Проектирование отделения магнийтермического восстановления тетрахлорида титана

Работа из раздела: «Производство и технологии»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Восточно-Казахстанский государственный

технический университет им. Д. Серикбаева

Кафедра химии, металлургии и обогащения

ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ

Зав.кафедрой, к.т.н.

_______ Н.А. Куленова

«___»___________2009 г.

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

050709.6708.02 ПЗ

Тема: ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОТДЕЛЕНИЯ МАГНИЙТЕРМИЧЕСКОГОВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕТРАХЛОРИДА ТИТАНА НА БАЗЕ АО «УК ТМК».

Руководитель:

Зав.кафедрой, к.т.н. Н.А. Куленова

Студент А.Б. Ергасымов

Группа 06-МТз-3

« ___ » _________2009г.

Усть-Каменогорск

2009

Консультанты:

1. Консультант по экономике металлургических предприятий Е.Ю. Ван

'_____'_______________ 2009г.

2. Консультант по автоматизации металлургических производств к.т.н., доцент Г.К. Шадрин

'_____'_______________ 2009г.

3. Консультант по охране труда и экологии старший преподаватель Б.К. Нургазина

'_____'________________ 2009г.

4. Рецензент

'_____'_______________ 2009г.

5. Нормоконтролер

Н.А. Хорошева

'_____'_______________ 2009г.

Аннотация

Проект содержит пояснительную записку на листах с рис.,табл.,7 черт., библиогр. назв.

ТЕТРАХЛОРИД ТИТАНА, АРГОН, МАГНИЙ-ВОССТАНОВИТЕЛЬ, ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ, ХЛОРИД МАГНИЯ, АППАРАТ ВОССТАНОВЛЕНИЯ, РЕАКЦИОННАЯ МАССА, ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ.

Целью работы является реконструкция отделения восстановления тетрахлорида титана магнием производительностью 15000 тонн губчатого титана в год.

В проекте осуществлен выбор аппаратурно-технологической схемы, выполнен расчет материального и теплового балансов. На основании материального баланса и данных действующего предприятия выбрано основное и вспомогательное оборудование.

С целью интенсификации производства в проекте предусмотрена установка аппаратов восстановления повышенной цикловой производительностью - 5т/цикл. Внедрение более производительных аппаратов позволит на тех же площадях получать большее количество губчатого титана, снизить капитальные и эксплуатационные затраты и таким образом снизить себестоимость продукции.

Экономические расчеты выполнены на основании прогрессивных норм выработки и расходных коэффициентов, отражающих современный уровень развития титановой подотрасли.

В проекте в необходимом объеме рассмотрены вопросы охраны труда и техники безопасности.

Графическая часть проекта состоит из сборочных чертежей основного оборудования отделения восстановления, функциональной схемы автоматизации, схемы цепи аппаратов и компоновочных чертежей цеха.

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Обзор технологий

1.2 Обзор патентной литературы

1.3 Анализ работы действующего предприятия

2. Выбор и обоснование принимаемого в проекте технологического решения

3. Технологическая часть

3.1 Номенклатура сырья и продукции

3.2 Описание основного технологического процесса

3.3 Металлургические расчеты

3.3.1 Расчет материального баланса процесса восстановления

3.3.2 Конструктивный расчет аппарата восстановления

3.3.3 Тепловой расчет аппарата восстановления

3.3.4 Расчет тепловой мощности печи восстановления

3.3.5 Расчет требуемой мощности печи

3.3.6 Электрический расчет печи восстановления

3.4 Выбор и расчет основного и вспомогательного оборудования

3.4.1 Выбор и расчет основного оборудования

3.4.2 Выбор и расчет вспомогательного оборудования

4. Контроль и автоматизация технологических процессов

4.1 Характеристика процесса как объекта управления

4.2 Постановка задач управления процессом восстановления

4.3 Описание функциональной схемы

5. Безопасность и экологичность проекта

5.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов

5.1.1 Классификация производственных факторов

5.1.2 Характеристика вредных веществ, специфических для данного производства

5.2 Организационные мероприятия

5.3 Средства индивидуальной защиты

5.4 Обеспечение спецпитанием

5.5 Санитарно-гигиенические мероприятия

5.6 Организация воздухообмена

5.7 Расчет защитного заземления

5.8 Освещение

5.9 Противопожарные мероприятия

5.10 Виды аварий и мероприятия по их ликвидации

5.11 Экологичность проекта

5.11.1 Охрана воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами

5.11.2 Охрана водоемов, почв от загрязнения вредными веществами

5.11.3 Проектные решения по утилизации отходов

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Многовалентность титана, его высокая активность обуславливают применение особых технологических приемов в процессе его производства.

В мировой практике, в том числе и в Казахстане преимущественное развитие получил магниетермический способ получения титана. Хлорид магния (MgCl2), получаемый в качестве побочного продукта процесса, является сырьем для производства магния (Mg). Вместе с тем при электролизе магния побочным продуктом является хлор, который необходим для получения тетрахлорида титана (TiCl4). Этим и объясняется целесообразность совмещения производств титана и магния.

Отделение восстановления тетрахлорида титана магнием является самым важным в производстве губчатого титана, так как в отделении получают титановую губку, в которой формируются все основные физико-химические и технологические свойства [1].

Цикловой съем губчатого титана (Г.Т.) определяется, прежде всего, коэффициентом использования магния.

В данном дипломном проекте принимаем коэффициент использования магния равный 60%.

Повышение коэффициента использования магния позволит уменьшить оборотные потоки магния, снизить энерго-, металло- и трудоемкость процесса восстановления.

Повышение единичной мощности аппаратов восстановления позволяет увеличить на тех же площадях производительность аппаратов по губчатому титану, причем часовая продолжительность возрастает незначительно, так как длительность вспомогательных операций (монтажа и т.д.) остается прежней.

Поэтому вопросы интенсификации технологического процесса, а также снижение энерго- и металлозатрат в отделении магнийтермического восстановления являются на сегодняшний день наиболее актуальными.

Целью настоящего дипломного проекта является модернизация существующего отделения магнийтермического восстановления, предусматривающего установку аппаратов повышенной цикловой производительностью (5 тонн губчатого титана за цикл) и интенсификация технологического процесса за счет повышения коэффициента использования магния.

1. Аналитический обзор

1.1 Обзор технологий

Наибольший интерес при производстве титана представляют следующие способы его получения:

- восстановление тетрахлорида титана магнием или натрием;

- восстановление диоксида титана кальцием или гидридом кальция;

- электролитический способ.

Подавляющая часть титана, выпускаемая промышленностью, производится восстановлением хлорида титана магнием или натрием.

Магнийтермический способ получения титана основан на следующей реакции:

TiCl4 + 2Mg = Ti +2MgCl2+Q (1)

Восстановление магнием проводят в стальных герметичных аппаратах в атмосфере аргона. Реакция восстановления титана экзотермична, выделяющегося тепла достаточно для самопроизвольного течения процесса. Процесс ведут в интервале температур 720-975 0С. В результате восстановления получаем реакционную массу, которая представляет собой пористую массу титана - титановую губку, пропитанную остатками хлорида магния и избытком магния. Для очистки реакционной массы применяют вакуумную сепарацию, которая основана на относительно высокой упругости паров Мg и MgCl2 при температуре 850-950 0С.

Восстановление тетрахлорида титана натрием ведут в интервале температур 801-883 0С, в атмосфере аргона. Процесс идет за счет теплоты химической реакции, избыток тепла отводят.

Натриетермический способ основан на следующей реакции:

TiCl4 + 4Na = Ti + 4NaCl + (2)

Натрийтрмический способ имеет ряд преимуществ перед магнийтермическим: легкость транспортировки натрия вследствие низкой температуры (98С) его плавления, высокая скорость восстановления и реакции со 100% коэффициентом использования натрия, отсутствие сложного и энергоемкого процесса вакуумной сепарации, возможность ведения полунепрерывного процесса. Вместе с тем, у этого способа есть и недостатки: высокая активность натрия, высокая экзотермичность реакции восстановления, большой объем восстановителя и продуктов реакции, что приводит к использованию громоздкой аппаратуры.

Для получения мелкозернистых порошков титана, используемых в порошковой металлургии можно применять технологию восстановления диоксида титана кальцием или гидридом кальция.

Восстановление диоксида титана кальцием проходит по реакции:

TiO2 + 2Ca = Ti + 2CaO (3)

Процесс восстановления ведут в атмосфере аргона, при температурах 1000-1100 0С.

Несмотря на значительные выделения тепла, для самопроизвольного протекания процесса необходимо постоянно подогревать реактор.

Восстановление диоксида титана гидридом кальция идет по реакции:

TiO2 + 2CaH2 = Ti + 2CaO + H2 (4)

С помощью йодного метода можно получить высокочистый титан. Йодидное рафинирование позволяет достаточно глубоко удалить из титана ряд примесей. Йодидный способ очистки титана основан на обратимости реакции:

TiJ4 = Ti + 2J2 (5)

Все эти способы применяются ограничено и по своим масштабам значительно уступают магний- и натрийтермическим способам.

Перспективным является электролитический способ получения титана. Главное его преимущество - отсутствие металлического восстановителя.

Выбор способа производства зависит от ресурсов в данной стране, соотношения их в стоимости, созданных мощностей по тому или иному методу, наличие энергоресурсов и др. В нашей стране существует титаномагниевое комбинированное предприятие. Это обусловлено тем, что у нас достаточно большие запасы магниевого сырья, отработанная отечественная технология получения магния и сравнительно низкая себестоимость магния перед натрием.

В промышленной практике производства титана используются следующие схемы получения губчатого титана:

- раздельная, при которой перевод процесса восстановления на процесс вакуумной сепарации осуществляется после охлаждения аппарата восстановления, процесс сепарации ведется в специализированной печи;

- полусовмещенная, при которой монтаж аппарата сепарации осуществляется без охлаждения аппарата восстановления, процесс сепарации ведется в специализированной печи;

- совмещенная, при которой процессы восстановления и сепарации последовательно осуществляются в одной и той же печи.

Раздельный процесс наименее экономичен и практически не используется. Наибольшее распространение в практике получил полусовмещенный процесс. Совмещенный процесс был разработан в СССР и в различные годы был опробован на ЗТМК и УКТМК, но на тот период не показал заметных преимуществ перед полусовмещенным и не нашел промышленного применения.

Кроме того, аппараты восстановления различаются способом вывода образующегося в ходе процесса хлорида магния: с нижним сливом (через хвостовик) (рисунок 1А) и с верхним сливом соли, который в свою очередь подразделяется на верхний слив через сливной стояк внутри реактора и вне реактора (рисунок 1Б,1В).

Рисунок 1 - Принципиальная схема аппаратов восстановления. А - с нижним сливом соли; Б, В - с верхним сливом соли;

1.2 Обзор патентной литературы

Анализ патентной и научно-технической информации показывает, что как в странах СНГ, так и в странах дальнего зарубежья совершенствование способа получения титана проводится в одних и тех же направлениях, а именно:

- увеличение производительности аппаратов восстановления и сепарации;

- снижение энергоёмкости и трудозатрат;

- автоматизация технологических процессов восстановления и вакуумной сепарации.

Анализ патентной литературы показывает, что за рубежом ведётся интенсивный поиск более совершенной конструкции аппаратов как с верхним, так и с боковым расположением конденсатора. Обращает на себя то, что за рубежом применяется как полусовмещённые, так и совмещённые схемы получения губчатого титана.

Согласно акцептованной заявке (Япония) N55-36254 Японская фирма Осака Тайтениум Сэйдзо К.К. испытала аппараты совмещённого типа цикловой производительностью 7 т. Восстановление и сепарацию ведут в одной печи. В процессе восстановления догружают магний по мере удаления хлорида магния. Испытания прошли успешно, была достигнута экономия электроэнергии, сокращение времени технологического процесса и трудозатрат.

По данным Юкио Окура, Труды *-й Всемирной конференции по титану, 1996г, Бирменгем, стр.1427, фирмой Toho Titanium Co эксплуатируются аппараты цикловой производительностью 4-6 тонн с боковым расположением конденсатора. Процессы восстановления и вакуумной сепарации ведут в различных печах. По мнению автора трудно сказать, какой процесс лучше. Полусовмещённый процесс обеспечивает низкую стоимость оборудования, а совмещённый - лучшее функционирование.

Американская фирма Timet совместно с фирмой Toho Titanium Co осуществила модернизацию передела получения губчатого титана с установкой аппаратов до 8,0 т / цикл (диаметр реторты 2,0 м) с боковым расположением конденсатора.

Аппараты с горизонтальной ретортой цикловой производительностью 6,3 т испытаны в США фирмой Оремет , патент США N 23556491. Процесс сепарации без вакуумирования в токе инертного газа. Это привело к снижению энергозатрат.

Другой патент опубликован японской фирмой Мицубиси Киндзоку К.К. 28.01.84., заявка N59-16928. Аппарат для металлотермического восстановления содержит реактор, конденсационную камеру и газопровод, соединяющий оба аппарата. Имеющий защитное устройство, предотвращающее зарастание газопровода конденсатом.

Двумя Японскими фирмами Осака Тайтениум Сэйдзо К.К. и Тюгай ро Коге , совместно был предложен усовершенствованный вариант процесса Королла, по которому в центре реакционного сосуда помещено устройство, позволяющее контролировать и регулировать температуру шихтовых материалов во время получения металла с высокой температурой плавления. Реактор, в котором при взаимодействии с расплавленным магнием из хлорида титана получается титан и хлористый магний, помещен в нагревательную печь. Для ограничения подъема температуры в следствии реакции по внутренней трубе подается воздух для охлаждения центра реактора и одновременно охлаждается периферия нагревательной печи. После полного завершения процесса восстановления непрореагированный магний и хлорид магния разогревают выше температуры кипения, используя дополнительное тепло от нагревателя в центре реактора и удаляют их в парообразной форме через трубку, расположенную в центре реактора.

Американской фирмой Westinghouse Electrik Corp. Предложен реактор для магнийтермического восстановления хлорида титана, имеющий отдельную емкость (сублиматор) для испарения хлоридов, соединен с реактором системой трубопроводов, которые снабжены вентилями, контролирующие поступление хлоридов в реакционную зону. Один сублиматор может обслуживать несколько реакторов. Реакторы снабжены устройствами для быстрого охлаждения реакционной массы после завершения процесса восстановления. Регулирование подачи хлорида осуществляется посредством взвешивания загрузки сублиматора.

Обзор технической и патентной литературы показывает наличие тенденции к увеличению единичной мощности аппаратов для производства губчатого титана, как в ближнем, так и в дальнем зарубежье [14].

По мнению авторов, размеры реактора имеют большое значение для снижения энергоёмкости и повышения производительности аппаратов за счёт экономии трудозатрат и упрощения оборудования. Японская фирмаОсака тайтениумзаменила реакторы цикловой производительностью 1,4 - 2,0 т губчатого титана на реакторы производительностью 5,7 и 10 т. Другая японская фирма Тохо тайтениум увеличила цикловую производительность аппаратов с 1,4 т до 5,0 т губчатого титана за цикл. По аналогичному пути произведена реконструкция завода в г. Цзуньи (КНР), установлены аппараты производительностью 5,0 т губчатого титана.

По зарубежным источникам информации[15] сравнительная характеристика аппаратов различной цикловой производительности показывает, что при повышении цикловой производительности выше 5,0 т идёт значительное затухание преимуществ аппаратов большой производительности.

В странах СНГ увеличение выпуска губчатого титана достигалось за счёт усовершенствования технологии и аппаратуры, реконструкции существующих производств с внедрением более производительных аппаратов. Технико-экономические показатели при этом неуклонно возрастали. Изучалась связь показателей губчатого титана с габаритами аппаратов для его получения. Выявлено, что с точки зрения качества губчатого титана, повышение циклового съёма за счёт увеличения габаритов даёт положительное резюме [16].

Одновременно с увеличением циклового съёма может быть достигнуто повышение часовой производительности и улучшение основных технико-экономических показателей. Однако, некоторые показатели, как например, удельная нагрузка на конденсатор при проведении процесса вакуумной сепарации изменяется в худшую сторону. Это обстоятельство свидетельствует о необходимости поиска оптимума для габаритов аппаратов.

При увеличении габаритов аппаратов снижается удельная поверхность блока губчатого титана. Что в конечном итоге приводит к закономерному сокращению выхода низкокачественного металла (счисток и низового обруба). Чётко проявляется закономерность пропорционального увеличения выхода качественного кричного металла. Снижается выход гарниссажной губки.

Анализ полученных зависимостей показывает, что при увеличении единичной мощности технико-экономические показатели производства губчатого титана и его качества повышаются.

1.3 Анализ работы действующего предприятия

На АО «УК ТМК» применяется магнийтермический способ получения титановой губки в электропечах шахтного типа. Производительность аппарата восстановления и вакуумной сепарации 4,1 тонн титановой губки за цикл.

С выходом комбината на международный рынок встаёт вопрос о снижении себестоимости выпускаемой продукции, увеличение объемов выпуска титановой губки на наименьших производственных площадях. При этом качество титановой губки должно оставаться на прежнем уровне. На комбинате постоянно ведутся работы в этом направлении:

- увеличение коэффициента использования магния;

- уменьшение по времени цикла процесса восстановления и сепарации.

Еще одним направлением уменьшения себестоимости титановой губки является внедрение аппарата восстановления и сепарации с цикловой производительностью 5 тонн за цикл, что и предлагается в данном дипломном проекте.

2. Выбор и обоснование принимаемого в проекте технологического решения

технология титан металлургический

Как показал анализ научно-исследовательских работ и анализ работы действующего предприятия повышение цикловой производительности аппаратов восстановления и снижение энергозатрат в процессе магнийтермического производства губчатого титана является на сегодняшний момент актуальной проблемой.

Цикловой съем губчатого титана определяется, прежде всего, коэффициентом использования магния, увеличение которого позволяет снизить - энерго-, - метало- и трудоемкость магнийтермического передела.

Основным отличием проектируемой технологии от базовой состоит:

- в конструктивном пересчете на повышенную производительность аппарата (5 тонн губчатого титана за цикл);

- в более полном использовании магния-восстановителя.

Таблица 3 - Технико-экономическое отличие проектируемой технологии от базовой.

Технология

Коэффициент использования магния, %

Расход магния на 1 т губчатого титана, т

Расход магния в год, т

Затраты в год, тыс. т.

Проектируемая

Базовая

56-58

1,694

1,750

25410

26250

7368900

7612500

Повышение коэффициента использования магния позволит снизить расход магния-восстановителя на 840 тонн в год, что составит 243600000 тенге.

3. Технологическая часть

3.1 Номенклатура сырья и продукции

Сырьем для отделения восстановления является:

- очищенный тетрахлорид титана, поступающий из отделения ректификации цеха по производству очищенного тетрахлорида титана, соответствующего ТУ 647 РК 00202028 - 101 - 99 и техническим условиям следующего состава:

TiCl4 - 99,995%;

SiCl4 - 0,001%;

VOCl3 - 0,001%;

AlCl3 - 0,002%;

FeCl3 - 0,001%;

- магний-восстановитель, который должен соответствовать СТП 3826- 2.1-101;

Mg - 99,99%;

O - 0,02%;

Si - 0,001%;

Al - 0,02%;

Fe - 0,04%;

N - 0,03%;

Ni - 0,001%;

Cu - 0,002%;

Cl - 0,004%;

инертный газ - аргон, который должен соответствовать ГОСТу 10157-79 (аргон газообразный и жидкий):

Ar - 99,985%;

O - 0,005%;

N - 0,01%.

Отходами отделения является хлорид магния, который направляется на переработку по существующей на УК ТМК схеме - в цех по производству магния-сырца.

В результате процесса восстановления тетрахлорида титана магнием с последующей очисткой реакционной массы методом вакуумной сепарации, получаем титановую губку.

Качество титановой губки определяется содержанием химических примесей, равномерностью их распределения, твердостью, крупностью и внешним видом и должно соответствовать международному стандарту качества ISO-9003.

3.2 Описание основного технологического процесса

Промышленный магниетермический способ получения титана основан на реакции:

TiCl4+2Mg=2MCl2 + (6)

Восстановление титана можно представить как ступенчатое восстановление четыреххлористого титана и его низших хлоридов:

TiCl2+Mg = Ti+MgCl2 (7)

TiCl4+1/2Mg = 2TiCl3+1/2MgCl2 (8)

2TiCl3+Mg = 2TiCl2+MgCl2 (9)

TiCl2+Mg = Ti+MgCl2 (10)

Реакция начинается в газовой фазе. Образующийся TiCl2 конденсируется на поверхности расплава или на твердых поверхностях, а затем восстанавливается до металлического титана. Хлористый магний образуется в обеих стадиях в газообразном состоянии. Он является основным источником тепла.

В процессе восстановления одновременно с одним объемом титана образуется 12 объемов хлористого магния. При этом титан имеет вид прочно сросшихся дендритов.

Реакция взаимодействия четыреххлористого титана с магнием относится к гетерогенным. На ее скорость влияют, прежде всего, факторы, определяющие равновесие химического акта: температура, давление, концентрация реагирующих веществ.

Во время процесса могут образовываться низшие хлориды титана. Наличие их в реакторе может быть обусловлено следующим:

- недостатком восстановителя;

- низкими температурами в зоне реакции;

- наличие холодных зон в реакторе, даже если они значительно удалены от основной зоны реакции;

- недостатком активной поверхности в зоне реакции.

Образование низших хлоридов явление совершенно нежелательное. Это, прежде всего потери титана, так как низшие хлориды не используются для получения титана. Кроме того, наличие их приводит к сильному дымлению и возгоранию при вскрытии реактора. Причиной дымления является взаимодействие низших хлоридов титана с влагой воздуха, в результате чего выделяются пары соляной кислоты.

Взаимодействие четыреххлористого титана с магнием начинается при температуре 3000С, но реакция протекает при этом с небольшой скоростью. Приемлемой для промышленных условий является такая скорость начала процесса, которая развивается при температуре магния выше 8000С. Достаточно высокая температура необходима и для того, чтобы образовавшийся хлористый магний находился в жидком состоянии. В течении процесса на 1 кг получаемого титана выделяется около 6280,5 кДж тепла. Если тепло не отводить, то температура в печи будет быстро повышаться. Для повышения скорости процесса желательно, чтобы в зоне протекания реакции температура была по возможности более высокой. Контактирование реакционной массы с материалом реторты начинается при температуре выше 9000С. Это опасно вследствие загрязнения получаемого титана железом с образованием хлоридов и титанидов железа, загрязняющих титан, особенно при недостатке в зоне реакции восстановителя:

2TiCl4 + Fe = FeCl2 + 2TiCl3, (11)

TiCl3 + Fe = FeCl2 + 2TiCl4, (12)

4TiCl3 + Fe = FeTi + 3TiCl4, (13)

2FeCl3 + 3Ti = 2FeTi + TiCl4 (14)

Замер температуры производится контактными термопарами (термощупами), которые в наиболее характерных точках прижимаются к стенке реактора на наружней стороне. Колебания температур в пределах температурных зон может составлять 100-1500С. В связи с указанным, процесс следует вести при температуре на наружной стенке реактора 870-9000С.

Механизму формирования блока реакционной массы в промышленном реакторе посвящено ряд работ.

Содержание титана в реакционной массе центральной зоны блока примерно такое же, как и среднее по всему сечению. Однако ее плотность в центре блока больше в 1,5-2 раза. Следовательно, наибольшее количество титана образуется в центре блока.

Исходя из изложенного выше, механизм формирования блока реакционной массы в промышленном реакторе можно представить следующим образом. Четыреххлористый титан, находясь на поверхности расплава в виде капель и очагов, испаряясь, вступает во взаимодействие с газообразным магнием. Образовавшийся двухлористый титан конденсируется на поверхности расплава и восстанавливается до металла. В первый период титановая губка образуется в основном на поверхности расплава и опускается на дно вместе с хлористым магнием. Наличие губчатого титана способствует ускорению процесса, поскольку по порам губки из расплава подается магний и отводится часть тепла из зоны реакции, кроме того, на ней конденсируется двухлористый титан и кристаллизуется образовавшийся металл.

По мере уплотнения губки в результате вторичной реакции доступ магния в зону реакции затрудняется, и процесс постепенно замедляется. Кроме того, на затухание процесса влияет то, что весь оставшийся магний находится в порах губки и удерживается там силами смагничивания.

Одной из основных задач в производстве титана является получение металла, по возможности свободного от примесей. Основными источниками примесей являются исходные продукты. В процессе восстановления все примеси содержащиеся в четыреххлористом титане и в магнии, практически полностью переходят в титановую губку независимо от условий проведения процесса.

Основные примеси, содержащиеся в магнии, собираются первыми порциями образующегося титана и в основном попадают в нижнюю часть блока губки. Примеси из четыреххлористого титана распределяются по всему блоку равномерно.

После процесса восстановления в реакторе остается спекшийся блок реакционной массы, представляющий собой титановую губку, пропитанную магнием и хлоридом магния. Состав реакционной массы (средний по блоку) примерно следующий: 55-60% титана, 25-35% магния, 8-12% хлорида магния, 0,01-0,1% низших хлоридов титана.

Далее реакционная масса направляется на передел вакуумной сепарации, целью которого является очистка титановой губки от магния, хлорида магния и низших хлоридов титана.

3.3 Металлургические расчеты

3.3.1 Расчет материального баланса процесса восстановления

Основным сырьем при производстве губчатого титана является очищенный TiCl4.

Особенность процесса восстановления заключается в том, что в аппарат восстановления, нагретый до температуры 750-8000С в атмосфере инертного газа-аргона загружают магний-восстановитель в жидком виде, сразу в количестве, необходимом на весь процесс.

Далее в реактор непрерывно в течение всего процесса подают TiCl4.

Взаимодействие TiCl4 с магнием начинается при температуре 3000С, но при этом реакция протекает с небольшой скоростью.

Для промышленных условий оптимальной является такая скорость процесса, которая развивается при температуре 800-8500С. Такая температура необходима для того, чтобы M и MCl2 в течение процесса находились в жидком состоянии, так как только при этих условиях, возможно, объяснить разделение этих компонентов и нормальное проведение процесса восстановления. Об окончании процесса восстановления свидетельствует установившееся давление в реакторе, после использования магния на 56-60 %.

После завершения процесса восстановления аппарат с реакционной массой, выдержанной при температуре 860-9000С в течение 1 часа, для того, чтобы довосстановились образовавшиеся в ходе процесса низшие хлориды титана и с целью создания благоприятных условий для удаления, оставшегося MCl2 в реакторе.

Материальный расчет производим на 1000 килограмм титановой губки с последующим пересчетом на цикловую производительность аппарата [13].

При расчетах химический состав тетрахлорида титана берем, исходя из материального баланса передела очистки, а магния и аргона согласно утвержденным техническим условиям.

Таблица 6- Химический состав тетрахлорида титана, магния и аргона

Примеси	TiCl4, %	M,%	Ar ,%
O	0,001	0,02	0,005
Si	0,001	0,01
Al	0,001	0,02
V	0,001
Fe	0,001	0,04
N		0,003	0,01
Ni		0,001
Cu		0,002
Cl		0,004
Итого	0,005	0,1	0,015

В тетрахлориде титана присутствующие примеси находятся в виде VOCl3, SiCl4, AlCl3, FeCl3 (таблица 1), а в магнии и аргоне в виде механических примесей. Очищенный тетрахлорид титана, поступающий на передел восстановления, имеет следующий состав:

Таблица 7 - Состав очищенного тетрахлорида титана,(%)

Компоненты	Содержание, %
TiCl4	99,995
SiCl4	0,001
VоCl3	0,001
AlCl3	0,002
FeCl3	0,001
Итого	100%

Определим требуемое количество тетрахлорида титана, необходимое для получения 1000 килограмм титановой губки:

TiCl4 + 2M = Ti +2MCl2

189, 948, 6447, 9190, 64

На 47,9 кг Ti требуется 189,9 кг TiCl4

на 1000 кг Ti требуется x кг TiCl4

3964,51 кг TiCl4 составляет 99,995 %

х кг TiCl4 составляет 100 %

На заданное количество тетрахлорида титана приходится примесей:

1) На 99,995 кг TiCl4 приходится 0,001 кг FeCl3

на 3964,51 кг TiCl4 приходится х кг FeCl3

2) На 99,995 кг TiCl4 приходится 0,001 кг SiCl4

на 3964,51 кг TiCl4 приходится х кг SiCl4

3) Так как в VОCl3 содержится тоже 0,001%, то и в 3964,51 кг TiCl4 содержится 0,04 кг VОCl3.

4) На 99,995 кг TiCl4 приходится 0,002 кг AlCl3

на 3964,51 кг TiCl4 приходится х кг AlCl3

Количество примесей = 0,04 + 0,04 + 0,04 + 0,08 = 0,2 кг.

Общее количество тетрахлорида титана с примесями, необходимое для получения 1000 килограмм титановой губки составит:

3964,51+ 0,2 = 3964,71 кг TiCl4

Определим необходимое количество магния для восстановления 3964,51 кг тетрахлорида титана и 0,2 кг примесей:

TiCl4 + 2M = Ti + 2MCl2

189,9 48,64

На189,9 кг TiCl4 требуется 48,64 кг Mg

на 3964,51 кг TiCl4 требуется х кг Mg

2FeCl3 + 3Mg = 2Fe + 3MgCl2

32572,96

На 325 кг FeCl3 требуется 72,96 кг Mg

на 0,04 кг FeCl3 требуется х кг Mg

SiCl4 + 2Mg = Si + MgCl2

170 48,64

На 170 кг SiCl4 требуется 48,64 кг Mg

на 0,04 кг SiCl4 требуется х кг Mg

2VОCl3 + Mg = 2VOCl2 + MgCl3

208,724,32

На 208,7 кг VОCl3 требуется 24,32 кг Mg

на 0,04 кг VОCl3 требуется х кг Mg

2AlCl3 + 3Mg = 2Al + 3MgCl2

266,872,96

На 266,8 кг AlCl3 требуется 72,96 кг Mg

на 0,08 кг AlCl3 требуется х кг Mg

Общее количество магния, необходимое для получения 1000 килограмм титановой губки составит:

Количество Mg = 1015,45 + 0,009 + 0,01 + 0,003 + 0,02 = 1015,49 кг.

Количество примесей в этом количестве магния составляет:

В 99,9 % Mg содержится 0,1 % примесей, тогда в 1015,49 кг Mg содержится х кг примесей:

Магний с примесями составляет:

1015,49 + 1,02 = 1016,51 кг Mg.

Из практических данных АО УКТМК, согласно проектируемой конструкции аппарата восстановления, принимаем коэффициент использования магния равным 60%.

Количество магния, которое необходимо загрузить в реактор для получения 1000 кг титановой губки с учетом коэффициента использования магния составит:

1016,51 кг Mg составит 60%

х кг Mg составит 100%

Количество избыточного магния составит:

1694,18 - 1016,51= 677,67 кг Mg.

В процессе восстановления тетрахлорида титана магнием образуется хлорид магния. Определим его количество при получении 1000 килограмм титановой губки.

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

47,9 190,64

На 47,9 кг Ti приходится 190,64 кг MgCl2

на 1000 кг Ti приходится х кг MgCl2

2FeCl3 + 3Mg = 2Fe + 3MgCl2

325 285,96

На 325 кг FeCl3 приходится 285,96 кг MgCl2

на 0,04 кг FeCl3 приходится х кг MgCl2

SiCl4 + 2Mg = Si + 2MgCl2

170190,64

На 170 кг SiCl4 приходится 190,64 кг MgCl2

на 0,04 кг SiCl4 приходится х кг MgCl2

2VОCl3 + Mg = 2VОCl2 + MgCl2

34795,32

На 347 кг VOCl3 приходится 95,32 кг MgCl2

на 0,04 кг VОCl3 приходится х кг MgCl2

При восстановлении AlCl3 образуется хлористого магния:

266,8 285,96

2AlCl3 + 3Mg = 2Al + 3MgCl2

0,08

кг MgCl2

Общее количество хлорида магния, образующегося в процессе восстановления, составит:

3979,96 + 0,035 + 0,045 + 0,01 + 0,085 = 3980,14 кг MgCl2

На основании практических данных на АО УКТМК принимаем процент сливаемого из реактора хлорида магния 97 %.

3980,14 кг MgCl2 составляют 100 %, x кг MgCl2 составляют 97 %

С реакционной массой в реакторе остается хлорида магния:

3980,14 - 3860,74 = 119,4 кг MgCl2

Определим количество примесей, приносимых в титановую губку из тетрахлорида титана. Для этого сделаем пересчет примесей, содержащихся в тетрахлориде титана на химические элементы:

На 162,5 кг FeCl3 приходится 55,8 кг Fe, на 0,001% FeCl3 приходится х % Fe:

2Fe + 3Cl2 = FeCl3

55,8162,5

На 170 кг SiCl4 приходится 28 кг Si

на 0,001 % SiCl4 приходится х % Si

Si + 2Cl2 = SiCl4

28170

На 173,5 кг VOCl3 приходится 51 кг V

на 0,001 % VOCl3 приходится х % V

2V + O2 + 3Cl2 = 2VOCl3

51173,5

На 133,5 кг AlCl3 приходится 27 кг Al

на 0,002 % AlCl3 приходится х % Al

2Al + 3Cl = 2AlCl3

27133,5

На основании данных АО УКТМК, кроме вышеуказанных примесей, в титановую губку вносятся примеси кислорода в количестве 0,0005 % из-за подсоса воздуха и железа 0,0001 % из реактора.

Определим весовое количество примесей, кг:

На 100 кг TiCl4 приходится 0,0003 кг Fe, тогда на 3964,71 кг TiCl4 приходится х кг Fe

Из реактора привносится 0,0001% Fe, тогда на 3964,71 кг TiCl4 приходится

Общее количество железа равно:

0,0119+0,0039=0,00158 кг Fe

На 100 кг TiCl4 приходится 0,0002 кг Si, тогда на 3964,71 кг TiCl4 приходится х кг Si:

На 100 кг TiCl4 приходится 0,0003 кг V, тогда на 3964,71 кг TiCl4 приходится х кг V:

На 100 кг TiCl4 приходится 0,0004 кг Al, тогда на 3964,71 кг TiCl4 приходится х кг Al:

На 100 кг TiCl4 приходится 0,0005 кг O2, а на 3964,71 кг TiCl4 приходится х кг O2:

Сумма примесей составит:

0,0039 + 0,0119 + 0,0079 + 0,0118 + 0,0158 + 0,0198 = 0,072 кг из TiCl4.

Определим количество примесей, вносимых в титановую губку с магнием:

На 100 килограмм Mg приходится 0,04 килограмма Fe

На 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм Fe

на 100 килограмм Mg приходится 0,01 килограмма Si

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм Si

на 100 килограмм Mg приходится 0,002 килограмма Cu

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм Cu

на 1000 килограмм Mg приходится 0,62 килограмма Al

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмма Al

на 100 килограмм Mg приходится 0,001 килограмма Ni

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм Ni

на 100 килограмм Mg приходится 0,004 килограмма Cl2

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм Cl2

на 100 килограмм Mg приходится 0,003 килограмма N2

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм N2

на 100 килограмм Mg приходится 0,02 килограмма O2

на 1694,18 килограмма Mg приходится х килограмм O2

Общее количество примесей, вносимых в титановую губку с Mg составит:

0,6776+0,1694+0,0338+0,0338+0,0169+0,0677+0,0508+0,3388=1,695 кг

Определим количество примесей, вносимых в титановую губку инертным газом-аргоном. Это количество примесей определяем по формуле:

, (15)

где P - количество примесей;

V - расход аргона на 1 тонну титана (из практики АО УКТМК V=7000 л);

a - содержание примеси в аргоне;

m - молекулярный вес примеси.

Количество N2 составит:

Количество кислорода в аргоне составляет:

Сумма примесей будет равна:

0,0042 + 0,0025 = 0,0067 кг из Ar.

Практикой установлено, что 85% примесей из аргона переходит в губку:

=0,0042* 0,85 = 0,00357 кг N2,

= 0,0025*0,85 = 0,0021 кг O2.

Сумма примесей равна:

0,0037 + 0,0021 = 0,0058 кг из Ar.

Результаты расчетов заносим в таблицу 8.

Таблица 8- Материальный баланс процесса восстановления

Загружено	Получено
Компоненты	Кг	%	Компоненты	кг	%
1	2	3	4	5	6
TiCl4	3964,51	70,04	Ti губка	1000	17,67
AlCl3	0,08	0,001
FeCl3	0,04	0,0007	N2	0,0508	0,0009
VOCl3	0,04	0,0007	O2	0,3388	0,006
SiCl4	0,04	0,0007	Fe	0,6776	0,012
			Si	0,1694	0,003
			Al	0,3388	0,006
			Cu	0,0338	0,0006
			Ni	0,0169	0,0003
Mg	1694,18	29,93	Cl	0,0677	0,001
N2	0,0508	0,0009
O2	0,3388	0,006	TiCl4
Fe	0,6776	0,012	O2	0,0198	0,0003
Si	0,1694	0,003	Si	0,0079	0,0001
Al	0,3388	0,006	Fe	0,0158	0,0003
Cu	0,0338	0,0006	Al	0,0158	0,0003
Ni	0,0169	0,0003	V	0,0118	0,0002
Cl	0,0677	0,001
Ar примеси	0,0058	0,0001	MgCl2	3860,74	68,2
			MgCl2 в PM	119,4	2,11
			Mg в PM	677,67	11,97
Итого:	5660,59	100	Итого:	5660,59	100

В данном проекте принимаем производительность аппарата восстановления и сепарации 5 тонн титановой губки за цикл.

Составляем таблицу материального баланса процесса восстановления за цикл. Полученная после процесса восстановления реакционная масса подвергается процессу сепарации. Во время процесса сепарации происходит удаление магния и хлорида магния.

Таблица 9- Материальный баланс процесса восстановления за цикл

Загружено	Получено
Компоненты	Кг	%	Компоненты	кг	%
TiCl4	19822,55	70,06	Ti	5000	17,67
Mg	8470,9	29,94	Слито MgCl2	19303,7	68,23
Ar примеси	0,029	0,0001	Осталось MgCl2 в реакционной массе	597	2,11
			Осталось Mg в реакционной массе	3388,35	11,98
Итого:	28293,48	100	Итого:	28293,48	100

3.3.2 Конструктивный расчет аппарата восстановления

В титановой промышленности наиболее распространенными являются аппараты цикловой производительностью 1,5; 3; 3,7; 4,1 т/цикл диаметром 1,2; 1,4; 1,45; 1,5 метров и высотой 2,4; 28; 3; 3,8 метров соответственно.

На основе анализа и опыта, накопленного отечественной промышленностью исследованиями последних лет, на аппаратах повышенной производительности для получения титана магниетермическим способом показана техническая возможность дальнейшего укрупнения их габаритов и увеличения цикловой производительности до 5 т/цикл.

Как следует из опытных данных, повышение цикловой производительности аппаратов до 5 т/цикл влечет за собой увеличение часовой производительности на переделах восстановления и вакуумной сепарации и увеличения ее на 50 % по сравнению с действующими аппаратами.

Повышение часовой производительности достигается за счет увеличения циклового съёма аппарата, а длительность вспомогательных операций (монтаж, демонтаж и другое) остаётся той же, что и на аппарате производительностью 4,1 т/цикл.

Исходя из вышеизложенного в настоящем проекте выбираем аппарат производительностью 5 тонн титановой губки за цикл.

За основу конструкции аппарата принимаем существующий на ОАО УКТМК аппарат производительностью 4,1 т/цикл.

Конструкция пятитонного аппарата включает в себя надежные отработанные узлы, унифицированные с соответствующими узлами аппарата производительностью 4,1 т/цикл. Сборочные узлы проектируемого аппарата указаны в спецификации приложения А.

Отличие аппарата производительностью 5 т/цикл от действующего аппарата производительностью 4,1 т/цикл заключается в увеличении габаритных размеров аппарата по длине, тем самым увеличиваем коэффициент загружаемого магния.

Для определения размеров аппарата используем количество конечных продуктов, полученных в результате процесса восстановления. При выборе диаметра необходимо учитывать два фактора:

- при проведении процесса восстановления желательно применение аппарата с возможно большим диаметром, так как с увеличением аппарата повышается скорость процесса восстановления;

- при проведении процесса вакуумной сепарации изменение аппарата с большим диаметром приводит к снижению производительности аппарата и к недосепарации.

Так, например, условная производительность аппарата при диаметре, равном 1000мм составляет 16,5 кг/ч, однако, при той же цикловой производительности аппарата, но с диаметром 1200 мм часовой производительности падает до 10,2 кг/ч.

Исходя из вышесказанного, принимаем диаметр аппарат равный 1500 мм.

При производительности аппарата 5 т/цикл титановой губки необходимо загрузить 8471 килограмм магния, коэффициент заполнения аппарата восстановления, согласно практике, принимаем 0,8.

Магний загружается в аппарат в жидком виде при температуре 700-750С.

Удельный вес магния при данной температуре равен 1560 кг/м3.

Определим объем, занимаемый магнием:

, (20)

Где Р - количество магния необходимое загрузить в аппарат, кг;

У- плотность магния при температуре 700-750С, У=1560кг/м3.

Полный объем реактора с учетом коэффициента заполнения равен:

составляют 80 %

х составляют 100 %

Диаметр реторты равен 1500 мм. Высоту реторты определяем по формуле:

, (21)

где V- объем занимаемый магнием, м3;

Д- диаметр реторты, м3.

Остальные размеры аппарата восстановления принимаем на основании практических данных АО УКТМК для аппарата цикловой производительностью 5 т/цикл:

Высота фланца крышки - 50 мм.

Высота фланца реторты - 50 мм.

Сферическая часть реторты - 300 мм.

Сливной патрубок с фланцем - 120 мм.

Запорное устройство - 700 мм.

Крышка углублена в реторту на 300 мм. Поэтому для сохранения объема необходимо удлинить реторту на 300 мм.

Общая высота аппарата восстановления равна:

е = 50 + 50 + 300 + 120 + 700 + 300 + 3800 = 5320 мм

Проверим объем аппарат восстановления по конечным продуктам процесса.

Количество и плотность продуктов в реакторе после процесса восстановления:

- титановая губка - 5000 килограмм; 1750 ;

- магний - 3388,35 килограмм; 1530;

- хлористый магний - 597 килограмм; 1650.

Коэффициент заполнения реактора 0,8.

Определим объем, занимаемый титановой губкой:

Объем, занимаемый магнием:

Объем, занимаемый хлористым магнием:

Объем, занимаемый реакционной массой:

Vр.м.=2,86+2,21+0,36=5,43

Полный объем с учетом коэффициента заполнения:

Vр = 5,43/0,8 = 6,79

Это подтверждает правильность расчета аппарата восстановления.

Для проведения процесса вакуумной сепарации реакционной массы в качестве конденсатора используется оборотная реторта, конструктивно аналогичная аппарату восстановления.

3.3.3 Тепловой расчет аппарата восстановления

Во время процесса восстановления тетрахлорида титана магнием протекает химическая реакция с большим выделением тепла. Реакция экзотермична и, если избыток тепла не отводить, то температура в реакторе будет быстро возрастать. При достижении температуры у стенок реактора 1085С образуется легкоплавкая эвтектика Fe-Ti, в результате чего возможен прогар стенки реактора.

Тепловой расчет аппарата восстановления заключается в том, что необходимо рассчитать тепловой баланс процесса восстановления с тем, чтобы температура в ходе процесса восстановления на стенке реактора поддерживалась в пределах 800-850С. В основе процесса восстановления тетрахлорида титана магнием лежит реакция:

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2 + Q (18)

В данной химической реакции тепловой эффект равен 520235 кДж/моль.

Часовые тепловыведения в результате реакции при средней скорости подачи TiCl4 300 кг/час, принятой на АО УК ТМК составляют:

Общий объем тепла во время процесса восстановления идет в трех направлениях:

- за счет съема тепла с крышки реактора (естественная конвенция);

- со сливом хлорида магния;

- принудительное воздушное охлаждение стенок реактора в зоне реакции.

Потери тепла через крышку аппарата:

За счет излучения, тепло с поверхности расплава попадает на экранирующую поверхность крышки аппарата, а затем с нее естественной конвенцией и излучением рассеивается в окружающую среду. При расчете газовую фазу над расплавом принимаем прозрачной.

Приведенная степень черноты системы

Экран-крышка Поверхность расплава

Сталь Е1 = 0,8Е2 = 0,8

Определим поверхность расплава:

(19)

где Д - диаметр реторты.

Принимаем предельно допустимую температуру поверхности расплава t1=900C.

Температуру поверхности экрана крышки принимаем t2 = 600C.

Определяем количество тепла, передающегося от расплава к экрану-крышке:

(20)

где Y - коэффициент диафрагмирования - 0,7;

Епр - приведенная степень черноты системы;

Со - коэффициент лучеиспускания абсолютного черного тела, равный 4,96 ккал/час ?С = 20,73 кДж/час С;

F - поверхность расплава - 1,76 .

=213792,71 кДж/ч.

Для проверки правильности выбора температуры экрана крышки, определяем суммарный коэффициент теплоотдачи конвенцией и излучением:

, (21)

где ак - коэффициент теплоотдачи конвенцией;

аизл - коэффициент теплоотдачи излучением;

b - суммарный коэффициент;

k - коэффициент конвективных потерь вверх с горизонтальной поверхности, равен 2,8;

t0 - температура окружающей среды - 20 С;

t2 - температура поверхности экрана - 600 С;

С-коэффициент лучеиспускания стали- 16,6

Потери тепла от крышки в окружающую среду составят:

Q=bF(t-t)= (22)

Таким образом, Q1=Q2, а значит, температура экрана крышки выбрана правильно.

Условно принимаем, что атмосфера над расплавом прозрачная, но в практических условиях она может быть и непрозрачной. Следовательно, температура может быть ниже и за счет водоохлаждаемых фланцев у крышки реактора и охлаждения в центральной горловине за счет подачи тетрахлорида титана.

Потери тепла с водой, охлаждающей уплотнения между фланцами реактора и крышки:

, (23)

где ф - коэффициент теплопроводности нержавеющей стали 15

h - высота крышки - 0,4 метра;

F - сечение цилиндрической обечайки крышки;

d - диаметр реактора;

d1 - толщина стенки обечайки крышки;

t1 - температура крышки - 600С;

t2 - температура водоохлаждения фланцев - 50С.

F=3,14х1,5х0,01=0,05,

Суммарные потери тепла через крышку реактора:

Qk = Q1 + Q3 = 213347,2 + 4317,84 = (24)

Потери тепла при сливе хлорида магния:

(25)

где G - количество сливаемого хлорида магния - 300 кг/час;

Ств - средняя теплоемкость хлорида магния - 0,201 кДж/кгоС;

Сж - средняя теплоемкость жидкого хлорида магния- 0,232 кДж/кгоС;

tпл - температура плавления хлорида магния - 718С;

tраспл - температура процесса - 900С;

t0 - температура окружающей среды - 20С;

Lпл- теплота плавления хлорида магния - 108,2 кДж/кгоС.

QMgCl2 = [300 *[0,201 ? (718 - 20) + 108,2] + 0,232 ?(900 - 718)]?4,187 = 320205,19 кДж/ч.

Суммарные тепловые потери через крышку аппарата и со сливом хлорида магния:

Q = QMgCl2 + Qк = 320205,19 + 218022,32 = 538227,51кДж/ч (26)

Расчет воздушного охлаждения:

В результате взаимодействия тетрахлорида титана с магнием выделяется тепло, которое необходимо отводить из зоны реакции. Для охлаждения наружной стенки реактора тепловой поток составит:

Qнар.ст. = Qреакции - Qобщ = 821855 - 53822,7 = 283628 кДж/ч(27)

Расход воздуха на боковое охлаждение реактора:

(28)

где Св - теплоемкость воздуха -

t1 - температура окружающей среды -20С;

t2 - температура воздуха на выходе - 50С.

V =Нм3/ч

Определим скорость воздуха в кольцевом зазоре между реактором и футеровкой печи.

Сечение кольцевого зазора:

(29)

где D1 - внутренний диаметр печи - 2 метра;

D2 - внешний диаметр реактора - 1,5 метра.

Определим скорость воздуха при нормальных условиях:

W0 = (30)

W0 = = 1,47 м/с

Действительная скорость воздуха составит:

(31)

где tср- средняя температура воздуха в зоне охлаждения - 350С;

a - температурный коэффициент воздуха -1/273.

Wдейст. =

Кольцевой зазор между стенкой печи и стенкой реактора считаем как эквивалентный диаметр:

dэкв. = D1 - D2 = 2 - 1,5 = 0,5 м (32)

Для определения коэффициента теплоотдачи воспользуемся формулами критериев. Режим движения воздуха в кольцевом зазоре турбулентный:

(33)

где Re - критерий Рейнольдса, характеризующий движение воздуха в зависимости от диаметра и кинематической вязкости воздуха;

n - кинематическая вязкость воздуха - .

Уравнение теплоотдачи:

Nu = 0,018 (Re)0,8 (34)

где Nu - критерий Нуссельта, характеризующий процесс теплообмена между теплоносителем и стенкой.

Определим коэффициент теплоотдачи:

(35)

где j - коэффициент теплоотдачи воздуха = 0,097 .

Определим теплоотдачу:

(36)

где а - коэффициент теплопроводности

F - поверхность охлаждения реторты.

(37)

где Д1 - диаметр реторты - 1,5 метра;

H - высота зоны охлаждения - 0,8 метра;

tст.рет. - допустимая температура стенки реторты - 900С;

tср.воз. - средняя температура воздуха - 35С;

Со - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела - 20,73 ;

Qт - тепло поток на воздушное охлаждение наружной стенки реактора 57000ккал = 238260кДж/ч;

Т - приведенная степень черноты.

, (38)

где Д2 - внутренний диаметр печи - 2 метра;

Е1 - степень черноты реактора - 0,9;

Е2 - степень черноты шамотной футеровки - 0,8.

Определим исходную температуру внутренней стенки печи tф:

Тф = 1121

tф = Тф - 273 =1121- 273 = 848С = 850С

Таблица 12- Тепловой баланс аппарата восстановления

Приход	Расход
Тепловой эффект реакции восстановления Qр = 821855,61кДж/ч	Потери через крышку реактора Qк = 218022,32 кДж/ч Потери при сливе MgCl2 = 320205,19 кДж/ч Тепло, уносимое воздушным охлаждением Qв = 283628 кДж/ч
Итого: 821855,61 кДж/ч	Итого: 821855,61 кДж/ч

3.3.4 Расчет тепловой мощности печи восстановления

Печь рассчитываем в двух режимах работы:

- В стационарном тепловом режиме в период ведения процесса восстановления;

- В режиме нагрева аппарата восстановления с оборотным конденсатом;

Стационарный тепловой режим печи.

Определим потери тепла через боковую поверхность печи.

Исходные данные:

tвн.ст. - температура внутренней стенки печи - 850С;

tв - температура окружающей среды - 20С;

d1 - толщина шамота легковеса - 0,12 метра, g = 1,25 т/;

1 - коэффициент теплопроводности шамота легковеса - 2,5 .

Определяем среднюю площадь поверхности слоя шамота:

F1 = Пdср. Н, (39)

где dср. - диаметр слоя шамота в печи - 2,12 метра;

Н - высота шамота печи - 5,26 метра.

Определим среднюю площадь поверхности пенодиатомитового слоя:

d2 - толщина пенодиатомитового слоя - 0,36 метра, g = 0,6 т/;

2 - коэффициент теплопроводности - 0,15 ;

F2 = П ? dср. ? Н (40)

где dср. - средний диаметр пенодиатомитового слоя - 2,62 метра;

Н - высота пенодиатомитового слоя - 5,56 метра.

F2 = 3,14 2,62 5,56 = 45,7

Определим площадь поверхности кожуха печи:

d3 - толщина металлического кожуха печи - 0,02 метра;

3 - коэффициент теплопроводности стали - 44,3 ;

С - коэффициент лучеиспускания стали - 3,97 ;

F3 = П ? dср. Н, (41)

где dср. - средний диаметр металлического кожуха - 3,02 метра;

Н - высота кожуха - 5,6 метра.

F3 = 3,14 3,02 5,6 = 53

Для определения температуры поверхности кожуха печи задается ряд температур стенки кожуха печи: 40С; 60С; 80С.

Определим значение коэффициента теплоотдачи конвенцией для заданных температур:

(42)

для вертикальной стенки:

Потери тепла конвенцией и лучеиспусканием:

(43)

где ак - коэффициент теплоотдачи конвенцией;

Тст. - заданная температура стенки печи;

Тв. - температура окружающей среды;

F - площадь металлического кожуха;

С - коэффициент лучеиспускания стали - 3,97 ;

Е - степень черноты 0,8.

Определим потери тепла теплопроводностью:

(44)

где k - коэффициент тепло проводимости;

F - площадь кожуха печи - 53 .

(45)

Строим график в координатах Q - tC и по пересечению прямой Qт.с.Qл.+к. определяем истинную температуру наружной поверхности печи.

Рисунок 5- Определение температуры наружной поверхности печи

По графику определим, что температура наружной поверхности печи равна 52C.

Определим для этой температуры коэффициент теплоизлучения и коэффициент конвективных потерь тепла.

(46)

где Со - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела = 20,7 ;

tст. - температура наружной поверхности печи - 52 C.

Общий коэффициент тепловых потерь составляет:

Определим потери тепла через боковую поверхность печи:

(47)

Определим потери тепла через под печи.

В связи с увеличением размеров аппарата восстановления по длине, с целью предотвращения потерь магния из-за плохого разделения магния и хлорида магния, замораживания хлорида магния температура низа печи в течение всего процесса постоянно поддерживается на уровне 900 С.

Исходные данные:

d1 - толщина слоя шамота пода печи - 0,14 м;

а1 - коэффициент теплопроводности шамота - 0,6 = 2,5 ;

d2 - толщина пенодиатомитового слоя - 0,28 м;

а2 - коэффициент теплопроводности пенодиатомитового слоя -0,15 = 0,63 ;

d3 - толщина металлического кожуха - 0,02 м;

а3 - 44,3 = 185,2 .

Определим средние площади поверхностей слоев:

(48)

Для определения температуры поверхности нижней части печи задаемся рядом температур, 60С; 70С; 80С.

Определим коэффициент конвективных потерь для заданных температур:

Полученные значения коэффициентов конвективных потерь соответствуют для вертикальных стенок, для стенок, расположенных горизонтально они должны быть уменьшены на 30 %.

Определим потери тепла через под печи при заданных температурах.

Потери тепла конвекцией и излучением:

(49)

Потери тепла теплопроводностью:

(50)

Построим график с координатами Q - tC и определим истинную температуру пода печи в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 6- График для определения истинной температуры пода печи

По графику определили, что температура наружной поверхности пода печи равна 68C.

Определим коэффициент лучеиспускания:

Коэффициент конвективных потерь:

Суммарный коэффициент потерь тепла через под печи:

Потери тепла через под печи:

(51)

Результаты расчетов сводим в таблицу 13.

Таблица 13 - Тепловой баланс печи восстановления

Приход	Расход
1	2	3	4
Статьи	кДж/час	Статьи	кДж/час
1 Тепло, полученное за счет нагрева электроэнергией	2056502	1 На нагрев Mg	541573
		2 На нагрев MgCl2	83302
		3 На нагрев реактора	282677
		4 На нагрев шамота	272549
		5На нагрев пенодиатомита	597101
		6 Потери через крышку аппарата	218022
		7 Потери через боковую стенку	53094
		8 Потери через под печи	8184
Итого:	2056502		2056502

Расчет печи восстановления в режиме нагрева аппарата с оборотным конденсатором.

В результате процесса вакуумной сепарации идет разделение реакционной массы, полученной в аппарате восстановления. Магний и хлорид магния, имеющие высокое давление паров, испаряются и конденсируются в конденсаторе, который затем используется при монтаже аппарата восстановления и становится реактором.

Состав конденсата в реакторе:

- Mg - 3388,55 кг;

- MgCl2 - 597 кг.

Реактор нагревают до 800С.

Определим количество тепла, необходимое на нагрев и плавление магния:

, (52)

где G - вес магния;

С - теплоемкость магния.

QMg=3388,55?[0,27?(651-20)+86,5+0,334?(800-651)]=4335288,1 кДж

Количество тепла, необходимое на нагрев и плавление хлорида магния:

QMgCl2=597?[0,2?(718-20)+108,2+0,232?(800-717)]=666416,3 кДж

Количество тепла, необходимое на нагрев реторты.

Поверхность реторты:

(53)

Объем стали реторты:

, (54)

где d - толщина стенки реторты.

Вес реторты:

(55)

где g - удельный вес стали Х18Н1ОТ - 8,65.

Qp=Q ? Cp ? (tкон - tнач) = 5100 ? 0,136 ? (800 - 20) = 541008 ккал=2261413,44 кДж

где Ср - удельная теплоемкость стали - 0,136 = 0,568

Определяем расход тепла на нагрев футеровки печи от 20С до 800С.

Расход тепла на нагрев кладки шамота:

Qш = G ? С (t2 - t1) (56)

где G - вес шамота - 2675 кг;

С - удельная теплоемкость шамота - 0,25 = 1,05 .

Qш = 2675 ? 0,25 ? (800 - 20) = 521625 ккал = 2180392,5 кДж

Расход тепла на нагрев кладки пенодиатомитового кирпича:

Qп = G ? C (t2 - t1), (57)

где G - вес пенодиатомита;

С - удельная теплоемкость пенодиатомита - 0,23 = 0,96 .

Qп = 6370 ? 0,23 ? (800 - 20) = 1142778ккал = 4776812,04 кДж

Общее количество тепла, необходимое на разогрев аппарата до температуры 800С:

Qобщ. = QMg + QMgCl2 + Qр + Qш + Qп = 1037150 + 159429 + 541008 + +521625 + 1142778 = 3401990 ккал = 14220318,2 кДж

Время разогрева аппарата и печи согласно техническим условиям составляет 8 часов:

Количество тепла, необходимое на разогрев аппарата до начала процесса восстановления:

Qх = Qобщ. + х Qпот.

Qх = 283499,2 + 66731 = 350230

Результаты расчетов сводим в таблицу 14.

Таблица 14 - Общий тепловой баланс процесса восстановления

Приход	Расход
Статьи	кДж/час	статьи	кДж/час
Тепло, полученное за счет химической реакции процесса	821856	Потери через крышку	218022
Тепло, полученное за счет нагрева электроэнергией	2056502	Потери при сливе MgCl2	320205
		Отвод тепла воздухом	283628
		На нагрев Mg	541911
		На нагрев MgCl2	83302
		На нагрев реактора	282677
		На нагрев шамота	272549
		На нагрев пенодиатомита	597101
		Потери тепла через крышку аппарата	218022
		Потери через боковую стенку	53094
		Потери через под печи	8184
Итого:	2878358	Итого:	2878358

3.3.5 Расчет требуемой мощности печи

Определим мощность печи восстановления по формуле:

, (58)

где k - коэффициент запаса мощности, который учитывает возможное ухудшение теплоизоляции, возможность временной перегрузки, различные случайные потери тепла. Для непрерывно действующих печей: k = 1,2 ? 1,3;

Qx - общий расход тепла печи.

кВт.

3.3.6 Электрический расчет печи восстановления

Учитывая опыт эксплуатации печей повышенной цикловой производительности на АО УК ТМК, принимаем следующее распределение мощностей по зонам.

1 зона - 96 кВт;

2 зона - 96 кВт;

3 зона - 130 кВт;

4 зона - 130 кВт.

Напряжение на печи 380 В.

Нагреватели питаются от силовой сети переменного тока через трансформатор. В качестве материала для нагревателей применяют ленточный нихром марки Х20Н80 ГОСТ 2615-58, который в условиях поточного производства обеспечивает необходимую надежность в работе. Определяющим параметром при расчете является температура нагревателей, по которой можно судить о сроках службы используемого материала. Выбираем нихром в виде ленты сечением 3,2 36 мм с удельным электросопротивлением в горячем состоянии при 1000С - 1,15 .

Предельно допустимая температура нихрома марки Х20Р80 - 1150 С.

Расчет нагревателей 1 и 2 зоны [16].

Мощность Р = 96 кВт.

Напряжение U = 380 В.

Определим силу тока:

(59)

Определим сопротивление:

(60)

Сечение ленты:

(61)

Длина ленты:

(62)

Поверхность ленты:

(63)

Ваттная нагрузка:

(64)

По графику определяем максимальную температуру нагревателей:

t = 2090С

Конструктивное размещение нагревателей.

Определяем средний диаметр намотки спирали:

dср. = d - (2 ? 40) = 2000 - 80 = 1920 мм =1,92 м. (65)

Длина окружности намотки:

Пср. = П ? dср. = 3,14 ? 1920 = 6029 мм = 6,029 м. (66)

Количество петель спирали:

(67)

где r - шаг петли - 50 мм.

Высота петли: длина зоны:

l= 2 ? 2 ? h ? n, (68)

отсюда

Расчет нагревателей 3 - 4 зоны.

Мощность Р = 130 кВт.

Напряжение U = 380 В.

Определим силу тока:

Определим сопротивление:

Сечение ленты:

S = 3,2 ? 36 = 115м

Длина ленты:

Поверхность ленты

Ваттная нагрузка:

Конструктивное размещение нагревателей.

Средний диаметр намотки:

dср. = d - (2 40) = 2000 - 80 = 1920 мм

Длина окружности намотки:

Количество петель:

Высота петли:

3.4 Выбор и расчет основного и вспомогательного оборудования

3.4.1 Выбор и расчет основного оборудования

1) Расчет количества печей восстановления.

На основании опытных данных согласно утвержденным техническим условиям на АО УКТМК продолжительность печного цикла на переделе восстановления принимаем следующее:

- Разогрев аппарата - 8 ч

- Процесс восстановления - 62 ч

- Выдержка после окончания процесса - 1 ч

- Охлаждение в печи - 2 ч

Итого: 73 ч.

В связи с тем, что количество операций по обслуживанию аппарата восстановления производительностью 5 т/цикл практически не изменяется, то согласно утвержденного положения о производственно-профилактических ремонтах основного оборудования на УК ТМК. Определяем календарное количество дней работы печи в году.

Количество календарных дней в году - 366 дней, из них:

- Печь на капитальном ремонте - 10 дней;

- Печь на профилактическом ремонте - 5 дней.

Итого: 351 день.

Определяем производительность печи восстановления в год:

Определяем количество печей восстановления, обеспечивающих заданную годовую (15000 т/год) производительность:

15000/576=26 штук

Коэффициент использования печей восстановления составит:

Определяем количество печей восстановления, обеспечивающих заданную производительность, с учетом коэффициента использования печей.

26/0.96=27 штук

Согласно данным АО УКТМК резерв производительной мощности предусматривается 5%.

Находим резерв печей восстановления:

27 · 0,05 = 1,35 штук принимаем 2 печи.

Общее количество печей восстановления составит:

27 + 2 = 29 штук

Кроме того, необходима еще одна печь для сушки аргона:

29 + 1 = 30 штук

2) Расчет количества печей сепарации.

На основании опытных данных на АО УКТМК продолжительность печного цикла на переделе сепарации принимаем следующие:

- Разогрев до температуры выдержки - 16 ч

- Время высокотемпературной выдержки - 72 ч

- Охлаждение аппарата в печи - 2 ч

Итого: 90 ч

На основании положении о производственно-профилактических работах основного оборудования на УК ТМК для аппаратов 4,1 т/цикл календарное количество дней работы печи в году.

Количество операций по обслуживанию при этом также не изменяется.

Календарное количество дней в году - 366 дней:

- Печь на капитальном ремонте - 12 дней;

- Печь на профилактическом ремонте - 5 дней.

Итого: 349 дней.

Производительность печи сепарации в год составит:

Определяем количество печей сепарации, обеспечивающих заданную годовую производительность:

15000/365=32 штуки

Коэффициент использования печей сепарации составит:

Количество печей сепарации с учетом коэффициента использования:

32/0.95=34 штуки

Определяем резерв печей сепарации:

34 · 0,05 = 1,7штук принимаем 2 штуки

Общее количество печей сепарации составит:

34 + 2 = 36 штук

3) Расчет количества холодильников.

В связи с тем, что диаметр аппарата производительностью 5 т/цикл практически не изменяется, то на основании утвержденных технических условий на АО УКТМК цикл охлаждения аппарата сепарации в холодильнике принимаем следующим:

- Охлаждение воздухом - 3 ч

- Охлаждение водой -50 ч

Итого: 53 ч

На основании положения о производственно-профилактических ремонтах основного оборудования АО УКТМК, определяем календарное количество дней работы холодильника в год.

Количество календарных дней работы холодильника в год - 366 дней, из них

На капитальном ремонте - 3 дня;

На профилактическом ремонте - 2 дня.

Итого: 361 дней.

Определяем производительность холодильника в год:

Определяем необходимое количество холодильников, обеспечивающих заданную производительность:

15000/817= 18,4 штук принимаем 19 штук

Коэффициент использования холодильников принимаем:

Необходимое количество холодильников с учетом коэффициента использования составит:

19/0.98 = 19,4 штуки принимаем 20 штук.

Определяем резерв холодильников:

19 · 0,05 = 0,95 штука принимаем 1 штука

Общее количество холодильников составит:

20 + 1 = 21 штук

4) Расчет количества реторт.

Определим суточную производительность цеха:

15000/365=41т/сут

Определяем количество реторт, поступающих в течение суток на монтаж аппаратов восстановления и сепарации при производительности аппаратов 5 тонн титановой губки за цикл.

41/5 = 8 штук

Цех работает в три смены. Определяем количество реторт, поступающих на монтаж аппаратов восстановления в смену.

8/3 = 3 штуки

Количество реторт, поступающих на монтаж аппаратов сепарации в смену:

3 · 2 = 6 штук

Определяем общее количество реторт, необходимых для обеспечения заданной производительности цеха.

Считаем, что все печи и холодильники заняты соответствующими аппаратами. Кроме того, часть их находится на монтаже и демонтаже.

- Восстановление - 29;

- Вакуумная сепарация - 36 · 2 = 72;

- Холодильники - 21 · 2 = 42;

- Монтаж - 2;

- Демонтаж - 4 · 2 = 8;

- На выдавливание блока - 2.

Итого: 155 реторт.

Находим резерв реторт:

155 · 0,05 = 7,75 штук принимаем 8 штук

Общее количество реторт составляет:

155 + 8 = 163 штуки

3.4.2 Выбор и расчет вспомогательного оборудования

1) Расчет количества вакуумных насосов.

Количество вакуумных насосов ВН6-г. Расчет ведём на основании практического размещения вакуумного оборудования, которое обеспечит заданную производительность цеха.

Их количество равно количеству печей в отделении сепарации, плюс четыре насоса контр вакуумной линии отделения сепарации, плюс четыре насоса отделения восстановления, плюс четыре насоса на монтажном участке для откачки аппаратов восстановления и четыре насоса для откачки оборотных реторт.

Всего ВН6-г: 36 + 4 + 4 + 4 + 4 = 56 штук.

Количество вакуумных насосов БН2000 равно количеству печей сепарации, плюс четыре насоса на монтажном участке для откачки оборотных реторт.

Всего БН-2000: 36+ 4 = 40 штук.

2) Расчет количества вентиляторов.

Расчет количества вентиляторов ведём по максимальной загруженности цеха. Принимаем в работе 29 печей. Определим расход воздуха при работе 29 печей одновременно по формуле:

Vобщ=V n , (70)

гдеV- расход воздуха на боковое охлаждение одного реактора [п 3.8.2];

n- количество печей восстановления.

Vобщ=6129 129=177741 м3/ч

Принимаем к установке вентилятор типа ВР-6-28 (из практических данных АО УКТМК)

Определим необходимое количество вентиляторов по формуле:

n= , (71)

гдеVобщ - максимальный расход воздуха на охлаждение, м3/ч;

- производительность одного вентилятора, м3/ч.

N= принимаем 12 штук

4. Контроль и автоматизация технологических процессов

4.1 Характеристика процесса как объекта управления

Решения задачи управления магнийтермического получения губчатого титана заключается в нахождении оптимальных условий проведения процесса на переделах восстановления, сепарации, переработки и построения системы управления.

Воздействия по характеру и влиянию их на процесс магниетермического восстановления титана разделяются на три группы:

а) группа воздействий X (X1, X2, …,Xn) - значения этих воздействий устанавливаются перед началом процесса восстановления и в течение процесса не изменяются:

1) количество TiCl4;

2) количество Mg;

3) качество Mg;

4) качество Ar;

б) группа управляющих воздействий Z (Z1, Z2, …, Zn), целенаправленным изменением которых можно влиять на течение процесса:

1) режим подачи TiCl4;

2) температурный режим восстановления;

3) режим слива;

4) температурный режим сепарации;

в) группа неконтролируемых воздействий W (W1, W2, …, Wn), к этой группе отнесены воздействия, неизвестные по своей природе, месту приложения и величине. Они носят случайный характер и определяют вероятностный характер рассматриваемых процессов.

К таким воздействиям относятся:

1) присутствие случайных примесей в исходном сырье: магнии, тетрахлориде титана, аргоне;

2) суточные, сезонные изменения окружающей среды;

3) старение оборудования и аппаратуры;

4) влияние неконтролируемых переменных процесса;

г) группа выходных параметров E (E1, E2, …,En), характеризуют полученное качество губчатого титана (содержание примесей Cl, Fe, O, N и др.)и производительность процесса.

Группа процессов Е (качество губчатого титана) в ходе процесса не контролируется и не управляется с помощью воздействий Z. Решения по применению воздействий Z могут приниматься технологом для последующих процессов по статистическим оценкам выходных величин Е, предыдущих законченных процессов. Обеспечить оптимальное значение выходных величин Е в каждом отдельном процессе невозможно.

4.2 Постановка задач управления процессом восстановления

Технологический режим восстановления губчатого титана определяется параметрами: скоростью подачи TiCl4, температурой зон, давлением в аппарате, графиком слива хлорида магния из аппарата.

а) Задача управления скоростью подачи TiCl4.

В процессе восстановления губчатого титана осуществляется автоматическое программное управление скоростью подачи TiCl4.

Режим расхода TiCl4 оказывает решающее влияние на развитие процесса, структуру и формирование блока реакционной массы и во многом определяет все технико-экономические показатели процессов восстановления и сепарации. Увеличение скорости подачи TiCl4 вызывает повышение плотности реакционной массы и содержание остаточного хлора после сепарации.

б) Задача управления температурным режимом процесса восстановления.

Температурный режим реактора определяется исходя из температурных условий протекания реакций процесса восстановления с учетом динамики тепловых полей.

На процессе восстановления осуществляется автоматическое программное управление температурным режимом.

Температурный режим изменяется в зависимости от стадии процесса:

- разогрев до 550 0С по всем четырем зонам печи. При достижении температуры аппарата до 550 0С производится выдержка 1 час. После откачки аппарата, подачи аргона, монтажа сливного устройства наступает следующая стадия процесса;

- разогрев до 800 0С, заливка магния в аппарат;

- подача TiCl4 в аппарат.

Температура зон печи:

1) 1-2 зоны - нагрев 770 0С;

- обдув 800 0С;

2) 3 зона - нагрев 880 0С;

3) 4 зона - нагрев 850 0С.

За два часа до окончания процесса подачи TiCl4 устанавливается режим:

- 1 и 2 зон 870 0С;

- 3 и 4 зон 960 0С.

Процесс восстановления заканчивается при пропуске 19841 кг TiCl4.

в) Задача управления режимом давления в аппарате.

Давление в реакторе аппарата восстановления рассматривается как сумма парциальных давлений аргона, паров TiCl4т и магния. Аргонт подается в реактор перед началом процесса и при аварийных остановках. Давление в реакторе постепенно повышается к началу слива MgCl2 и резко падает после слива. Давление в аппарате поддерживается в пределах 0,05-0,25 кгс/см2.

г) Контроль режима слива из аппарата восстановления.

Режим сливов MgCl2 - это периодичность сливов и количество выводимого MgCl2 из аппарата.

По стехиометрическому соотношению основной реакции процесса восстановления на одну весовую часть TiCl4 расходуется 0,256 весовых единиц Mg с образованием 0,252 и 1 весовых единиц титана и хлорида магния соответственно.

4.3 Описание функциональной схемы

Магниетермическое восстановление губчатого титана ведется в аппаратах, помещенных в электропечи шахтного типа с 4 зонами нихромовых нагревателей.

В процессе восстановления контроль, управление, регистрация, сигнализация параметров осуществляется автоматизированной системой управления (АСУ ТП).

АСУ ТП процесса восстановления представляет собой иерархическую 2-х уровневую распределенную систему управления отдельными аппаратами восстановления, включающей в себя микропроцессорные контроллеры Ремиконт Р-130 и автоматизированное рабочее место оператора-технолога (АРМ).

На нижнем уровне АСУ ТП отделения восстановления решаются задачи:

- автоматическое программное управление скоростью подачи TiCl4 на процесс;

- автоматическое программное управление температурным режимом процесса;

- автоматическое программное управление режимом давления в аппарате;

- автоматический контроль сливов MgCl2 из аппарата.

На нижнем уровне для каждой печи восстановления установлены контроллеры Ремиконт Р-130, которые по локальной сети «Транзит» соединены с автоматизированным рабочим местом оператора-технолога (верхний уровень). Для автоматического программного управления скоростью подачи TiCl4 смонтированы:

- дозаторы ДЖЗ (1а);

- система автоматизированного группового дозирования АГД-1А для управления дозаторами;

- микропроцессорный контроллер Ремиконт Р-130 (А1).

Дозатор ДЖЗ представляет собой поршневой дозатор, класс точности 1%, величина дозы TiCl4 1 кг при t=30 0С. Система АГД-1А управляет работой дозатора и имеет 4 скорости подачи: 100, 200, 300, 400 кг.

Контроллер Ремиконт Р-130 осуществляет управление скоростью подачи TiCl4.

Для автоматического программного управления температурой на процессе смонтированы:

- датчики температуры - термощупы ХА 1, 2, 3, 4 зон печи (3а-3г);

- нормирующие преобразователи (3д, 3е, 3и, 3к) для преобразования сигнала термопар в унифицированный сигнал;

- микропроцессорный контроллер Ремиконт Р-130 (А1) для выработки управляющих воздействий;

- усилители мощности (3з, 3ж) для включения электрических контакторов, подающих нагрузку на нихромовые нагреватели печи или заслонки на воздуховодах для охлаждения аппарата.

Для автоматического управления режимом давления смонтированы:

- датчик давления «Сапфир» (7а);

- микропроцессорный контроллер Ремиконт Р-130 (1А) для выработки управляющих воздействий;

- исполнительный механизм на линии аргона (7г).

Для осуществления автоматического контроля графика сливов MgCl2 смонтированы:

- датчик слива хлорида магния (2д);

- микропроцессорный контроллер Ремиконт Р-130 (1А) для обработки сигнала датчика и передачи его на верхний уровень;

- персональный компьютер IBM PC.

Контроль количества сливаемого MgCl2 в транспортировочный ковш осуществляется мерной линейкой с точностью до 40 кг.

Контроль количества Mg, заливаемого в аппарат восстановления, осуществляется рычажными весами с точностью до 50 кг.

На верхнем уровне АСУ ТП восстановления решаются задачи:

- отображаемые мнемосхемы отдельных аппаратов и группы аппаратов;

- динамизация элементов мнемосхемы для отображения отклонений и нормализации технологических параметров температуры зон, давления в реакционном объеме;

- отображение на мнемосхеме текущих параметров температуры и давления, количества пропущенного TiCl4, количество проведенных сливов;

- отображение на мнемосхеме текущей стадии процесса и соответствующие установки температуры;

- регистрация и документирование на магнитный носитель температуры, давления, траектории подачи TiCl4, сливов, номера печи, процесса.

Технические средства АСУ ТП верхнего уровня содержат промышленный компьютер (А3), включающий монитор, принтер, блок бесперебойного питания, клавиатуру.

Для построения АРМ оператора-технолога на верхнем уровне используется пакет SCADA системы VNS. С помощью графического редактора VNS построены мнемосхемы аппаратов и группы аппаратов восстановления. Элементы мнемосхем, отображающие критические значения температуры и давления, динамизированы. Изменяется цвет цифр параметров, вышедших из нормы.

На тренде АРМ выведены важнейшие параметры: температура, давление, траектория подачи TiCl4, график сливов MgCl2.ежедневно тренды копируются на магнитные носители для сохранения в архиве.

В АСУ ТП реализовано 3 типа текстовых сообщений: аварийные, технологические и системные. Технологические сообщения отражают в хронологическом порядке все технологические операции: установка аппаратов в печь, начало подачи TiCl4, переключение скоростей по программе, окончание подачи TiCl4. аварийные сообщения отражают отклонения температуры и давления и время их нормализации. Системные сообщения документируют сбои системы.

АСУ ТП процессом восстановления работает следующим образом:

а) Программное управление температурным режимом

Температура стенки реторты-реактора измеряется термощупами (3а-3г), сигналы с которых заведены на контроллеры Ремиконт Р-130 (А1). В А1 сигналы сравниваются с записанными в память контроллера установками нагрева и обдува по зонам печи. Если температура аппарата ниже установки, то А1 включает нихромовые нагреватели зон и отключает при достижении установки.

В ходе восстановления губчатого титана выделяется значительное количество тепла, если температура зоны реакции превышает установку на обдув, то А1 включает привод заслонки на воздуховоде и аппарат охлаждается сжатым воздухом.

В ходе процесса восстановления установки температуры в А1 автоматически изменяются по программе, записанной в запоминающем устройстве А1.

б) Программное управление скоростью подачи.

Дозирование TiCl4 в аппарат восстановления осуществляется дозатором (1а) по команде системы группового дозирования АГД. Возможна подача TiCl4 со скоростями 100, 200, 300, 400 кг/час, путем нажатия клавиши на блоке АГД или автоматически по программе, записанной в А1 АГД соединена с А1 системой кабелей.

При управлении по программе сигнал с А1 поступает в АГД для изменения скорости.

в) Автоматическое управление режимом давления.

Давление в аппарате восстановления измеряется датчиком (7а), сигнал, с которого заводится в А1. В А1 происходит сравнение сигнала с установкой и границами допустимого значения для сигнализации отклонений. При снижении давления ниже установки А1 подает сигнал о включении исполнительного механизма на линии аргона (7г). При нормализации давления 7г отключается.

г) Контроль графика сливов MgCl2 из аппарата.

При выполнении слива MgCl2 из аппарата датчик слива (2д) выдает сигнал в А1 и верхний уровень в промышленный компьютер для фиксации времени и номера слива.

5. Безопасность и экологичность проекта

5.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов

Технологические процессы в проектируемом отделении связаны с применением и получением вредных химических веществ в различных агрегатных состояниях. Эти вещества при нарушении технологии и несоблюдении профилактических мер могут попасть в атмосферу производственных помещений, землю, сточные воды и представить опасность для самих рабочих и для населения, живущего вблизи предприятия.

5.1.1 Классификация производственных факторов, опасных для жизни человека.

В отделении производства титановой губки имеют место производственные факторы, которые могут влиять на жизнь человека:

- движущиеся части машин и механизмов;

- электрический ток;

- промышленные яды и агрессивные жидкости;

- промышленная пыль и производственный шум.

Движущиеся части машин и механизмов являются опасными, когда они доступны для случайного прикосновения к ним человека во время работы. Все вращающиеся механизмы имеют защитные кожухи, окрашенные в ярко-красный цвет. Соединительные муфты имеют защитные ограждения.

Все рабочие площадки, проемы, проходы, лестницы, находящиеся на высоте более 0,5 метра, выполняются с ограждениями 1200 мм. Уклон лестниц 45-59 градусов.

Пол на отметке 0,000 выполнен из рифленых чугунных плит. Уборку полов производят мокрыми опилками.

Ремонт и чистку печей производят при обязательном присутствии наблюдающего. Нахождение людей под хвостовиками работающих аппаратов восстановления запрещается.

Тепловые факторы, вызывающие ожоги, возникают при соприкосновении человека с нагретыми частями производственного оборудования, в результате действия расплавленного металла, горячей жидкости, пара или газа. При заливке жидкого Mg в реактор, при сливе хлорида магния в ковш из аппарата, для предупреждения возможного выброса металла и расплава соли, все оборудование, и инструменты должны предварительно быть просушены и прогреты.

Действие электрического тока на организм человека проявляется в сложной и многообразной форме. Поражение электрическим током можно разделить на две группы:

- поражение внутреннего характера;

- внешнее поражение (ожоги).

Наибольшую опасность представляют электрические удары, появляющиеся вследствие прохождения электрического тока через тело человека. Принято считать безопасным для человека ток до 0,01 А. Среднее сопротивление тела человека составляет 1000 Ом.

В проектируемом цехе предусмотрено дистанционное включение и отключение оборудования при помощи магнитных пускателей, световая и звуковая сигнализации. Во избежание повреждения электрическим током необходимо прокладку кабелей вести в трубах. Для того чтобы при ремонте избежать случайных поражений током, необходимо предусмотреть электроблокировку. Все электрооборудование должно иметь заземление.

Распределительные щитовые находятся в отдельных помещениях, вход в которые разрешен только лицам, имеющим допуск.

Работы, связанные с включением электрического оборудования, производятся в соответствии с требованиями 'Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей и правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей'.

5.1.2 Характеристикавредныхвеществ,специфичныхдляданного производства

Тетрахлорид титана при обычных условиях, с температурой кипения 136,9 градусов, попадает в атмосферу производственных помещений в виде жидкости или пара при разгерметизации оборудования. Т1С14 дымообразующее вещество, при воздействии с влагой воздуха образует белую пыль оксихлорида титана и токсичный хлорид водорода, который отсорбируется на частицах пыли оксихлорида титана, способен проникать в легкие. Предельно допустимая концентрация (ПДК) для НС1 в атмосфере производственных помещений составляет 1мг/дм3. Пары НС1 поражают слизистую оболочку верхних дыхательных путей и вызывают токсические бронхиты. Попадание ТiС14 на кожу дает труднозаживающие ожоги II и I I I степеней.

Хлорид водорода (НС1) - бесцветный удушливый газ, растворяясь в воде образует соляную кислоту. Токсичность проявляется в виде сильного раздражения верхних дыхательных путей. В проектируемом цехе ядовитыми веществами являются: хлор, пары соляной кислоты, хлоридной окиси титана, титановой пыли. Допустимые концентрации в атмосфере рабочего помещения следующие: хлор - 1,001 мг/дм3; НС1 -0,005 мг/дм3; Ti - 0,1 мг/ дм3.

5.2 Организационные мероприятия

Производство губчатого титана на всех переделах связано с применением и получением вредных химических веществ в различных агрессивных состояниях. Эти вещества при нарушении профилактических мер могут попасть в атмосферу производственных помещений, землю, сточные воды и представить опасность, как для самих рабочих, так и для населения, живущего вблизи предприятия. В процессе производства рабочие управляют различными механизмами с электрическими приводами, обслуживают грузозахватные механизмы.

В этих условиях отклонения от правил технической эксплуатации, техники безопасности может вызвать аварию и несчастный случай. Рабочие, впервые принятые на производство и не имеющие удостоверения по специальности, проходят вводный инструктаж по технике безопасности в отделе охраны труда предприятия, который знакомит с общими правила поведения людей на территории завода и его цехов, с правилами пожарной безопасности.

Отдел охраны труда предприятия выдает рабочему на руки 'Личную карточку инструктажа' и с этим документом его направляют непосредственно в цех. Администрация цеха обеспечивает вновь принятого рабочего спецодеждой, спецобувью, специальными средствами защиты, выделяет ему место в бытовой комнате, выдает на руки и направляет к мастеру, который отвечает за соблюдение требований охраны труда этим рабочим.

Рабочего допускают к самостоятельной работе только после прохождения им инструктажа на рабочем месте, сдачи экзамена по технике безопасности для конкретной специальности.

В процессе самостоятельной работы с рабочим не менее двух раз в году проводят повторный инструктаж по безопасности и плану ликвидации аварии. Важное значение для безопасных условий труда имеет соблюдение трудовой дисциплины. Игнорирование правил ношения защитной одежды, специальной обуви, средств защиты органов дыхания, выполнение чужих функций работы на неисправном оборудовании - основные причины аварии и несчастных случаев на производстве.

Для профилактики производственного травматизма, профзаболеваний, исключения аварии при производстве губчатого титана внедрена система управления охраной труда.

Администрация предприятия цеха обязана разрабатывать ежегодные планы по охране труда и технике безопасности, проводить анализ производственного травматизма.

5.3 Средства индивидуальной защиты

Весь работающий персонал обеспечивается бесплатно защитной спецодеждой, обувью, индивидуальными средствами защиты. На примере профессий печевого и слесаря-электрика в таблице 16 представлены индивидуальные средства защиты, полагающиеся им по нормам.

Таблица 16 - Нормы индивидуальных средств защиты

Специальность	Наименование средств защиты	Срок службы (месяцы)
Печевой	Костюм суконный с кислотостойкой пропиткой	9
	Шляпа суконная	12
	Ботинки с прорезиненными подошвами	12
	Очки защитные	24
	Рукавицы кислотостойкие	1
	Руковицы суконные	1
	Противогаз	6
	Респиратор пылевой	1 смена
Слесарь-электрик	Костюм х/б со спец. пропиткой	12
	Каска головная	24
	Ботинки юфтевые	12
	Перчатки резиновые диэлектрические	1
	Очки защитные	24
	Руковицы х/б	1
	Противогаз	6
	Респиратор пылевой	1 смена

5.4 Обеспечение спецпитанием

Работники проектируемого цеха получают специальное питание, состоящее из талонов на молочные продукты - 0,5 литра ежедневно, кроме субботы и воскресенья.

В цехе предусмотрена чайная-буфет для принятия в течение смены горячего чая. Столовая расположена на территории предприятия в 30 метрах от цеха.

5.5 Санитарно-гигиенические мероприятия

Перед началом смены рабочий должен прийти на рабочее место в исправной и чистой спецодежде.

Принимать пищу и курить запрещается на всей территории цеха. Разрешается только в специально отведенных для этих целей помещениях. Запрещается употреблять воду из промышленного водопровода. Пить воду можно только из специально оборудованных фонтанчиков, которые расположены на каждом технологическом участке. При получении микротравмы, рану необходимо промыть и обработать медикаментами ив аптечки, находящейся в специальном месте.

После рабочей смены, по требованию инструкции по технике безопасности, каждому работнику необходимо принимать гигиенический душ. Моющие средства - 200 г. мыла выдаются каждому работнику ежемесячно. Стирка и ремонт спецодежды производится централизованно в хозяйственном цехе предприятия.

5.6 Организация воздухообмена

В цехе естественная вентиляция осуществляется при помощи аэрации организованного регулируемого естественного воздухообмена, поддерживающего в помещении заданные параметры воздушной среды. В цехе аэрация является основным видом общей вентиляции, так как позволяет осуществлять воздухообмен в больших помещениях. В проектируемом цехе аэрация осуществляется через окна, двери и аэрационные фонари, устроенные по всей длине проектируемого здания Искусственная вентиляция обеспечивается посредством приточно-вентиляционной системы.

При помощи организованного воздухообмена в помещении поддерживаются нужные метеорологические параметры производственной среды. Относительная влажность воздуха составляет 40-60 %, температура воздуха в зимний период + 15°С, в летний + 30°С.

Для обеспечения ПДК вредных веществ в атмосфере воздуха:

- в отделении восстановления тетрахлорида титана магнием, предусмотрена приточно-вытяжная вентиляция, для чего в верхних частях здания существуют специальные проемы;

- установлены колориферы, работающие зимой на теплый, а летом на холодный воздух;

- для отсоса вредных веществ, выделяющихся при сливах хлорида магния, которые осуществляют в ходе процесса восстановления, установлена система местных вытяжек вентиляцией.

В связи с тем, что приточно-вытяжная вентиляция не справляется в отделении восстановления, имеют место превышения ПДК по вредным веществам.(СН и ПРК 4.02-01-2001 Отопление, вентиляция и кондиционирование).

Ниже приведен расчет вентиляции.

Расчет местной вентиляции принимаем условно, что в технологии отделения используется 97 аппаратов, на каждые 12 аппаратов составим одну систему вентиляции. В месте отсоса устанавливаем вытяжные зонты. Необходимое количество воздуха, требуемое для отсоса загрязненного воздуха, рассчитываем по формуле.

у =180t0,42d1,63h0,7 (69)

Принимая отверстие вытяжного зонта квадратным,

где t - температура воздуха в месте отсоса;

d - сторона среза вытяжного зонта;

h - расстояние от среза зонта до ковша, предназначенного для слива хлористого магния.

у = 180 ? 4000,42 ?0,81,63 ?0,30,7 = 746 м3.

Перемещение воздуха в сети сопровождается потерями давления от трения воздуха о стенки воздуховода и местных сопротивлений, возникающих при поворотах, изменении сечений, слиянии струй, в ходе и выходе воздуха из сети.

В системе вентиляции наблюдается потери давления при внезапном сужении на входе в зонд и в воздуховод, повороте на 30 градусов, слиянии струй.

Общая потеря давления определяется по формуле:

, (70)

где k = 0,02 - коэффициент сопротивления трения;

l - длина воздуховода, м;

V - скорость воздуха, м/с;

j = 1,2 кг/м3 - плотность воздуха.

Скорость на участке трубопровода определяем из соотношения:

(71)

(72)

где d - диаметр воздуховода.

Приведем систему вентиляции, считая процент заполнения системы равным 70%.

Находим потери давления от мощных сопротивлений.

Сужение на срезе зонта Е1= 0,05;

V1 = 0,5 м/с; d = 0,25 м.

кг/м2

Внезапное сужение, Е2 = 0, 1

м/с

кг/м2

Поворот на 90°, Е3 = 0,7

кг/м2

Поворот на 90° в начале общей магистрали, Е4 = 0,8 (1 участок).

кг/м2

II участок, Е2 = 0,8.

уII = 2I = 1492м3

м/с

кг/м2

III участок:

уIII = 3I = 2138 м3

м/с

кг/м2

IV участок:

уIV = 4I = 2984 м3

принимаем d = 0,5 м

м/с

кг/м2

V участок:

yv = 5I = 3730 м3

м/с

кг/м2

VI участок:

yVI=6I= 4476 м3

м/с

кг/м2

Вентилятор E5 = 1,2

уVII=7I=5222 м3

м/с

кг/м2

Внезапность расширения на выходе, Е6 = 0,1

кг/м2

Общая потеря давлений:

DP = Dpi + DP - (DP1+ DP2 + DP3) ? 7 + DPI+ DPII+ DPIII+ DPIV+ DPV + DPVI + DPB + DPвых = (0,001 + 0,15 + 0,93) ? 7 + 1,2 + 8,44 + 4,4 + 9 + 1 + 1,55 + 2,2 + 5,35 + 29 = 70 кг/м2

5.7 Расчет защитного заземления

Цеховое оборудование питается от подстанции с двумя трансформаторами мощностью S=1500 кВ. Ток однофазного замыкания в сети 10 кВ равен 15А.

Требуется определить сопротивление заземляющего устройства в сети 0,23 кВ с глухо-заземленной нейтралью.

Грунт на месте устройства подстанции - глина с удельным сопротивлением Р, равным 0,6?103 Ом ? см.

Принимаем заземление из полосовых электродов сечением 4x40 мм и стержневых из угловой стали сечением 50 ? 50 мм длиной 2,5 м. Заземлитель углублен в землю на 0,8 м.

Контур по периметру здания выполнен из полос, заглубленных на 0,8 м и вертикальных стрежневых электродов.

Рассчитаем сопротивление одного стержневого электрода Rc и сопротивление полосы контура Rn.

Сопротивление стержневого электрода:

(73)

где гс = ггр ? ус;

ус - коэффициент сезонности;

ус- выбираем равным 2,0;

l - длина стержневого электрода, см;

t - длина заглубления, см;

а - длина электрода.

Ом

Сопротивление полосы контура рассчитываем по формуле:

Ом

Наиболее допустимое значение сопротивления R3, установленное нормами ПУЭ для сетей до 1000 В равно 4 Ом.

<4 Ом (74)

где N - число уголков, равное 10;

hП = 0,42;

hc = 0,68;

Ом

1,1 < 4 Ом - условие выполнено.

Проведем проверку заземления на термоустойчивость по формуле:

S>0,12?I3?Vrгр?t, (75)

где S - поверхность сопротивления заземлителя с грунтом, см;

L - расчетный ток замыкания на землю, А;

rгр - удельное сопротивление грунта, Ом х см;

t - длительность замыкания на землю.

104000 > 0,12 ? 15 ? V0,6 ? 104 ? 3600

104000> 8366

Данный заземлитель удовлетворяет правилам устройств электроустановок, обладает достаточной поверхностью и термоустойчивостью.

5.8 Освещение

Для нормальной работы людей, обслуживающих круглосуточно технологическое оборудование, большое значение имеет рациональное освещение.

Естественное освещение создается рассеянным светом, проходимым через боковые оконные проемы цеха, выложенные стеклоблоками и аэрационные фонари, устроенные по всей длине здания в верхней его части.

Искусственное освещение обеспечивается светильниками типа УПД. Расположение светильников должно быть равномерным. Предусмотрено и аварийное освещение с независимым источником электроэнергии.

Для производства работ во влажных помещениях, в замкнутых пространствах, печах, колодцах и т.д. используется освещение от переносных светильников с рабочим напряжением 36 и 12В.

Проектируемый цех работает круглосуточно. Для предотвращения несчастных случаев и повышения производительности труда требуется хорошее освещение. Для каждого вида зрительных работ может быть определен наиболее благоприятный световой режим. Расположение светильников в отделении должно быть равномерным.

Корпус цеха представляет собой здание павильонного типа с занимаемой площадью:

S=27?210 = 5670м2

Нормированная освещенность в цехе:

Еср - 10 лк (по 'Нормам искусственного освещения основных цехов предприятий цветной металлургии' часть II).

Для освещения принимаем светильники типа УПД. Высота подсвета светильников h = 20 м. Определим необходимое количество светильников для отделения восстановления и вакуумной сепарации.

, (76)

где W - удельная мощность освещения - 14,7 вт/м;

P - единичная мощность лампы - 500 Вт.

14,7 ? 5670/500= 168 штук.

Располагаем светильники в три ряда по 56 штук.

(СН и ПРК 2.04-05-2002. Естественное и искусственное освещение (Электронный ресурс). -Астана, 2003.-59с.)

5.9 Противопожарные мероприятия

В проектируемом отделении пожары представляют большую опасность для рабочих и причиняют большой ущерб. Пожары могут возникнуть по следующим причинам:

- возгорание мелкодисперсного магния и титана во время демонтажа аппарата восстановления и обработки блока титановой губки;

- возгорание низших хлоридов;

- при прогаре аппарата во время процесса восстановления или выхода из строя сливного устройства;

- в случае короткого замыкания.

При разливе расплава магния и хлорида магния на пол цеха возможно возгорание кабелей, расположенных на отметке +3,00 м.

Для предотвращения пожара предусматривается обязательное наличие аварийных емкостей с максимальной вместимостью количества расплава. Данный пожар тушится обезвоженным карналлитом, который находится в передвижных емкостях в специально отведенных местах.

При обработке и раздавливании титанового блока на прессе может произойти возгорание. Для предотвращения пожара имеется яма с крышкой, в которую помещают загоревшийся блок, куда подают аргон.

При демонтаже аппарата дистилляции могут загореться низшие хлориды титана. Аппараты вскрывают на специальном стенде с вытяжной вентиляцией рядом имеются емкости с обезвоженным карналлитом.

Учитывая все перечисленные факторы, проектируемый цех в пожарном отношении относятся к категории 'Г'. Элементы здания выполнены из сборного железобетона, кирпича и металлических конструкций.

Для предотвращения возникновения пожаров в цехе предусматривается проводить следующие мероприятия:

- необходимо четко соблюдать график уборки пыли и разлива масел в отделениях;

- не хранить горючие материалы на складе губчатого титана;

- следить за укомплектованностью средств на складе губчатого титана и в других отделениях;

- содержать в, чистоте и не допускать захламленность рабочих мест;

- все технологическое оборудование размещено с учетом1 быстрой эвакуации;

- -цех оборудован противопожарной сигнализацией.

Пожарная часть, обслуживающая комбинат, расположена в 1000 м от цеха. Подъезд к цеху для транспорта возможен со всех сторон.( СНРК 2.02.08. Противопожарные требования. (Электронный ресурс).- Астана, 2003.-20с.)

5.10 Виды аварий и мероприятия по ликвидации аварий

В проектируемом отделении возможны следующие аварии: розлив большого количества четыреххлористого титана, выброс в атмосферу большого количества хлора на промплощадке; возгорание магния при аварийном сливе из аппарата восстановления; течь Т1С14 из танков склада, разрушение трубопровода TiCl4.

Розлив TiCl4 сопровождается сильной загазованностью. К лицам, ответственным за выполнение мероприятий по спасению и ликвидации аварии относятся начальник цеха, мастера смен, участков, рабочие, энергетики.

В случаи этого вида аварии необходимы следующие действия:

- предупредить людей на всех участках цеха при помощи ПГС (производственная громкоговорящая связь) и другими средствами связи о газовой опасности;

- все лица, находящиеся в цехе, должны немедленно использовать противогазы и покинуть загазованную зону (кроме лиц, устраняющих последствия аварии);

- оказать при необходимости первую медицинскую помощь пострадавшим;

- отключить приточную вентиляцию;

- произвести отключение работающего оборудования;

- после ликвидации аварии и загазованности производится тщательный осмотр всех участков цеха, состояния оборудования и запуск технологических процессов в нормальный режим, устраняют последствия аварийной остановки.

В случае возгорания магния при аварийном сливе из аппарата восстановления возможен пожар, загазованность. Мастера смен, рабочие должны предупредить людей в отделении при помощи ПГС, сообщить диспетчеру комбината. Все лица должны использовать противогазы. В случае необходимости мастер смен и прибывшие по вызову члены ДГСД должны оказать первую медицинскую помощь.

Необходимо отключить печь, на которой произошел вылив расплава, перекрыть подачу TiCl4 в аппарат. Аппарат вакуумировать.

Порядок ликвидации аварии:

- предотвратить вылив расплава на электроказ и на пол (перекрыть сливное отверстие, слить расплав в аварийные короба);

- засыпать отработанным электролитом проливы расплава, ограничить разлив расплава по полу;

- исключить возможность попадания воды и влажных предметов на расплав (удаляют воду метлами, сжатым воздухом, древесными опилками);

- при возгорании магния включить аварийную вентиляцию;

- при пожаре вентиляцию не включать.

После ликвидации аварии производится тщательный осмотр зоны аварии. После устранения повреждений включить печи в работу. Установить режим работы вентиляции.

Кроме перечисленных, возможна течь Т1С14 из танков склада Т1С14, емкостей установки дегазации, разрешение трубопроводов Т1С14. В этом случае предупреждают людей в отделении при помощи ПГС, сообщают об аварии диспетчеру комбината. Необходимо использовать противогазы и покинуть отделение (кроме лиц, не участвующих в ликвидации аварии), пострадавшим оказать первую медицинскую помощь. Порядок ликвидации аварии:

- принять меры для слива из аварийного танка в резервный. При течи Т1С14 из баков перекрыть подачу в дегазаторы Т1С14, слить жидкость;

- при разрушении участка трубопровода с TiCl4 перекрыть подачу продукта в аппарат восстановления, перейти на резервную линию, произвести ремонт аварийного участка;

- убрать жидкий Т1С14 (место пролива засыпать древесными опилками и убрать);

- включить аварийную вентиляцию и выключить приточную систему утилизации тепла.

После ликвидации аварии следует произвести осмотр, установить режим работы вентиляции.

5.11 Экологичность проекта

5.11.1 Охрана воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами

В настоящее время для производства титана магниетермическим способом используются герметичные аппараты. Источником загрязнения воздуха (хлоридом водорода) являются места слива из аппаратов восстановления. Хлорид водорода и пыль, содержащиеся на рабочих площадках демонтажа аппаратов восстановления и сортировки титановой губки выбрасываются в атмосферу через аэрофонари. По данным АО УК ТМК выбросы в атмосферу хлорида водорода составляют 34,66 т в год и титановой пыли 0,442 т в год.

В качестве схемы для утилизации соляной кислоты может служить ее реакция с известью:

2НС1 + СаСОзСаС12 + Н2СО3 (77)

Н2О + СО2

Исходя из величин выбросов получается, что для утилизации соляной кислоты необходимо 38,5 т в год извести.

5.11.2 Охрана водоемов и почв от загрязнения вредными веществами

По охране земель и водоемов построены две траншеи с полиэтиленовым противофильтрационным экраном, позволило уменьшить загрязнение подземных вод. Была проведена реконструкция и капитальный ремонт водооборотной станции, очистки и сброса промышленной воды. По охране водного бассейна выполнен капремонт коллектора в реку Иртыш.

5.11.3 Проектные решения по утилизации отходов

На АО УК ТМК общий объем осадков в трех шлаконакопителях составляет более чем 1,5 млн. тонн.

Под отходами производства понимаются материалы и энергоресурсы, неиспользуемые для получения основной продукции и образующиеся в процессе производства вредных веществ, загрязняющих окружающую среду. Под формулировкой «Безотходная технология» -- понимают метод производства продукции, при котором все сырье и энергия используется наиболее рационально и комплексно.

Технология переработки промышленных продуктов и отходов титанового производства включает следующие переделы, которые были предложены и разработаны на АО УК ТМК:

- переработка чугуна от плавки концентрата на титановый

шлак;

- получение пятиокиси ванадия из алюмованадиевых пульп;

- извлечение скандия из отработанного расплава титаного хлоратора;

-переработка конденсата аппарата вакуумной сепарации титановой губки.

- переработка отходов шламонакопителей с целью производства из них покрытия для дорог и строительных материалов

Заключение

В данной работе разработан проект цеха по получению губчатого титана по совмещенной технологии из очищенного четыреххлористого титана.

Производительность цеха 15000т титановой губки в год. Дано обоснование технологической схемы процессов восстановления, сепарации и очистки, составлен материальный баланс процесса восстановления и сепарации.

Произведены тепловые расчеты аппаратов восстановления и сепарации, а также совмещенной печи.

Разработаны мероприятия по охране труда, предусмотрена автоматизация процесса восстановления.

В строительной части произведено обоснование, место строительства цеха, описано расположение оборудования.

В экономической части произведен расчет стоимости оборудования, капитальных затрат на строительство цеха, численности и годового фонда заработной платы рабочих и ИТР цеха, составлена калькуляция себестоимости титановой губки, рассчитана прибыль и рентабельность.

Список используемой литературы

1. Гармата В.А., Гуляницкий Б.С. Металлургия титана. - М.: Металлургия, 1983. - 364 с.

2. Инструкция по дипломному проектированию по специальности 2402. - КазНТУ, 1998. - 112 с.

3. Родякин В.В., Гегер В.Э., Скрипнюк В.М.. Магниетермическое производство губчатого титана. - М.: Металлургия, 1971. - 289 с.

4. Худайбергенов Т.Е. Титано-магниевое производство. Технологияпереработки промпродуктов и отходов. - Алматы, 1996. - 314 с.

5. Т. Икэсима. Доклад на шестой международной конференции по титану. Мюнхен, 1988. - 76 с.

6. Танаха. Доклад на шестой международной конференции по титану. Канны, 1988. - 83 с.

7. Оценка роли факторов магниетермического восстановления титана в изминении качества губчатого титана. / Яценко и др. Институт титана, 1981. - 187 с.

8. Анализ эффективности работы аппаратов для получения губчатого титана и перспективы их усовершенствования / В.М. Мальшин и др./ Металургия и химия титана - Запорожье: Институт титана .1979.

9. Кривандин В.А., Молчанов Н.Г. Металлургические печи. - М.: Металлур гия, - 239 с.

10. Переработка блоков губчатого титана / Сандлер Р.А., Петрунько А.Н., Лихтерман В.А., Павлюченко А.Н. - М.: Металлургия, 1987. - 168 с.

11. Зеликман А.Н. Металлургия редких металлов. - М.: Металлургия, 1980. - 383 с.

12. Металлургия титана / Сергеев В.В., Галицкий Н.В., Киселев В.П., Козлов. - М.: Металлургия, 1971. - 328 с.

13. Проект ГИРЕДМЕТа. Электропечь восстановления. - М.: Металлургия, 1963. - 152 с.

14. Шаяхметов Б.М., Худайбергенов Т.Е. Основные вехи Научно-техническогопрогресса на Усть-Каменогорском Титано-магниевом комбинате (1965-1995 гг.). - Алматы, 1998. - 291 с.

15. Михеев М.А. Основы теплопередачи.- М.: Госэнергоиздат, 1983. - 230 с.

16. Фельдман И.А., Гутман М.Б. Расчеты нагревателей электропечей сопротивления М.: Металлургия, 1980. - 317 с.

17. Долин П.Л. Основы техники безопасности электрических установок. - М.: Энергия, 1991. - 207 с.

18. Злобинский Б.М. Охрана труда. - М.: Энергия, 1994. - 194 с.

19. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий, 1993. - 179 с.

20. Грацерштейн И.М. Организация и планирование предприятий цветной металлургии. - М.: Металлургия, - 1996. - 264 с.