کاربرد فلز منگنز

نحوه و میزان مصرف منگنز در مناطق مختلف جهان تا حدودی متفاوت است. آلیاژهای آلومینیوم، خصوصاً نوعی از آن که در ساخت قوطی های نوشابه کاربرد دارد، با حدود 65 درصد مصرف کل، بزرگ ترین بازار مصرف برای فلز منگنز در کشور آمریکا هستند. در اروپا تولید ورقهای آلومینیومی و در ژاپن صنایع فولاد سازی بزرگ ترین بازار مصرف برای فلز منگنز هستند.

بجز در مورد کشور آمریکا، اطلاعات کمی در مورد میزان مصرف فلز منگنز در کشورهای دیگر انتشار یافته است. آمریکا و ژاپن در حدود سه چهارم مصرف جهانی منگنز را به خود اختصاص داده اند و کشور آلمان از این نظر در مقام سوم قرار دارد.

با توجه به نقش احیاء کنندگی منگنز نسبت به آهن در سنگ خام بر عیار فرومنگنز تولیدی تأثیر می گذارد. مقدار کلسیم و سیلیس را می توان با افزودن مواد کمک ذوب و با اختلاف سنگ خام ورودی کنترل کرد. در تولید فرو منگنزهای کربن دار نسبت منگنز به آهن باید در حدود 5/7 به یک باشد.

نحوه فرآیند تولید فولاد و ناخالصی های همراه سنگ آهن وجود گوگرد در محصول نهایی را اجتناب ناپذیر می کند. بدون استفاده از منگنز، وجود گوگرد باعث شکنندگی فولاد در مرحله شکل گیری اولیه می شود. افزون منگنز به فرآیند موثرترین و ارزانترین روش حذف و یا کاهش گوگرد تا حد قابل قبول است.

این خاصیت مهم منگنز در سال 1860 کشف شد. البته منگنز امروزه کاربردهای دیگری نیز در فرآیند تولید فولاد دارد. منگنز تمایل بیشتری برای ترکیب با اکسیژن نسبت به آهن دارد، بنابراین از آن به عنوان یک اکسید کننده نیز می توان استفاده کرد. به علاوه منگنز باعث بهبود خواصی نظیر سختی، شکنندگی، شکل پذیری و نظایر آن در محصول نهایی می شود.

قسمت اعظم تولید فولاد شامل فولادهای معمولی چند منظوره و کم کربن می شود که در ترکیب خود بین 15% تا 8/0درصد منگنز دارند.قسمت عمده ای از این فولاد کمتر از 3% درصد منگنز در ترکیب خود دارند. در حدود 3 الی 4 درصد فولادهای تولید شده در جهان را فولادهای مقاوم که بیش از 500 مگاپاسکال مقاومت فشاری دارند شامل می شود.

این نوع فولادها بیش از 1 درصد منگنز در ترکیب خود دارند بخش عمده ای از فولادهای مقاوم را فولادهای HSLA تشکیل می دهند که بین 1 تا 8/1 درصد منگنز دارند.در تولید فولادهای مخصوص که شامل HSLI و حرارت دیده می شوند، نیکل، کرم، مولیبدن و وانادیم مصرف می شود. میزان توسط مصرف منگنز در این نوع فولادها اغلب بین 6/0 تا 8/0 درصد است و انواع خاصی از این فولادها که تا 5/1 درصد منگنز دارند در صنایع اتومبیل سازی کاربرد دارند.

فولادهای ضد زنگ که کمتر از 2 درصد تولید جهانی فولاد را شامل می شوند دارای کروم و نیکل و در حدود 1 درصد نیز منگنز هستند. در بعضی از انواع این فولادها که به فولاد ضد زنگ منگنز معروف هستند منگنز را می توان جایگزین بخشی از نیکل مصرفی نمود.

این امر باعث افزایش مقدار منگنز موجود در فولاد بین 4 تا 16 درصد می شوند. این جایگزین می تواند در آینده باعث افزایش تقاضا برای منگنز شود ولی این امر تا حد زیادی بستگی به قیمت نیکل دارد.

استفاده از منگنز در تولید محصولات شیمیایی با مصرف شیمیایی با مصرف سالیانه 450 هزار تن در حدود 7 درصد مصرف جهانی منگنز را شامل می شود. مهم ترین محصول ترکیبات شیمیایی منگنز دی اکسید الکترولیتی (EMD) است.

EMD در انواع باتری ها از قبیل کربن روی، منیزیم، دی اکسید منگنز و آلکالین و لیتیم دی اکسید منگنز کاربرد دارد. تقاضای جهانی برای EMD در حدود 200 هزار تن در سال برآورد می شود که معادل مصرف سالیانه 120 هزار تن منگنز خالص است.

این مقدار منگنز در حدود 2 درصد مصرف منگنز جهان است مصرف مستقیم دی اکسید منگنز طبیعی در تولید باتری های کربن روی است که مصرف در حدود 250 هزار تن منگنز خالص را شامل می شود.این میزان مصرف معادل 4 درصد کل مصرف منگنز در جهان است. میزان مصرف سالیانه EMD برخلاف NMD رو به رشد است.

در تولید سایر ترکیبات شیمیایی منگنز سالیانه در حدود 200 هزار تن منگنز مصرف می شود. که این در حدود 3 درصد مصرف کل منگنز است. ترکیبات شیمیایی اصلی منگنز دار عبارتند از کربور، کلراید، اکسید سولفات منگنز و پرمنگنات پتاسیم.

غیر متالورژیکی

منگنز در صنایع باطری سازی به 3 صورت کانسنگ طبیعی فعال، در اکسید منگنز شیمیایی و دی اکسید منگنز الکترونیکی طبیعی یا مصنوعی در باتری سازی استفاده می شود.5% کاربردهای غیر متالورژیکی منگنز به صورت در ساخت باتری های خشک و شیمیایی، سولفورزدایی و اکسید زدایی می باشد. باتری اساساً برای ذخیره سازی انرژی و آزاد سازی آن در مواقع لزوم است و در انواع مصارف خانگی کاربرد دارد.

دی اکسید منگنز به عنوان ماده دی پلاریزر در باتریها به کار می رود و به صورت کانه طبیعی منگنز، دی اکسید منگنز شیمیایی و دی اکسید منگنز الکترولیتی در ساخت باتریها استفاده می شود. کانه منگنز مورد استفاده در این مورد باید دارای درصد دی اکسید منگنز بالا و مقدار آهن خیلی کم باشد.

کانی مورد استفاده باید دارای سختی متوسط و درجه مشخص از تخلخل باشد کانه مورد نظر در این مورد معمولاً تا ابعاد 20-10 مش خرد می شود.از آنجا که فلز روی به عنوان آند این باتریها عمل می کند. نکته مهم در مورد کیفیت کانه مورد نیاز این است کانسار که ترکیبات الکترونگاتیوتر از روی نظیر ترکیبات مس، نیکل، کبالت، آرسنیک، سرب و آنتیموان نباید در کانه موجود باشند.

ددی اکسید منگنز الکترولیتی یک پودر سیاه رنگ است و به طور عمده شامل 91% وزنی MnO2، 5-3% وزنی رطوبت و حداکثر 3/1% سولفات و کمتر از 02/0 % آهن می باشد.

صنایع شیمیایی

دیگر کاربرد عمده منگنز در صنایع شیمیایی انواع مواد شیمیایی، تهیه کودهای شیمیایی، انواع سولفات و اکسی سولفات های منگنز در خوراک دام و افزودنی های کودهای گیاهی، رنگ سازی و تهیه پرمنگنات سدیم و پتاسیم که به عنوان ضدعفونی کننده و اکسید کننده به کار می روند می باشد.

ترکیبات شیمیایی مختلف حاوی منگنز در انواع کودها، مواد خاکی، صنایع شیشه، انواع رنگ، لعاب، رنگ جلا، آجرهای رنگی، سرامیک و اهداف شیمیایی و طبی بکار می روند.درصد مناسبی از MnO2 در سنگ معدن برای استفاده در متالورژی بیش از 35% (معمولا ً50 - 40%) و میزان فسفر آن از 2/0 - 15/0 می باشد.

کانی های منگنز مورد استفاده در صنایع شیمیایی باید درجه خلوص بالاتری داشته باشند و حاوی 85 - 80% MnO2 = باشند.ترکیبات شیمیایی نظیر پرمنگنات پتاسیم و سولفات های منگنز محصولاتی هستند که بعد از صنایع متالوژیکی و باتری مهم ترین کاربرد برای منگنز هستند. پرمنگنات پتاسیم یکی از قویترین مواد اکسید کننده است که در موارد مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد.

سولفات منگنز یک محصول واسطه است و به دلیل حلالیت بالای آن در تولید فلز منگنز و در ساخت سایر ترکیبات شیمیایی کاربرد دارد.کربنات منگنز از رسوب دادن سولفات منگنز یا یک کربنات قلیایی به دست می آید برای کاربردهایی که نیاز به کیفیت بالاتر است نظیر تولید فریت های مخصوص، درصد اکسید کلسیم و اکسید سدیم در ترکیب کربنات منگنز نباید بیشتر از 1/0 درصد باشد.

در این کاربردها کربنات از ترکیبات فلز منگنز و بی کربنات آمونیم ساخته می شود که بعد از رسوب دادن کربنات منگنز فیلتر شده و به دقت خشک می شود. در این فرایند حرارت نباید از 120 درجه سانتیگراد تجاوز کند.کلرید منگنز 2MnCl از حل کردن فلز، اکسید، کربنات و یا هیدروکسید منگنز با اکسید کلریدریک به دست می آید در تولید کلرید منگنز مرغوب تر باید فقط از فلز منگنز و یا اکسید منگنز خیلی خالص استفاده شود.

اکسید منگنز یکی از ملزومات در ترکیب کودها و فرمول مواد غذایی است. و همچنین پایه ای برای ساخت سایر ترکیبات شیمیایی منگنز است اکسید منگنز را می توان از احیاء دی اکسید منگنز و یا از متلاشی کردن حرارتی کربنات یا اکسالات منگنز و در غیاب هوا تولید کرد.

اکسید سه ظرفیتی منگنز 3O2Mn از تجزیه حرارتی نیترات، کربنات، اکسالات و یا کلرید منگنز در حرارتی بین 500 تا 800 درجه سانتیگراد تهیه می شود تهیه اکسید سه ظرفیتی منگنز با خلوص بالا از کلسیناسیون کربنات خالص منگنز صورت می گیرد. اکسید سه ظرفیتی منگنز در تولید فریت های منگنز دار کاربرد دارد.

سولفات منگنز از حل کردن سنگ کربنات منگنز، ردو کروزیت در اسید سولفوریک به دست می آید سولفات منگنز ممکن است به عنوان یک محصول جانبی اسید شویی سایر فلزات نیز تولید شود. کاربرد اصلی سولفات منگنز در تهیه کودها و غذای حیوانات است. بعضی از انواع کودها حداقل 74 تا 79 درصد سولفات منگنز در ترکیب خود دارند.

دی اکسید الکترولیتی منگنز

میزان مصرف سالیانه EMD در حدود 200 هزار تن است. کشور آمریکا بزرگ ترین متقاضی EMD با مصرف 80 هزار تن در سال است. و پس از آن ژاپن با مصرفی سالیانه در حدود 25 هزار تن قرار دارد. برآورد می شود که کشور چین مصرفی در حدود 20 الی 30 هزار تن در سال داشته باشد. ولی اطلاعات کافی از میزان مصرف این کشور در دسترس نیست. جدول 19 میزان مصرف EMD توسط کشورهای مختلف را نشان می دهد.

کاربرد های دیگر

استفاده از منگنز در رنگ آمیزی آجر، لباس، سرامیک، شیشه و سفال، ساخت کودهای شیمیایی، تأمین خوراک دام و طیور، ساخت الکترودهای جوشکاری، ساخت عوامل خشک کننده، رنگ ها، تصفیه آب و فاضلاب، افزودنی های سوختن و ساخت اکسید کننده های مورد نیاز در فرآیندهای شیمیایی از کاربردهای شیمیایی منگنز محسوب می شوند.

اکسید منگنز به عنوان یک دپلایزر در سلولهای خشک، به عنوان بی رنگ کننده شیشه، خشک کننده در رنگ و در چرم سازی استفاده می شود که وجود ناخالصی آهن به آن رنگ سبز می دهد. به علاوه اکسید منگنز در تهیه اکسیژن و کلریت و در رنگ های تیره و خشک نیز استفاده می شود.

پرمنگنات یک عامل معرف اکسیدی قوی است و در تجزیه های کمی و پزشکی استفاده می شود. زیرا یافته ها و خواص اکسیدی آن در تشکیل یک داروی معمولی برای بیماریها استفاده می گردد.خصوصیات و کیفیت کانسنگ منگنز بر حسب عیار منگنز به انواع مختلفی تقسیم می شود.در عمل سنگ منگنز و کنسانتره طیف وسیعی از خصوصیات شیمیایی و فیزیکی را دارد و اغلب بر اساس کاربردی که برای آن در نظر گرفته شده نامگذاری می شود:

• سنگ مناسب برای مصارف متالوژیکی
• سنگ مناسب برای مصارف شیمیایی
• سنگ مناسب برای باتری سازی

درصد 2MnO در حدود 70 تا 85 درصد که معادل 44 تا 54 درصد منگنز است و باید کمتر از 5% درصد فلزاتی نظیر مس، نیکل، کبالت و آرسنیک باشد. بجز ترکیبات شیمیایی که در این کاربرد منگنز اهمیت دارد، دی اکسید منگنز مورد مصرف باید از نظر ساختمان بلورین، سطح ویژه توزیع و ابعاد خلل و فرج، ابعاد و شکل ذرات، هدایت الکتریکی، شرایط سطحی و نقایص ساختمانی کنترل شود.

در تولید غذای حیوانات سنگ منگنز مورد استفاده باید از نظر مقدار فلزات سنگین کنترل شود.مشخصات و کیفیت محصول فرآوری شده بستگی به عواملی نظیر کیفیت سنگ خام و فرایند مصرف بستگی دارد. سه نوع منگنز براساس عیار منگنز در بازار وجود دارد که عبارتند از متالوژیکی، باتری و شیمیایی.

نوع متالوژیکی سنگ منگنز که قسمت اعظم بازار مصرف را به خود اختصاص داده است عیاری در حدود 48 درصد منگنز دارد نسبت به آهن و مقدار ناخالصی هایی نظیر آلومینا، سیلیس و آهک از دیگر عوامل تعیین کننده کیفیت سنگ منگنز متالوژیکی هستند.

کانسنگ منگنز نوع شیمیایی دارای حداقل 35 درصد منگنز است ولی علاوه بر این باید خصوصیات دیگری نیز از نظر میزان ناخالصی ها و قابلیت اکسید شوندگی داشته باشد.

در کانسنگ مناسب برای باتری باید درصد2MnO لااقل در حدود 75 تا 85 درصد معادل 54-44 درصد منگنز باشد علاوه بر این مقدار فلزات موجود در سنگ که از روی الکترونگاتیو تر هستند نباید از 05/0 درصد بیشتر باشد.سنگ منگنز استخراجی به محصولات تجاری متنوعی تبدیل می شود که مهم ترین آنها عبارتند از:

• فرومنگنز دارای کربن بالا 
• فرومنگنز دارای کربن متوسط یا کم
• فرو سیکلومنگنز
• فرو منگنز سیلیکون
• دی اکسید شیمیایی و یا الکترولیتی منگنز
• ترکیبات شیمیایی منگنز
• فلز منگنز