应用

应用

工业和冶金领域

锰和炼钢

从根本上来讲,钢是铁和碳的合金,由铁相和渗碳体组成。由铁制成的粗钢含有过量的氧和硫,在这个时候,锰发挥了关键作用,因为其具备以下两大特性:与硫的结合能力以及强脱氧能力。如果锰含量不足,硫就会与铁结合生成低熔点硫化物。一旦温度达到热轧温度,该类硫化物便会熔化,从而导致表面开裂现象,我们将这种现象称之为“热脆性”。从这一方面来讲,脱硫工艺可降低对锰的需求。现今,仍有30%的锰被用作硫化物形成剂和脱氧剂。

剩余70%的锰完全作为合金元素来利用。这些合金元素的使用取决于成品钢的预期性能。正如上述所言,钢中含有铁和碳。在室温下,铁结晶成为体心立方结构,即α铁(铁素体)。在910摄氏度以上的高温情况下,这种结构将转换成为面心立方结构,称为γ铁(奥氏体)。当钢逐渐冷却下来,可溶于奥氏体的碳便沉淀为碳化铁(渗碳体),而奥氏体则转化成为铁素体,两者沉淀在一起形成独特的层状结构,即珠光体。

通过添加锰,可以细化珠光体结构,并将温度降至使奥氏体转化为铁素体,从而避免渗碳体在铁素体晶界沉淀,因此锰发挥着重要作用。钢的强度和韧性首先取决于晶粒尺寸以及所含珠光体的体积分数。包括锰在内的合金元素对铁素体的固液硬化具有一定的促进作用,但远不及碳、氮、磷以及硅的作用。如果通过采用淬火工艺来加速冷却过程,奥氏体便会转变成高强度的结构,如贝氏体和马氏体。

由于锰对转变温度具有一定的影响,因此其能提高钢的淬火反应,同时锰也是一种弱碳化物形成元素。这两大特性对机械工程师所指定的热处理钢具有有利的作用。锰的另一重要特性就是其能稳定钢中的奥氏体,这一特性与镍相似。但是由于锰稳定奥氏体的能力不如镍强,因此需要更多的锰方能产生与镍相同的效果,不过锰在价格上有很大的优势。在形成奥氏体的过程中,通过将锰与氮结合,可以强化锰的效果,因此也被称之为奥氏体形成元素。此外,锰还能提升淬透率,根据钢材型号及最终产品,利用其显著的优势来提升机

市面上大多数生产出来的钢属多用途低碳钢,其锰含量介于0.15%-0.8%之间。有很大一部分是由锰含量为0.3%的低碳钢板组成,有些为了取得更好的深拉特性,钢板的锰含量甚至低于0.2%。屈服强度超过500Mpa(相当于钢材吨位的3%-4%)的高强度钢材所含的锰在1%以上。这一类型的钢材中大部分为高强度低合金钢(HSLA),属于低碳控轧钢,其锰含量很高(介于1.0%-1.8%之间),能够对奥氏体的转变温度产生影响,从而获得非常精细的铁素体结构。通过均匀分布在铁素体基体上的碳化物或氮化物的析出物,微合金添加剂有助于细化结构或提升钢的强度。此类型的钢材被广泛应用于石油/天然气管道、造船业和运输设备,以减轻重量。

工程用钢涵盖高强度低合金钢、热处理钢、纯铬锰钢或者含有镍、铬、钼,钒添加剂以及锰含量在0.6%-0.8%之间的钢材。某些等级的钢材的锰、铬或硼含量在1.0%-1.5%之间,因此在汽车工业得到广泛的应用。

不锈钢在世界钢产总量中的比重不足2%,其在生产过程中需要使用到铬和镍,同时含有1%的锰。此外还有一种锰不锈钢,这类钢中采用4%-16%的锰来部分或全部代替镍。虽然不锈钢尚未大批量生产,但是如果未来镍的价格走势优于锰,且加上有力的市场行销手段,不锈钢将会有不错的发展前景。最常见的当属200系不锈钢,其在生产过程中采用金属锰,因此锰含量非常高。作为最大的锰金属生产国,中国在2005年生产的锰金属量为560,000公吨,占全世界生产总量的90%。200系不锈钢最初产于印度,现在印度仍是这类钢材的主要生产国。

当介绍高锰钢,就一定要提及哈德菲尔德高锰钢。作为历史上第一种合金钢,哈德菲尔德高锰钢是以其19世纪的英国发明人命名的。这类钢的锰含量在13%或更高。由于拥有独特的属性,因此其成为许多应用领域不可或缺的材料,如回转破碎机、颚式破碎机板、铁路道岔、分频器元件以及推土设备齿块等对韧性和耐磨性有高要求的应用领域。高锰非磁性钢(锰含量在10%-12%)主要用于涡轮交流发电机的挡圈以及石油钻塔的钻铤。拥有相似化学性质的不同等级的钢材主要被用作低温用钢。现如今已开发出高锰不锈钢“记忆”钢。

锰的其它冶金用途

铝的年产量大概在23,000,000吨,虽然远不及钢的产量,但是锰在其中发挥的合金化作用仅次于钢。为了提升耐腐蚀性,许多铝合金中都会添加少量的锰,而其中的原理也很简单:由铁和硅形成的金属互化物,其拥有的电解电势比铝的电解电势小,这也就意味着在腐蚀性条件下围绕在这些粒子周围的铝将受到破坏;随着一系列深凹坑的形成,衰变也进一步扩大至其它粒子。由于锰可将铁硅化合物替换成与铝有相似电解电势的铁锰硅化合物,不存在电势差,因此也就不会出现腐蚀现象。

作为一种合金元素,锰的最高溶解度为1.5%左右。铝锰合金和铝锰镁合金在市场中采用不同的商品名称进行销售,并被应用在各种领域,如厨房用具、屋面材料、汽车散热器以及交通运输工具。迄今为止,铝锰合金最重要的应用就是饮料罐头,每年的产出量大概为一千亿只。由于铝锰易拉罐可以被回收利用,因此该类产品的市场一直在持续发展。

 锰含量在9%的铝合金拥有极佳的性能,但是生产成本很高。当前的技术是通过快速冷却来生产商用“无定形”金属,尽管这类技术拥有潜在的益处,但是所使用的工艺仍然非常昂贵,因此仅限于航空和航天工业中高价值材料的应用。

锰可谓是最多功能化的元素,因为在铜合金中也能添加少量的锰(0.1%-0.3%)用来为合金脱氧并改善合金的铸造性能和机械强度。锰在铜中的固体溶解度非常高,与铜、铝、锌或镍一起是二元系的组成成分。为了改善强度与热加工性能,许多商用铜合金中会添加1%-2%的锰。此外,锰还能替换一部分镍银合金中的镍,这样一来可以降低成本。

虽然大部分合金中的锰含量在10%-20%之间,但是为了满足特定的应用需求,如阻尼容量或高热膨胀系数,某些合金中的锰含量远超过这个数值,有些甚至高于50%。不过这些合金也仅是小批量生产。举例来说,由72%的锰、18%的铜以及10%的镍所构成的某种合金主要用作车辆中温度控制装置的双金属片;而由60%的铜、20%的锰以及20%的镍所构成的另一种合金主要用于制表行业中小零件的生产,其在市场上的商品名称为“Manifor”。然而铜合金每一年的产量仅为两百万吨,因此锰在这一块市场中的应用非常有限。

其它金属

作为合金元素,锰还能被添加进其它金属之中,如α-β钛基合金含有8%的锰,曾用于二十世纪六十年代美国双子座飞船的再入控制模型。

锌合金及镁合金中的锰含量为0.1%-0.2%,只有一种合金的锰含量为1.5%。

 金、银、铋等金属中也能够添加锰,形成合金,以满足电子行业等领域的特定应用需求,但是添加量非常少。

 

 非冶金用途:

电池

锰最重要的非冶金用途就是以二氧化锰的形式充当干电池组中的去极化剂。现今,每年全球干电池的消耗量为200亿个。锰在电池中的工作原理非常简单:电池的阴极和阳极基本上是湿润的,放电过程中,在某一个电极涂层中会产生氢,而电极涂层则会产生气膜,以阻止进一步被浸润,从而切断电的生成。二氧化锰的作用是使氢被氧化,从而形成水,其反应速率取决于二氧化物的反应性。

1868年首次研制出的勒克朗谢电池就是采用这一工艺。现如今是采用锌筒作为阳极,乙炔炭黑与二氧化锰混合制成的棒杆作为阴极,铵和氯化锌制成的膏状物作为电解液,其中二氧化锰充当去极化剂。于二十世纪五十年代投放市场的碱性二氧化锰锌电池,其阴极被贴在金属蓄电池槽的内壁,阳极则是由锌粉制造而成,而氢氧化钾充当电解液。这类电池的电阻和阻抗非常低,在特定条件下要比标准电池具备更长的使用寿命。另一种氯化镁 - 二氧化锰电池则主要用于军事运用。

天然二氧化锰(NMD)能够用于生产标准电池。可以通过合成的方法来获得高性能电池中所需要的经改良的二氧化锰。一些产品的名字是根据其制造工序来命名的,如电解二氧化锰(EMD)是通过电解制造而成;化学二氧化锰(CMD)是完全通过化学工艺制造而成。采用这两种合成方法每年大概能生产30万吨的二氧化锰,且产量还在迅速增长。加蓬、加纳、巴西、中国、墨西哥以及印度是天然二氧化锰的出产国。这些被称为“天然电池”的矿石经过研磨成超微粉末后便能直接用于制造阴极混合物。

化学制品

作为最著名的锰类产品之一,高锰酸钾是强氧化剂,能够杀菌除藻,因此可被用于饮用水净化和废水处理。此外,高锰酸钾还能用于气味控制,如:对涂料厂和鱼类加工工厂中的排放物进行除臭处理等。作为氧化剂,高锰酸盐还能用于其它各种各样的应用领域。

“代森锰”(亚乙基双-二硫代氨基甲酸锰)是锰的另一种重要应用,是一种呈黄色粉末状的有机化合物。“代森锰”在市面上作为农用杀菌剂进行销售,拥有不同的商品名称,主要用于防治作物和谷物病害、葡萄霜霉病、果树黑星病,尤其是香蕉和花生作物的病害。全球的“代森锰”消耗量大概为20万吨。甲基茂基三羰基锰(MMT)是一种有机锰化合物,能够显著提升汽油的燃烧并降低锅炉堵塞和煤烟,小规模地被用作汽油中的辛烷值提升剂和防爆震剂。MMT可以替换铅,因此有益于环境,但是目前还尚未得到完全开发。氧化锰和锰盐还有很多其它应用,如:二氧化锰可用作生产香草精等人造香味剂的催化剂、在处理铀矿以生产氧化精矿(铀精矿)的过程中可用作氧化剂、砖瓦着色剂、干燥剂、色料等。硫酸锰被广泛地用作肥料和动物饲料的成品以及化工行业的半成品。磷酸锰用于生产表面膜,该种膜经油脂或腊密封后,可对室内或轻度户外使用的钢材起保护作用。此外,磷酸盐还能够提高耐磨性、防止在负载过重的情况下金属焊接变形、通过吸油来提升润滑效率并保证活动件能够快速安全地试转。

锰铁氧体是另一种重要的材料,这种软磁铁氧体在电子工业有着广泛的应用,生产电视电路板的过程中需要用到大量的铁锰氧体。为了满足该类生产需求,要从矿石、氧化物、碳酸盐甚至金属锰中来获取锰原料。此外,在制造电解锌的过程中也需要用到锰。二氧化锰可通过将铁氧化来净化浸出液,而在电解液中加入硫酸锰可降低铅阳极的腐蚀。锰还可在阴极形成薄涂层,从而促进锌镀层的剥离。

锰有机金属化合物是目前正在开发的一种新颖的应用,可在合成高附加值的精细有机化学品过程中充当媒介作用。

 

 

 

 


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