炼铁的主要原理是通过高温下还原剂将铁矿石中的铁氧化物转化为金属铁。具体过程如下：

一、核心反应原理

还原反应

炼铁的核心反应是氧化铁（如Fe₂O₃、Fe₃O₄）与还原剂（如焦炭、CO、H₂）在高温下发生反应，将铁元素从氧化物中还原出来。主要反应方程式为：

$$Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2 \quad \text{(高温)}$$

该反应在高温下进行，焦炭中的碳与氧气反应生成一氧化碳，一氧化碳再与氧化铁反应生成铁和二氧化碳。

反应条件

- 温度：

需达到1000-1500℃，确保反应充分进行。

- 气氛：通常为高温空气或富氧环境，以促进碳的氧化和反应效率。

二、工艺流程与辅助手段

高炉炼铁

- 原料：

含铁矿物（如赤铁矿、磁铁矿）、焦炭、石灰石等。

- 过程：原料从炉顶装入，焦炭在高温下燃烧生成一氧化碳和氢气，一氧化碳与氧化铁反应生成铁水，石灰石起造渣作用，除去脉石和杂质。

- 产物：生铁（含碳量约2%-4%）和炉渣（主要成分为二氧化硅、氧化钙等）。

其他方法

- 直接还原法：

在高温下直接用还原剂（如氢气、一氧化碳）还原铁矿石，适用于特殊矿石或精炼铁水。

- 熔融还原法：在真空或惰性气体保护下进行，可降低能耗和污染，适用于高炉法无法处理的矿石。

三、注意事项与改进

环保措施：炼铁过程中会产生一氧化碳、二氧化硫等有害气体，需通过除尘、脱硫等工艺处理。

技术发展：现代炼铁仍以高炉法为主，但其能耗和污染问题持续改进，例如通过喷吹煤粉、天然气等替代焦炭。

综上，炼铁的原理是通过高温下碳基还原剂与氧化铁的反应，结合熔剂和热工过程，实现铁的提取与初步加工。