對鐵的各級氧化物若干問題的思考

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0287-01

金屬氧化物的還原是冶金永恒的主題。鐵的各級氧化物的還原問題則是冶金的根本問題。所以緊緊圍繞鐵的各級氧化物而展開的相關問題，就是冶金的重點課題。筆者因此談幾點看法，以期拋磚引玉、引領成功。

由于鐵的化合價有顯+2價也有顯+3價之別，所以鐵的氧化物就有多種，這是鐵氧化物區別于其它金屬氧化物的特點。鐵的各級氧化物具體包括：Fe2O3、Fe3O4、FeO，其化學通式為FexOy。

（1）既然有多種，那么辨析就成了凸顯第一位的問題。Fe3O4等價于Fe2O3·FeO，由此可見，它是介于Fe2O3與FeO兩者之間的過渡產物，可以認為是Fe2O3與FeO兩者相互作用的結果。因此，Fe3O4可簡單理解為是由Fe2O3與FeO兩者組成的機械混合物。

Fe2O3是鐵高價氧化物（其中Fe顯+3價）它沒有再進一步氧化的可能，但有被還原的可能；FeO是鐵低價氧化物（其中Fe顯+2價），它既可以被氧化，也可以被還原，被氧化得Fe2O3（或Fe3O4），被還原則得鐵Fe。

（2）各級氧化物可以相互轉化，彼此關系可以理順為氧化——還原關系。值得一提的是由Fe2O3→Fe或者由FeO→Fe或者Fe3O4→Fe，都說明是還原反應，對此一致認同。其實，如Fe2O3→FeO也同樣是還原反應，這一點卻往往被忽略。這里，只要牢牢把握氧化還原反應的本質是有電子得失（有化合價變化）就能迎刃而解。

（3）各級氧化物含氧量（或含鐵量）分析、比較，由此得出相應的重要結論。

鐵礦石富含Fe2O3，所以高爐煉鐵，鐵礦石是煉鐵供氧的主要來源。當脫碳任務繁重加之磷含量又偏高，就要考慮采用氧槍供氧（直接供氧）加以輔助。

Fe2O3氧含量既然最高，那么其鐵含量就是最低即鐵品位最低，所以由Fe2O3還原鐵焦比高。而FeO則恰恰相反，其鐵含量最高，所以由FeO還原鐵焦比低。高爐煉鐵增大氧化鐵皮（FeO）用量，則可大大提高煉鐵收得率，同時也會使煉鐵能耗有所降低。

各級氧化物的熔點，可查閱冶金熱力學數據手冊而得。不過粗略分析、大致判斷更加有利于理解并促進記憶：

由實際還原的任一路徑，如：

都可以看出：FeO是處于“食物鏈”中鐵的近端。因而其熔點最高（但低于鐵Fe）；Fe2O3則處于鐵的最遠端，因而熔點最低，其余可以以此類推。

熔點高則成渣晚，可一旦成渣，化渣能力就極強。FeO也因此被譽為化渣劑（也稱助溶劑），文獻稱FeO為化渣劑。其實，Fe2O3也有不遜色的化渣能力，只不過次于FeO所以才沒有被冠以化渣劑（或助溶劑）之名譽。

需要指出的是，固相時可能也會有還原反應在進行，因為畢竟也有氣-固反應之說。但相形之下微不足道（與成渣后相比）。冷態FeO還原得鐵所需全部熱量等于：

FeO達到其熔點并完全熔化所需熱量+FeO還原期間（從還原開始到結束）所吸收的熱量。

為化難為易增進理解，筆者特別加以疏理、補充如下：

這里a-675℃，b-737℃。為表達方便，不妨約定：a點以下溫度即稱“低溫”，a、b兩點間溫度即稱“高溫”。

低溫時則是Fe3O4的穩定存在區，該溫度下發生的是如下還原反應：

中溫時則是FeO的穩定存在區，該溫度下既發生了還原反應，同時又發生了氧化反應即：

高溫時則是產物鐵（Fe）穩定存在區，此時，還原路線即：

Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe

由此可見，各級氧化物的還原過程是分步、逐級完成的并非“一步到位”，盡管有“一步到位”的反應式，如：

2Fe2O3+3C=4Fe+3CO2

但那也是由先分步后迭加而成的：

3Fe2O3+C=2Fe2O4+CO

Fe2O4+C=3FeO+CO

FeO+C=Fe+CO

C+CO2=2CO

疊加得：2Fe2O3+3C=4Fe+3CO2

各種形態的氧化物最終都以FeO的形態還原得鐵。

所以，煉鐵時就要懂得不能急于求成，要煉好鐵就要先煉好渣。要提高煉鐵的收得率，就得先練好渣并盡量提高其產量，而后才能最終提高所煉鐵的產量。

“紙上談兵終覺淺”一朝實踐顯神威。一座廢棄的鐵架，從其上選取了有代表性的幾處，收集了鐵銹樣本，一處是銹蝕得很厲害近乎要脫落的部位，一處是略有銹跡之表面，一處則是與地面接壤的潮濕部位。如何確定所收集的樣本各自的化學成分？

筆者就此曾一度困惑不解，由衷感嘆“書到用時方恨少”。本想就此討教一、二，后經深入思考、悉心研究，終于破解：

從銹的不能再銹近乎要剝落的部位，收集的樣本，其化學成分應當認定是Fe2O3（因為不能再進一步氧化）。

從略顯銹跡、表面輕度銹蝕之處刮取的，應該是鐵最親和的那一層（貼身層），進一步氧化應該是該層的氧化從而保護里面的鐵氧化，因此，刮取的，其化學成分應當是FeO并由此推知：FeO有充當鐵防銹保護膜的作用。

從與地面接壤的潮濕部位收錄的樣本，其化學成分可以認定是水銹——Fe2O3·nH2O。

參考文獻

[1]丁亞茹，張 順.冶金基礎知識，北京：冶金工業出版社.

[2]王火清.冶煉基礎知識，北京：冶金工業出版社.

收稿日期：2018-11-1