一、反应原理与核心方程式

工业炼铁的核心反应是一氧化碳（CO）在高温条件下还原氧化铁（Fe₂O₃），化学方程式为：Fe₂O₃ + 3CO (\xlongequal{高温}) 2Fe + 3CO₂

该反应中，CO作为还原剂，将Fe₂O₃中的+3价铁还原为单质铁（0价），自身被氧化为CO₂（碳元素从+2价升至+4价）。反应需在高温（约1000℃）下进行，工业上通过焦炭燃烧（C + O₂ (\xlongequal{点燃}) CO₂ + 热量）和碳还原二氧化碳（C + CO₂ (\xlongequal{高温}) 2CO）持续提供还原剂CO和热量。

二、工业生产流程

1. 原料准备

● 铁矿石：主要成分为Fe₂O₃（赤铁矿），提供铁元素。

● 焦炭：既作为燃料（燃烧放热维持高温），又作为还原剂来源（生成CO）。

● 石灰石（CaCO₃）：作为造渣剂，通过反应CaCO₃ (\xlongequal{高温}) CaO + CO₂↑生成CaO，再与矿石中的SiO₂反应：CaO + SiO₂ (\xlongequal{高温}) CaSiO₃（炉渣），去除杂质。

● 空气：提供氧气，使焦炭燃烧生成CO₂并放热。

2. 高炉结构与反应过程

工业炼铁在高炉中进行，炉体从下至上分为炉缸、炉腹、炉身、炉喉四段：

● 下部高温区（1000-1500℃）：焦炭燃烧生成CO₂（C + O₂ (\xlongequal{点燃}) CO₂），CO₂上升过程中与炽热焦炭反应生成CO（C + CO₂ (\xlongequal{高温}) 2CO），成为主要还原剂。

● 中部还原区（800-1000℃）：CO与Fe₂O₃反应：Fe₂O₃ + 3CO (\xlongequal{高温}) 2Fe + 3CO₂，生成液态铁（熔点约1538℃）和CO₂。

● 上部预热区（200-800℃）：铁矿石、石灰石与热气体逆流接触，完成预热、分解（CaCO₃分解）和初步还原（Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO）。

3. 产物分离

液态铁密度大于炉渣，在炉缸底部分层：铁水从出铁口排出，用于铸造或炼钢；炉渣从出渣口排出，可用于建材（如水泥）。

三、关键控制条件

1. 高温：维持1000℃以上高温，确保CO的还原性和反应速率，工业上通过调节焦炭用量和鼓风量控制炉温。

2. 还原剂浓度：保证CO过量，通过控制焦炭与矿石比例，使Fe₂O₃充分还原。

3. 原料配比：石灰石用量需匹配矿石中SiO₂含量，避免炉渣熔点过高或碱性不足。

四、环保与安全措施

1. 尾气回收：工业高炉煤气（含CO、H₂、CH₄等）经除尘、净化后，用作燃料或化工原料，减少CO排放。

2. 节能减排：通过余热回收（如预热空气、发电）降低能耗，采用富氧鼓风提高燃烧效率。

3. 安全操作：CO为剧毒气体（与血红蛋白结合导致缺氧），工业中需严格监测泄漏，确保通风；高炉检修前需用氮气置换残留气体。

五、应用与意义

该反应是现代钢铁工业的基础，通过此过程生产的生铁占全球钢铁产量的95%以上。生铁经炼钢（去除过量碳：C + O₂ (\xlongequal{点燃}) CO₂）可制成各类钢材，广泛应用于建筑、机械、汽车等领域。其原理也为其他金属（如铜、镍）的火法冶炼提供了借鉴。