软融带内炉料不断下沉，然后上方会有新的炉料掉落下来，进入软化线，软融带厚度不会变。

    现在你能够理解炉身和炉腹的形状了吧，炉身越往下越大，块料容易掉落，不会卡住，炉腹则上大下小，能够把软融带支撑住。

    软融带必须足够结实，能够扛住上方炉料的重量，它还必须能够透气，要不然燃烧产生的一氧化碳怎么去块料区？

    这就是焦炭的作用了。

    高炉是一层焦炭一层铁矿石这么分层进料的，焦炭层在块料区是没有作用的，这里没有氧气，在软融带里，温度高了，焦炭红了，但仍然不会燃烧，保持着固体形态。

    帐篷形的软融带的侧壁，就是一层焦炭一层海绵铁构成的，软化了的海绵铁不透气，但会起到粘合作用，让焦炭不会掉落，固态的焦炭层则起支撑和透气作用，称为焦炭窗口。

    用焦炭在高炉里做燃料，也是西方那边捣鼓出来的，之前怎么解决的？或许只能用一些高温下仍然足够结实的煤块吧，木炭肯定不行，一压就粉了。

    软融带下方是滴落带，也是一个拱形空间，这里除开滴落的铁水渣液路过，剩下的就全是焦炭了，边缘一圈的风口附近是回旋燃烧区，是高炉里唯一发生燃烧的区域，热量和一氧化碳都在这里产生，中心部分是疏松焦炭区域，这里的焦炭会顺着坡度滚落到燃烧区补充燃料。

    滴落带下方的中间，是一个压实了的焦炭堆积的小山，这里的焦炭没地方落了，触底了，也没法燃烧，因为这里没氧气，所以会长期呆在那里，称为死料区，不过没啥危害。

    炉缸里下部是铁水，上面是渣液，铁水和渣液里泡着焦炭，所以高炉炼铁出来的是生铁，有太多渗碳机会了。

    简单总结一下：软融带的存在把高炉内部大致分成三部分，上面是块料区，还原产生海绵铁，中间是软融带，海绵铁化成铁水，实现铁渣分离，最下面是燃烧空间和铁水收集空间。

    现在我们回头来了解一下之前遗留的三个问题。

    第一个是炉顶工艺，高炉的炉顶有多种形式，有双钟炉顶，单钟压力炉顶，无钟压力炉顶等，其中我能够说清楚的，就只有双钟炉顶，那就说这个吧。

    上图就是双钟炉顶的示意，涂黑部分是大小钟，形状就像倒吊的漏斗，平时大小钟都是关闭的，炉料就倒在小钟上面的接料漏斗里，小料斗装满以后小钟下降开启，炉料倒进大料斗，大料斗装满后，大钟下降开启，炉料经过旋转布料器均匀进入高炉，只要大小钟不同时开启，就实现了气体隔离。

    示意图没有画出上料小车或输送胶带，以及料位探尺等，小钟的升降杆是空心的，大钟升降杆从中间穿过，升降操作是高炉下方用钢丝绳拉动平衡机构实现的。

    炉顶工艺是上世纪初出现的，之前高炉尾气直接排入大气。

    第二个是热风工艺，热风炉很简单，就是用耐火砖在里边砌成曲里拐弯的风道，把混合煤气送进去燃烧，把风道里的耐火砖烧红，然后切换送入空气，让高温的耐火砖把空气烤热。

    一座热风炉当然不够，要三四座，一座热风炉往高炉送风，其他的要么在燃烧升温，要么低强度燃烧保温等待。

    送风机是高压鼓风机，因为软融带气阻很大，没有足够压力送不进去风，鼓风机不止一台，要不然故障检修怎么办？至少是三备一，两台工作一台备用，为什么不一台工作一台备用？因为不合算，三备一需要三台半功率的小风机，二备一就要两台全功率的大风机了。

    第三就是出铁场工艺了。

    在炉缸里因为比重不同，铁水在下，渣水在上，当两者分界面接近渣口时，打开出渣口放出渣液，然后关闭出渣口，打开出铁口出铁，当铁水上方残余的渣液开始混出来时，就尽快关闭出铁口。

    关闭渣口铁口的方法是用耐火泥去堵，像挤牙膏那样挤进去，堵渣口的叫堵渣机，堵铁口的叫做泥炮，因为堵铁口时铁水还在流，属于顶风作案，要做得更笃实，结果就做成古代虎蹲炮的模样了。

    打开渣口铁口的方法，是用超大电钻钻开，取名叫开口机。

    从出铁口和渣口出来的铁水渣液，在铁水沟和渣水沟里流到铁水罐车、铸铁机和水冲渣装置去，所以出铁场不在地面，要垫高几米甚至一二十米，好放置这些设备，高炉就需要有高度的炉基。出铁场平面铺了厚厚一层耐火砂，铁水沟和渣沟是工人用锄头掏出来的，这个方法有点low，但你能想出不low的办法来吗？

    出铁场工人很辛苦，高温环境作业，出渣时还需要防护一氧化碳泄漏，在软绵绵的耐火砂上行走要很小心，掉进铁水沟里可不好玩。

    我唯一一次正好在现场的人身伤亡事故，就是在出铁场，和爬上高炉炉顶是同一天，很巧，当时我正在观察泥炮，听到惊呼声，转身看到一个工人倒在铁水沟里，正被同伴拉起来，半边身子的劳保服完全没影了，露出泛红的皮肉，很快就用担架送走了，这里的很快，有点细思恐极，担架是一直准备好的？后来有没有救过来，我就不知道了。

    铸铁机用来把铁水铸造成生铁块，到炼钢厂化铁炉融化后炼钢，现在的工艺是直接用铁水罐车运到转炉跟前倒进去，叫做铁水直送，又省事又节能，但转炉和高炉有各自的生产节奏，总有高炉要出铁了，转炉那边却吃不进去的时候，所以铸铁机还是保留下来，作为缓冲手段。

    水冲渣工艺是用高压水流冲击高温渣液，会形成米粒大小，满是小孔的水冲渣，这东西可以送到水泥厂当作半成品生产水泥，可以用来做炉渣砖，还是一种廉价的保温填料，可以卖钱的哈。

    我刚参加工作的前后，国内引进了一套水冲渣设备，只买了使用专利，那时国内的工程师还挺牛，大家看了一下，一致认为不过是一个理念而已，没啥了不起，于是完全自行设计了一套，没有仿造痕迹，弄得人家想打专利官司都没理由，这才叫高级山寨版哈。

    最后回答一下题目的问题，高炉为什么那么高？拿一座25立方米的袖珍高炉举例，主体高度按形状估算，大约八米左右，炉基部分要布置设备，得有四米吧？炉顶要布置双钟和它们的升降机构，估个六米不过分吧？差不多就有六层楼高了，这就算是高炉的最低高度了。

    如果现在我说，就算把一个炼铁工程师扔到古代去，他也造不出一座现代高炉来，你同意不？倒过来想，我们两千多年前的祖先，就能够利用简易的竖炉炼出生铁水来，还真挺了不起的。

    预告一下，下次聊聊高炉的仆人们，好叫人知道，五大三粗的高炉，其实是一个娇小姐……