Ferromanganeso

El ferromanganeso es una aleación de hierro y manganeso , con otros elementos como silicio , carbono , azufre , nitrógeno y fósforo . ^{[ 1 ]} El uso principal del ferromanganeso es como fuente de manganeso procesado para añadir a diferentes tipos de acero, como el acero inoxidable . La producción mundial de ferromanganeso con bajo contenido de carbono (es decir, aleaciones con menos del 2 % de carbono) alcanzó 1,5 megatoneladas en 2010. ^{[ 2 ]}

Las propiedades del ferromanganeso varían considerablemente según el tipo y la composición de la aleación. El punto de fusión suele estar entre 1200 °C (2190 °F) y 1300 °C (2370 °F) . ^{[ 3 ]} La densidad de la aleación depende ligeramente de los tipos de impurezas presentes, pero generalmente ronda los 7,3 g/cm³ ⁽ 0,26 lb/pulg³ ) . ^{[ 4 ]}      

Las fuentes de mineral de manganeso generalmente también contienen óxidos de hierro. Dado que el manganeso tiene una energía libre de oxidación más negativa que el hierro, _es decir , _es químicamente más difícil de reducir, durante la reducción del mineral de manganeso, el hierro también se reduce y se mezcla con el manganeso en la masa fundida. Esto difiere de otros óxidos como SiO₂ , Al₂O₃ y CaO , que son más estables como óxidos que el manganeso _. ^{[ 5 ]}

La reducción se logra mediante un horno de arco sumergido . Existen dos procedimientos industriales principales para llevar a cabo la reducción: el método de escoria de descarte (o método de fundente) y el método dúplex (o método sin fundente). A pesar del nombre, las diferencias entre los métodos no radican en la adición de fundente , sino en el número de etapas requeridas. En el método de fundente, se añaden fundentes básicos como el CaO para reducir electrolíticamente el mineral de manganeso.

${\displaystyle {\ce {2MnO + C -> 2Mn + CO2}}}$

La escoria restante tras el proceso de reducción tiene un contenido de manganeso de aproximadamente el 15-20%, que normalmente se desecha.

En el método sin fundente, la reducción de carbono también se utiliza en la primera etapa, pero los fundentes añadidos no necesariamente aumentan la actividad del manganeso. Como resultado, la escoria restante tiene una concentración de manganeso del 30 % al 50 %. Esta se reprocesa con cuarcita para obtener aleaciones de silicomanganeso . La escoria resultante tiene un contenido de manganeso inferior al 5 %, lo que aumenta el rendimiento. Por consiguiente, este método se utiliza con mayor frecuencia en la industria.

En ambos métodos, debido a la adición de carbono como agente reductor, la aleación producida se denomina ferromanganeso de alto contenido de carbono (HCFM), con un contenido de carbono de hasta el 6%. ^{[ 6 ]}

Se requiere una mezcla correcta de coque, fundente y composición del mineral para obtener un alto rendimiento y un funcionamiento fiable del horno, logrando así las propiedades químicas, la viscosidad y la temperatura de fusión deseadas en el metal fundido resultante. Dado que la proporción de hierro a manganeso de las fuentes naturales de manganeso varía considerablemente, a veces se mezclan minerales de diversas fuentes para obtener una proporción determinada. ^{[ 7 ]}

En la fabricación de acero, se prefiere el ferromanganeso de bajo contenido de carbono (LCFM) debido a la capacidad de controlar con precisión la cantidad de carbono en el acero resultante. Para obtener LCFM a partir de HCFM, existen dos métodos principales: la reducción silicotérmica y el refinamiento con oxígeno.

En la reducción silicotérmica, el silicomanganeso procedente de la segunda etapa del proceso dúplex se utiliza como agente reductor. Tras diversas etapas de mezcla y fusión para reducir el contenido de silicio, se puede obtener una aleación con bajo contenido de carbono, con menos del 0,8 % de carbono y el 1 % de silicio en peso.

En el método de refinamiento con oxígeno, el HCFM se funde y se calienta a una temperatura elevada de 1750 °C (3180 °F) . A continuación , se inyecta oxígeno para oxidar el carbono en CO y CO₂ _{. La desventaja de este proceso es que el metal también se oxida a estas altas temperaturas. El óxido de} manganeso se acumula principalmente en forma de Mn₃O₄ _en el polvo que sale del crisol. ^{[ 8 ]}  

En 1856, Robert Forester Mushet "utilizó manganeso para mejorar la capacidad del acero producido por el proceso Bessemer para soportar el laminado y la forja a temperaturas elevadas". ^{[ 9 ] [ 10 ]}

En 1860, Henry Bessemer inventó el uso del ferromanganeso como método para introducir manganeso en proporciones controladas durante la producción de acero. La ventaja de combinar óxido de hierro en polvo y óxido de manganeso radica en el menor punto de fusión de la aleación resultante en comparación con el óxido de manganeso puro. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

En 1872, Lambert von Pantz produjo ferromanganeso en un alto horno, con un contenido de manganeso significativamente mayor que el que se había logrado hasta entonces (37% en lugar del 12% anterior). Esto le valió a su empresa reconocimiento internacional, incluyendo una medalla de oro en la Exposición Universal de Viena de 1873 y un certificado de reconocimiento en la Exposición del Centenario de Pensilvania de 1876. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

En un artículo de 1876, MF Gautier explicó que el óxido magnético necesita ser escoriado mediante la adición de manganeso (entonces en forma de hierro spiegel ) para que sea apto para el laminado. ^{[ 15 ]}