Силикомарганец представляет собой многокомпонентный сплав системы Mn — Si — Fe — C — P. Содержание углерода в нем зависит от концентрации кремния: чем больше кремния в сплаве, тем ниже растворимость в сплаве углерода. Поскольку образование стандартного по кремнию сплава происходит в направлении постепенного обогащения углеродистых частиц металла восстанавливаемым кремнием, постоянно изменяется состав частиц сплава. Это затрудняет точное описание химической сущности процесса получения силикомарганца при помощи стехиометрической реакции. В этой связи ниже показана последовательность химизма стадий сложного процесса образования силикомарганца. На первой стадии развиваются процессы восстановления высших оксидов марганца агломерата с участием монооксида углерода, а затем оксида марганца MnO по реакции прямого восстановления до карбида

формула

Условия ΔG°T = 0 выполняются при p = 101 кПа и T = 1597 К. В зоне высоких температур заметное развитие получает реакция восстановления кремнезема. Наличие металлического расплава термодинамически облегчает процесс восстановления кремния:

формула

и образования силикомарганца, что может быть описано химической схемой

формула

Теоретическая температура начала протекания этой реакции определяется содержанием кремния в сплаве. В общем виде процесс получения силикомарганца можно представить суммарной реакцией

формула

При анализе восстановительных реакций выплавки силикомарганца с различным содержанием кремния следует иметь в виду, что до 23,5 % Si  равновесной фазой с этими сплавами является графит, тогда как при >23,5 % Si — только карбид кремния. Эта зависимость подтверждается экспериментально. Таким образом, в насыщенном углеродом расплаве силикомарганца можно принять ас = 1. Расплавы силикомарганца с содержанием кремния до 23 % находятся в равновесии с графитом, а свыше — с карбидом кремния. Если в локальных зонах ванны печи и создаются условия восстановления SiO2 кварцита до карбида кремния, то в контакте с металлической фазой (расплавом силикомарганца марок СМн10 — СМн20) неравновесный карбид кремния разрушится. Последовательность процессов взаимодействия металлических насыщенных углеродом расплавов с карбидом кремния и кремнием была изучена и может быть представлена следующими химическими схемами:

формула

формула

Более вероятно, что повышение концентрации кремния в сплаве достигается благодаря восстановлению кремния на границе раздела фаз оксидный насыщенный кремнеземом шлаковый расплав — углеродистый восстановитель, а также вследствие взаимодействия углерода, растворенного в первых каплях сплава, с SiO2 по схеме

формула

Анализ многокомпонентной шлаковой системы при выплавке силикомарганца показывает, что массовое содержание в шлаке 46—48 % SiO2 близко к насыщению и, следовательно, aSiO2 = 1. Учитывая, что процесс ведется при атмосферном давлении (pCO = 0,1 МПа), константа равновесия, или точнее характеристика равновесия суммарной реакции, будет иметь вид

формула

где [Mn] и [Si] — массовое содержание марганца и кремния в сплаве, %; (MnO) — массовое содержание MnO в шлаке, %; ƒMn ,ƒSi , ƒMnO — коэффициенты активности марганца, кремния в сплаве и MnO в шлаке с учетом влияния других компонентов сплава и шлака.

Закристаллизованные сплавы составов, соответствующих промышленным маркам силикомарганца СМн10 — СМн20, содержат различное количество карбосилицида и силикокарбида (фазы Новотного), что и определяет различный уровень концентрации углерода в силикомарганце соответствующих марок. В высококремнистом силикомарганце СМн26 основной структурной составляющей является фаза Новотного, равновесная концентрация углерода в которой при 23,5 % Si составляет 0,16 %.