フェロマンガン

フェロマンガンは、鉄とマンガン、およびケイ素、炭素、硫黄、窒素、リンなどの他の元素の合金です。^{[1]フェロマンガンの主な用途は、}ステンレス鋼などのさまざまな種類の鋼に添加する加工マンガン源の一種です。低炭素フェロマンガン（炭素含有量が2％未満の合金）の世界生産量は、2010年に1.5メガトンに達しました。^[2]

フェロマンガンの特性は、合金の正確な種類と組成によって大きく異なります。融点は通常1,200 °C (2,190 °F) から 1,300 °C (2,370 °F) の間です。^[3]合金の密度は、存在する不純物の種類によって若干異なりますが、通常は約 7.3 g/cm ³ (0.26 lb/cu in) です。^[4]

マンガン鉱石の原料には、一般的に鉄酸化物も含まれています。マンガンは鉄よりも還元されにくいため^{[要出典] 、マンガン鉱石の還元中に、} SiO ₂、Al ₂ O ₃、CaOなどの他の酸化物とは異なり、鉄も還元され、溶融物中のマンガンと混合されます。^[5]

還元はサブマージアーク炉を使用して行われます。還元を行うための主な工業的手順は、廃棄スラグ法 (またはフラックス法) とデュプレックス法 (またはフラックスレス法) の 2 つです。名前にもかかわらず、この方法の違いはフラックスの追加ではなく、必要な段階の数にあります。フラックス法では、マンガン鉱石を電気分解で還元するために、CaO などの基本的なフラックスが追加されます。

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

還元処理後に残るスラグには約 15 ～ 20% のマンガンが含まれており、通常は廃棄されます。

フラックスレス法では、最初の段階で炭素還元も使用されますが、添加されたフラックスは必ずしもマンガンの活性を高めるわけではありません。その結果、残ったスラグのマンガン濃度は30％から50％になります。その後、これを珪岩で再処理してシリコマンガン合金を作ります。結果として得られた廃棄スラグのマンガン含有量は5％未満であり、収率が向上します。その結果、この方法は業界でより頻繁に使用されています。

どちらの方法でも、還元剤として炭素を添加するため、生成される合金は高炭素フェロマンガン（HCFM）と呼ばれ、炭素含有量は最大6％になります。^[6]

コークス、フラックス、鉱石の正しい配合は、得られる溶融物に望ましい化学的性質、粘度、および製錬温度を達成し、高い収率と信頼性の高い炉の運転を実現するために必要です。天然マンガン源の鉄とマンガンの比率は大きく異なるため、特定の望ましい比率を得るために複数の源からの鉱石を混合することもあります。^[7]

鋼鉄の製造では、得られる鋼鉄の炭素量を正確に制御できるため、低炭素フェロマンガン(LCFM) が好まれます。HCFM から LCFM に到達するには、珪素熱還元と酸素精製という 2 つの主な方法があります。

珪素熱還元では、二相プロセスの第 2 段階からの珪素マンガンが還元剤として使用されます。さまざまな混合および溶融段階を経て珪素含有量を減らすと、重量で 0.8% 未満の炭素と 1% 未満の珪素を含む低炭素合金が得られます。

酸素精製法では、HCFMを溶かして1,750℃（3,180℉）の高温に加熱する。その後、酸素を吹き込んで炭素をCOとCO ₂に酸化する。このプロセスの欠点は、高温で金属も酸化されてしまうことである。マンガンの酸化物は、るつぼから吹き出される粉塵の中に主にMn ₃ O ₄の形で集まる。 ^[8]

1856年、ロバート・フォレスター・マシェットは「ベッセマー法で生産された鋼鉄が高温での圧延や鍛造に耐えられるよう、マンガンを使用して能力を向上させた。」^{[9] [10]}

1860年、ヘンリー・ベッセマーは、鉄鋼生産中にマンガンを制御された割合で導入する方法として、フェロマンガンの使用を発明しました。粉末状の酸化鉄と酸化マンガンを組み合わせる利点は、純粋な酸化マンガンと比較して、組み合わせた合金の融点が低いことです。^{[11] [12]}

1872年、ランバート・フォン・パンツは高炉でマンガン含有量を従来より大幅に高めた（従来の12%から37%に上昇）フェロマンガンを生産した。これにより彼の会社は国際的な評価を獲得し、1873年のウィーン万国博覧会では金メダル、1876年のペンシルバニア州センテニアル博覧会では賞状を授与された。^{[13] [14]}

1876年の論文で、MFゴーティエは、磁性酸化物を圧延に適したものにするためには、マンガン（当時はシュピーゲル鉄の形で）を加えてスラグを除去する必要があると説明した。 ^[15]