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块炼铁与生铁
工业基石用铁矿石与木炭在炉中还原得到铁料的工艺
金属高温冶金
进阶级：需要一定工程知识和组织能力，成功后可奠定产业基础。
适用时代
中国古代 / 欧洲中世纪
难度
困难
风险等级
高
制作周期
数小时至数天
前置条件
铁矿石、木炭、鼓风炉、耐火土、风箱、钳子、铁砧
原理
冶铁的核心是氧化还原反应。铁矿石（主要是 Fe₂O₃ 或 Fe₃O₄）在高温下与一氧化碳（CO）反应，被还原为金属铁。木炭燃烧时先生成 CO₂，CO₂ 与炽热炭层反应生成 CO，CO 再还原铁矿石。
炉温决定产物形态：
- 块炼铁：温度约 1000-1150°C，铁不熔化，呈海绵状固体（熟铁），含碳量低（低于 0.3%），较软、可锻打。
- 生铁：温度超过 1200°C，铁熔化成液态流入炉底，含碳量高（2-4%），硬而脆。
中国古代高温炉可直接得到生铁，再经炒钢、锻打降低含碳量；欧洲早期多为块炼铁路线。
原料与配比
| 原料 | 用量（体积比） | 说明 |
|---|---|---|
| 铁矿石 | 1 份 | 赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿均可；需敲碎成核桃大小 |
| 木炭 | 2-3 份 | 提供热量和还原剂；硬木炭更耐烧 |
| 石灰石（助熔剂） | 0.2-0.3 份 | 降低脉石熔点，形成炉渣 |
| 耐火土 | 适量 | 用于砌筑炉膛内衬 |
工具
- 炼铁炉：地坑炉、矮竖炉或小型鼓风炉，内衬耐火土
- 风箱或皮老虎，用于强制鼓风
- 长柄铁钳，用于取出海绵铁或拨动炉料
- 铁锤、铁砧，用于锻打块炼铁
- 石臼，用于粉碎矿石
- 防护：防火服、护目镜、厚手套
操作步骤
- 建炉：挖一个直径约 40-60cm、深 60-100cm 的圆坑，底部侧壁开进风口和出渣口，内壁用耐火土涂抹夯实。
- 铺炭点火：炉底铺一层木炭，点火并开小风预热炉膛。
- 分层装料：待炉温升高后，按一层木炭、一层矿石、一层助熔剂的方式装料，顶部再盖厚炭层。
- 强风冶炼：持续鼓风 3-6 小时。期间可补充木炭，保持炉内高温和还原气氛。
- 观察炉况：从出渣口排出熔融炉渣；若追求块炼铁，控制温度不要让铁熔化。
- 取铁：停风后从炉底取出海绵铁块。若为生铁路线，可打开炉底让铁水流入预先挖好的铸模。
- 锻打去杂：块炼铁需在炽热状态下反复锻打，挤出夹渣，折叠密实，提高强度。
- 退火：锻打后的铁件埋入热灰中缓慢冷却，减少脆性。
注意事项
- 极高火灾风险：炉温超过 1200°C，周围 3 米内不得有易燃物，准备灭火沙土。
- 一氧化碳中毒：木炭不完全燃烧产生 CO，必须在露天操作，操作者站在上风向。
- 烫伤与飞溅：熔融炉渣和铁水飞溅危险，必须穿戴完整防护装备。
- 炉体开裂：耐火土未充分干燥或升温过快会导致炉膛炸裂，需缓慢预热。
- 现代复刻：本工艺仅限专业人员在受控户外环境进行，严禁个人随意尝试。
常见问题与解决方法
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|---|---|---|
| 只出渣不出铁 | 温度不足或矿石含铁量低 | 加强鼓风、延长冶炼时间、换富矿 |
| 海绵铁疏松多孔 | 还原充分但锻打不足 | 趁热多次锻打，折叠去杂 |
| 生铁太脆 | 含碳量过高 | 用炒钢法氧化脱碳，或多次锻打熟化 |
| 炉膛塌陷 | 耐火土质量差或炉温过高 | 使用高铝耐火土，加厚内衬 |
| 炉渣黏稠不流出 | 助熔剂不足或温度不够 | 增加石灰石比例，提高炉温 |
升级方向
- 炒钢：将生铁熔融后搅拌，让空气氧化去除多余碳，得到含碳量适中的钢。
- 渗碳：将熟铁包裹在木炭中加热，使表面吸碳硬化，制作刀具。
- 水力鼓风：用水车驱动风箱，提高炉温和效率。
- 高炉炼铁：建造更高更大的竖炉，连续加料、出铁，提高产量。
参考来源
- 《天工开物》「五金」篇冶铁记载
- 中国古代块炼铁、生铁、炒钢考古资料
- 公开冶金学教材：铁矿石还原与炉渣控制