Чистые металлы из водорода

Существует технология, использование в которой водорода позволяет сэкономить энергоресурсы (кокс, уголь), получить больший выход готовой продукции из сырья, сократить цикл производства с одновременным повышением качества и улучшением экологического состояния атмосферы. Это металлургия, а именно – восстановление металлов с помощью водорода.

Предыстория, или Вперед в прошлое за чистыми металлами

Металлургия сопровождает человечество со времен бронзового и железного веков. Еще за 14 столетий до н. э. древние люди выплавляли железо кричным методом. Принцип заключался в восстановлении железной руды углем при сравнительно невысокой температуре 1000 °C. В итоге получали крицу – железную губку, затем ее проковывали до получения болванки, из которой изготавливали предметы быта и оружие.

Уже в XIV веке стали появляться примитивные горны и домницы, положившие начало современным металлургическим процессам: доменному, мартеновскому и конвертерному. Обилие каменного угля и железных руд надолго закрепили эти методы как основные. Однако, повышающиеся требования к качеству продукции, экономия ресурсов и экологическая безопасность привели к тому, что уже в середине XIX века стали возвращаться к истокам: использовать прямое восстановление чистых металлов. Первая современная такая установка появилась в 1911 г. в Швеции, выпускавшая малые партии полученных с помощью водорода металлов чистотой 99,99%. Потребителями тогда были лишь исследовательские лаборатории. В 1969 г. в Портленде (США) заработала фабрика, выпускавшая до 400 тыс. тонн чистых металлов. А уже в 1975 г. в мире этим способом выпускалось 29 млн тонн стали.

Сейчас такую продукцию ждут не только авиационная, приборостроительная отрасль, предприятия по изготовлению медицинских инструментов и электроники, но и многие другие. Особое преимущество эта технология получила в цветной металлургии, но в недалекой перспективе и «водородная черная металлургия».

Как сейчас используют водород для производства чистых металлов

Металлы крайне активные элементы, поэтому легко вступают в соединения (оксиды, сульфиды, хлориды и пр.) и в природе не встречаются в чистом виде. При производстве стали требуется чистый металл, а количество примесей строго регламентируется для поддержания заданных физических и химических параметров. Традиционные способы переработки руды не полностью удовлетворяют современным требованиям, поэтому металлургические заводы, загрязняющие атмосферу и водоемы выбросами, должны перестраиваться на экологичное производство.

Достойной альтернативой стало прямое восстановление металлов водородом. Полученное губчатое железо, окатыши или металлические частички идут на дальнейшую переработку для получения сплавов. Это полностью безотходное производство. Принцип обработки заключается в протекании химической реакции замещения ионов металла в связке с кислородом на ионы водорода. В результате оксиды разрушаются, высвобождается чистый металл и образуется вода. Например: CuO + H2 = Cu + H2O. Это вариант переработки медной руды. Получающийся в результате порошок становится сырьем порошковой металлургии.

Существуют два способа восстановления чистого железа. В первом варианте руда разогревается с применением твердого топлива или газа, состоящего из угарного газа и водорода. Полученные окатыши идут на дальнейшую переработку. Второй выгодно отличается от первого тем, что в процессе участвует только водород. На выходе – два вещества: чистый металл и вода. При этом скорость процесса увеличивается, а примеси отсутствуют. Этот вариант наиболее подходит к получению тугоплавких металлов типа вольфрам, титан. Одна из причин того, что этот процесс пока не стал массовым – это сложность получения, хранения и транспортировки чистого водорода. Но перечень неоспоримых преимуществ достаточен для того, чтобы ученые вплотную занялись решением этих проблем.

Преимущества использования водорода при производстве чистых металлов

Применение водорода как восстановителя обладает рядом преимуществ:
• нет необходимости в доменном переделе, производстве кокса и агломерата, поэтому многократно снижаются выбросы диоксида серы, пыли и прочих загрязнителей воздуха;
• расход воды уменьшается в 2–3 раза, и, следовательно, снижается количество сточных вод;
• выделяемый пар можно вторично использовать (предварительно сконденсировав);
• отсутствие карбидов, серы, фосфора и прочих примесей в конечном продукте;
• экономия энергоресурсов, повышение коэффициента использования сырья и сокращение производственного процесса;
• получение новых материалов – металлических порошков, обладающих после спекания повышенными: износоустойчивостью, жаропрочностью, стойкостью к химическому воздействию.

Интересные факты

С помощью водорода получают не только чистые металлы, но и готовые изделия. Это метод газофазного формования из вольфрама тонкостенных деталей или плотных заготовок под последующую обработку давлением. Принцип работы: в результате реакции замещения из оксида при повышенной в 5–10 раз концентрации водорода образуется вода, а чистый вольфрам осаждается на графитовую или металлическую матрицу, которая затем удаляется, а готовое изделие полностью повторяет заданные очертания. Этот способ дает более чистый металл, чем при проведении такой же реакции, но с применением углерода, т. к. не образуются карбиды.

Для хранения водорода нужны большие емкости, что зачастую нецелесообразно. Поэтому его доводят до сжиженного состояния, но в таком случае необходимо запастись криогенными емкостями. Еще более удобный способ хранения – это изготовление металлогидридов. Суть метода основывается на способности редкоземельных металлов вступать в соединения с водородом, накапливая газ объемом в 500 тысяч раз больше, чем сам металл-носитель.

Если криоемкость с жидким водородом вдруг повредится и сжиженный газ вытечет наружу, то его пары исчезнут мгновенно. Так что вероятность горения или взрыва стремится к нулю.

Компания DP Air Gas предлагает клиентам водород газообразный технический марок А (99,99%) и Б (99,95%), соответствующий ГОСТ 3022–80. В баллонах содержится 6 м3 газа. Для удобства клиентов компания осуществляет доставку не только баллонов, но и реципиентов, а также баллонов, соединенных в моноблоки по 8–12 шт. в связке с единым выходом. Качество нашей продукции сертифицировано и постоянно проверяется в лаборатории. С полным ассортиментом можно ознакомиться здесь.