[发明专利]一种真空蒸馏锰铁提取金属锰的方法及装置

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：