حديد المنغنيز

الفيرومنجنيز سبيكة من الحديد والمنغنيز ، مع عناصر أخرى مثل السيليكون والكربون والكبريت والنيتروجين والفوسفور . ^{[ 1 ]} يُستخدم الفيرومنجنيز بشكل أساسي كمصدر للمنغنيز المُعالَج يُضاف إلى أنواع مختلفة من الفولاذ، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ . بلغ الإنتاج العالمي من الفيرومنجنيز منخفض الكربون (أي السبائك التي تحتوي على أقل من 2% من الكربون) 1.5 مليون طن في عام 2010. ^{[ 2 ]}

تختلف خصائص الفيرومنجنيز اختلافًا كبيرًا باختلاف نوع السبيكة وتركيبها. تتراوح درجة انصهارها عمومًا بين 1200 درجة مئوية (2190 درجة فهرنهايت) و 1300 درجة مئوية (2370 درجة فهرنهايت) . ^{[ 3 ]} وتعتمد كثافة السبيكة بشكل طفيف على أنواع الشوائب الموجودة، ولكنها عادةً ما تكون حوالي 7.3 غ/سم³ ⁽ 0.26 رطل/بوصة مكعبة ) . ^{[ 4 ]}      

تحتوي مصادر خام المنغنيز عمومًا على أكاسيد الحديد أيضًا. ولأن طاقة الأكسدة الحرة للمنغنيز أقل من طاقة الحديد، أي _أنه أصعب اختزالًا كيميائيًا، فإنه أثناء اختزال خام المنغنيز، يُختزل الحديد أيضًا ويختلط مع المنغنيز في المصهور. وهذا يختلف عن أكاسيد أخرى مثل SiO₂ _و Al₂O₃ _و CaO ، التي تُعد أكثر استقرارًا كأكاسيد من المنغنيز ^. [ ^{5 ]}

تُجرى عملية الاختزال باستخدام فرن القوس المغمور . هناك طريقتان صناعيتان رئيسيتان لإجراء هذه العملية: طريقة الخبث المُهمل (أو طريقة الصهر) وطريقة الصهر المزدوج (أو طريقة الصهر بدون صهر). على الرغم من التسمية، فإن الاختلاف بين الطريقتين لا يكمن في إضافة الصهر ، بل في عدد المراحل المطلوبة. في طريقة الصهر، تُضاف مواد صهر أساسية مثل أكسيد الكالسيوم (CaO) لاختزال خام المنغنيز كهربائيًا.

${\displaystyle {\ce {2MnO + C -> 2Mn + CO2}}}$

تحتوي الخبث المتبقي بعد عملية الاختزال على ما يقرب من 15-20% من محتوى المنغنيز، والذي يتم التخلص منه عادة.

في طريقة الصهر بدون استخدام مواد صهر إضافية، يُستخدم اختزال الكربون أيضًا في المرحلة الأولى، ولكن المواد المضافة لا تزيد بالضرورة من نشاط المنجنيز. ونتيجة لذلك، تحتوي الخبث المتبقي على تركيز منجنيز يتراوح بين 30% و50%. ثم يُعاد معالجة هذه الخبث مع الكوارتزيت لصنع سبائك السيليكومنجنيز . أما الخبث المتبقي فيحتوي على نسبة منجنيز أقل من 5%، مما يزيد من الإنتاجية. ولهذا السبب، تُستخدم هذه الطريقة على نطاق أوسع في الصناعة.

في كلتا الطريقتين، وبسبب إضافة الكربون كعامل مختزل، يُشار إلى السبيكة المنتجة باسم حديد المنغنيز عالي الكربون (HCFM)، حيث يصل محتوى الكربون فيها إلى 6%. ^{[ 6 ]}

يتطلب الحصول على إنتاجية عالية وتشغيل موثوق للفرن مزيجًا صحيحًا من فحم الكوك، والمادة المساعدة على الصهر، وتركيبة الخام، وذلك من خلال تحقيق الخصائص الكيميائية واللزوجة ودرجة حرارة الصهر المطلوبة في المصهور الناتج. ونظرًا لاختلاف نسبة الحديد إلى المنغنيز في مصادر المنغنيز الطبيعية اختلافًا كبيرًا، يُلجأ أحيانًا إلى خلط خامات من مصادر متعددة للحصول على نسبة محددة مطلوبة. ^{[ 7 ]}

في صناعة الصلب، يُفضّل استخدام حديد المنغنيز منخفض الكربون (LCFM) لقدرته على التحكم بدقة في نسبة الكربون في الصلب الناتج. وللحصول على حديد المنغنيز منخفض الكربون من حديد المنغنيز عالي الكربون، توجد طريقتان رئيسيتان: الاختزال السيليكوحراري والتنقية بالأكسجين.

في عملية الاختزال الحراري السيليكو، يُستخدم سيليكومنجنيز الناتج من الخطوة الثانية من العملية المزدوجة كعامل اختزال. بعد سلسلة من عمليات الخلط والصهر لتقليل محتوى السيليكون، يُمكن الحصول على سبيكة منخفضة الكربون تحتوي على أقل من 0.8% كربون و1% سيليكون وزناً.

في طريقة التكرير بالأكسجين، يُصهر معدن HCFM ويُسخّن إلى درجة حرارة عالية تبلغ 1750 درجة مئوية (3180 درجة فهرنهايت) . ثم يُضخ الأكسجين لأكسدة الكربون إلى أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون _. من عيوب هذه العملية تأكسد المعدن نفسه عند هذه الدرجات الحرارة العالية. يتجمع أكسيد المنغنيز بشكل رئيسي على هيئة Mn₃O₄ _في الغبار _{المتطاير} من البوتقة. ^{[ 8 ]}  

في عام 1856، استخدم روبرت فورستر موشيه المنغنيز لتحسين قدرة الفولاذ المنتج بواسطة عملية بسمر على تحمل الدرفلة والتشكيل في درجات حرارة مرتفعة. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

في عام 1860، ابتكر هنري بسمر استخدام الفيرومنجنيز كطريقة لإدخال المنغنيز بنسب مضبوطة أثناء إنتاج الصلب. وتكمن ميزة مزج مسحوق أكسيد الحديد مع أكسيد المنغنيز في انخفاض درجة انصهار السبيكة الناتجة مقارنةً بأكسيد المنغنيز النقي. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

في عام 1872، أنتج لامبرت فون بانتز حديد المنغنيز في فرن صهر، بنسبة منغنيز أعلى بكثير مما كان ممكناً سابقاً (37% بدلاً من 12%). وقد أكسب هذا شركته شهرة عالمية، بما في ذلك ميدالية ذهبية في المعرض العالمي عام 1873 في فيينا وشهادة تقدير في المعرض المئوي عام 1876 في بنسلفانيا. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

في مقال نُشر عام 1876، أوضح إم إف غوتييه أن أكسيد الحديد المغناطيسي يحتاج إلى إزالة الخبث منه عن طريق إضافة المنغنيز (الذي كان آنذاك على شكل حديد سبيغل ) لكي يصبح مناسبًا للدرفلة. ^{[ 15 ]}