炼铁的基本工艺过程是以自然界的铁矿石为原料，将矿石中的铁元素还原、提取，制成金属铁含量大于90%的产物。炼钢的基本工艺过程是以金属铁含量大于90%的富铁物为原料，脱除其中杂质、精炼、合金化，制成合格的钢液。钢铁冶炼工艺还包括铁合金冶炼、炉外精炼等。

现代炼铁主要有高炉炼铁、直接还原炼铁和熔融还原炼铁3种工艺。高炉炼铁是世界上最主要的炼铁方法，由此获取的铁占从自然界提取的铁元素总量的90%以上。直接还原炼铁和熔融还原炼铁统称为非高炉炼铁，最初的设想是不使用焦炭，所以又称为非焦炼铁。

高炉炼铁厂远景

人类很早就掌握了炼铁技术，中国早在汉代就出现了高炉类型的炼铁装置，使用块煤、木炭、含铁块矿冶炼液态生铁。近代高炉炼铁发轫于1709年，使用焦炭为燃料和还原剂；1829年开始用高炉炼铁产生的煤气预热空气鼓风，减少焦炭消耗，使高炉炼铁效率大幅提高。

早期高炉炼铁直接使用块状富铁矿石为原料，而近现代使用人造富矿为原料，提高了高炉炼铁的生产效率。品位较低的铁矿经磨细、富选，制成高品质的铁精矿粉。铁精矿粉和富矿粉经过造块制成人造富矿或熟料，主要是烧结矿或球团矿。多数地区的高炉炼铁的原料以烧结矿为主，搭配一定比例的球团矿和块矿，少数北欧、北美地区的高炉原料是以球团矿为主。

炼铁高炉是竖式连续逆流高温反应器，以铁矿石（烧结矿、球团矿、天然块矿等）为原料，焦炭为燃料和还原剂，按一定配比分批由炉顶加入。为了调剂炉况还要加入熔剂（石灰石、白云石或硅石）。炉料从上向下运动，预热的空气由高炉下部风口鼓入。焦炭中的碳与空气中的氧反应生成高温煤气由下往上运动，炉料被加热、分解；矿石中的铁氧化物被气流中的一氧化碳和氢还原，生成的金属铁滴被熔化、渗碳，成为液态生铁，未被还原的脉石和杂质与熔剂结合生成液态炉渣，两者聚集于下部炉缸，周期性由出铁口和出渣口放出；煤气由高炉炉顶导出，经除尘后，可用作燃料。

高炉炼铁是高温、传热、传质、多相化学反应的综合过程，涉及的物料量和能量巨大，保证其稳定、顺行是非常重要的技术工作。

现代高炉炼铁技术的快速发展，主要表现在：①综合采用了精料、高压炉顶、高风温、富氧鼓风、喷吹辅助燃料等多种技术，并探索全氧鼓风工艺来强化冶炼、节约能耗和减少排放。②发展了数学模型、计算机控制、智能技术和可视化技术。③高炉利用系数高，已超过每立方米有效容积每昼夜产铁2吨；采取了一系列护炉和管理技术，保证高炉炼铁平稳、高效顺行。④高炉长寿技术取得进展，现代高炉炉龄可长达20年。

焦化、铁矿粉造块、高炉炼铁等工序在钢铁企业内统称为铁前系统。铁前系统耗能高、二氧化碳排放量大，占钢铁生产总污染物排放量的70%以上。铁前系统产生的各种能源和排放物予以有效利用，有助于钢铁企业实现能源转化和产业链的延伸，如20世纪70年代开始采用高炉炉顶煤气余压发电（TRT），部分替代了钢铁企业对外部的电力需求；炼焦过程产生的多种副产物可加工成化工产品，构成焦化厂；红热焦炭的热能通过干熄焦（CDQ）技术发电，焦炉煤气中含有一定量的氢，可以分离、提取、加工制成醇类产物；高炉炼铁排出的炉渣经缓冷、水淬和喷水等方法处理可制成建筑材料的原料。

此外，铁前系统消纳废弃物的功能得到有效开发，例如：将钢铁生产过程中产生的粉尘和某些固体废弃物（如轧钢氧化铁皮，炼铁、炼钢的除尘灰和尘泥等）作为烧结和球团原料掺入使用；高炉炼铁还可消纳钢铁生产过程之外的社会固体废弃物（如废塑料、机械工业的铁屑）等。

高炉炼铁生产高效、费用低廉，但是所依赖的焦炭资源日益紧张，因此不使用焦炭或只少量使用焦炭的炼铁方法，即非焦炼铁得到重视。非焦炼铁主要包括熔融还原炼铁法和直接还原炼铁法。

①熔融还原炼铁，以煤代替焦炭，直接用铁矿石冶炼生产液态生铁的工艺。生产应用的有科雷克斯法（COREX法）和FINEX熔融还原法。

②直接还原炼铁，由铁矿石经还原得到固态铁的工艺。直接还原炼铁具有悠久的历史。古代用木炭、煤或天然气还原块状铁矿石，还原产物为固态多孔状的含铁物，俗称“海绵铁”。海绵铁中的金属铁含量高时可达90%以上，低时只有60%，且混有较多的脉石。近现代直接还原炼铁主要在拥有高品质块状铁矿石的印度和天然气资源丰富的国家或地区（如伊朗）得到重视和发展。有多种直接还原炼铁工艺用于生产，主要是气基方法。直接还原炼铁产物有多孔的直接还原铁、块状的热压块铁、粒铁、碳化铁等。20世纪中叶以后，直接还原炼铁的产量快速增长，全世界年产量已超过7000万吨。

古代的钢铁冶炼是在固体状态下进行的，现代钢铁冶炼，除少数情况外，都是在1600℃左右液态下完成，然后铸成连铸坯或铸成钢锭。大规模炼钢方法出现于1856年以后，主要有平炉炼钢、转炉炼钢、电弧炉炼钢3种。在近一个世纪内，平炉炼钢法占主导地位。平炉的优点是可以用0～100%任何比例的废钢和生铁搭配作原料，每炉产钢量大而且钢质量良好。

转炉炼钢

20世纪20年代末，林德-弗兰克制氧法开发成功，可以大规模生产出供工业使用的纯氧。1952年纯氧顶吹转炉炼钢法开发成功。它充分发挥了转炉炼钢反应速率高、热效率高、不用加外来热源的优越性，钢质量比空气转炉优良得多，所以迅速取代了平炉炼钢的地位。另外，1967年后电弧炉炼钢逐渐发展成为超高功率（UHP）电炉，还原熔炼操作被分解到出钢后的炉外精炼时完成，电弧炉炼钢成为另一种大规模生产钢的冶炼工艺。20世纪末，平炉炼钢法淘汰，氧气转炉法和电弧炉炼钢称为主要炼钢法。

比较钢和生铁的化学成分可知，生铁中的碳、硅、磷比钢中高，因而生铁的熔点比钢低。把生铁炼成钢的基本过程是氧化、升温、造渣。氧化过程的作用是去除硅、磷、碳等多余的元素，而且碳的氧化产生大量CO气泡，使钢水沸腾，使钢中有害的气体和非金属夹杂物得以去除，保证钢的冶炼质量。所以，即使采用废钢作为主要原料时，也要配入必要的生铁以增加碳含量，使炼钢时产生沸腾现象。随着碳的去除，钢熔点升高，所以必须升温。平炉和电炉的升温靠外加能源，转炉的升温只靠元素氧化反应放热即够，氧气转炉的放热量尚有富余，可用于熔化废钢。造渣的目的是去除磷和硫，所以炉渣要保持必要的碱度和氧化性。用生铁为主要原料炼钢时，最经济有效的脱硫工序是在炼钢之前的铁水预处理。所以，现代的炼钢厂是由铁水预处理-炼钢-炉外精炼-连续铸钢构成合理分工、协调运转的生产流水线。

电弧炉炼钢

20世纪60年代，电弧炉炼钢将其还原期冶炼移至炉后，称为“二次精炼”。之后炉外精炼技术得到多样化发展，90年代成为炼钢的在线化工艺。炉外精炼的发展使电弧炉炼钢速率提高，转炉炼钢的钢质量提高。在转炉炼钢之前采用铁水预处理技术，形成了铁水预处理-转炉/电弧炉-炉外二次精炼为工艺流程的洁净钢高效生产平台技术。

20世纪70年代人们认识到改变中间包形状和加大中间包容积可提高钢液夹杂物去除率，80年代发明了多孔导流挡墙和中间包过滤器，使中间包的作用在现代连铸越来越重要，形成一种特殊的炉外精炼技术。

铁合金冶炼基本上属于还原熔炼，根据产品品种和质量要求的不同有多种冶炼方法，主要有碳热还原法（高炉法）、电热还原法（矿热炉法）、金属热还原法和电解法。还有用电硅热还原、吹氧脱碳、真空脱碳等方法生产低碳优质铁合金的工艺。

用铁合金使钢液脱氧和合金化是炼钢的关键操作，在钢铁生产中铁合金冶炼起着非常重要的支撑作用。

20世纪中叶以前，炼钢获得的成品钢液都是浇铸成钢锭，经均热（加热）、初轧，再加热、热轧、成坯或成材。

1949年连续铸钢工艺获得初步成功。1952年实现工业化应用。20世纪60年代，出现了一些电弧炉炼钢配以小方坯连铸、线材连轧，这样形成了投资少、生产费用低、低投资、效率高的企业，称之为“小钢厂”，俗称“短流程”钢厂。

1972年第一座氧气转炉-全连铸钢厂在日本大分成功投产。1980年以来，不同类型的连铸坯热送、热装、直接轧制技术在钢铁企业广泛应用，钢铁生产流程向连续化、紧凑化、集约化的途径发展。特别是促进了工序功能集合的解析-优化、工序之间关系集合的协同优化、流程工序集合的重构-优化。以铁矿石、焦炭、高炉炼铁为源头的钢铁企业，被称为“钢铁联合企业”，俗称“长流程”钢厂。

现代钢铁生产工艺流程由主要工序、辅助工序和工序之间的界面连接环节组成。主要工序技术的变化，必然引起工艺流程，特别是链接界面和流程网络的变化。氧气转炉炼钢、炉外精炼、连续铸钢和超高功率电弧炉技术的开发成功并迅速工业化，使现代钢铁生产流程演化成两种模式：一是矿石-高炉炼铁-转炉炼钢-炉外精炼-连铸连轧模式，称为高炉-转炉生产流程；二是废钢铁-电弧炉炼钢-炉外精炼-连铸连轧模式，称为电炉炼钢流程。其中前者产钢量约占三分之二，后者产钢量约占三分之一。现代钢铁生产流程要求具有钢铁产品制造、能源高效转换、大宗社会废弃物消纳处理的三大功能，并实现与经济、社会、环境协调发展。