还原法制取海绵铁

碳还原轧钢铁鳞制取海绵铁基本原理

       用固体碳可以还原很多金属氧化物，在粉末冶金中碳还原法可以还原氧化铁制到还原铁粉；也可以还原氧化锰制取锰粉；还可以还原氧化铜，氧化镍制取铜粉、镍粉；但因所得的铜粉和镍粉容易被碳污染，故一般不用碳还原。在某些对碳含量要求不严格时也可以用碳还原三氧化钨来制取钨粉。在工业规模大量采用的还是用碳还原法生产还原铁粉。

碳还原氧化物的基本原理

       铁氧化物的还原过程是分阶段进行，即从高价氧化铁到低价氧化铁，最后转变成为金属：Fe₂O_3→Fe₃O_{4 →}FeO_→ Fe。固体碳还原铁氧化物的过程通常称为直接还原，当体系内有固体碳存在时，还原过程中将存在下列各反应的平衡:

           MeO + CO = Me + CO₂
           CO₂ + C  = 2CO
           MeO + C  = Me + CO
           2MeO + C = 2Me + CO₂

      如果反应在950℃-1000℃以上的高温内进行，则最后一个反应没有实际意义，因为CO₂在高温下会与固体碳作用而全部变成CO。我们先讨论CO还原氧化物自然的间接还原的规律。

       当温度高于570℃时，分三阶段进行还原：Fe₂O₃ Fe₃O_{4 →}浮斯体（FeO Fe3O4固溶体）^_→ Fe。

          3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ 4 + CO₂
          Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂
          FeO    + CO = Fe + CO₂       

       当温度低于570℃时，由于氧化亚铁不能稳定的存在，因此，Fe₃O₄ 直接还原成为金属单质铁：    Fe₂O_{3   ^→}   Fe₃O_{4   ^→}  Fe

Fe₂O₃的还原：

      由于Fe₂O₃具有很大的离解压，在反应达到平衡时，气相组中CO%很低；即使温度上升到1500℃，CO含量仍然小的难以被测定。Fe₂O₃被CO还原时，平衡气体中CO含量非常小，CO₂几乎达到100%，这说明Fe₂O₃很容易还原，也就是说CO₂不易使Fe3O4氧化。由于是放热反应，温度升高，平衡气中CO含量增高。

Fe₃O₄的还原：

      Fe₃O₄ 被CO还原成FeO的反应是吸热反应，随着温度升高CO含量减速小，这说明升高温度对Fe₃O₄ 还原成FeO有利，也就是温度越高，Fe₃O₄ 还原成FeO所需要的CO越小。
       当温度低于570℃时，由于FeO极不稳定，故Fe₃O₄ 被CO直接还原得金属铁。反应是放热反应，平衡所相组成中的CO%随温度升高而增大，由于些反应在较低温度下进行，反应不易达到平衡。平衡所相组成中的CO₂达到47~49%。

FeO的还原：

      该反应是放热反应，也就是说，温度越高，还原所需的CO%越大，升高温度对FeO的还原是不利的。不过温度升高，CO%的变化并不很大。

结论：

        固体碳也能直接还原铁氧化物，但固体与固体的接触面很有限，因而固-固反应速度慢，只要还原反应器内过剩固体碳存在，则碳 的气化反应总是存在。铁氧化物的直接还原，可认为是间接还原反应与碳的气化反应的加和反应。这就是固体碳还原铁氧化物的还原过程实质。