1 前言

利用氢气还原氧化铁的技术，对于降低钢铁材料制造过程中的二氧化碳排放量至关重要。然而，以氢气作为还原剂时，由于还原反应伴随吸热效应，仍存在诸多技术挑战。因此，将氢还原法与其他还原方法相结合，被认为是实现炼铁行业碳中和的关键路径。

虽然铝等单质曾被作为伴随发热的氧化铁还原剂进行研究，但单质还原剂往往反应热过大，导致炉内温度控制困难。若能开发出多种能伴随适度放热反应还原氧化铁的化合物还原剂，将极大有助于反应热的调控。

过往针对玻璃材料合成的实验发现：在含氧化铁（Fe₂O₃，10mol%）的氮化物系熔渣于氮气气氛下熔融时，熔渣中会析出金属铁颗粒。尽管氮化物熔体中铁还原反应的具体机理尚不明确，但推测氮化物可能作为还原剂发挥了作用。基于此，本研究旨在阐明该还原机理，调查了含氧化铁熔渣与氮化物的反应行为。

2 试验方法

试验采用31.6Na₂O-（52.6-x）SiO₂-5.3Al₂O₃-10.5Fe₂O₃体系的玻璃粉末作为基础原料。向其中分别添加x（x取值为0、1、5、10、15或20）mol%的氮化硅（SiN_4/3）试剂粉末，混合均匀后置于氧化铝坩埚中，在氮气气氛下进行2h的熔融试验。对所得试样进行了以下分析：利用电子探针显微分析仪（EPMA）进行截面组织观察；利用穆斯堡尔光谱（Mossbauer Spectroscopy）分析评估铁元素的氧化状态；利用燃烧法分析试样中的氮浓度。

3 结果与讨论

通过观察试验后试样的背散射电子像（反射电子像）发现，当SiN_4/3添加量达到10mol%及以上时，熔渣中明显生成了金属铁。此外，氮分析结果显示，试验后的试样中已无氮残留。

基于穆斯堡尔光谱分析得出的铁氧化状态变化，对化学反应式进行了推导，结果发现熔渣中的氧化铁与氮化硅的反应可用下式表示。

3/4Si N_4/3（s）+1/2Fe₂O₃（l） →Fe（s）+3/4SiO₂（l）+1/2N₂（g）

此外，通过热分析（TGDTA）对混合粉末在升温过程中的重量及温度变化进行分析，结果证实上述反应为放热反应。该试验结果与基于热力学数据计算得出的负焓变（ΔH<0）结论相一致。