Існує технологія, використання якої водню дозволяє заощадити енергоресурси (кокс, вугілля), отримати більший вихід готової продукції із сировини, скоротити цикл виробництва з одночасним підвищенням якості та покращенням екологічного стану атмосфери. Це металургія, а саме відновлення металів за допомогою водню.
Передісторія, або Вперед у минуле за чистими металами
Металургія супроводжує людство з часів бронзового та залізного віків. Ще за 14 століть до н. е. давні люди виплавляли залізо кричним способом. Принцип полягав у відновленні залізняку вугіллям при порівняно невисокій температурі 1000 °C. У результаті отримували крицю – залізну губку, потім її проковували до отримання болванки, з якої виготовляли предмети побуту та зброю.
Вже в XIV столітті стали з’являтися примітивні горни і домниці, які започаткували сучасні металургійні процеси: домінний, мартенівський і конвертерний. Велика кількість кам’яного вугілля і залізняку надовго закріпили ці методи як основні. Однак, що підвищуються вимоги до якості продукції, економія ресурсів і екологічна безпека призвели до того, що вже в середині XIX століття почали повертатися до джерел: використовувати пряме відновлення чистих металів. Перша сучасна така установка з’явилася 1911 р. у Швеції, яка випускала малі партії отриманих з допомогою водню металів чистотою 99,99%. Споживачами тоді були лише дослідні лабораторії. У 1969 р. у Портленді (США) запрацювала фабрика, що випускала до 400 тис. Тонн чистих металів. А вже 1975 р. у світі цим способом випускалося 29 млн. тонн сталі.
Нині на таку продукцію чекають не лише авіаційна, приладобудівна галузь, підприємства з виготовлення медичних інструментів та електроніки, а й багато інших. Особливу перевагу ця технологія отримала у кольоровій металургії, але в недалекій перспективі і воднева чорна металургія.
Як зараз використовують водень для виробництва чистих металів
Метали вкрай активні елементи, тому легко вступають у сполуки (оксиди, сульфіди, хлориди та ін.) і в природі не зустрічаються у чистому вигляді. При виробництві сталі потрібно чистий метал, а кількість домішок суворо регламентується підтримки заданих фізичних і хімічних параметрів. Традиційні способи переробки руди не повністю задовольняють сучасним вимогам, тому металургійні заводи, що забруднюють атмосферу та водоймища викидами, повинні перебудовуватися на екологічне виробництво.
Гідною альтернативою стало пряме відновлення металів воднем. Отримане губчасте залізо, котуни або металеві частинки йдуть на подальшу переробку для отримання сплавів. Це абсолютно безвідходне виробництво. Принцип обробки полягає у протіканні хімічної реакції заміщення іонів металу у зв’язці з киснем на іони водню. В результаті оксиди руйнуються, вивільняється чистий метал та утворюється вода. Наприклад: CuO + H2 = Cu + H2O. Це варіант переробки мідної руди. Порошок, що виходить в результаті, стає сировиною порошкової металургії.
Існують два способи відновлення чистого заліза. У першому варіанті руда розігрівається із застосуванням твердого палива або газу, що складається з чадного газу та водню. Отримані котуни йдуть на подальшу переробку. Другий вигідно відрізняється від першого тим, що у процесі бере участь лише водень. На виході – дві речовини: чистий метал та вода. У цьому швидкість процесу збільшується, а домішки відсутні. Цей варіант найбільше підходить до отримання тугоплавких металів типу вольфрам, титан. Одна з причин того, що цей процес поки не став масовим – це складність отримання, зберігання та транспортування чистого водню.Але перелік незаперечних переваг достатній для того, щоб вчені зайнялися вирішенням цих проблем.
Переваги використання водню під час виробництва чистих металів
Застосування водню як відновника має низку переваг:
• немає необхідності в доменному переділі, виробництві коксу та агломерату, тому багаторазово знижуються викиди діоксиду сірки, пилу та інших забруднювачів повітря;
• витрата води зменшується у 2–3 рази, і, отже, знижується кількість стічних вод;
• пар можна вдруге використовувати (попередньо сконденсувавши);
• відсутність карбідів, сірки, фосфору та інших домішок у кінцевому продукті;
• економія енергоресурсів, підвищення коефіцієнта використання сировини та скорочення виробничого процесу;
• одержання нових матеріалів – металевих порошків, що мають після спікання підвищені: зносостійкість, жароміцність, стійкість до хімічного впливу.
Цікаві факти
За допомогою водню отримують не тільки чисті метали, а й готові вироби. Це метод газофазного формування із вольфраму тонкостінних деталей або щільних заготовок під подальшу обробку тиском. Принцип роботи: в результаті реакції заміщення з оксиду при підвищеній в 5-10 разів концентрації водню утворюється вода, а чистий вольфрам осідає на графітову або металеву матрицю, яка потім видаляється, а готовий виріб повністю повторює задані контури. Цей спосіб дає більш чистий метал, ніж при проведенні такої ж реакції, але із застосуванням вуглецю, тому що не утворюються карбіди.
Для зберігання водню потрібні великі ємності, що часто є недоцільним. Тому його доводять до зрідженого стану, але в такому разі необхідно запастись кріогенними ємностями. Ще зручніший спосіб зберігання – це виготовлення металогідридів. Суть методу ґрунтується на здатності рідкісноземельних металів вступати в сполуки з воднем, накопичуючи газ обсягом у 500 тисяч разів більше, ніж сам метал-носій.
Якщо кріомісткість з рідким воднем раптом пошкодиться і скраплений газ витікає назовні, його пари зникнуть миттєво. Тож ймовірність горіння чи вибуху прагне нуля.
Компанія DP Air Gas пропонує клієнтам водень газоподібний технічний марок А (99,99%) та Б ( 99,95%), що відповідає ГОСТ 3022-80. У балонах міститься 6 м3 газу. Для зручності клієнтів компанія здійснює доставку не лише балонів, а й реципієнтів, а також балонів, з’єднаних до моноблоків по 8–12 шт. у зв’язці з єдиним виходом. Якість нашої продукції сертифікована та постійно перевіряється в лабораторії. З повним асортиментом можна ознайомитись тут.
