[科普中国]-高炉铁矿石还原

高炉铁矿石还原(Blast furnace iron ore reduction)是指在高炉内用还原剂从铁矿石的氧化物中夺取氧的物化过程。在这一过程中，不仅将诸多铁氧化物中的铁还原到金属状态转入生铁，而且还将其他元素或全部(磷、铜等)或部分(硅、锰、钒、钛、铌等)地还原进入生铁。

简介高炉铁矿石还原(Blast furnace iron ore reduction)是指在高炉内用还原剂从铁矿石的氧化物中夺取氧的物化过程。在这一过程中，不仅将诸多铁氧化物中的铁还原到金属状态转入生铁，而且还将其他元素或全部(磷、铜等)或部分(硅、锰、钒、钛、铌等)地还原进入生铁1。

理论基础还原剂从氧化物中夺取氧，生成元素或低价氧化物称为还原。一般以MeO+B→Me+BO表示，式中Me为形成氧化物的元素或金属；B为还原剂。还原剂对氧的化学亲和力应大于氧化物中元素或金属对氧的亲和力。

高炉冶炼主要是还原铁和少量的硅、锰等的氧化物。但使用对氧的化学亲和力比这些元素大的金属元素作还原剂是不经济的。高炉使用价格便宜、又易获得的碳作为还原剂。碳对氧的亲和力也很高，并且与其他元素相反。随温度升高它对氧的亲和力升高。在高炉冶炼的温度条件下碳能将绝大部分元素还原出来，只是不能还原MgO、Al2O3和CaO。在较高的温度下，氢对氧的亲和力也大于铁以上元素对氧的亲和力，亦可作为这些元素氧化物的还原剂2。

铁氧化物还原铁矿石中的铁主要以Fe2O3和Fe3O4状态存在。烧结矿中除前两者外，还有2FeO·SiO2和CaO·Fe2O3等化合物。高炉内铁氧化物还原是由高价向低价分步进行的，其顺序为：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe。当温度低于570℃时，FeO不能稳定存在，生成Fe和Fe3O4，此时铁氧化物的还原顺序为Fe2O3→Fe3O4→Fe。高炉内可以作为铁氧化物还原剂的有气态CO和H2以及固态炭。使用不同还原剂时铁氧化物的还原规律不同1。

硅氧化物还原在高炉炉料中，铁矿石的脉石、焦炭及喷吹煤粉的灰分中都含有SiO2，在高炉冶炼条件下，必有少量的SiO2被还原并以Si的形式进入生铁，故而硅成为生铁中的常规元素之一，其含量是划分生铁种类和型号的重要依据，生铁硅含量又是高炉热状态及对其进行调剂的判据，炉内热量充沛、炉温高，则Si还原数量增加，铁含硅量高，反之，生铁Si含量降低则表明炉热水平下降。Si是难还原元素，还原1kg Si消耗的热量为还原1kg Fe的8倍。生铁Si含量升高，表明高炉冶炼单位生铁热量的消耗增加。生铁Si含量升高1%，则高炉焦比升高40-60kg。炼钢生铁的Si含量对炼钢过程也有重要影响，铁中Si含量低可降低炼钢消耗，加速炼钢过程，延长炉衬寿命。当前先进国家和企业都推广冶炼低硅炼钢生铁，力求降低生铁含Si量，先进高炉已将生铁Si含量降至0.2%-0.3%2。

锰氧化物还原铁矿石中锰是以氧化物状态存在的，锰的氧化物有MnO2、Mn2O3、Mn3O4和MnO。高炉内锰氧化物还原也是由高价向低价逐步完成的1。

磷的还原高炉炉料都含有为数不多的磷，它主要以(CaO)3P2O5状态存在，少数以蓝铁矿(FeO)2P2O5存在。蓝铁矿比较容易还原，在900-1000℃还原已经相当迅速。(CaO)3P2O5比较难还原，在1100℃开始，1300℃以上进行较快2。

钒氧化物的还原中国西南、华东、华北地区有大量钒钛磁铁矿资源，V2O5储量达2000万t以上。钒钛磁铁矿在高炉冶炼中钒约60%-80%进入生铁，钒是贵重金属，在国民经济建设中有重要价值。采取措施提高钒的回收率有重要经济意义。钒在钒钛磁铁矿中主要以钒尖晶石[FeO(FeV)2O3]状态存在。根据热力学数据，钒的氧化物在铁氧化物还原之后才开始还原。因此，研究钒氧化物还原时，可以认为钒是从其自由氧化物中还原的。已知钒的氧化物有V2O5、VO2、V2O3、VO、V2O等。天然矿石中钒是呈V2O3与其他元素化合物组成的复杂化合物状态存在。V2O3属难还原氧化物，在氧势图中居MnO线之下，即比MnO更难还原2。

钛氧化物的还原钒钛磁铁矿中含TiO2约10%-14%，钛为重要合金原料、在国民经济许多部门有重要用途。钛在矿石中以氧化物状态存在，主要以TiO2形态1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学