МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Марганец – металл серого цвета со стальным отблеском, имеющий высокий показатель твёрдости. Добыча марганцевой руды имеет большое значение, ведь она применяется практически во всех отраслях промышленности.

История появления

Марганец невозможно найти в природе в чистом виде. Основной минерал, в котором он содержится, называется пиролюзит. В древности его использовали в качестве осветлителя стекла при варке, а также для окрашивания тканей.

В конце XVIII века шведские химики К. Шееле и Ю. Ган обнаружили, что в руде содержится металл, по внешнему виду напоминающий железо. Он получил название «манганум», которое позже преобразовалось в «марганец».

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Где ещё содержится?

Марганец – элемент, который содержится в растениях и во всех живых организмах, в т. ч. в человеческом.

Его дефицит негативно сказывается на работе всех органов и систем человека.

Трудно переоценить важность марганца, ведь он:

  • укрепляет нервную и сердечно-сосудистую системы;
  • нормализует деятельность щитовидной железы;
  • положительно влияет на репродуктивную функцию;
  • регулирует уровень сахара в крови;
  • ускоряет обмен веществ;
  • поддерживает необходимый уровень холестерина в крови;
  • укрепляет иммунную систему.

Свойства металла

Марганец является одним из самых распространённых элементов в природе. Чаще всего встречается в пиролюзите и железных рудах (его показатели твёрдости намного выше, чем у железа). В зависимости от количественного преобладания металла, залежи имеют название «железно-марганцевая руда» или «марганцево-железная».

Электронная формула марганца: [Ar]3d5 4s2.

Формула марганца в пиролюзите: MnO2xH2O.

Широкое применение марганца обусловлено его высокой химической активностью – он способен вступать в реакцию с большим количеством элементов, образуя сплавы. Он также хорошо взаимодействует с кислородом, углеродом, азотом и прочими неметаллами.

Находясь в вакууме, металл при нагревании способен испариться из любого сплава, он растворяется в кислотах, вступает в реакцию с водой.

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Применение марганца в металлургической промышленности

Данный металл содержится практически во всех сплавах, значительно улучшая их физические свойства. Полученные сплавы отличаются долговечностью, прочностью и устойчивостью к коррозии. Марганец добавляется в них в сочетании с железом (ферросплав).

При изготовлении стального металлопроката марганец незаменим – он выступает легирующим элементом, удаляет из сплава серу и кислород.

Улучшенные свойства металлопроката позволяют его использовать в производстве стойкой к износу техники и различных механизмов в военной, строительной, авиационной промышленности.

Применение в медицине

В медицинской отрасли марганец применяется в виде перманганата калия. Его водный раствор (до 5 % содержания марганца) обладает антисептическим, кровоостанавливающим, адсорбирующими свойствами.

Раствор не имеет противопоказаний, он разрешён даже для ухода за пупочной раной младенцев. Но важно помнить, что сильно концентрированный раствор может вызвать тяжёлые ожоги.

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Методы добычи марганцевой руды

Ежегодно в мире добывается порядка 25 млн тонн марганцевой руды. Работы ведутся в основном открытым способом, реже – подземным.

Карьерные разработки используются, если месторождения марганцевых руд неглубоко залегают под землёй. В зависимости от площади месторождения, роются котлованы различных размеров.

Разработка карьера осуществляется следующим образом:

  • при помощи спецтехники (чаще всего бульдозеров) вскрывается и убирается верхний слой земли, покрывающий залежи ископаемого;
  • марганцевая руда подвергается дроблению;
  • руда грузится на самосвалы и отправляется на завод для переработки.
  • после завершения работ карьер снова покрывается пластом земли, проводится рекультивация.

При подземном способе добычи главной задачей является подъём руды на поверхность.

Процесс заключается в следующем:

  • на территории месторождения роются горизонтальные (штольни) или вертикальные проходы (шахты);
  • под землёй осуществляется дробление руды при помощи оборудования;
  • руда грузится на конвейер и доставляется на поверхность.

Подземный способ добычи марганцевой руды более затратный в финансовом отношении, нежели открытый. Он требует большего количества современной спецтехники и рабочих. Но руда, добываемая под землёй, считается более качественной, вложения окупаются при её реализации.

Вместе с тем при открытом способе добычи не требуется большая численность рабочих, техника более простая и экономичная в использовании.

Главными достоинствами открытой разработки являются:

  • высокий показатель производительности труда;
  • относительная безопасность процесса (вероятность возникновения несчастных случаев намного меньше, чем при подземных работах).

Данные преимущества компенсируют отрицательное воздействие погодных условий и необходимость обработки большого участка земли.

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Категории месторождений марганцевой руды

В зависимости от сложности геологического строения, формы и размера руды, все месторождения подразделяют на 3 вида (установленных соответствующим приказом «О классификации запасов марганцевых руд» от 11.12.2006 г.):

  • 1-я группа сложности – залежи с несложным геологическим строением; руда представлена крупными пластами, в которых марганец распределён равномерно;
  • 2-я группа сложности – залежи со сложным геологическим строением; руда представлена крупными пластами, в которых марганец распределён неравномерно;
  • 3-я группа сложности – залежи со сложным геологическим строением; руда представлена мелкими пластами, в которых марганец распределён неравномерно, а его количество крайне мало.

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Способы извлечения марганца из руды

Чаще всего чистый марганец получают из руды методом выщелачивания. В процессе могут быть использованы различные химические вещества, например сернистая кислота, железистый сульфат, аммония сульфат и пр. Их разнообразие обусловлено тем, что марганец имеет множество соединений и модификаций, каждый из которых по-разному вступает в химические реакции.

Несмотря на то что не существует определённой классификации методов извлечения металла из марганцевой руды, все они имеют схожий процесс:

  • руда измельчается до степени, обеспечивающей максимальную скорость реакции при взаимодействии с различными веществами;
  • запускается процесс выщелачивания, в результате которого марганец принимает вид раствора;
  • полученный раствор очищается от примесей;
  • при воздействии на него реагентом или при его выпаривании марганец выпадает в осадок в чистом виде.

С помощью химических реагентов можно извлечь марганец из шламов, бедных руд, отходов промышленного производства.

Где добывают марганцевые руды? Страны – лидеры

На сегодняшний день лидером по добыче марганцевых руд является Россия, она занимает ведущее место уже несколько десятилетий. В других государствах нет разведанных крупных и богатых месторождений, их поиск ведётся постоянно. Широкое применение марганца в металлургической промышленности обеспечило ему экономическую привлекательность.

Небольшие месторождения имеются в следующих странах: Болгария, Румыния, Китай, Украина, Казахстан, Чехия, Германия, ЮАР, Бразилия, Индия, Австралия, Япония, Индонезия, Мексика. В большинстве из них сконцентрированы залежи руды, не отличающейся высоким качеством. Потребности этих стран удовлетворяются за счёт импортируемой руды.

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Страны с высоким уровнем развития металлургической промышленности (США, Франция, Бельгия и пр.) активно ведут поиски крупных месторождений в целях сокращения объёмов импорта. Это позволит им удовлетворять внутренние потребности государства за счёт собственных ресурсов.

Повышенный интерес США направлен на извлечение и дальнейшее использование в промышленности железно-марганцевой руды, сосредоточенной на дне Мирового океана.

Добыча марганцевой руды в России

Несмотря на лидирующую позицию, Россия испытывает значительные проблемы в области добычи марганца. Распад Советского Союза ознаменовался началом крайней степени дефицита металла высокого качества. Основная часть работ по его добыче велась на месторождениях, которые отныне территориально принадлежат другим государствам.

Такое положение вынудило Россию приобретать марганец высокого качества в зарубежных странах по ценам импорта, чтобы покрыть потребности металлургической промышленности. Данная ситуация сохраняется по сей день.

В настоящее время добыча марганцевой руды в России осуществляется на следующих месторождениях:

  • Парнокское (Республика Коми);
  • Дурновское (Кемеровская область);
  • Громовское (Читинская область).

Они являются крупнейшими, всего же в России имеется 16 месторождений.

На сегодняшний день основная деятельность направлена на снижение объёмов импорта, для этого активно ведётся поиск и разработка новых месторождений. Одним из самых перспективных районов считается Улу-Теляк.

Это небольшое село в Башкирии, со времён СССР известное значительными запасами марганцовистого известняка. Главная особенность этого соединения заключается в том, что он сочетает в себе все свойства обоих элементов, выполняя в металлургической промышленности также 2 роли.

В марганцовистом известняке Улу-Теляка марганца немного – до 9 %, но его использование в данном сочетании привлекательно для чёрной металлургии. Основная сложность заключается в отсутствии чётких технологий производства с использованием нового ископаемого.

С появлением отлаженного процесса появится возможность значительно экономить финансовые средства за счёт сокращения использования ферросплава, новый материал имеет все шансы стать ему достойной заменой.

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Перспективы отрасли

Металлургическая промышленность, стремительно набирающая обороты развития во всём мире, вынуждает страны заниматься активным поиском месторождений марганцевых руд.

С каждым годом совершенствуются технологии, ведутся разработки перспективных территорий.

Главной целью любого государства является снижение объёма импорта, чтобы удовлетворение внутренних потребностей происходило, в основном за счёт собственных ресурсов.

Марганец: основные характеристики, производство и применение вещества

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Минералы марганца, в частности пиролюзит, известны были еще в античные времена. Считали пиролюзит разновидностью магнитного железняка и использовали при варке стекла – для осветления. То, что минерал в отличие от настоящего магнитного железняка магнитом не притягивается, объясняли довольно занятно: полагали, что пиролюзит – минерал женского пола и к магниту равнодушен.

В 18-м веке марганец выделили в чистом виде. И сегодня мы поговрим о нем детально. Так, обсудим, вреден ли чем опасен марганец, где его можно купить, как получить марганец и подчиняется ли он ГОСТу.

Марганец относится к подобной группе 7 группы 4 периода. Элемент является распространенным – занимает 14 место.

Содержание в земной коре – 0,03% от числа всех атомов, он второй по распространенности металл после железа.

Элемент относится к тяжелым металлам – атомная масса более 40. На воздухе пассивируется – покрывается плотной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшей реакции с кислородом. Благодаря этой пленке в нормальных условиях малоактивен.

При нагревании марганец вступает в реакцию с множеством простых веществ, кислот и оснований, образуя соединения с самой разной степенью окисления: -1, -6, +2, +3, +4, +7. Металл относится к переходным, поэтому с равной легкостью проявляет и восстановительные, и окислительные свойства. С металлами, например, с железом, образует твердые растворы, не вступая в реакцию.

Данное видео расскажет о том, что такое марганец:

Марганец – серебристо-белый металл, плотный, твердый – тверже железа, с необыкновенно сложной структурой. Последняя является причиной хрупкости вещества. Известны 4 модификации марганца. Сплавы с металлом позволяют стабилизировать любую из них и получить твердые растворы с очень разными свойствами.

  • Марганец относится к числу жизненно важных микроэлементов. Причем в равной степени это относится и к растениям, и к животным. Элемент участвует в фотосинтезе, в процессе дыхания, активирует ряд ферментов, является непременным участником мышечного метаболизма и так далее. Суточная доза марганца для человека составляет 2– 9 мг. Одинаково опасен как недостаток, так и избыток элемента.
  • Металл тяжелее и тверже железа, однако практического применения в чистом виде не имеет из-за высокой хрупкости. Но его сплавы и соединения имеют необыкновенно большое значение в народном хозяйстве. Он используется в черной и цветной металлургии, в производстве удобрений, в электротехнике, в тонком органическом синтезе и так далее.
  • От металлов своей собственной подгруппы марганец довольно сильно отличается. Технеций – радиоактивный элемент, получен искусственно. Рений относит к рассеянным и редким элементам. Борий также может быть получен только искусственным путем и в природе не встречается. Химическая активность и технеция и рения намного ниже, чем у марганца. Практическое применение, если не считать ядерного синтеза, находит только марганец.
Читайте также:  Чёрные металлы: описание, месторождения, классификация и где применяются металлом

Марганец (фото)

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Плюсы и минусы

Физические и химические свойства металла таковы, что на практике дело имеют не с самим марганцем, а с его многочисленными соединениями и сплавами, так что достоинства и недостатки материала стоит рассматривать с этой точки зрения.

  • Марганец образует самые разнообразные сплавы практически со всеми металлами, что является несомненным плюсом.
  • Железо и марганец полностью взаиморастворимы, то есть, образуют твердые растворы с любым соотношением элементом, однородные по свойствам. При этом сплав будет иметь куда более низкую температуру кипения, чем у марганца.
  • Наибольшее практическое значение имеют сплавы элемента с углеродом и кремнием. Оба сплава имеют огромное значение для сталелитейной промышленности.
  • Многочисленные и разнообразные соединения марганца применяют в химической, текстильной, стекольной промышленности, при производстве удобрений и так далее. Основой такого разнообразия служит химическая активность вещества.

Недостатки металла связаны с особенностями его строения, не позволяющими использовать сам металл в качестве конструкционного материала.

  • Главный из них – хрупкость при высокой твердости. Mn до +707 С кристаллизируется в структуре, где ячейка включает 58 атомов.
  • Довольно высокая температура кипения, работать с металлом со столь высокими показателями тяжело.
  • Электропроводность марганца очень низкая, так что применение его в электротехнике тоже ограничено.

Про химические и физические свойства марганца поговорим далее.

Свойства и характеристики

Физические характеристики металла заметно зависят от температуры. Учитывая наличие целых 4 модификаций это неудивительно.

Основные характеристики вещества таковы:

  • плотность – при нормальной температуре составляет 7,45 г/куб. см. Именно эта величина слабо зависит от температуры: так, при нагревании до 600 С плотность уменьшается только на 7%;
  • температура плавления – 1244 С;
  • температура кипения – 2095 С;
  • теплопроводность при 25 С составляет 66,57 Вт/(м·К), что для металла является низким показателем;
  • удельная теплоемкость – 0,478 кДж/(кг·К);
  • коэффициент линейного расширения, измеренный при 20 С, равен 22,3·10-6 град-1 — ; Теплоемкость и теплопроводность вещества увеличиваются линейно при увеличении температуры;
  • удельное электрическое сопротивление – 1,5– 2,6 мком·м , лишь немногим выше, чем у свинца.

Марганец является парамагнетиком, то есть, намагничивается во внешнем магнитном поле и притягивается к магниту. Металл переходит в антиферромагнитное состояние при низких температурах, причем температура перехода для каждой модификации разная.

  • Структура и состав марганца описаны ниже.
  • Марганец и его соединения — тема видеоролика ниже:

Описаны 4 структурные модификации вещества, каждая из которых устойчива в определенном температурном интервале. Сплавление с определенными металлами может стабилизировать любую фазу.

  • До 707 С устойчивой является а-модификация. – кубическая объемно-центрированная решетка, в состав элементарной ячейки которой входит 58 атомов. Такая структура очень сложна и обуславливает высокую хрупкость вещества. Его показатели – теплоемкость, теплопроводность, плотность, приводятся как свойства вещества.
  • При 700–1079 С устойчивой является b-фаза с таким же типом решетки, но с более простым строением: ячейку составляет 20 атомов. В этой фазе марганец проявляет определенную пластичность. Плотность b-модификации – 7,26 г/куб. см. Фазу легко зафиксировать – закалкой вещества при температуре выше температуры фазового перехода.
  • При температурах от 1079 С до 1143 С g-фаза стабильна. Для нее характерна кубическая гранецентрированная решетка с ячейкой из 4 атомов. Модификация отличается пластичностью. Однако зафиксировать фазу полностью при охлаждении не удается. При температуре перехода плотность металла составляет 6,37 г/куб. см, при нормальной – 7, 21 г/куб. см.
  • Выше температуры 1143 С и до кипения стабилизируется d-фаза с объемно-центрированной кубической решеткой, ячейка которой включает 2 атома. Плотность модификации составляет 6,28 г/куб. см. Интересно то, что d-Mn может перейти в антиферромагнитное состояние при высокой температуре – 303 С.

Фазовые переходы имеют большое значение при получении разнообразных сплавов, тем более что физические характеристики структурных модификаций отличаются.

Производство марганца описано ниже.

Производство

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторожденияВ основном марганец сопровождает железо в его рудах, но встречаются и самостоятельные месторождения. Так, на территории чиатурского месторождения сконцентрировано до 40% мирового запаса марганцевых руд.

Элемент рассеян едва ли не во всех горных породах, легко вымывается. Содержание его в морской воде невелико, но на дне океанов он формирует вместе с железом конкреции, в которых содержания элемента достигает 45%. Эти залежи считают перспективными для дальнейшего разрабатывания.

На территории России крупных месторождений марганца мало, потому для РФ он является остродефицитным сырьем.

Самые известные минералы: пиролюзит, магнитит, браунит, марганцевый шпат и так далее. Содержание элемента в них варьируется от 62 до 69%. Добываются карьерным или шахтным способом. Как правило, руда предварительно обогащается.

Получение марганца напрямую связано с его применением. Главный его потребитель – сталелитейная промышленность, а для ее нужд требуется не сам металл, а его соединение с железом – ферромарганец. Поэтому говоря о получении марганца, зачастую имеют в виду соединение, необходимое в черной металлургии.

Ранее ферромарганец производился в доменных печах. Но из-за дефицита кокса и необходимости использовать бедные марганцовые руды производители перешли к выплавке в электропечах.

Для плавки используются открытые и закрытые печи, футерованные углем – таким образом получают углеродистый ферромарганец. Плавку производят при напряжении в 110–160 В, двумя методами – флюсовым и бесфлюсовым. Второй метод более экономичен, так как позволяет полнее извлечь элемент, однако при большом содержании кремнезема в руде, возможен только флюсовый способ.

  • Бесфлюсовый метод – непрерывный процесс. Шихта из марганцевой руды, кокса и железной стружки загружается по мере переплавления. Важно следить за достаточным количеством восстановителя. Ферромарганец и шлак выпускаются одновременно 5–6 раз за смену.
  • Силикомарганец производят сходным методом в электроплавильной печи. Шихта, кроме руды включает марганцевый шлак – без фосфора, кварцит и коксик.
  • Металлический марганец получают аналогично выплавке ферромарганца. Сырьем служат отходы от разливки и разделки сплава. После расплавления сплава и шихты добавляют силикомарганец, а за 30 минут до окончания плавки продувают сжатым воздухом.
  • Химически чистое вещество получают электролизом.

90% мировой добычи марганца уходит на нужды сталелитейной промышленности. Причем большинство металлов требуется не для получения собственно марганцевых сплавов, а для производства чугуна и стали как таковых.

  • Свойства стали сильно зависит от тех или иных примесей, но если легирующие элементы вводятся специально для улучшения свойств сплава, то примеси кислорода и серы являются нежелательными. Ферромарганец и есть то соединение, которое участвует при выплавке стали и чугуна в качестве раскислителя и десульфатора. Во время плавки марганец связывает кислород и серу, тем самым уменьшая в готовом изделии их содержание.

В среднем на производство 1 тонны стали требуется 7,5 кг марганца, так что стоимость (цена) металла целиком определяется спросом на сталь.

  • Кроме того, марганец сам по себе используется в качестве легирующего элемента. Так, нержавеющая сталь помимо хрома и никеля включает 1% элемента. Более того, он может полностью заместить никель, если повысить его содержание до 4–16%. Дело в том, что марганец как и никель стабилизирует в стали фазу аустенита.
  • Марганец способен заметно понизить температуру перехода аустенита в феррит, что предупреждает осаждение карбида железа. Таким образом готовый продукт приобретает большую жесткость и прочность.
  • Элемент марганец применяют для получения стойких к коррозии алюминиевых сплавов – от 1 %. Такой материал применяется в пищеобрабатывающей промышленности при изготовлении самой разной тары. Сплавы металла с медью – марганцовистая бронза, используются при изготовлении морских винтов, подшипников, шестерней и других деталей, контактирующих с морской водой.
  • Соединения его очень широко используются в неметаллургической промышленности – в медицине, в сельском хозяйстве, на химических производствах.

Марганец – металл, который интересен не столько сам по себе, сколько свойствами своих многочисленных соединений. Однако переоценить его значение в качестве легирующего элемента сложно.

Реакция оксида марганца с алюминием продемонстрирована в этом видео:

Марганец: свойства, способы добычи и применение

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторожденияМарганец: свойства, способы добычи и применение

Марганец представляет собой тяжёлый металл серебристо-белого цвета. Превосходящий железо по твёрдости и хрупкости, он состоит в одной с ним группе чёрных металлов, так как находит широкое применение при выплавке чугуна и стали.

Физические характеристики:

  • Удельный вес – 7200 кг/м3.
  • Температура плавления составляет 12470C.
  • Температура кипения равняется 21500 C.
  • Удельная теплоёмкость – 0,478 кДж.
  • Марганец является проводником электрического тока.

Химические свойства:

  • Окисляется кислородом воздуха, образуя оксидную плёнку.
  • В водном растворе впитывает водород, не вступая с ним в реакцию.
  • При нагревании горит, соединяясь с кислородом.
  • Вступает в реакции с серой и хлором, а при повышенной температуре и с азотом, бором, кремнием, фосфором.

Происхождение марганцевых руд

К марганцевым рудам относятся залежи полезных ископаемых, имеющих в своём составе от 10 до 70% искомого минерала, что является определяющим фактором экономической целесообразности их использования. Содержание серебристо-белого металла в земной коре не превышает 0,1%, причём сам он в свободном виде не встречается. Присутствует только в составе следующих химических видов руд:

  • Оксидных. Они представлены в природе манганитовыми и псиломелано-пиролюзитовымизалежами неглубокого месторасположения, что и даёт возможность их окисления растворённым в воде кислородом. Содержание марганца в этих рудах 19-36%.
  • Карбонатных.Олигонитовые, родохрозитовые, мангано-кальцитовые руды располагаются на значительных глубинах, где в отсутствие кислорода происходит их брожение и насыщение фосфором. Содержание в них марганца составляет 16-25%.
  • Оксидно-карбонатных, представляющих собой смесь тех и других.
Читайте также:  РОЗОВЫЙ ТОПАЗ: почему "король" стоит 300-500 usd

Происхождение или генезис марганцевых руд достаточно разнообразен, как и других полезных ископаемых. Природно-физические процессы привели к возникновению следующих типов марганцевых руд:

  • Вулканогенных залежей, возникших в результате выброса магмы с последующей кристаллизацией.
  • Руд, формирующихся в процессе выветривания, представляющего собой результат воздействия влаги, газов, перепадов температур, а также – биосферы.
  • Метаморфизированных руд, пребывающих в толщах земной коры миллионы лет и при этом повергающихся усиленному давлению при высокой температуре.
  • Осадочных пород. Массы ископаемых, расположенных ближе всего к земной поверхности, постоянно находящихся в процессе термодинамических воздействий.
  • Донных залежей морей и океанов. Они представляют интерес в связи с огромными запасами, среди которых присутствуют марганцевые гидроксиды и целый ряд сопутствующих химических элементов.

Способы добычи

В зависимости от места и глубины расположения рудного тела, осуществляется выбор способа добычи марганцевых руд. Своё влияние оказывает и геология местности, а также экономические факторы.

Карьерный

Наиболее распространённый способ извлечения залеганий, размещающихся вблизи поверхности. Котлованы, подчас достигающие значительных размеров, роются с помощью роторных комплексов, производительность которых достигает 7000 м3/час, экскаваторов с ёмкостью захвата порядка 8 м3, драглайнов с объёмом ковша в 25 м3.

После вскрытия верхнего слоя, производимого экскаваторами с ковшом объёмом порядка 5 м3, порода забирается и дробиться. После измельчения, сырьё погружается на самосвалы и доставляется на перерабатывающие комплексы.

Дальнейшая судьба карьера может быть различной:

  • Его продолжают разрабатывать, захватывая новые слои.
  • Осуществляют переход на закрытый метод добычи, если имеются рудные тела более глубокого залегания.
  • Прекращают эксплуатацию, засыпая землей и проводя рекультивацию.

Открытый – карьерный метод достаточно производителен и отличается существенной безопасностью по сравнению с закрытым способом – шахтным.

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Шахтный

Однако, иногда приходится извлекать руду на поверхность из глубины земных недр, роя шахты и прокладывая штольни.

Способ достаточно затратный и требует наличия специальной техники: комбайнов, щитовых и очистных комплексов, конвейеров; а также значительного штата высококвалифицированных специалистов, постоянно подвергающих свою жизнь опасности вследствие вредных воздействий и возможных аварий и катастроф.

Тем не менее, он обеспечивает промышленность высококачественной рудой, не оказывает существенного влияние на окружающую местность и не зависит от погодных условий.

Методы обогащения

Современные методы обогащения марганцевых руд основаны на разнице плотности, смачиваемости, магнитных характеристик разнообразных химических элементов. Благодаря ей удаётся произвести очистку руды от посторонних примесей.

Гравитационный

Гравитационные методы обогащения занимают ведущее место среди способов повышения концентрации полезного компонента в исходном материале – руде. Суть метода состоит в использовании неодинаковых физических характеристик.

В данном случае – скоростей движения минеральных частиц в воздушной (пневматические процессы) или водной (гидравлические процессы) среде под воздействием гравитации или центробежных сил.

Существуют специальные аппараты и технологии, позволяющие существенно увеличить содержание марганца в исходном сырье.

Гравитационно-магнитный

Добытая из месторождений руда из-за наличия в ней посторонних веществ непригодна к металлургическому переделу и требует обогащения.

После обязательной промывки сырьё подвергается серии воздействий (гравитационных, магнитных, флотационных), последовательность и необходимость которых, определяется его размерами и химическим составом. Магнитная сепарация – это разделение материалов в неоднородном магнитном поле постоянного или переменного характера.

Впервые изобретённая в конце XIX-го столетия, она стала основным методом обогащения железных и марганцевых руд. Так как, и те и другие обладают хорошими магнитными свойствами.

Флотация

Происходящий в жидкой среде под воздействием воздуха или с помощью добавления капель масла, процесс основан на смачиваемости жидкостью мелких частиц нужного вещества – марганца, и – несмачиваемости частиц посторонних примесей. На поверхности жидкости плавающая смесь воздуха, масла и минерала собирается, чтобы затем быть очищенной, высушенной и готовой для дальнейшего употребления в качестве концентрата.

Существуют и другие методы обогащения. В частности – рентгенометрическая сепарация. Впрочем, уровень современного состояния экономики позволяет разрабатывать индивидуальные технологии и оборудование, привязанное к конкретным залежам добываемого полезного ископаемого.

Хранение и транспортировка

Так как марганцевые руды бывают окисные, окисленные, карбонатные и смешанные, то и хранить их следует отдельно друг от друга на расстоянии не менее 120 м от других пылеобразующих материалов, в случае размещения на открытых площадках. При этом поверхность, на которой они располагаются должна быть асфальтирована или бетонирована.

Перевозка сырья, как правило, осуществляется железнодорожным, иногда – судоходным транспортом. Руду размещают навалом, но с учётом возможного смещения в сторону естественного уклона. Грузовые параметры, на которые следует ориентироваться при транспортировке таковы:

  • Насыпная масса – 2 т/м3.
  • Погрузочный объём – 0,5 м3т.

Сфера применения

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

В металлургии

С тех пор, как в 1858 году Дэвид Мюшетт провёл свой удачный опыт легирования стали, марганец стал входить в состав всех видов сталей и чугуна. Ценность этой добавки заключается в связывании серы и удалении избытков кислорода. И не только.

Благодаря введению марганца, удалось получить знаменитую сталь Гадфильда, обладающую высокой пластичностью и сопротивлению к износу.

Этот металл способствует отбеливанию чугуна, повышает ковкость и свариваемость сталей, благотворно влияя на качество поверхности отливок и снижая риск красноломкости.

Хотя чёрная металлургия и потребляет до 9 кг на тонну выплавленной стали, но это не единственное направление использования столь ценного минерала. Его также применяют и в цветной металлургии при изготовлении бронзы и латуни. Металл значительно повышает прочность и коррозионную стойкость цветного литья.

В промышленности

Понятно, что легированная сталь и чугун находят широкое применение в промышленности. Но, кроме того, существуют и другие направления использования марганца:

  • Производство реостатов на основе сплава марганца, меди и никеля.
  • Изготовление алюминиевых металлических ёмкостей для разлива напитков.
  • Производство труб, содержащих медь в сочетании с марганцем.
  • Выпуск стекла.
  • Изготовление керамики.
  • Технологии отбеливания натуральных материалов.
  • Проведение химических процессов, где металл служит в качестве катализатора.
  • Покрытие металлических поверхностей.
  • Производство минеральных удобрений, где находят применение отходы, содержащие в своём составе марганец.

В медицине

Окислительные свойства марганца широко востребованы в медицине. На его основе созданы антисептики и бактерицидные средства, позволяющие уничтожать инфекции, очищать организм, защищать кожные и слизистые покровы. Сам элемент оказывает влияние на рост человека, участвует в процессах обмена, крови образования и деятельности половых желез.

Месторождения в России и мире

На Государственном балансе Российской Федерации, по состоянию на начало 2017 года, числилось 29 месторождений, содержащих марганцевые руды. Крупнейшими среди них являются:

  • Усинское, Дурновское – Кемеровская область.
  • Порожинское – Красноярский край.
  • Южно-Хинганское – Еврейская АО.
  • Парнокское – республика Коми.
  • Североуральские – на Урале.
  • Новониколаевское в Иркутской области.

Среди иностранных государств значительными залежами марганцевых руд обладают:

  • Украина – Никопольский район.
  • Грузия – Чиатурский район.
  • Южная Африка – район Калахари.
  • Габон – месторождение Моанда.
  • Гана – месторождение Нсута.
  • Мексика – месторождение Моланго.
  • Бразилия – район Амапа, месторождение Серро де Навио.
  • Австралия – месторождение ГрутЭйланд.

Мировые запасы

Сведения о мировых запасах марганцевых руд крайне противоречивы и подчас представляют коммерческую тайну. Так, по данным геологической службы США в 2010 году они составляли 565,5 млн. тонн. По другим источникам мировые ресурсы установленных месторождений в 56 странах мира оцениваются в 21,3 млрд. тонн.

Больше всего запасов руд этого минерала размещается в Африке – 67,4 %. Далее идут:

  • Европа – 16,2 %.
  • Азия – 7,8 %.
  • Америка – 5,6 %.
  • Австралия и Океания – 3%.

Страны, добывающие марганец

В последнее время основными производителями марганца в мире выступают:

  • Китай – 18 млн. тонн/год.
  • ЮАР – 13,7 млн. тонн/год.
  • Австралия – 5,3 млн. тонн/год.
  • Габон – 3,4 млн. тонн.

Также в список стран-производителей входят: Бразилия, Мексика, Гана, Украина, Казахстан, Индия, Малайзия и Мьянма.

Химический элемент марганец его свойства, применение и сплавы

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Рис. 1

Марганец – химический элемент с атомной массой 54,9380 и атомным номером 25, серебристо-белого оттенка, с большой массой, в природе существует в виде стабильного изотопа 35Мn.

Первые упоминания о металле записал древнеримский ученый Плиний, называл его «черным камнем».

В те времена марганец использовался в качестве осветлителя стекла, во время процесса варки в расплав добавлялся пиролюзит марганца МnО2.

В Грузии издавна пиролюзит марганца использовался как присадка во время получения железа, назывался черной магнезией и считался одной из разновидностей магнетита (магнитного железняка).

Лишь в 1774 году шведским ученым Шееле было доказано, что это соединение неизвестного науке металла, а через несколько лет Ю.

Ган во время нагревания смеси угля и пиролюзита получил первый марганец, загрязненный атомами углерода.

МАРГАНЕЦ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Рис. 2

Природное распространение марганца

В природе химический элемент марганец малораспространен, в земной коре его содержится всего 0,1%, в вулканической лаве 0,06–0,2%, металл на поверхности в рассеянном состоянии, имеет форму Мn2+.

На поверхности земли под воздействием кислорода быстро образуются окислы марганца, имеют распространение минералы Мn3+ и Мn4+, в биосфере металл малоподвижен в окислительной среде.

Марганец – химический элемент, активно мигрирует при наличии восстановительных условий, металл очень подвижен в кислых природных водоемах тундры и лесных ландшафтах, где преобладает окислительная среда. По этой причине культурные растения имеют избыточное содержание металла, в почвах образуются железомарганцевые конкреции, болотные и озерные низкопроцентные руды.

В регионах с сухим климатом преобладает щелочная окислительная среда, что ограничивает подвижность металла. В культурных растениях ощущается недостаток марганца, сельхозпроизводство не может обходиться без использования специальных комплексных микродобавок.

В реках химический элемент малораспространен, но суммарный вынос может достигать больших величин. Особенно много марганца имеется в прибрежных зонах в виде естественных осадков.

Читайте также:  РАУХТОПАЗ: почему чудо-камень меняет цвет

На дне океанов встречаются большие залежи металла, которые образовались в давние геологические периоды, когда дно было сушей.

Химические свойства марганца

Марганец относится к категории активных металлов, при повышенных температурах активно вступает в реакции с неметаллами: азотом, кислородом, серой, фосфором и другими. В результате образуются разновалентные окислы марганца.

При комнатной температуре марганец химический элемент малоактивен, при растворении в кислотах образует двухвалентные соли. При нагреве в вакууме до высоких температур химический элемент способен испаряться даже из устойчивых сплавов.

Соединения марганца во многом схожи с соединениями железа, кобальта и никеля, находящихся в такой же степени окисления.

Наблюдается большое сходство марганца с хромом, подгруппа металла также имеет повышенную устойчивость при высших степенях окисления при увеличении порядкового номера элемента. Перенаты являются менее сильными окислителями, чем перманганаты.

Рис. 3

Исходя из состава соединений марганца (II) допускается образование металла с более высокими степенями окисления, такие превращения могут происходить как в растворах, так и в расплавах солей.

Стабилизация степеней окисления марганцаСуществование большого числа степеней окисления у марганца химического элемента объясняется тем, что в переходных элементах во время образования связей с d-орбиталями их энергетические уровни расщепляются при тетраэдрическом, октаэдрическом и квадратном размещении лигандов.

Ниже приводится таблица известных в настоящее время степеней окисления некоторых металлов в первом переходном периоде.

Рис. 4

Обращают на себя внимание низкие степени окисления, которые встречаются в большом ряде комплексов. В таблице есть перечень соединений, в которых лигандами являются химически нейтральные молекулы CO, NO и другие.

Рис. 5

За счет комплексообразования стабилизируются высокие степени окисления марганца, самыми подходящими для этого лигандами является кислород и фтор.

Если принимать во внимание, что стабилизирующее координационное число равняется шести, то максимальная стабилизация равняется пяти.

Если марганец химический элемент образует оксокомплексы, то могут стабилизироваться более высокие степени окисления.

Фторо- и оксокомплексы

Стабилизация марганца в низших степенях окисления

Теория мягких и жестких кислот и оснований дает возможность объяснить стабилизацию разных степеней окисления металлов за счет комплексообразования при воздействии с лигандами. Элементы мягкого типа успешно стабилизируют невысокие степени окисления металла, а жесткие положительно стабилизируют высокие степени окисления.

Теория полностью объясняет связи металл-металл, формально эти связи рассматриваются как кислотно-основное взаимное воздействие.

Рис. 6

Сплавы марганцаАктивные химические свойства марганца позволяют ему образовывать сплавы со многими металлами, при этом большое количество металлов может растворяться в отдельных модификациях марганца и стабилизировать его.

Медь, железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы способны стабилизировать γ-модификацию, алюминий и серебро способны расширять β- и σ-области магния в двойных сплавах. Эти характеристики играют важную роль металлургии.

Марганец химический элемент позволяет получать сплавы и высокими значениями пластичности, они поддаются штамповке, ковке и прокату.

В химических соединениях валентность марганца изменяется в пределах 2–7, увеличение степени окисления становится причиной возрастания окислительных и кислотных характеристик марганца. Все соединения Mn(+2) относятся к восстановителям.

Оксид марганца имеет восстановительные свойства, серо-зеленого цвета, в воде и щелочах не растворяется, зато отлично растворяется в кислотах. Гидроксид марганца Mn(OH)3 в воде не растворяется, по цвету белое вещество.

Образование Mn(+4) может быть и окислителем (а), и восстановителем (б).

  • MnO2 + 4HCl = Cl2 + MnCl2 + 2H2O (а)
  • Эта реакция используется при необходимости получения в лабораторных условиях хлора.
  • MnO2 + KClO3 + 6KOH = KCl + 3K2MnO4 + 3H2O (б)

Реакция протекает при сплавлении металлов. MnO2 (оксид марганца) имеет бурый цвет, соответствующий гидроксид по цвету несколько темнее.
Физические свойства марганцаМарганец – химический элемент с плотностью 7,2–7,4 г/см3, t° плавления +1245°С, закипает при температуре +1250°С. Металлу присущи четыре полиморфные модификации:

  1. α-Мn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку, в одной элементарной ячейке располагается 58 атомов.
  2. β-Мn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку, в одной элементарной ячейке располагается 20 атомов.
  3. γ-Мn. Имеет тетрагональную решетку, в одной ячейке 4 атома.
  4. δ-Mn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку.

Температуры превращений марганца: α=β при t°+705°С; β=γ при t°+1090°С; γ=δ при t°+1133С. Наиболее хрупкая модификация α, в металлургии используется редко. Самыми значительными показателями пластичности отличается модификация γ, она чаще всего используется в металлургии. β-модификация частично пластична, промышленность ее применяет редко.

Атомный радиус марганца химического элемента составляет 1,3 А, ионные радиусы в зависимости от валентности колеблются в пределах 0,46–0,91. Марганец парамагнитен, коэффициенты теплового расширения 22,3×10-6 град-1. Физические свойства могут немного корректироваться в зависимости от чистоты металла и его фактической валентности.

Способ получения марганцаСовременная промышленность получает марганец по методу, разработанному электрохимиком В. И. Агладзе путем электрогидролиза водных растворов металла при добавлении (NH4)2SO4, во время процесса кислотность раствора должна быть в пределах рН = 8,0–8,5.

В раствор погружаются свинцовые аноды и катоды из сплава на основе титана АТ-3, допускается замена титановых катодов нержавеющими. Промышленность использует порошок марганца, который после окончания процесса снимается с катодов, металл оседает в виде чешуек.

Способ получения считается энергетически затратным, это оказывает прямое влияние на увеличение себестоимости. При необходимости собранный марганец в дальнейшем переплавляется, что позволяет облегчить его применение в металлургии.

Марганец – химический элемент, который можно получать и галогенным процессом за счет хлорирования руды и дальнейшим восстановлением образовавшихся галогенидов. Такая технология обеспечивает промышленность марганцем с количеством посторонних технологических примесей не более 0,1%. Более загрязненный металл получают при протекании алюмотермической реакции:

3Mn3O4 + 8Al = 9Mn + 4Al2O3

Или электротермией. Для удаления вредных выбросов в производственных цехах монтируется мощная принудительная вентиляция: воздуховоды из ПВХ, вентиляторы центробежного принципа действия.

Кратность обмена воздуха регламентируется нормативными положениями и должна обеспечивать безопасное пребывание людей в рабочих зонах.
Использование марганцаГлавный потребитель марганца – черная металлургия. Широкое использование металл имеет и в фармацевтической промышленности.

На одну тонну выплавляемой стали необходимо 8–9 килограмм, перед введением в сплав марганца химического элемента его предварительно сплавляют с железом для получения ферромарганца.

В сплаве доля марганца химического элемента составляет до 80%, углерода до 7%, остальное количество занимает железо и различные технологические примеси. За счет использования добавок значительно повышаются физико-механические характеристики сталей, выплавляемых в доменных печах.

Технология пригодна и для использования добавок в современных электрических сталелитейных печах. За счет добавок высокоуглеродистого ферромарганца происходит раскисление и десульфарация стали. При добавке средне- и малоуглеродистых ферромарганцев металлургия получает легированные стали.

Низколегированная сталь имеет в составе 0,9–1,6% марганца, высоколегированная до 15%. Высокими показателями физической прочности и антикоррозионной устойчивости обладает сталь с содержанием 15% марганца и 14% хрома.

Металл износоустойчив, может работать в жестких температурных условиях, не боится прямого контакта с агрессивными химическими соединениями.

Такие высокие характеристики позволяют использовать сталь для изготовления наиболее ответственных конструкций и промышленных агрегатов, работающих в сложных условиях.

Марганец – химический элемент, применяемый и во время выплавки сплавов на безжелезной основе.

Во время производства высокооборотных лопаток промышленных турбин используется сплав меди с марганцем, для пропеллеров применяются бронзы с содержанием марганца. Кроме этих сплавов, марганец как химический элемент присутствует в алюминиевых и магниевых.

Он намного улучшает эксплуатационные характеристики цветных сплавов, делает их хорошо деформируемыми, не боящимися коррозионных процессов и износостойкими.

Легированные стали являются основным материалом для тяжелой промышленности, незаменимы во время производства различных типов вооружений. Широко применяются в кораблестроении и самолетостроении.

Наличие стратегического запаса марганца – условие высокой обороноспособности любого государства. В связи с этим добыча металла ежегодно увеличивается.

Кроме того, марганец – химический элемент, применяемый во время производства стекла, в сельском хозяйстве, полиграфии и т. д.

Марганец в флоре и фауне

В живой природе марганец – химический элемент, играющий важную роль в развитии. Он влияет на характеристики роста, состав крови, интенсивность процесса фотосинтеза. В растениях его количество составляет десятитысячные доли процента, а в животных стотысячные доли процента.

Но даже такое незначительное содержание оказывает заметное влияние на большинство их функций. Он активирует воздействие ферментов, влияет на функцию инсулина, минеральный и кроветворный обмен.

Недостаток марганца становится причиной появления различных болезней как острых, так и хронических.

Марганец – химический элемент, широко используемый в медицине. Недостаток марганца понижает физическую выносливость, становится причиной некоторых видов анемий, нарушает обменные процессы в костных тканях. Широко известны дезинфицирующие характеристики марганца, его растворы используются во время обработки некрозных тканей.

Недостаточное количество марганца в пище животных становится причиной снижения ежесуточного привеса. Для растений такая ситуация становится причиной пятнистости, ожогов, хлорозов и других заболеваний.

При обнаружении признаков отравления назначается специальная медикаментозная терапия.

Сильное отравление может становиться причиной появления синдрома марганцевого паркинсонизма – трудноизлечимой болезни, оказывающей негативное влияние на центральную нервную систему человека.

Суточная потребность марганца составляет до 8 мг, главное количество человек получает с пищей. При этом рацион должен быть сбалансированным по всем питательным веществам.

При увеличенной нагрузке и недостаточном количестве солнечного света доза марганца корректируется на основании общего анализа крови. Значительное количество марганца содержится в грибах, водяных орехах, ряске, моллюсках и ракообразных.

Содержание марганца в них может достигать нескольких десятых процента.

При попадании марганца в организм в чрезмерных дозах могут возникать болезни мышечных и костных тканей, поражаются дыхательные пути, страдает печень и селезенка.

Для выведения марганца из организма требуется много времени, за этот период токсические характеристики увеличиваются с эффектом накапливания.

Допустимая санитарными органами концентрация марганца в воздушной среде должна быть ≤ 0,3 мг/м3, контроль параметров выполняется в специальных лабораториях путем отбора воздуха. Алгоритм отбора регулируется государственными нормативными актами.

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector