Марганец: 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.

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.

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

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.