KR102279028B1 - 진공 유도 플랜트에서 기화에 의해 페로망가니즈로부터 고급 망가니즈의 제조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유도 진공 용기 내에서 탄소-함유 페로망가니즈를 기화시킴으로써 공업급 순도의 망가니즈를 제조하기 위한 공정 및 이 공정을 실시하기 위한 장치에 관한 것으로서, 여기서 공정은 망가니즈의 액상선 온도를 초과하는 온도에서 감압 하에서 실시되고, 액체의 탄소-함유 페로망가니즈를 수용한 팬이 유도 기화기 내에 투입되고, 금속은 감압 하에서 생성되고, 아르곤에 의해 교반되면서 10-900 mbar의 범위의 압력에서 1248℃를 초과하는 범위의 온도에서 진공 펌프 및 필터 시스템에 의해 기화되고, 더 나아가 이 플랜트 내에서 1차 응축기에 의해 물로 냉각되고, 여기서 망가니즈 증기는 1350-1400℃의 범위의 온도에서 가동식 응축실 내에서 2차 응축기에 의해 액화되고, 사이폰식의 가열된 출탕구에 의해 주조기 내로 연속적으로 출탕되어, 최종 생성물로 주조된다.
Description
본 발명은 유도 진공 용기 내에서 탄소-함유 페로망가니즈의 기화에 의해 공업적으로 순수한 망가니즈를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다.
망가니즈는 제강에서 가장 중요한 합금 원소 중 하나이다. 이것은 큰 강도 및 신율을 특징으로 한다. 망가니즈를 포함하는 유형의 강의 제조는 제강 공정 중에 망가니즈-함유 합금제를 첨가함으로써 실시된다. 이들은 용광로 또는 환원로에서 제조되는 FeMnHC(HCFeMn)과 같은 높은 탄소함량을 갖는 망가니즈 합금, 평균 탄소 함량을 갖는 합금(FeMnMC(MCFeMn)), 2차 금속 공장에서 제조되는 낮은 탄소 함량을 갖는 것(FeMnLC(LCFeMn))을 포함한다.
망가니즈 합금은, 상기 탄소 함량에 더하여, 또한 인 및 황과 같은 다른 원소를 함유하므로 이들 물질은 비제한적 방식으로 사용될 수 없다.
망가니즈 합금의 전형적인 조성은 중량%로 다음과 같다.
C Si P S Mn
FeMnHC 7-8 1.5-4.5 0.2-0.4 0.03 65-82
FeMnMC 1,0 1.5-2.5 0.2-0.4 0.02 75-85
FeMnLC 0.2-0.7 1-2 0.1-0.3 0.02 78-92
그러나, 점점 증가하는 고품질의 강 제조의 요구에 부합하기 위해 공업적으로 순수한 망가니즈에 대한 요구가 점점 증가하고 있다. 현재, 순수한 망가니즈는 오로지 전해법에 의해서만 제조되는데, 이것은 탄소를 이용한 환원 공정 중에 망가니즈 이외에 또한 안정한 탄화물, 특히 Mn7C3가 형성되므로 순수한 망가니즈는 이 공정에 의해 공업적으로 제조될 수 없기 때문이다.
이 공정의 경우, 가능한 순수한 망가니즈 황산염 용액이 사용되고, 이것은 5 -7 V에서 스테인리스 강 전극으로 전해된다. 이것은 캐소드 상에 순수한 망가니즈, 애노드 상에 산소를 생성하고, 이 산소는 망가니즈 이온과 더 반응하여 망가니즈 이산화물을 생성한다.
2MnSO4 + 2H2O → 2Mn + 2H2SO4 + O2
알루미늄(테르밋법) 또는 실리콘에 의한 망가니즈 산화물의 환원에 의해 망가니즈를 얻는 것이 또한 공지되어 있다.
망가니즈를 얻는 다른 실행가능한 수단은 망가니즈가 기화될 정도로 전술한 망가니즈 화합물을 가열하는 것이다.
그러나, 순수한 망가니즈는 1600℃를 초과하는 온도에서만 발생하는데, 이것은 이 온도에서만 망가니즈의 일부가 기화되기 시작하기 때문이다. 따라서 이 제조 방법은 현재까지 경제적으로 사용될 수 없다.
본 발명의 목적은 출발 원료 물질을 기화시킴으로써 저렴하고 따라서 경제적인 망가니즈의 연속 제조 공정을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에 제시된 특징에 의해, 특히 진공 하에서 망가니즈의 액상선 온도를 초과하는 온도에서 실시되는 공정에 의해 달성되고, 여기서 액체의 탄소-함유 페로망가니즈가 담긴 팬(pan)이 유도 기화기 내에 설치되고, 금속이 진공 하에서 생성되고, 불활성 기체로 교반되면서 10-900 mbar의 범위의 압력 및 1248℃를 초과하는 범위의 온도에서 진공 펌프 및 필터 시스템에 의해 기화되고, 더욱이 이 플랜트 내에서 물로 냉각되고, 여기서 망가니즈 증기는 1350-1400℃의 범위의 온도로 가동식 응축실에서 액화되고, 사이폰식의 가열된 출탕구에 의해 주조기 내로 연속적으로 출탕된다.
본 발명에 의해 제시되는 플랜트 및 공정은 망가니즈의 연속 제조 뿐만 아니라 그것의 주조 면에서 혁신적 기술을 구성한다.
이하에서 망가니즈의 금속학적 특성을 설명한다.
2 성분 시스템 Mn-Fe는 망가니즈-철 용액의 다양한 변환상을 대표한다. 이하의 상태도로부터 볼 수 있는 바와 같이, 순수한 망가니즈의 액상선 온도는 1246℃이다.
Fe-Mn 상평형 시스템 Mn-Fe
65-92%의 망가니즈 함량(철합금의 전형적인 함량)에서, 액상선 온도는 1246-1280℃의 범위에 있다. 이것은 액체 물질이 기화되기 시작하는 최저 온도를 한정한다. 증기압은 온도에 따라 급격하게 증가하는 추이를 보여준다.
순수한 Mn과 Mn7C3의 계산된 증기압
Mn 증기압
본 발명에 따른 공정의 물리적 조건을 설명하기 위해, 이하에서 망가니즈의 기화 반응속도론을 설명한다.
망가니즈의 기화 반응속도론은 압력, 온도 및 불활성 기체의 유량에 의존한다. 기화 공정 자체는, 식 (1)에 예시된 바와 같이, 제 1 차 법칙(law of the first order)에 따라 주어진 온도 및 압력에서 액체/기체(증기)의 상변태에 의해 발생된다.
여기서,
(-dMn/dt): 기화 속도(%/분)
τ: 상변태 상수(분)
[Mn]: 실제 망가니즈 농도
[Mn*]: 실제 공정 상태(p, T, 불활성 기체)에서 Mn 평형 농도
상평형(액체-기체)에서
온도-의존 상수 K(T)에 의해 표현하면
기화 압력(pMn) 뿐만 아니라 금속 조성의 함수로서 활성도 계수(fMn)에 의해, 망가니즈 평형[Mn*]은 다음과 같이 설명된다:
여기서,
다음이 적용된다:
1. Nmn: 진공 용기 내에서 Mn의 체적 유량(Nm3/분), k(-dMn/dt)에 의해 표현되는 기화 속도에 정비례함,
2. uAr: 진공 용기 내로 송풍되는 Ar의 체적 유량(Nm3/분),
3. p: 기화 용기 내부의 압력.
식 (1)과 관련하여 식 (4) 및 식 (5)는 다음의 상관관계를 제공한다.
식 (6)은 다음의 인자를 모델로 하는 제어 원리를 반영한다:
- 금속 온도 T, 유도 가열에 의해 1246℃를 초과하는 온도로 조절됨
- 용기 압력 p, 진공 펌프 시스템에 의해 10 내지 900 mbar의 범위로 조절됨
- Ar-불활성 기체의 유량 uAr, 송풍 시스템에 의해 0.05 내지 0.5 Nm3 /(금속 분(min))의 범위로 조절됨.
이것으로부터 본 발명에 따른 장치로 본 발명에 따른 공정을 실시하기 위한 모든 관련 파라미터가 얻어진다.
본 공정에서, 망가니즈 증기의 액화는 2차 냉각기에 의해 연속적으로 발생되고, 2차 냉각기는 증기 파이프의 내부의 증기류 내에 배치되고, 액적의 흐름(flowing off)을 개선하기 위해 원추 형상을 갖는다.
진공 펌프 시스템은 2차 수냉 시스템, 응축기 및 필터를 추가로 구비한다. 기화 공정은 준(quasi) 보호 기체 분위기를 형성하는 불활성 기체로서의 아르곤에 의해 추가로 지원된다.
공업적으로 순수한 망가니즈는 물에 의해 냉각되고, 아르곤 보호 기체 분위기 하에서 주조기 내로 출탕 및 공급되고, 이곳에서 이것은 원하는 형식에 따라 주조된다.
이 공정 중에 기화 속도, 온도, 진공 압력 및 불활성 기체의 유량이 제어된다. 기화될 물질은 상이한 망가니즈 농도로 구성될 수 있고, 이것은 기화 속도, 온도 및 불활성 기체 유량에 영향을 줄 수 있다.
또한 이 기화 물질은 연속적으로 또는 단속적으로 유도 기화기 내에 투입될 수 있어야 한다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치를 사용할 수 있도록 하는 것이다.
이 다른 목적은 청구항 9에 제시된 특징에 따른 장치에 의해, 특히 망가니즈 합금이 투입되는 기화기에 의해 달성되고, 금속은 진공 하에서 생성되어, 보호 기체로서의 아르곤을 포함하여 0-900 mbar의 범위의 압력 및 1248℃를 초과하는 온도에서 진공 펌프 및 필터 시스템에 의해 기화되고, 1차 수냉장치 및 2차 수냉장치에 의해 냉각되고, 망가니즈 증기는 1350-1400℃의 범위의 온도에서 가동식 응축실내에 액체 상태로 수집되고, 사이폰식의 가열된 출탕구를 통해 주조기 내로 연속적으로 출탕된다.
다른 실시형태에서, 기화기는 유압식 플랫폼 상에 배치되어, 이 유압식 플랫폼에 의해 수직으로 이동될 수 있는 유도 기화기이다.
본 발명에 따른 장치의 유리한 실시형태에 따르면, 가동식 응축실은 수평으로 이동될 수 있다.
다른 실시형태에서, 유도 기화기와 응축실은 1차 수냉장치 및 2차 수냉장치에 작동가능하게 접속되는 증기 파이프에 의해 기밀하게 서로 접속된다.
본 발명에 따른 장치의 특히 유리한 실시형태에서, 2차 수냉장치는 증기 파이프 내에서 응축실의 상측의 증기류 내에 배치된다.
증기 파이프는 보호 기체(불활성 기체)를 위한 공급 파이프에 접속되고, 보호 기체(불활성 기체)는 증기 파이프와 공급 파이프 내에서 순환되고, 여기서 증기 망가니즈는 공급 파이프 내에 배치된 2차 응축기에 의해 분리될 수 있고, 보호 기체(불활성 기체)는 공급 파이프를 통해 유도 기화기로, 따라서 증기류로 환류된다. 또한 추가의 불활성 기체가 공정에 관련된 손실을 보상할 수 있도록 공급 파이프를 통해 순환류에 공급될 수 있고, 이러한 방식으로 순환 시스템 내의 농도를 조절할 수 있다.
순환되는 보호 기체(불활성 기체)의 농도를 가능한 한 일정하게 유지하기 위해, 추가의 불활성 기체가 인피드(infeed)를 통해 공급 파이프 내로 공급될 수 있고, 이곳에서 이 불활성 기체는 2차 필터를 통해 유도 기화기 내로 유입될 수 있다.
이하에서 본 발명에 따른 공정을 실시하기 위한 본 발명에 따른 장치를 첨부한 도면에 도시된 예시적인 실시형태를 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1은 공정 흐름도의 형태로 공정을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.
단일의 도에 도시된 바와 같이, 본 장치(18)는 기본적으로 유도 기화기(1)로 이루어지고, 여기서 도입된 FeMn은 1600 - 1700℃의 온도에서 액체 상태로 유지된다. 이 실시형태에서, 유도 기화기(1)는 유압식 플랫폼(9) 상에 배치되고, 이것에 의해 유도 기화기는 승강될 수 있다.
유도 기화기(1)의 저부 영역에 적어도 하나의 세정 파이프 접속부(19)가 제공되고, 이것은 보호 기체(이 경우, 아르곤)를 유도 기화기(1) 내에 공급하는 공급 파이프(15)에 접속된다. 보호 기체는 FeMn 용탕을 통해 상방으로 상승되고, 이곳에서 보호 기체는 증기 파이프(14) 내에서 100 내지 200 mbar의 압력으로 망가니즈의 기화된 부분과 함께 수집되어, 여기서 화살표로 표시된 증기류(17) 내에 동반된다. 증기 파이프(14)는 유도 기화기(1)에 기밀하게 접속된다.
증기 파이프(14) 내에서 증기류(17)는 외부로부터 증기 파이프를 포위하는 1차 수냉장치(4)를 통과하고, 그럼으로써 냉각된다. 2차 수냉장치(5)에서, 증기류(17)는 기체로부터 액체로의 망가니즈의 응집체의 상태 변화가 발생하도록 더 냉각된다. 이것이 가능한 한 효율적이고 신속하게 실시될 수 있도록 증기 파이프(14) 내부의 증기류(17) 내에 2차 수냉장치(5)가 배치된다.
2차 수냉장치(5)는 원추형이고, 도래하는 증기류(17)의 방향으로 테이퍼 측을 구비하도록 위치된다. 도에서 이것은 이등변 삼각형으로 도시되어 있다.
2차 수냉장치(5)의 직하에는 수평 가동식 응축실(2)이 배치된다. 또한 이 응축실(2)은 증기 파이프(14)에 기밀하게 접속될 수 있다.
액화된 고도로 순수한 망가니즈는 수평 가동식 응축실(2) 내에 수집되고, 1350 내지 1400℃의 온도로 액체 상태에 유지된다.
가동식 응축실(2)은 사이폰식 출탕구(13)를 구비한다. 이 출탕구(13)를 통해 망가니즈는 출탕되어 주조기(8) 내에 공급된다. 주조기(8)는 체임버형으로 형성되고, 또한 보호 기체 분위기(아르곤)(7) 하에 있고, 불활성 기체 분위기의 적용 및 유지를 위한 적절한 수단을 구비한다. 주조기에서, 망가니즈는 원하는 형식으로 최종 생성물(11)로 주조된다. 최종 생성물(11)은 99.9% 망가니즈의 순도를 갖는다.
증기류(17) 내의 망가니즈-함유 증기가 2차 수냉장치(5) 상에서 응축되는 동안에 접속부(20)을 통해 보호 기체 분위기는 진공 펌프(3)에 의해 배출되어 공급 파이프(15) 내로 환류된다. 보호 기체 내에 여전히 포함되어 있는 기화된 망가니즈는 2차 응축기(12)에서 냉각되어 보호 기체 분위기로부터 분리된다. 이러한 목적을 위해, 2차 응축기(12)는 수냉장치(6)를 구비한 진공 펌프를 구비한다.
망가니즈 증기로부터 분리된 보호 기체는 공급 파이프(15)에서순환되고, 인피드(16) 및 2차 필터(10)를 통해 유도 기화기 내로 다시 공급된다. 인피드(16)에 의해 본 회로는 공정 중에 손실된 보호 기체를 다시 수용하므로 항상 안정된 아르곤/불활성 기체 분위기가 보장된다.
(1) 유도 기화기
(2) 응축실
(3) 진공 펌프
(4) 1차 수냉장치
(5) 2차 수냉장치
(6) 수냉 시스템을 구비하는 진공 펌프
(7) 아르곤 보호 분위기
(8) 주조기
(9) 유압식 플랫폼
(10) 2차 필터
(11) 최종 생성물
(12) 2차 응축기
(13) 출탕구
(14) 증기 파이프
(15) 공급 파이프
(16) 인피드
(17) 증기류
(18) 장치
(19) 세정 파이프 접속부
(20) 접속부
(2) 응축실
(3) 진공 펌프
(4) 1차 수냉장치
(5) 2차 수냉장치
(6) 수냉 시스템을 구비하는 진공 펌프
(7) 아르곤 보호 분위기
(8) 주조기
(9) 유압식 플랫폼
(10) 2차 필터
(11) 최종 생성물
(12) 2차 응축기
(13) 출탕구
(14) 증기 파이프
(15) 공급 파이프
(16) 인피드
(17) 증기류
(18) 장치
(19) 세정 파이프 접속부
(20) 접속부
Claims (15)
- 유도 진공 용기 내에서 탄소-함유 페로망가니즈의 기화에 의해 공업적으로 순수한 망가니즈를 제조하기 위한 공정으로서, 상기 공정은 진공 하에서 망가니즈의 액상선 온도를 초과하는 온도에서 실시되고, 액체의 탄소-함유 페로망가니즈가 담긴 팬(pan)이 유도 기화기(1) 내에 설치되고, 금속은 진공 하에서 생성되어, 불활성 기체로 교반되면서 0-900 mbar의 범위의 압력 및 1248℃를 초과하는 온도에서 진공 펌프(3) 및 필터 시스템(10)에 의해 기화되고, 더 나아가 플랜트 내에서 1차 냉각기(4)에 의해 물로 냉각되고, 망가니즈 증기는 2차 냉각기(5)에 의해 1350-1400℃ 범위의 온도에서 가동식 응축실(2) 내에서 액화되고, 사이폰식의 가열된 출탕구를 통해 주조기(8) 내로 연속적으로 출탕되어 최종 생성물(11)로 주조되는, 망가니즈 제조 공정.
- 제 1 항에 있어서,
상기 망가니즈 증기의 액화는 상기 2차 냉각기(5)에 의해 연속적으로 실시되고, 상기 2차 냉각기(5)는 증기 파이프(14)의 내부의 증기류(17) 내에 배치되고, 상기 2차 냉각기(5)는 액적의 흐름(flowing off)을 개선하기 위해 원추 형상을 갖는, 망가니즈 제조 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 진공 펌프 시스템은 2차 수냉 시스템(6), 응축기(12) 및 필터(13)를 추가로 구비하는, 망가니즈 제조 공정. - 제 1 항에 있어서,
기화 공정은 불활성 기체로서의 아르곤에 의해 추가로 지원되는, 망가니즈 제조 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 공업적으로 순수한 망가니즈는 물로 연속적으로 냉각되고, 출탕되고, 아르곤 보호 기체 분위기 하에서 주조기(8) 내에 공급되는, 망가니즈 제조 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 기화의 속도는 온도, 진공 압력 및 불활성 기체의 유량에 의해 제어되는, 망가니즈 제조 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 탄소-함유 페로망가니즈는 다양한 망가니즈 농도로 이루어지는, 망가니즈 제조 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 탄소-함유 페로망가니즈는 상기 유도 기화기(1) 내에 연속적으로 또는 불연속적으로 공급되는, 망가니즈 제조 공정. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공정을 실시하기 위한 장치에 있어서,
망가니즈 합금이 장입되는 기화기(1)를 특징으로 하고, 금속은 진공 하에서 생성되어, 보호 기체로서의 아르곤을 포함하는 0-900 mbar의 범위의 압력 및 1248℃를 초과하는 온도에서 진공 펌프(3) 및 필터 시스템(10)에 의해 기화되고, 1차 수냉장치(4) 및 2차 수냉장치(5)에 의해 냉각되고, 망가니즈 증기는 1350-1400℃의 범위의 온도에서 가동식 응축실(2) 내에 액체 상태로 수집되고, 사이폰식의 가열된 출탕구(13)를 통해 주조기(8) 내로 연속적으로 출탕되는, 망가니즈 제조 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 기화기(1)는 유압식 플랫폼(9) 상에 배치되고, 상기 유압식 플랫폼(9)에 의해 수직으로 이동될 수 있는 유도 기화기인, 망가니즈 제조 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 가동식 응축실(2)은 수평으로 이동될 수 있는, 망가니즈 제조 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 유도 기화기(1)와 상기 응축실(2)은 상기 1차 수냉장치(4) 및 상기 2차 수냉장치(5)에 작동가능하게 접속되는 증기 파이프(14)에 의해 기밀하게 서로 접속되는, 망가니즈 제조 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 2차 수냉장치(5)는 상기 증기 파이프(14)의 내부에서 상기 응축실(2)의 상측의 증기류(17) 내에 배치되는, 망가니즈 제조 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 증기 파이프(14)는 상기 보호 기체를 위한 공급 파이프(15)에 접속되고, 상기 보호 기체는 상기 증기 파이프(14) 및 상기 공급 파이프(15) 내에서 순환되고, 증기 망가니즈는 상기 공급 파이프(15) 내에 배치된 2차 응축기(12)에 의해 분리될 수 있고, 상기 보호 기체는 상기 공급 파이프(15)를 통해 상기 유도 기화기(1)로 환류되는, 망가니즈 제조 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 응축실(2)로부터의 상기 보호 기체는 인피드(infeed; 16)를 통해 상기 공급 파이프(15) 내에 다시 공급될 수 있고, 2차 필터(10)를 통해 상기 유도 기화기(1) 내로 유입될 수 있고, 추가의 보호 기체가 상기 인피드(16)를 통해 상기 증기류(17) 내에 또한 공급될 수 있는, 망가니즈 제조 장치.
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| US3054670A (en) * | 1960-01-23 | 1962-09-18 | Electro Chimie Metal | Process of producing manganese |
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