1.1. Водород

Водород является одним из самых активных газов-восстановителей. В природе в свободном состоянии водород почти не встречается, и поэтому большое значение приобретают рациональные способы его промышленного производства. Практическое значение получили так называемый железо-паровой способ производства водорода и электролиз воды.

В железо-паровом процессе водород получают при обработке раскаленного (около 800 ºС) железа водяным паром по реакциям

Fe + H₂O = FeO + H₂ 3FeO + H₂O = Fe₃O₄ + H₂

Получаемый газ содержит до 98% водорода и имеет достаточно высокую стоимость, что ограничивает его применение в порошковой металлургии. При получении водорода электролизом воды в качестве электролита ис-пользуются водные растворы щелочей (NaOH, KOH) или кислот (H₂SO₄), так как чистая вода плохо пропускает электрический ток. При пропускании постоянного тока через такие растворы происходит разложение воды на ионы водорода (H⁺) и ионы гидроксила (OH^-) по схеме

H₂O →H⁺ + OH^-

Ионы водорода перемещаются к катоду, где отдают свой заряд, превращаясь в атомы водорода. В результате на катоде выделяется газообразный водород. Ионы гидроксила отдают свой заряд на аноде, в результате чего на аноде образуется вода и кислород. Получаемый таким способом газ содержит не менее 99,8% водорода.

Применение водорода для целей восстановления сравнительно ограниченно из-за высокой его стоимости. Кроме того, необходимо помнить о взрывоопасности водорода и строго соблюдать при работе с ним правила техники безопасности.

Водородным восстановлением получают порошки вольфрама, молибдена, кобальта, железа, никеля и некоторых других сплавов.

1.2. Оксид углерода

Оксид углерода обычно получают газификацией малосернистого кокса или древесного угля с применением кислородного дутья по реакциям

C + O₂ = CO₂ CO₂ + C = 2CO

Образующийся оксид углерода (СО) очищается от пыли, сернистых со-единений, углекислоты, влаги и после очистки содержит не менее 92% СО. Стоимость получаемого оксида углерода высока, поэтому для производства ме-таллических порошков восстановлением его практически не применяют.

1.3. Конверторный природный газ

Природный газ содержит 93 – 98% метана (CH₄). Процесс конверсии заключается во взаимодействии метана с паром при температуре 900 – 1100 ºС и в присутствии катализатора по реакции

CH₄ + H₂O = 3H₂ + CO

Получаемый в промышленных печах конвертируемый газ содержит 75 – 76% H₂, 22 – 23% СО. Он в 8 – 10 раз дешевле водорода и в зависимости от его качества применяется для восстановления оксидов при производстве железного порошка, порошков среднеуглеродистых и легированных сталей, железонике-левых, железовольфрамовых и других сплавов.

1.4. Диссоциированный аммиак

Диссоциированный аммиак является дешевым и хорошим заменителем водорода. Разложение аммиака осуществляют в специальных реакторах (диссо-циаторах) при температуре 600 – 650 ºС. Диссоциированный аммиак содержит 75%H₂ и 25%N₂ и применяется в качестве восстановителя при производстве по-рошков кобальта, железа, никеля, вольфрама.

1.5. Эндотермический газ

Эндотермический газ получают в результате сжигания природного газа или другого углеводородного газа при существенном недостатке воздуха с подводом тепла извне. Эндотермический газ (эндогаз) в последнее время находит широкое применение в порошковой металлургии, хотя обладает меньшей вос-становительной способностью по сравнению с водородом. Это объясняется тем, что он более чем в десять раз дешевле водорода и менее взрывоопасен.

Процесс неполного сжигания природного газа ведут при недостатке воздуха в две стадии. На первой стадии кислород взаимодействует с метаном по реакции

CH₂ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O На второй стадии процесса избыточный метан реагирует с образовавшимся CO₂ и H₂O по реакциям

CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂

Суммарный тепловой эффект реакций первой и второй стадий отрица-тельный, в связи с чем для поддержания процесса необходим дополнительный подвод тепла извне.

Эндогаз, получаемый из природного газа, содержит 18 – 20% СО, 38 – 40% H₂, около 1% CO₂, остальное N. С применением эндогаза получают порошки железа и среднеуглеродистых сталей.

1.6. Твердый углерод

Твердый углерод при получении порошков восстановлением используется в виде кокса, древесного угля, сажи. Указанные материалы является сильными восстановителями, так как содержат 93 – 98% углерода. Существенным недос-татком этих материалов, используемых в качестве восстановителей, является то, что они содержат нежелательные примеси (сера, зола, влага), переходящие в порошок и ухудшающие его свойства.

1.7. Металлы

Процесс восстановления химического соединения металлом называют металлотермическим, основанным на большом сродстве металла-вос-становителя к кислороду или другому неметаллическому элементу соединения, чем восстанавливаемый металл. Высоким сродством к кислороду обладают кальций, магний, алюминий, натрий, калий, цирконий и бериллий. На практике для осуществления металлотермических реакций восстановления используют в основном кальций, магний, алюминий, натрий.

К металлам-восстановителям предъявляются требования, чтобы они не образовывали с получаемым металлом, сплавов и других соединений. Избыток восстановителя, а также побочные продукты реакции должны полностью отделяться от восстановленного металла.

Металлотермическим восстановлением получают порошки титана, тантала, ниобия, легированных сталей.