DE102013016366A1 - Production of high quality manganese from ferromanganese by evaporation in a vacuum induction plant - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von technisch reinem Mangan durch Verdampfung von kohlenstoffhaltigem Ferromangan in einem Induktionsvakuumgefäß, wobei das Verfahren unter Vakuum und Temperaturen oberhalb der Liquidus-Temperatur des Mangans ausgeführt wird, und eine Pfanne mit flüssigem kohlenstoffhaltigem Ferromangan in einen Induktionsverdampfer (1) eingesetzt wird, das Metall unter Vakuum, erzeugt und durch ein Vakuumpumpen- (3) und Filtersystem (10) im Bereich von 10–900 mbar und einer Temperatur im Bereich von > 1248°C rührend mit Argon verdampft und im weiteren Verlauf der Anlage durch einen primären Kühler (4) mit Wasser gekühlt wird, wobei die Mn-Dämpfe in einer mobilen Kondensationskammer (2) bei Temperaturen im Bereich von 1350–1400°C durch einen sekundären Kühler (5) verflüssigt und durch ein siphonartiges beheiztes Abstichloch kontinuierlich in eine Gießmaschine (8) abgestochen und zum Endprodukt (11) vergossen werden. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.A process for producing engineered manganese by evaporating carbonaceous ferromanganese in an induction vacuum vessel, the process being carried out under vacuum and at temperatures above the liquidus temperature of the manganese, and inserting a ladle of liquid carbonaceous ferromanganese into an induction vaporizer (1) Metal under vacuum, and by a vacuum pump (3) and filter system (10) in the range of 10-900 mbar and a temperature in the range of> 1248 ° C stirring with argon evaporated and later in the system by a primary cooler ( 4) is cooled with water, wherein the Mn vapors liquefied in a mobile condensation chamber (2) at temperatures in the range of 1350-1400 ° C by a secondary cooler (5) and continuously through a siphon-like heated tap hole in a casting machine (8) tapped and the final product (11) shed. Apparatus for carrying out the method.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von technisch reinem Mangan durch Verdampfung von kohlenstoffhaltigem Ferromangan in einem Induktionsvakuumgefäß.The present invention relates to a process for the production of technically pure manganese by evaporation of carbonaceous ferromanganese in an induction vacuum vessel.
Mangan ist eins von den wichtigsten Legierungselementen bei der Stahlherstellung. Es zeichnet sich mit hoher Festigkeit und Dehnung aus. Die Erzeugung von Stahlsorten mit Mangan erfolgt durch Zugabe von manganhaltigen Legierungsmitteln während des Stahlherstellungsprozesses. Zu denen gehören Mn-Legierungen erzeugt in Hochöfen bzw. Reduktionsöfen mit hohem Kohlenstoffgehalt wie FeMnHC (HCFeMn) und Legierungen mit mittlerem FeMnMC (MCFeMn) und niedrigem Kohlestoffgehalt FeMnLC (LCFeMn). erzeugt in sekundärmetallurgischen Anlagen.Manganese is one of the most important alloying elements in steelmaking. It is characterized by high strength and elongation. The production of steel grades with manganese takes place by adding manganese-containing alloying agents during the steelmaking process. These include Mn alloys produced in blast furnaces or high carbon reduction furnaces such as FeMnHC (HCFeMn) and FeMnLC (LCFeMn) alloys with medium FeMnMC (MCFeMn) and low carbon content. produced in secondary metallurgical plants.
Die Mangan-Legierungen sind außer mit den genannten Kohlenstoffgehalten auch mit weiteren Elementen wie Phosphor und Schwefel belastet, so dass die Anwendung der Materialien nicht unbegrenzt in Einsatz kommen kann.The manganese alloys are loaded in addition to the carbon contents mentioned also with other elements such as phosphorus and sulfur, so that the application of materials can not be used indefinitely.
Typische Zusammensetzung von Mangan-Legierungen in Gew.-% sind:
Es wird allerdings immer öfter nach technisch reinem Mangan gefragt, um dem ständig wachsenden Ansprüchen der hochqualitativen Stahlherstellung nachzugehen. Derzeit wird technisch reines Mangan nur auf elektrolytischer Weise hergestellt, da reines Mangan technisch nicht durch die Reduktion mit Kohlenstoff gewonnen werden kann, da sich hierbei neben Mangan auch stabile Carbide, insbesondere Mn7C3, bilden.However, there is an increasing demand for technically pure manganese in order to meet the constantly growing demands of high-quality steel production. At present, technically pure manganese is only produced in an electrolytic manner, since pure manganese can not be obtained technically by reduction with carbon, since in addition to manganese there are also stable carbides, in particular Mn 7 C 3 .
Hierzu wird eine möglichst reine Mangansulfat-Lösung verwendet, die mit Edelstahl-Elektroden bei 5–7 V elektrolysiert wird. An der Kathode entsteht dabei reines Mangan, an der Anode Sauerstoff, der mit Manganionen weiter zu Braunstein reagiert.
Daneben sind auch die Gewinnung von Mangan durch die Reduktion von Manganoxiden mit Aluminium (Aluminothermie) oder Silicium bekannt.In addition, the extraction of manganese by the reduction of manganese oxides with aluminum (aluminothermy) or silicon are known.
Eine weitere Möglichkeit der Mangangewinnung besteht darin, die oben genannten Manganverbindungen soweit zu erhitzen, so dass das Mangan verdampf.Another way of Mangangewinnung is to heat the above manganese compounds so far, so that the manganese evaporates.
Allerdings entsteht reines Mangan erst bei Temperaturen über 1600°C, da erst bei dieser Temperatur ein Teil des Mangans zu verdampfen beginnt, so dass dieser Herstellungsweg bisher nicht wirtschaftlich anwendbar war.However, pure manganese is formed only at temperatures above 1600 ° C, since only at this temperature, a portion of the manganese begins to evaporate, so that this production route has not been economically applicable.
Eine Aufgabe der vorliegen Erfindung ist es, ein Verfahren zur kontinuierlichen Mangan-Herstellung durch Verdampfung der Ausgangrohstoffe zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig und damit wirtschaftlich ist.An object of the present invention is to provide a process for the continuous production of manganese by evaporation of the starting raw materials, which is inexpensive and thus economical.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, insbesondere dadurch, dass das Verfahren unter Vakuum und Temperaturen oberhalb der Liquidus-Temperatur des Mangans ausgeführt wird, wobei eine Pfanne mit flüssigem kohlenstoffhaltigem Ferromangan in einen Induktionsverdampfer eingesetzt wird, das Metall unter Vakuum, erzeugt und durch ein Vakuumpumpen- und Filtersystem im Bereich von 10–900 mbar und einer Temperatur im Bereich von > 1248°C rührend mit einem Inertgas verdampft und im weiteren Verlauf der Anlage mit Wasser gekühlt wird, wobei die Mn-Dämpfe in einer mobilen Kondensationskammer bei Temperaturen im Bereich 1350–1400°C verflüssigt und durch ein siphonartiges beheiztes Abstichloch kontinuierlich in eine Vergießmaschine abgestochen werden.This object is achieved by the features specified in
Die in der Erfindung präsentierte Anlage und das Verfahren stellt eine innovative Technik nicht nur im Sinne der kontinuierlichen Mangan-Herstellung aber auch ihres Vergießens dar.The plant presented in the invention and the process represents an innovative technique not only in terms of continuous manganese production but also their potting.
Im Folgenden sollen die metallurgischen Eigenschaften des Mangans beschrieben werden. In the following, the metallurgical properties of manganese are described.
Das Zweikomponentensystem Mn-Fe, stellt verschiedene Wandlungsphasen der Lösung Mangan-Eisen dar. Wie dem untenstehenden Diagramm zu entnehmen ist, liegt die Liquidustemperatur des reinen Mangans bei 1246°C.The two-component system Mn-Fe represents various phases of the manganese-iron solution. As shown in the diagram below, the liquidus temperature of pure manganese is 1246 ° C.
Fe-Mn Phasengleichgewichtsystem Mn-Fe Fe-Mn phase balance system Mn-Fe
Beim Mangangehalt von 65–92%, typischem Gehalt der Ferrolegierungen, liegt die Liquidustemperatur im Bereich 1246–1280°C. Sie definiert die niedrigste Temperatur bei der das Flüssigmaterial zu verdampfen beginnt. Der Dampfdruck in Abhängigkeit der Temperatur hat einen exponentiell wachsenden Verlauf.At the manganese content of 65-92%, typical content of the ferroalloys, the liquidus temperature is in the range 1246-1280 ° C. It defines the lowest temperature at which the liquid material starts to evaporate. The vapor pressure as a function of the temperature has an exponentially increasing course.
Mn-Dampfdruck Mn-vapor pressure
Um die physikalischen Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu veranschaulichen, wird nachstehend die Verdampfungskinetik des Mangans beschrieben.In order to illustrate the physical conditions of the process according to the invention, the evaporation kinetics of manganese will be described below.
Die Verdampfungskinetik des Mangans ist eine Funktion des Druckes, der Temperatur und der Inertgasrate. Der Verdampfungsprozess selbst erfolgt durch Phasenumwandlung-Flüssigkeit/Gas (Dampf) bei gegebener Temperatur und dem Druck nach dem Gesetz der ersten Ordnung, wie in Gleichung (1) darstellt ist,
- (–dMn/dt):
- Verdampfungsrate in %/min
- τ:
- Phasenumwandlungskonstante in Minuten
- [Mn]:
- aktuelle Mangan-Konzentration
- [Mn*]:
- Mn-Gleichgewichtskonzentration bei aktuellem Prozesszustand (p, T, Inertgas) ist.
- (-DMn / dt):
- Evaporation rate in% / min
- τ:
- Phase conversion constant in minutes
- [Mn]:
- current manganese concentration
- [Mn *]:
- Mn equilibrium concentration at the current process state (p, T, inert gas).
Bei einem Phasengleichgewicht (Flüssigkeit-Gas)
Dabei gilt
- 1. NMn: Mn-Volumenstrom im Vakuumgefäß in Nm3/min, direkt proportional zur Verdampfungsrate ausgedrückt durch k(–dMn/dt),
- 2. uAr: eingeblasener Ar-Volumenstrom in das Vakuumgefäß in Nm3/min,
- 3. p: Druck innerhalb des Verdampfungsgefässes
- 1. NMn: Mn volume flow in the vacuum vessel in Nm3 / min, directly proportional to the evaporation rate expressed by k (-dMn / dt),
- 2. uAr: blown Ar volumetric flow into the vacuum vessel in Nm3 / min,
- 3. p: pressure inside the evaporation vessel
Gleichungen (4) und (5) in Verbindung mit der Gleichung (1) ergeben den folgenden Zusammenhang: Equations (4) and (5) in conjunction with equation (1) give the following relation:
Die Gleichung (6) gibt das Steuerprinzip angelehnt an die folgenden Größen wieder:
- – Metalltemperatur T, geregelt im Temperaturbereich größer als 1246°C mit einer induktiven Heizung
- – Gefäßdruck p, geregelt im
Bereich 10 bis 900 mbar mittels eines Vakuumpumpensystems - – Ar-Inertgasdurchflussrate uAr, geregelt im Bereich 0.05 bis 0.5 Nm3/(tMetall min) mittels eines Einblassystems.
- - Metal temperature T, regulated in the temperature range greater than 1246 ° C with an inductive heating
- - Vessel pressure p, regulated in the
range 10 to 900 mbar by means of a vacuum pump system - - Ar-Inertgasdurchflußrate uAr, regulated in the range 0.05 to 0.5 Nm3 / (tMetall min) by means of an injection system.
Hieraus ergeben sich alle relevanten Parameter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.This results in all relevant parameters for carrying out the method according to the invention with the device according to the invention.
Das Verfahren sieht vor, dass die Verflüssigung der Mn-Dämpfe kontinuierlich mittels des sekundären Kühlers, der im Dampfstrom innerhalb einer Dampfleitung angeordnet und zwecks der Verbesserung des Tropfenabflusses in konischer Form ausgebildet ist, erfolgt.The method provides that the liquefaction of the Mn vapors takes place continuously by means of the secondary cooler, which is arranged in the vapor stream within a vapor line and is formed in a conical shape for the purpose of improving the drop outflow.
Das Vakuumpumpensystem ist zusätzlich mit einem sekundären Wasserkühlsystem, einem Kondensator und einem Filter ausgestattet. Der Verdampfungsprozess wird dabei zusätzlich mit Argon als Inertgas unterstützt und bildet quasi eine Schutzgasatmosphäre aus.The vacuum pump system is additionally equipped with a secondary water cooling system, a condenser and a filter. The evaporation process is additionally supported with argon as an inert gas and forms a kind of inert gas atmosphere.
Das technisch reine Mangan wird kontinuierlich mit Wasser gekühlt, abgestochen und unter der Argonschutzgasatmosphäre in eine Gießmaschine aufgegeben, wo es in entsprechend gewünschte Formate gegossen werden kann. The technically pure manganese is continuously cooled with water, tapped and placed under the Argon protective gas atmosphere in a casting machine, where it can be poured into the desired formats.
Während des Prozesses ist es vorgesehen, die Verdampfungsrate, Temperatur, Vakuumdruck und Inertgasdurchflussrate zu steuern. Das zu verdampfende Verdampfungsmaterial kann aus verschiedenen Mn-Konzentrationen bestehen, die dann wiederum die Verdampfungsrate, Temperatur und Inertgasdurchflussrate beeinflussen können.During the process, it is intended to control the rate of evaporation, temperature, vacuum pressure and inert gas flow rate. The evaporation material to be evaporated may consist of various Mn concentrations, which in turn may then influence the rate of evaporation, temperature and inert gas flow rate.
Auch soll es möglich sein, dass das Verdampfungsmaterial kontinuierlich oder diskontinuierlich in den Induktionsverdampfer chargiert wird.It should also be possible that the evaporation material is charged continuously or discontinuously in the induction evaporator.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung zu stellen.Another object of the present invention is to provide an apparatus for carrying out the method according to the invention.
Diese weitere Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß der im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst, insbesondere dadurch einen Verdampfer in dem die Manganlegierung eingesetzt wird, das Metall unter Vakuum, erzeugt und durch ein Vakuumpumpen- und Filtersystem im Bereich von 10–900 mbar und einer Temperatur im Bereich von > 1248°C rührend mit Argon als Schutzgas verdampfbar ist und über eine primäre Wasserkühlung und über eine sekundäre Wasserkühlung gekühlt wird, wobei die Mn-Dämpfe in einer mobilen Kondensationskammer bei Temperaturen im Bereich 1350–1400°C im flüssigen Aggregatzustand gesammelt werden und durch ein siphonartiges beheiztes Abstichloch kontinuierlich in eine Vergießmaschine abstechbar ist.This further object is achieved by a device according to the features specified in claim 9, in particular an evaporator in which the manganese alloy is used, the metal under vacuum, and generated by a vacuum pump and filter system in the range of 10-900 mbar and a temperature In the range of> 1248 ° C stirring with argon is inert as a protective gas and is cooled by a primary water cooling and a secondary water cooling, the Mn vapors are collected in a mobile condensation chamber at temperatures in the range 1350-1400 ° C in the liquid state and is continuously abstechbar by a siphon-like heated tap hole in a Vergießschieb.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Verdampfer ein Induktionsverdampfer, der auf einer Hydraulikplattform angeordnet und über diese vertikal verfahrbar ausgebildet ist.In a further embodiment, the evaporator is an induction evaporator, which is arranged on a hydraulic platform and designed to be vertically movable over it.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die mobile Kondensationskammer horizontal verfahrbar ausgebildet.According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, the mobile condensation chamber is designed to be horizontally movable.
In einer weiteren Ausführungsform sind der Induktionsverdampfer und die Kondensationskammer über eine, mit der primären Wasserkühlung und der sekundären Wasserkühlung wirkverbundenen Dampfleitung gasdicht miteinander verbunden.In a further embodiment, the induction evaporator and the condensation chamber are gas-tightly connected to one another via a steam line operatively connected to the primary water cooling and the secondary water cooling.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungemäßen Vorrichtung ist die sekundäre Wasserkühlung innerhalb der Dampfleitung im Dampfstrom über der Kondensationskammer angeordnet.In a particularly advantageous embodiment of the device according to the invention, the secondary water cooling within the steam line is arranged in the vapor stream above the condensation chamber.
Es ist vorgesehen, dass die Dampfleitung mit einer Zuleitung für das Schutzgas (Inertgas) verbunden ist und das Schutzgas (Inertgas) in der Dampfleitung und der Zuleitung im Kreislauf geführt wird, wobei dampfförmiges Mangan durch einen, der Zuleitung zugeordneten, sekundären Kondensator abgeschieden werden kann und das Schutzgas (Inertgas) über die Zuleitung den Induktionsverdampfer und damit dem Dampfstrom wieder zugeführt wird. Dabei ist es vorgesehen, dass auch zusätzliches Inertgas über die Einspeisung dem Kreislauf zugeführt werden kann, um die prozessbedingten Verluste ausgleichen zu können und so die Konzentration im Kreislaufsystem regulieren zu können.It is envisaged that the steam line is connected to a supply line for the protective gas (inert gas) and the protective gas (inert gas) is circulated in the steam line and the supply line, wherein manganese manganese can be separated by a secondary condenser assigned to the feed line and the protective gas (inert gas) via the feed line to the induction evaporator and thus the steam flow is fed back. It is envisaged that additional inert gas can be supplied via the feed to the circuit in order to compensate for the process-related losses and so to be able to regulate the concentration in the circulatory system.
Um die Konzentration an dem Schutzgas (Inertgas) im Kreislauf möglichst konstant zu halten, kann zusätzliches Schutzgas über eine Einspeisung in die Zuleitung eingeleitet werden, wo es über einen sekundären Filter wieder in den Induktionsverdampfer eingespült werden kann.In order to keep the concentration of the protective gas (inert gas) in the circulation as constant as possible, additional protective gas can be introduced via a feed into the supply line, where it can be flushed back into the induction evaporator via a secondary filter.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.The device according to the invention for carrying out the method according to the invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings.
Die einzige Figur zeigt:The only figure shows:
Wie in der einzigen Figur dargestellt, besteht die Vorrichtung
Im Bodenbereich des Induktionsverdampfers
Der sich in der Dampfleitung
Die sekundäre Wasserkühlung
Unterhalb der sekundären Wasserkühlung
In der horizontal verfahrbar ausgebildeten Kondensationskammer
Der verfahrbaren Kondensationskammer
Während die manganhaltigen Dämpfe im Dampfstrom
Das vom Mangandampf gereinigte Schutzgas wird in der Zuleitung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Induktionsverdampferinduction evaporator
- 22
- Kondensationskammercondensation chamber
- 33
- Vakuumpumpevacuum pump
- 44
- primäre Wasserkühlungprimary water cooling
- 55
- sekundäre Wasserkühlungsecondary water cooling
- 66
- Vakuumpumpe mit WasserkühlsystemVacuum pump with water cooling system
- 77
- ArgonschutzatmosphäreArgon protective atmosphere
- 88th
- Gießmaschinecasting machine
- 99
- Hydraulikplattformhydraulic platform
- 1010
- Sekundärfiltersecondary filter
- 1111
- Endproduktend product
- 1212
- sekundär Kondensatorsecondary capacitor
- 1313
- Abstichlochtap hole
- 1414
- Dampfleitungsteam line
- 1515
- Zuleitungsupply
- 1616
- Einspeisungfeed
- 1717
- Dampfstromsteam power
- 1818
- Vorrichtungcontraption
- 1919
- Spülrohranschlussflush pipe connection
- 2020
- Anschlussconnection
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