Обычно элементы в руде находятся в химических соединениях, то есть в химических состояниях характерных для данного соединения. В основном это оксиды и сульфиды.
Для восстановления из оксидных состояний обычно используются химические реакции на основе взаимодействия с водородом, например:
CuO + H2 ---> Cu + H20
3Fe2O2 + H2 ---> 2Fe3O4 + H2O
Так же восстановление из оксидов может быть использованы реакции с взаимодействием с оксидом углерода:
Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2
Такие реакции обычно протекают при больших температурах, ниже температуры плавления восстанавливаемых металлов.
Для восстановления металлов, находящихся в сульфидных соединениях, используются похожие методики, однако в зависимости от восстанавливаемого металла, а именно в зависимости от его свойств, требуется выбирать подходящий восстановитель. Однако базовая схема всех восстановительных процессов идентична.
MoS2 + 2H2 ---> Mo + 2H2S
Ag2S + O2 ---> 2Ag + SO2
Поэтому для понимания базовой концепции рассмотрим процесс восстановления одного элемента – железа. Основная масса железа, используемая человечеством, проходит стадию восстановления из железной руды. Основной и самый экономичный способ восстановление железа – способ карботермического восстановления железа из руды, главной реакцией которого является:
FeXOY + C ---> Fe + CO2
Основной способ получения железа по такой методике – это способ доменного получения железа (чугуна), при котором железная руда вступает в химическую реакцию с углеродом кокса. Продукт такого процесса – чугун, содержащий до 3% углерода. Однако, чугун очень хрупок, и к тому же дальнейшее очищение его от углерода очень трудоемкий процесс. Одной из разновидностей карботермического процесса стал процесс восстановление железа из руды природным газом. При этом протекают следующие реакции:
CH4+H2O=CO+Н2 (конверсия природного газа)
FeХOY +CO=Fe+CO2
FeХOY +H2=Fe+H2O
Вследствие этого процесса получают железо прямого восстановления, которое не загрязнено углеродом, содержание углерода не превышает 1%. Однако, данный продукт так же не пригоден для изготовления из него металлических деталей и может быть использован только как сырьевой материал в процессе изготовления стали. Поэтому получение конструкционной и иной стали требует дальнейшего обогащения полученного железа. Так же в мире используются различные газы для восстановления железа, однако основным и самым распространенным является природный газ.