一种真空蒸馏锰铁提取金属锰的方法及装置

摘要

一种真空蒸馏锰铁提取金属锰的方法及装置，属于金属冶炼技术领域。本发明采取真空条件下蒸馏锰铁来分离锰和铁以提取锰铁中金属锰，蒸馏过程中通过加料系统连续向炉中补充原料保证蒸馏过程的连续性及高效性，蒸馏出的锰蒸气通过管道输送到结晶收集室被冷却结晶收集起来。真空蒸馏锰铁提取金属锰的装置包括真空蒸馏炉体、炉体中设有熔炼室及配套加热系统、炉体外部连接真空系统、炉体上方装有密闭式炉盖、炉盖上部连接加料系统及蒸气运输管道、管道配有加热装置、管道另一端是结晶收集室，收集室装有抽气系统，收集室内设有滤板可以滤掉气体留下金属锰小颗粒。本发明生产效率高、节奏快，产品纯度较高、有害杂质含量低，而且生产过程作业环境好，对环境污染小。

说明书

技术领域

本发明属于金属冶炼技术领域，涉及锰铁合金熔炼，特别涉及一种真空蒸馏锰铁来提取 金属锰的方法及装置。

背景技术

锰是合金生产中最重要的合金添加元素，是不锈钢、高强度合金钢和有色金属合金的重 要原料，也是电子行业的基础材料。锰加入钢中能有效提高钢的强度、硬度、弹性极限、耐 磨性和耐腐蚀性。根据用户对产品需求不同，钢中添加不同含量的锰会使钢表现出不同的特 性。目前全球金属锰生产形成三大趋势：一是对其需求量越来越大；二是对其纯度要求越来 越高；三是其生产对环境的危害应越来越少。传统生产金属锰的方法包括铝热法、电硅热法 和电解法。其中铝热法是用金属铝还原锰的氧化物来制得金属锰，此法不仅成本高，而且得 不到纯锰。即使选择含锰量特别高的原料冶炼，所得金属锰仍然会有磷、铝等有害杂质。电 硅热法工艺复杂，首先要冶炼低磷富锰渣，再冶炼高硅硅锰合金，最后冶炼金属锰，此法所 生产的金属锰纯度大约为97.1％～96.8％，电耗在9450kw·h/tMn左右，现此法在各国均已少 用。电解法在1930年由美国矿务局开始试验，1935年基本获得成功，1939年投入工业生产， 此后在英、德、日等国相继得到发展，现已普及各国。此法系将锰矿石经还原焙烧成为可溶 于硫酸的氧化锰，再用硫酸和硫酸氨的混合液浸出得到硫酸锰液，最后电解获取金属锰。其 产品纯净,含锰可达99.7％以上，硫、磷、碳等杂质的含量极低,且可利用贫锰矿制取。但电 解法制备金属锰是资源、能源消耗高，污染物产量大的一种工艺，由于种种因素电解过程中 电流效率仅为60％～70％，吨锰生产电耗高达9000～11000kw·h，生产过程中排放的污染物对 工厂周边的地表水、地下水以及土壤等会造成严重污染。目前由于我国电解锰生产设备大型 化不够，生产过程自动化水平不高造成工人劳动强度大、劳动条件差，工艺参数控制不稳定。 以上这些生产中的不利因素长期以来严重制约着电解锰行业的发展。

真空冶金技术是有色金属生产的一种新技术，20世纪30年代该技术被应用于工业生产， 此类工艺特点在于：可以提高原料利用率，节约能源，降低成本，改善工人作业环境，而且 对周边环境污染小。真空冶金技术发展至今，前人对其基本理论、技术及设备等方面进行了 研究并积累了大量经验，真空冶金如今可谓是一种较为成熟的冶金技术。考虑到上述电解金 属锰工艺的不足，结合真空冶金技术的特点，经过大量理论研究及实验分析验证，提出了一 种利用真空蒸馏锰铁提纯金属锰的方法并针对其工艺设计了蒸馏装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空蒸馏锰铁提取金属锰的方法，其原理是铁和锰的纯物质 蒸汽压有很大差别，一定的温度和真空度条件下可以通过蒸馏将它们分离，从而提取出金属 锰。

为了实现上述目的，本发明从理论上进行分析研究。锰和铁的纯物质饱和蒸汽压差别很 大，其中锰的蒸汽压与温度的关系为：

从式子可以看出锰的纯物质蒸汽压要比铁的大得多。不同温度下锰与铁的蒸气压比较如表1 所示，在1000℃以下比大10⁵～10⁷倍，1000℃以上比大10⁴～10³倍，因此可以 根据这一特性通过蒸馏将这两个物质分离。另外，根据Mn-Fe系组元浓度与活度系数等热力 学数据通过计算可以得到Mn-Fe系中Fe的气液两相平衡关系，如表2所示，表明1200℃时 锰铁中的铁质量分数由0.3增大至0.9时蒸馏出的锰中含铁由4.47×10^-5增至5.74×10^-4，1550 ℃时蒸馏锰中含铁由4.06×10^-4增至5.97×10^-3。由此可见较低的蒸馏温度和合金中较高的锰含 量更容易得到纯净的蒸馏锰。

表1及与温度t的关系

表2Mn-Fe系Fe_l-Fe_g(质量分数)的平衡关系

以上从热力学角度分析说明了蒸馏锰铁分离锰的可行性，下面从动力学角度分析锰蒸馏 动力学过程。元素在真空中的挥发速率采用朗格缪尔公式计算：

$v_B=0.05833P_B{a}_B\sqrt{\frac{M_B}{T}}g·c{m}^{-2}·s^{-1}.$

式中a_B为B的纯物质标准态活度；P_B为B的饱和蒸汽压/mmHg。通过计算可得锰的最大蒸 发速率v_Mn＝4.03kg·m^-2·s^-1，这样的蒸馏速率是传统生产所不能比的。另外，蒸馏过程中的 阻力主要来自液面上方的气体分子，当刚蒸馏出锰分子向上运动时会遇到上方空气分子的碰 撞而阻碍蒸馏，通过提高蒸馏真空度可以使液面上方空气分子浓度降低从而减小蒸发过程的 阻力，有利于蒸馏。

由于金属锰产品有很大一部分的用途是提供给钢铁企业作为添加合金，如IF钢，因此用 户对产品中的P含量要求十分苛刻，而一般锰铁中都会含有一定量的P(0.2％～0.3％)，所以 必须考虑蒸馏过程中P的挥发问题。P在高温下(1500℃)饱和蒸汽压很大，为7.8×10⁷Pa。 但是P的活度很低，仅为3.9×10^-7。这样根据朗格缪尔公式可计算出其蒸发速率 v_P＝3.9×10^-4kg·m^-2·s^-1，说明蒸馏出的锰中只含极其微量P。以上理论分析保证了本发明的 可行性。

一种利用真空蒸馏工艺蒸馏锰铁提取金属锰的方法，其特征在于：利用铁和锰纯物质蒸 汽压在900～1400℃时为1.74×10⁵～2.73×10³的特征，通过真空蒸馏分离锰和铁，并 利用蒸馏收集装置将蒸馏出来的锰收集起来，从而得到金属锰。

具体提取步骤为：首先将原料锰铁装入熔炼室进行布料，并在布料时均匀混入占料重 20％～30％粒度大于0.5mm的炭粒，加入炭粒的目的在于当原料刚开始熔化时炭粒不熔化，这 样炭粒便起到支撑骨架的作用以防止料粒粘连结壳阻碍蒸馏；布料结束后关闭加料口抽真空 至10～50Pa；开启加热装置，按设定的加热程序将炉温升至目标温度，到达目标温度后进行 保温；蒸馏过程中根据蒸发量不断从加料口补加锰铁保证蒸馏过程的连续进行；蒸馏一段时 间后炉中锰含量降低到一定程度后停止蒸馏，倒炉重新布料。锰蒸气的收集：首先打开管道 加热系统将管道加热到800℃～1000℃，这样可以防止锰蒸气与低温的管道内壁接触后快速结 晶，减少管道中金属锰的冷凝粘结，提高收集率；然后开启收集室的抽气装置，通过抽气装 置驱动蒸气进入收集室，锰蒸气进入收集室后冷凝成固体小颗粒，在重力作用下沉积在收集 室底部被收集起来，气体则通过过滤板被抽出。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种真空蒸馏锰铁提取金属锰的装置，它包括真空 蒸馏炉体、炉体中设有熔炼室及配套加热系统、炉体外部连接抽真空系统、炉体上方装有密 闭式炉盖、炉盖上部连接加料漏斗及蒸气运输管道、加料漏斗上设加料阀、蒸气运输管道配 有加热装置、蒸气运输管道另一端是结晶收集室，收集室装有抽气系统为收集金属锰蒸气提 供动力，收集室内设有滤板可以滤掉气体留下金属锰小颗粒。本发明装置蒸馏时连续性强， 易操作，环境污染小。

本发明优点在于采用了一种新的制取金属锰的方法，这种真空蒸馏锰铁制备金属锰的方 法较传统的电解法更高效，生产节奏快；合金原料和能源的利用率更高，作业环境更好，而 且对环境的污染明显减少。

四、附图说明

图1真空蒸馏锰铁提取金属锰装置的示意图，其中：1-真空蒸馏炉体，2-熔炼室加热装 置，3-熔炼室，4-蒸气运输管道，5-真空蒸馏炉盖，6-结晶收集室，7-收集室抽气装置，8-收 集室滤板，9-管道加热装置，10-管道阀，11-加料漏斗，12-加料阀，13-抽真空系统，14-熔炼 室底座。

五、具体实施方式

本发明应用真空蒸馏锰铁提取金属锰装置的操作方法：

1)将破碎成小块的高碳锰铁(成本低)去除表面的油垢、烘干内部水汽后装入熔炼室3， 布料时均匀加入一些炭粒(料重20％～30％)；

2)关闭真空蒸馏炉盖5，启动抽真空系统13抽真空，达到预定的真空度后，开启加热 装置2按设定的目标温度开始加热，达到目标温度后保温；

3)蒸馏过程中打开管道加热装置9将管道预热至一定温度；

4)打开收集室抽气装置7及管道阀10进行锰蒸气的收集；

5)蒸馏过程中根据时间计算锰的蒸出量，通过加料漏斗8定期向炉内补料；

6)当炉中锰含量降低到一定程度时停止蒸馏，倒炉重新加料进行下一次蒸馏。

实施实例1：原料采用牌号为FeMn74C7.5的高碳锰铁(GB/T3795-96)成分见表3：

表3高碳锰铁成分及含量

重量为5kg，原料烘干并去除表面油垢后装入熔炼室3，同时混入粒度1mm的炭粒1kg， 关闭真空蒸馏炉盖5，启动抽真空系统13抽真空，控制真空度在5～10Pa，开启熔炼室加热装 置2设定目标温度为1300℃开始加热2h，保温2h，给原料升温的同时打开管道加热装置9 预热到900℃左右，开启收集室抽气装置7使蒸馏出的锰蒸气通过运输管道4进入到结晶收 集室6，蒸馏过程中通过加料漏斗11向炉内加料十五次共9.5kg，一炉蒸馏结束后关闭加热 装置2，关闭管道阀10，在结晶收集室6内得到金属锰。

经化验分析，金属锰纯度为95.4％，其余比重主要为Fe。该纯度的产品完全满足钢铁企 业对锰合金原料的要求。