還原劑(reductant)

使金屬化合物得到電子還原為金屬，或使高價(jià)化合物得到電子還原成低價(jià)化合物的冶金過程，稱作還原過程。在還原過程中能自身失去電子而使另一物質(zhì)得到電子的物質(zhì)稱為還原劑。有色金屬礦在自然界中大多以硫化礦或氧化礦形態(tài)存在，金屬硫化礦在冶金過程中經(jīng)過焙燒或燒結(jié)焙燒等處理轉(zhuǎn)變成了氧化物后，也可用還原劑將金屬氧化物還原成金屬。還原金屬氧化物是有色金屬生產(chǎn)普遍采用的方法，因此還原劑選擇好壞在有色金屬生產(chǎn)中具有特殊意義。

種類有固體、氣體和液體還原劑。固體還原劑主要有碳質(zhì)還原劑煤和焦炭以及一些活性金屬鈣、鎂、鋁和半金屬硅等。氣體還原劑主要有H2、CO和天然氣。液體還原劑主要有重油。在實(shí)際的冶金過程中，用得較多的還原劑有碳(C)、一氧化碳(見間接還原)、氫以及用于金屬熱還原的鈣、鎂、鋁等金屬。

選擇原則一種物質(zhì)能否被選作某種金屬氧化物還原劑的必要條件是，這種物質(zhì)對氧的親和勢必須大于被還原金屬對氧的親和勢。利用金屬氧化物ΔGe^θ-T圖就能比較各種物質(zhì)對氧的親和勢：曲線越是位于圖上方的物質(zhì)，對氧的親和勢越小；反之是越大。因此可以用曲線位于圖下方的物質(zhì)作為還原劑將曲線位于圖上方的金屬氧化物還原成金屬。在為一種特定礦石或氧化物選擇一種還原劑時，總是希望還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是一個大的負(fù)值。這個值可依據(jù)反應(yīng)物和產(chǎn)物的生成自由能中計(jì)算出來。在常用還原劑的鈣、鎂、硅、碳、氫中，鈣在溫度達(dá)到約2373K時具有最大的還原勢，鎂在低溫下具有與鈣接近的還原勢。然而，鈣、鎂的還原勢在高溫下由于它們的低沸點(diǎn)而失效。在全部還原溫度范圍內(nèi)，鋁的還原勢通常比硅強(qiáng)，并在約1873K勝過鎂。碳在低溫下是一種相當(dāng)弱的還原劑，但隨著溫度的增加而有所改善。在還原反應(yīng)開始時，必須供給熱量，如果反應(yīng)熱大，放出足夠的熱量，反應(yīng)本身應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行。鈣、鎂、鋁還原一般放出足夠的熱量，以致不必供給外熱。相反，硅、碳和氫的還原通常是在連續(xù)供應(yīng)外熱的情況下進(jìn)行的。根據(jù)還原反應(yīng)的自由能變化，氫似乎很少有被選中的機(jī)會，然而情況并非如此，由于氫不污染鎢產(chǎn)品而被選用來還原三氧化鎢生產(chǎn)金屬鎢粉。應(yīng)該考慮的其他因素有元素的高沸點(diǎn)，其化合物的低沸點(diǎn)，原料價(jià)格和來源，以及對被還原金屬的污染等。常用還原劑價(jià)格遞減順序大致為：鈣>鎂>鋁>硅>氫>碳。

固體碳質(zhì)還原劑由于這種還原劑價(jià)廉及使用方便，是還原冶金過程使用最多的還原劑，包括各種煤、焦炭和木炭。這種還原劑的組成主要包括固定碳(C)、揮發(fā)物(主要為碳?xì)浠衔?及灰分。對固體碳質(zhì)還原劑的要求是含固定碳高，含灰分少，以提高還原劑的有效成分，減少渣量和降低隨渣損失的金屬量。

木炭的固定碳含量高，灰分含量很少，反應(yīng)能力強(qiáng)，但來源困難、價(jià)格高，只是那些對還原劑要求高的冶金過程才可能選用，在大工業(yè)生產(chǎn)中幾乎不用。

焦炭成塊狀，含固定碳高，揮發(fā)物少，機(jī)械強(qiáng)度大，適于作豎形爐用的還原劑。焦炭來源受當(dāng)?shù)孛嘿Y源的限制，故價(jià)格也較貴，盡量少用。

白煤(無煙煤)、煙煤及褐煤等各種煤均可作還原劑，而以白煤最好，因?yàn)榘酌汉瑩]發(fā)物少含固定碳較高。煤的來源廣泛，價(jià)格便宜，在不影響冶金過程順利進(jìn)行的條件下，盡量采用煤作還原劑。

在高溫火法冶金過程中采用固體碳質(zhì)還原劑時，它往往又是維持爐內(nèi)高溫的熱量來源，如鼓風(fēng)爐還原熔煉法煉鉛和鼓風(fēng)爐煉鋅都是如此。所以固體碳在高溫冶金還原過程中發(fā)生的主要反應(yīng)有二：

C(s)+O2(g)=CO2(g)(1)CO2+C(s)一2CO(g)(2)反應(yīng)(1)稱為碳的完全燃燒反應(yīng)，可以放出大量的熱，借以維持高溫過程的正常進(jìn)行。

由于固體碳與固體金屬氧化物的接觸有限，使兩固相間的還原反應(yīng)受到很大的制約，因此用固體碳作還原劑時，MeO還原所需的還原劑主要靠反應(yīng)(2)產(chǎn)生的CO。但是反應(yīng)(2)是一個吸熱反應(yīng)，其進(jìn)行必然減少碳的燃燒發(fā)熱值。所以在高溫還原冶金過程中，加入的碳既作還原劑用又作發(fā)熱劑，必須兩者兼顧。