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由于硅的还原与炉温密切相关，所以铁水中的含硅量可作为衡量炉温水平的标志。
3．磷的还原
炉料中的磷以磷酸钙[(CaO)3·P205]的形态存在，有时也以磷酸铁[(FeO)3·P205·8H20]的形态存在。磷酸铁又称蓝铁矿，蓝铁矿的结晶水分解后，形成多微孔的结构较易还原，反应式为：
磷酸钙是很稳定的化合物，它在高炉内首先进入炉渣。在1100～1300℃时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达60％；当有Si02存在时，可以加速磷的还原：
磷虽难还原，反应吸热量大，但在高炉冶炼条件下，全部被还原以Fe2P形态溶于生铁。因此，降低生铁中的含磷量的唯一途径是控制炉料中的含磷量。
4．铅、锌、砷的还原
我国的一些铁矿石含有铅、锌、砷等元素，这些元素在高炉冶炼条件下易被还原。 还原出来的铅，不溶于铁，而且因密度大于铁易沉积于炉底，渗入砖缝，破坏炉底；部分铅在高炉内易挥发上升，遇到C02和H20将被氧化，随炉料一起下降时又被还原，在炉内循环。
还原出来的锌，在炉内挥发、氧化、体积增大使炉墙破坏，或凝附于炉墙形成炉瘤。 还原出来的砷，与铁化合影响钢铁性能，使钢冷脆，焊接性能大大降低。
五、还原反应动力学
铁矿石的还原属异相反应，各反应相之间有明显的界面。根据动力学研究，被还原气体包围的铁矿石，还原反应是由矿石颗粒表面向中心进行的，如图3—3所示。 因此，提高还原气体的浓度和还原温度；使用粒度较小，气孔率较大的人造矿石将改善还原条件，加快还原反应速度。
图3-3 矿球反应过程模型
六、生铁的生成与渗碳过程 生铁的生成，主要是渗碳和已还原的元素进入生铁中，最终得到含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素的生铁。
矿石在加入高炉内即开始还原，在高炉炉身部位，就已有部分铁矿石在固态时被还原成金属铁。这种铁叫海绵铁。当温度升高到727℃以上时，固体海绵铁发生如下渗碳过程：
根据高炉解剖资料分析：经初步渗碳的金属铁在1400℃左右时，与炽热的焦炭继续进行固相渗碳，才开始熔化成铁水，穿过焦炭滴入炉缸，熔化后的金属铁与焦炭接触条件改善，渗碳反应加快：3Fe液+C焦=Fe3C液至炉腹处，生铁的最终含碳质量分数4％左右。生铁在渗碳的同时还溶入由直接还原得到的Si、Mn、P等元素，形成最终成分的生铁。
生铁的最终含碳量与生铁中合金元素的含量有着密切关系。Mn、Cr、V、Ti等元素由于能与碳生成碳化物，所以有助于增加生铁中的含碳量。另外有一些元素如Si、P、S等能与铁生成化合物，促进碳化物分解，阻止渗碳，能促使生铁的含碳量降低。冶炼锰铁时，碳的质量分数可以达到7％；普通生铁的含碳质量分数一般在4％左右。
第三节 高炉炉渣与脱硫
高炉生产过程中，铁矿石中的铁氧化物还原出金属铁；铁矿石中的脉石和焦炭(燃料)中的灰分等与熔剂相互作用生成低熔点的化合物，形成非金属的液相，即为炉渣。
一、高炉渣的成分与作用 1．高炉渣的成分
高炉炉渣主要来源于矿石中的脉石、焦炭(燃料)中的灰分、熔剂中的氧化物、被侵蚀的炉衬等。
组成炉渣的氧化物很多，高炉渣的主要成分有Si02、Ca0、Al2O3、Mg0、Mn0、Fe0、CaS、CaF2等。对炉渣性能影响较大且炉渣中含量最多的是Si02、Ca0、Al203、Mg0四种。
炉渣中的各种氧化物可分为碱性氧化物和酸性氧化物两大类。以碱性氧化物为主的炉渣称碱性炉渣；以酸性氧化物为主的炉渣称酸性炉渣。常用炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物的质量百分数之比表示炉渣碱度(R)：
实际生产中，由于Ca0和Si02的质量分数之和在炉渣中约占80％，而且这两种物质分别代表炉渣成分中的强碱性和强酸性氧化物，所以高炉炉渣碱度一般用R=m(CaO)／m (Si02)表示。
炉渣的很多物理化学性质与炉渣碱度有关。炉渣的碱度根据高炉原料和冶炼产品的不同，一般在1.0～1.3之间。
2．高炉渣的作用
炉渣和生铁是高炉冶炼生成的两种产物。炉渣对生铁的产量和质量有极其重要的影响。炉渣的具体作用如下：
1)炉渣与生铁互不溶解，且密度不同，因而使渣铁得以分离，得到纯净的生铁； 2)渣铁之间进行合金元素的还原及脱硫反应，炉渣起调整成分的作用； 3)炉渣对高炉炉况顺行、炉缸热制度以及炉龄等方面也有很大影响。
炉渣的上述作用是由炉渣的物理性能决定的，其物理性能包括：炉渣的黏度，炉渣的熔化性和稳定性等，它们由炉渣的化学成分决定。
二、成渣过程
加入高炉内的炉料，与煤气接触，将发生如下变化：
1)焦炭在风口以上保持固态，直到风口处才完全燃烧，灰分进入炉渣。焦炭是料柱的骨架，对炉内透气性影响很大。
2)石灰石在下降过程中，受热后逐渐分解，到1000℃以上的区域分解完毕。分解生成的Ca0由于与矿石中脉石接触不良，故初渣中Ca0很少，只有在滴落带，大量初渣流过其表面时，才被溶解，参与造渣。
3)矿石在下降过程中，经历了块状带、软熔带、滴落带、风口带、渣铁带。矿石的软化是由于在块状带固相反应生成了低熔点的化合物，此时半熔融的含有很多已还原的铁的“冰柱”沿焦炭缝隙流下，炉渣从冰柱中分离出来，为初渣。分离出来的初渣是自然碱度。随后渣中(FeO)不断还原进入铁中，至滴落带，炉渣以滴状下落，渣中Fe0已降到2％～3％，当温度达1400℃以上时，金属铁由于渗碳而熔点降低，也以滴状下落。 滴落的初渣成分不断变化，初渣开始是自然碱度，以后随着Si02的还原，石灰石渣化并加入焦炭灰分，经过碱度波动之后形成终渣。
成渣过程中，软熔带对炉内料柱透气性影响很大，习惯上把这一带叫成渣带，成渣带的厚薄、位置的高低和波动对高炉冶炼有很重要的影响。 三、生铁去硫
硫是影响钢铁质量的重要因素，高炉中的硫来自矿石、焦炭和喷吹燃料，使用天然矿石冶炼时，熔剂也会带入少量的硫。炉料中焦炭带入的硫最多，占70％～80％。冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量称硫负荷。
1．硫在煤气、渣、铁中的分配
炉料带入高炉内部的硫在冶炼过程中又全部转入炉渣、生铁、煤气中。所以：
若以lkg为计算单位，则上式可写成
式中
──每公斤铁由炉料带入的总硫量；
──每公斤铁随煤气挥发的硫量；
n──每公斤铁相对渣量；
m(s)──炉渣中含硫量，%； m[s]──生铁中含硫量，%。
渣中含硫量与铁中含硫量之比称为硫的分配系数，用Ls表示。Ls=m(S)／m[S]代入上式得：
由此可以看出，欲得到低硫生铁应采取如下措施：
降低硫负荷；增大硫的挥发量：加大渣量；增大硫的分配系数Ls。 由于实际生产中，一定的原料条件m(Sm)变化不大，且不提倡大渣量操作，而气化去硫也仅占很少一部分。所以欲得到低[S]生铁，只有提高炉渣的去硫能力。
2．炉渣去硫
在高炉操作中，一定的原料条件下，实际而有效地降低生铁含硫的措施是提高高炉炉渣的脱硫能力，即提高硫在渣铁间的分配系数Ls。除气化去硫外，硫在高炉全部变成CaS和FeS。CaS不溶于生铁而进入炉渣中，FeS则溶于生铁，生铁去硫主要是将溶于生铁的FeS 变成不溶于生铁的CaS，反应式如下：
[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)
生成的FeO在高温下与焦炭作用：
(FeO)+C=[Fe]+{CO}-Q
因此，总的脱硫反应可写成：
[FeS]+(CaO)+C=(CaS)+[Fe]+{CO}-Q
从上述脱硫反应式可以看到，要提高炉渣的脱硫能力必须具备以下条件： 1)适当高的炉渣碱度。碱度高则Ca0多，对脱硫有利。
2)要有足够的炉温。脱硫反应是吸热反应，温度高，则有利于反应的进行。
3)黏度小。可使生成物CaS很快脱离反应的接触面，降低(CaS)的浓度，促进反应的进行。
3．炉外脱硫
当炉料中含硫较高时，若操作不当，难免有时生铁含硫超过规定标准，此时，可采用炉外脱硫的办法，以保证生铁的质量。目前高炉常用的炉外脱硫剂是苏打粉(Na2C03)。出铁时，用占铁水质量l％的苏打粉加入铁水罐，脱硫效率可达70％～80％或更高。反应式为：
Na2C03+FeS=Na2S+FeO+{C02}-Q
此外，炉外脱硫剂还有石灰、白云石、电石、复合脱硫剂等。为了满足炼钢对铁水的要求，也可采用铁水预处理技术。
实际生产中，如果选择合理的操作制度，保证充沛的炉温，生铁的含硫量是可以控制的。因为炉料中的硫大部分是由焦炭带入的，所以降低焦比是控制入炉硫量，保证生铁质量的有效措施。
第四节 高炉风口区碳素的燃烧
焦炭是高炉炼铁的主要燃料。随着喷吹技术的发展，煤、重油、天然气等已代替部分焦炭作为高炉燃料使用。
一、燃料燃烧 1．燃烧反应
焦炭中的碳除部分参加直接还原。进入生铁和少量与H2反应生成CH4之外，有70％以上在风口前燃烧，高炉炉缸内的燃烧反应与一般的燃烧反应不同，它是在充满焦炭的环境中进行，即空气量一定而焦炭过剩的条件下进行的。 燃烧反应的机理一般认为分两步进行：
所以，风口前碳素的燃烧只能是不完全燃烧，生成C0并放出热量。 由于鼓风中总含有一定的水蒸气，灼热的C与H20发生下列反应：
C+H20=CO+H2 —124390kJ
因此，实际生产中的条件下，风口前碳素燃烧的最终产物由C0、H2、N2组成。2．燃烧反应的作用
风口前碳素燃烧反应是高炉内最重要的反应之一，燃烧反应有以下几方面作用：1)为高炉冶炼过程提供主要热源；
2)为还原反应提供C0、H2等还原剂； 3)为炉料下降提供必要的空间。 二、回旋区及燃烧带
当鼓风以很高的速度(100～200m／s)从风口鼓入高炉时，具备足够的动能吹动风口前端的焦炭块，形成一个比较疏松的球形空间。沿着球形空间内部，煤气流夹带着焦炭作回旋运动，并迅速燃烧。回旋运动主要发生在风口中心线以上，风口前产生焦炭和煤气流回旋运动的区域称为回旋区。在回旋区外围，有一层厚约l00～300mm的中间层，此层的焦炭既受高速煤气流的冲击作用，又受阻于外围包裹着的紧密焦炭，因此比较疏松，但又不能和煤气流一起运动。
回旋区和中间层组成焦炭在炉缸内进行燃烧反应的区域称为燃烧带。如图3-4所示。 三、影响燃烧带大小的因素
燃烧带的大小决定着煤气在炉内的初始分布，对炉内煤气温度和炉缸温度分布，及高炉顺行都有影响。当燃烧带沿水平方向上截面积越大，相邻两燃烧带之间的不活跃区越小时，炉缸工作越均匀。