منگنز

منگنز از کلمه لاتین Magnes (Magnet)گرفته شده است که به خواص مغناطیسی پیرولوزیت (کانه اصلی منگنز) اشاره می کند.

منگنز فلزی است خاکستری مایل به صورتی با وزن مخصوص 4/7 که دمای ذوب آن به 1245 درجه سانتی گراد می رسد . این عنصر در طبیعت به صورت خالص تشکیل نمی شود و بیشتر به صورت اکسید ، کربنات و سیلیکات وجود دارد. نماد این عنصر Mn بوده و با عدد اتمی 25 می باشد .

منگنز از نظر فراوانی، دوازدهمین عنصر پوسته زمین است. کلارک منگنز در طبیعت 1/0% و در سنگ های مافیک و اولترامافیک تا 5/1% می رسد.

منگنز در بسیاری از کانیهای موجود در پوسته زمین وجود دارد و علارغم این که بیش از 300 کانی حاوی منگنز شناسایی شده اند اما تعداد کانیهای منگنزدار دارای ارزش اقتصادی کمتر از 12 می باشد و شامل :

پیرولوزیت، پسیلوملان، براونیت، منگانیت و رودوکروزیت اکثراً در کانسارهای رسوبی یا تجزیه ای یافت می شوند.

منگنز به دلایل اقتصادی و داشتن خصوصیات فیزیکی- شیمیایی خاص به عنوان یکی از فلزات استراتژیک مورد استفاده در صنایع فولاد و ذوب آهن، تولید فروآلیاژ ، باتری سازی و . . . مطرح شده است.

صنعت فولاد درحدود 90 % مصرف جهانی منگنز را به خود اختصاص داده است و سنگ منگنز عمدتاً برای تولید فرومنگنز، چدن و فولاد به مصرف می رسد . علاوه بر مصارف متالورژیکی ، منگنز کاربردهای غیر متالورژیکی متعددی نیز دارد که عبارتند از دی اکسید طبیعی یا مصنوعی در باتریهای خشک و شیمیایی، سولفات و اکسی سولفات های منگنز در خوراک دام و افزودنی های کودهای گیاهی در کشاورزی، پرمنگنات ( به عنوان اکسید کننده) ، صنایع کبریت سازی ، سرامیک ، شیشه و آجر، الکترود جوشکاری ، فروسیلیکومنگنز ، تولید فریت‌ها، تصفیه آب، هیدرومتالوژی، افزودنیهای سوخت و سایر کاربردهای فرعی.

تولید فولاد و آلیاژ:

مهمترین کاربرد منگنز در صنعت، تهیه آلیاژهای آهن و به عنوان ماده اساسی برای تولید چدن و فولاد می باشد.منگنز بیشترین کاربرد را در تولید فولاد(فولادهای کربن دار،مقاوم کم آلیاژ HSLA،ضدزنگ ابزارآلات)،آلیاژهای غیرفولادی( آلیاژهای غیرآهنی،فروآلیاژهاوچدن)دارد. فولا بخصوص فولادهای کربن دار بخش اصلی بازار منگنز را به خود را اختصاص می‌دهد.

میزان مصرف جهانی منگنز موجود در فرو آلیاژها و به عنوان فلز در سال 1998 برابر 5 تن میلیون بوده است. تقاضا برای منگنز در تولید آهن و فولاد در حدود 88 درصد کل تقاضا را تشکیل می‌دهد که برابر 4/4 میلیون تن در سال است.

فولاد خام، محصول پایه ای است که انواع فولادهای کربن دار، ضد زنگ و مقاوم کم آلیاژ (HLSA) از آن تولید می‌شود. منگنز در اکثر فولادها حضور دارد. و مقدار آن معمولا در حدود 1% وزنی است. در فولادهای ضد زنگ درصد منگنز تا 2 درصد است،‌با این وجود در بعضی از انواع خاص فولادها ممکن است تا 19 درصد افزایش یابد. برآورد میزان واقعی منگنز مورد نیاز در صنعت فولاد به دلیل گستردگی انواع و متغیر بودن میزان منگنز مصرفی در هر نوع خاص فولاد مشکل است. با این وجود فولادهای کربن دار با در حدود 6/1 درصد منگنز در ترکیب خود،اصلی ترین نوع فولاد و بزرگترین بازار منگنز هستند.

در حدود 95 – 90% از تولید جهانی ماده معدنی منگنز در صنایع متالوژیکی تولید فولادی معمولی، ریخته گری ها و ساخت فرو آلیاژهای مختلف به کار می رود و عرضه و تقاضای این فلز نیز به عرضه و تقاضای فولاد و فروآلیاژ بستگی زیادی دارد.

اگر چه منگنز ارزان ترین فلز مورد استفاده در ساخت فروآلیاژها ماسیوسولفید می باشد، دلایل مهمتری نیز در کاربردهای وسیع آن در صنایع وابسته به آهن و فولاد وجود دارد. در سال 1856 میلادی توسعه فرآیند فولاد سازی بسمر سبب رونق اقتصادی منگنز گردید، بعدها رابرت هادفیلد موفق به کشف مزایای فولادهای با محتوای منگنزی بالا شد و امروزه نوعی فولاد با محتوای منگنز بالا فولاد هادفیلد شهرت دارد.

مقدار منگنز در فولاد به طور میانگین 7/0 % ( و در بسیاری از انواع فولادها 5%) می باشد ولیکن انواع فولاد منگنزی که در حدود 14 – 10% منگنز دارند، به فولادهای هادفیلد Hadfield steels معروفند. این گونه فولاد ها به مقدار ناچیزی تولید می شوند.

امروزه منگنز به صورت کانسنگ و یا به صورت فروآلیاژهای مختلف در فولاد سازی به کار می رود که در این زمینه نقش های عمده منگنز عبارت خواهد بود از:

1-احیا کننده و تمیز کننده در فولاد مذاب

1.به منظور حذف گوگرد که با ترکیب شدن با گوگرد و بهبود خواص فولاد مورد نظرو کنترل ساختار سولفیدهای موجود در فولاد (گوگرد زدایی)همراه است . در واقع گوگرد و عناصر مزاحم را به خود جذب نموده و آنها را وارد سرباره می کند .

ایفای نقش به عنوان یکی از اجزای آلیاژی برای افزایش مقاومت، افزایش سختی و کاهش شکنندگی ورفتار حرارتی فولادها.

فروآلیاژهای منگنز برای جدا کردن گوگرد و اکسیژن زائد در کوره فولاد سازی به کار می روند زیرا غلظت زیاد گوگرد در فولاد، همگنی آن را کاهش داده، باعث سهولت شکست آن می گردد. لذا منگنز با گوگرد ترکیب می شود تا سولفید منگنز موجود در سرباره را تشکیل دهد.

در صنعت فولاد، منگنز در اشکال مختلف کانسنگ و فروآلیاژهای فرو منگنز، اسپیگل ایزن-سیلیکو منگنز و سیلیکو اسپیگل- ایزن استفاده می شود.

کانسنگ های منگنز مورد استفاده دارای عیار منگنز 55-38% می باشند، گرچه در مواردی سنگ های با عیار 30% نیز به کار می روند. از آنجا که عیار منگنز 48% برای تولید فرومنگنز مورد نیاز می باشند. این عیار به عنوان مبنای قیمت گذاری کانسنگ های منگنز فرض شده است.

این کانسنگ دارای ترکیب شیمیایی زیر می باشد و به کانسنگ متالوژیکی منگنز معروفند.

Cu+pb+2n<0/3% ، p<0/19% ، As<0/18% ، Al2 O3 + Sio2 <11% ،

Al2o3 <7% , Fe<4%

منگنزاساساً برای کنترل ناخالصی های اکسیژن و سولفور در تولید فولاد به کار می رود و باعث افزایش پایداری، سختی و استحکام فولاد می شود.

منگنز در پوشش های مقاوم مانند ریل های راه آهن و تجهیزات معدنی استفاده می شود. این فلز یک سازنده مهم در ترکیب آلیاژهای غیر آهنی به ویژه آلیاژ آلومینیوم می باشد.

آلیاژهای مسی با افزوده شدن مقدار ناچیزی Mn پایدارتر می شوند که در این صورت برنزهای منگنز نام دارند و همچنین در آلیاژهای مس برای اکسیدزایی نیز از منگنز استفاده می شود.

آلیاژهای مس، منگنز و نیکل به عنوان آلیاژهای مقاوم الکتریکی به کار می روند و 10 % منگنز دارند و برخی آلیاژها با منگنز بیشتر، دارای ضریب انبساط گرمایی بالایی هستند که در ساختمان ترموستات به کار می روند. انواع مختلف منگنز برای ساخت پوشش های میله جوشکاری مصرف می شوند.

در تولید آهن خام، منگنز به شکل سنگ خام و یا کلوخه ( سینترشده ) به کوره وارد می‌شود. در تولید فولاد، منگنز به شکل کانسنگ، کنسانتره، فرو آلیاژ و یا فلز خالص در خلال و یا در مرحله نهایی فرایند تولید مورد استفاده قرار می‌گیرد.

افزودن منگنز در فرایند تولید آهن خام تا حد یک درصد، علاوه بر بهبود خواص فیزیکی آهن خام به دلیل حذف گوگرد، باعث افزایش راندمان در مرحله بعدی تولید فولاد، کاهش مصرف کمک ذوب‌ها و افزایش عمر مصالح نسوز کوره می‌شود. نقش منگنز در زودودن گوگرد به این صورت است که ترکیب منگنز و گوگرد موجود در سنگ آهن تولید سولفید منگنز می‌کند که به راحتی توسط سرباره از کوره خارج شود. بعلاوه سولفید منگنز ـ آهن که در ترکیب آهن باقی می‌ماند به مراتب اثرات مضر کمتری از سولفید آهن دارد. نحوه و تا حدودی میزان افزودن منگنز بستگی به فناوری استفاده شده در تولید آهن و فولاد دارد. یکی از روشهای معمول افزودن مستقیم سنگ آهن منگنزدار، سنگ منگنز کم عیار آهن دار و یا سرباره‌های منگنزدار برگشتی به کوره بلند است.

میزان مصرف منگنز در فرایند فولاد تولید آهن خام وفولاد، بستگی به موارد زیر دارد :

ـ میزان فسفر موجود در آهن خام

ـ میزان گوگرد و درصد منگنز موجود در سنگ آهن ?

ـ‌راندمان فرآیند گوگرد زدایی

ـ عیار منگنز در کانسنگ منگنز

ـ مقدار منگنز در سرباره ??