Основные физико-химические свойства марганца

Марганец имеет следующие физико-химические свойства: относительная атомная масса – 54,93; плотность – 7420 кг/м³; температура плавления – 1244^оС; температура кипения – 2150^оС; теплота плавления – 14700 Дж/моль.

Влияние температуры на величину давления насыщенного пара марганца можно описать уравнением

где P_Mn – давление насыщенного пара марганца, Па.

При 1600^оС P_Mn = 3,2 кПа, тогда как давление насыщенного пара железа при этой температуре составляет около 20 Па. Поэтому в испарениях металла марганец всегда присутствует в значительных количествах, хотя его содержание в самом металле во много раз меньше содержания железа. В связи с этим в сталеплавильных процессах иногда приходится учитывать возможность потерь марганца вследствие испарения, например, во время выпуска плавки с высоким содержанием марганца, при вакуумировании, а также при различных способах переплава с использованием вакуума.

Свойства и размеры атомов железа и марганца почти идентичны Атомным радиусы железа и марганца равны соответственно 1,28•10^-8 и 1,31•10^-8 см, радиусы ионов – 0,82•10^-8 и 0,91•10^-8 см. У  -Fe и  -Mn сходные типы кристаллических решеток и очень близкие их параметры.

По этой причине в жидком железе марганец имеет неограниченную растворимость. Его растворение сопровождается очень малым тепловым эффектом, поэтому раствор марганца в жидком железе с достаточной для практических целей точностью можно считать идеальным.

В твердом  -Fe марганец имеет ограниченную растворимость. В  -Fe может растворяться более 60% марганца, а при температурах выше 1200^оС в  -Fe марганец имеет неограниченную растворимость.

С примесями металла марганец может взаимодействовать с образованием различных химических соединений, наиболее важными из которых являются MnO, MnS и Mn₃C.

Общая термодинамическая характеристика реакции окисления марганца

В сталеплавильных процессах окисление марганца может протекать по реакциям

Реакция (13.2) имеет доминирующее значение при окислительном рафинировании металла в сталеплавильных агрегатах. Реакции (13.3) и (13.4) протекают при осаждающем раскислении.

Влияние температуры на величину константы равновесия реакции (13.2) можно описать уравнением

Исходя из уравнения (13.5), формула для определения стандартного значения изменения энергии Гиббса при протекании реакции (13.2) может быть получена в виде

Из последнего уравнения видно, что реакция (13.2) является сильной экзотермической реакцией. Поэтому более полному ее протеканию в направлении окисления марганца будут способствовать относительно низкие температуры начального периода плавки. Повышение температуры ванны в заключительном периоде плавки создает предпосылки для частичного восстановления марганца из оксида в шлаке.

Кроме того, окислению марганца будут способствовать высокая активность оксида железа и низкая активность оксида марганца в шлаке.

В связи с трудностью определения активности (FeO) и (MnO) в практических расчетах часто пользуются величиной

Кроме температуры величина константы K^'_Mn зависит также от ряда других факторов, из которых наиболее сильное влияние оказывает основность шлака.

Влияние основности шлака на величину константы K^'_Mn показано на рисунке 13.1. Из рисунка видно, что под кислыми шлаками окисление марганца протекает с большей полнотой, чем под основными.

Рисунок 13.1 – Зависимость константы K^'_Mn от основности шлака при 1600^оС

С использованием молекулярной теории строения шлака это можно объяснить тем, что MnO обладает основными свойствами и в кислых шлаках взаимодействует с кремнеземом по реакции

В результате образования силиката марганца активность (MnO) уменьшается и равновесие реакции (13.2) смещается в направлении образования дополнительного количества оксида.

При вводе в шлак оксида кальция он замещает оксид марганца в составе силикатов по реакции

При этом активность (MnO) увеличивается и равновесие реакции (13.2) смещается в сторону восстановления марганца из оксида в шлаке.

По мере роста основности шлака быстрое изменение величины K^'_Mn наблюдается вплоть до основности шлака близкой к 2. При этом значении основности весь кремнезем в шлаке связан в устойчивый ортосиликат кальция. Дальнейший рост основности шлака слабо отражается на величине константы K^'_Mn.

Для определения численного значения K^'_Mn при плавке металла под основным шлаком можно пользоваться зависимостью

Формула (13.10) справедлива для основности шлака 2,5 – 3,0. В случаях, когда основность шлака отличается от указанного значения, необходимо ввести поправку на влияние основности. С этой целью значение K^'_Mn уменьшают на 0,25 – 0,35 на каждую единицу увеличения основности шлака свыше 3 и увеличивают на 0,4 – 0,5 при уменьшении основности на единицу ниже 2,5.

Например, при 1600^оС рассчитанное по уравнению (13.19) значение K^'_Mn равняется 2,61. Тогда при основности шлака равной 2 эта константа будет равна

При основности шлака равной 4 константа K^'_Mn будет равна