Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Основные свойства и значение марганца


Марганец

Марганец имеет следующие физико-химические свойства: атомную массу 54,93; плотность 7,42 г/см3; температуру плавления 1244°С; температуру кипения 2150°С; теплоту плавления 14700 Дж/моль.

При 1600 °С рмп = 3,7 кПа, тогда как упругость пара железа при этой температуре составляет всего 20 Па, поэтому в испарениях металла обычно марганец содержится в значительных количествах, хотя его содержание в самом металле во много раз меньше содержания железа. В связи с этим в сталеплавильных процессах приходится учитывать возможность испарения марганца, например, во время выпуска плавки с высоким содержанием марганца, при вакуумировании, особенно при различных способах переплава с использованием вакуума. Металлический марганец очень хрупок, поэтому он в чистом виде имеет ограниченное применение, в основном используется для получения различных сплавов, важнейшим из которых является сталь.

Марганец в жидком железе имеет неограниченную растворимость, и это растворение протекает без теплового эффекта (без химического взаимодействия), так как марганец является ближайшим соседом железа в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

С примесями металла марганец может образовывать различные химические соединения, наиболее важными из которых являются MnO, MnS и Мn3С. Марганец в готовой стали в большинстве случаев является полезной примесью, служащей для раскисления и легирования.

Раскислительная способность марганца относительно невысока, но обычно бывает достаточной для раскисления кипящей стали.

Влияние марганца на свойства стали.Основное положительное влияние марганца на свойства стали состоит в уменьшении вредного влияния серы. Марганец, имея высокое химическое сродство к сере, легко образует сульфид MnS, который при кристаллизации металла выделяется в виде твердых, случайно расположенных включений, приносящих во много раз меньше вреда, чем FeS. Для выделения серы в виде менее вредных твердых включений необходимо иметь в стали следующее отношение содержания марганца и серы: [Mn]/[S] ≥20-22.

Марганец как легирующий элемент является одним из самых дешевых и наиболее распространенных. Марганец повышает устойчивость аустенита и увеличивает степень его переохлаждения. Благодаря этому марганец резко уменьшает критическую скорость закалки, поэтому марганцовистая сталь прокаливается значительно глубже, чем простая углеродистая. Растворяясь в феррите, марганец повышает прочность стали (пределы прочности и текучести), особенно в области содержаний 0,1—0,5 % С, но несколько снижает пластичность стали (относительное удлинение и ударную вязкость). Марганец повышает износостойкость и упругость стали, широко применяется для легирования конструкционных, пружинно-рессорных, износостойких и других сталей.



Чаще всего применяют стали низко- (0,8—1,8 % Mn) и высоколегированные (10—15% Mn), в которых в качестве легирующих элементов могут быть также хром, никель и др. Марганец в легированных сталях часто является заменителем более дорогого и дефицитного никеля.

В конструкционных сталях марганец может быть единственным легирующим элементом (0,8—1,8%) или в сочетании с другими: в шарикоподшипниковой — в сочетании с хромом (0,9—1,2% Mn, 1,3—1,6% Сг, 0,95—1,1% С), в рессорно-пружинной — в сочетании с кремнием (0,6—0,9 % Mn, 1,5—2,0% Si, 0,5—0,6% С). Из высоколегированных наибольшее распространение имеет сталь 110Г13Л (сталь Гатфильда), содержащая 1,0—1,2% С и 12—14% Mn и обладающая высокой износостойкостью благодаря большой вязкости и пластичности при высокой твердости. Она используется для изготовления различных деталей, подвергающихся сильному истиранию: зубьев ковшей экскаваторов и драг, шаров шаровых мельниц и т. д. Сталь Гатфильда плохо поддается обработке давлением и резанием, и изделия из нее в основном получают в литом виде.

Марганец вследствие образования прочных карбидов несколько снижает пластичность стали, особенно при обыч­ной температуре.

Поведение марганца в сталеплавильных ваннах.Марганец вносится в сталеплавильную ванну в основном с чугуном и ломом. В зависимости от содержания марганца в чугуне и ломе и их соотношения содержание марганца в исходной шихте изменяется в широких пределах: от 0,3—0,5 до 1,0—1,5 % и более. В сталеплавильной ванне марганец в основном окисляется до MnО. Одновременно образуется и некоторое количество Mn2Оз, но это практического значения не имеет, поэтому в сталеплавильных процессах достаточно рассмотрение реакции образования MnО.

Окисление марганца в период окислительного рафинирования протекает по реакции [Mn]+(FeO)=(MnО)+[Fe], а в период раскисления — по реакции [Mn]+[О]=MnО.

Характерно, что при раскислении металла только марганцем, как правило, MnО выделяется в виде сплава MnО — FeO.

Содержание марганца в металле по ходу плавки изменяется, подчиняясь следующим общим закономерностям.

В периоды плавки, когда реакция окисления марганца не находится в состоянии равновесия, а протекает в сторону образования оксида, содержание марганца в металле только уменьшается, но с разной скоростью в зависимости от кон­кретных условий — интенсивности поступления кислорода в ванну, концентрации марганца и других окисляющихся примесей в металле, температуры, содержания оксидов железа в шлаке и т. п. В конкретном процессе (при постоянной скорости поступления кислорода и т. п.), чем больше концентрации марганца и оксидов железа и выше температура, тем больше скорость окисления марганца и наоборот, поэтому обычно продолжительность окисления марганца в начале плавки в незначительной степени зависит от исходной его концентрации в металле.

После достижения равновесия содержание марганца в металле по ходу процесса может оставаться неизменным при постоянстве внешних условий или изменяться в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от характера изменения внешних условий — температуры, окисленносги ванны, количества шлака и т. п. Повышение температуры способствует увеличению содержания марганца в металле, так как реакция окисления его экзотермическая, а увеличение количества шлака и повышение окисленности ванны приводят к его снижению, и наоборот.

В конце плавки обычно температура ванны повышается, а количество шлака увеличивается незначительно, поэтому в случаях незначительного изменения содержания FeO в шлаке концентрация марганца в металле в конце плавки повышается. Это наблюдается при содержании углерода в металле 0,2—0,3 % и более. Если содержание углерода в металле очень низкое (не более 0,05—0,07 %), то вследствие резкого повышения содержания FeO в шлаке концентрация марганца в металле снижается, несмотря на дополнительное повышение температуры, неизбежное при выплавке низкоуглеродистон стали. В частном случае, когда к концу плавки происходит снижение содержания марганца в металле в результате повышения FeO в шлаке в той мере, в какой происходит его повышение благодаря возрастанию температуры, в конце плавки концентрация марганца в металле остается на одном уровне.

Уровень концентрации марганца в металле в конце плавки зависит от многих факторов, главными из которых являются содержание марганца в исходной шихте, шлаковый режим плавки и концентрация углерода в металле.

Содержание MnО в шлаке по ходу плавки уменьшается. Высокое содержание MnО в начале плавки объясняется тем, что марганец металла в основном окисляется в этот период. В дальнейшем в результате увеличения количества шлака и восстановления марганца содержание MnО в шлаке уменьшается. Это уменьшение происходит практически до конца плавки, так как и формирование шлака, и повышение температуры ванны не прекращаются до окончания плавки.

Поскольку марганец в готовой стали обычно является полезной примесью, то, если возможно, принимают такой шлаковый режим, который обеспечивает наибольшее сохранение его в металле.

Обеспечение заданного содержания марганца в готовой стали.В большинстве случаев остаточное содержание марганца бывает значительно меньше заданного. Заданное содержание марганца в готовой стали обеспечивается введением его в металл в виде того или иного металлического марганецсодержащего материала (ферромарганца, силикомарганца, металлического марганца и др ) в конце плавки в ванну или в ковш при выпуске, во время обработки вакуумом и нейтральным газом.

Ферромарганец хорошо растворяется в жидком железе. Кроме того, при растворении ферромарганца происходит незначительное снижение температуры металла. Растворение в жидком металле, имеющем температуру 1600—1620 °С, 1 % твердого холодного ферромарганца может вызвать охлаждение металла примерно на 16—17 °С.

При выплавке углеродистых сталей ферромарганец обычно вводят в ковш, не опасаясь большого охлаждения металла. При введении ферромарганца в ковш уменьшаются потери в результате окисления и испарения. Увеличив дополнительный перегрев металла, можно легировать сталь в ковше ферромарганцем при любом его расходе. Смешение жидкого ферромарганца с жидким железом протекает практически без теплового эффекта. Во избежание значительного охлаждения металла при введении в ковш больших количеств ферромарганца используют предварительный нагрев ферросплава. Например, нагрев ферромарганца до 800—900 °С позволяет вводить его в ковш до 4 % без заметного охлаждения металла. Обеспечение необходимого содержания марганца в готовой стали не всегда может сводиться только к введению в металл того или иного количества ферромарганца с учетом возможного окисления марганца в процессе растворения этого материала. В некоторых случаях необходимо учитывать возможное восстановление марганца в процессе раскисления и легирования. Значительное восстановление марганца возможно при резком снижении (FeO), что бывает при так называемом диффузионном раскислении.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Окисление углерода | Окисление и восстановление марганца

Дата добавления: 2014-01-03; Просмотров: 5662; Нарушение авторских прав?


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Рекомендуемые страницы:

Читайте также:
studopedia.su - Студопедия (2013 - 2020) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.003 сек.