Проектирование отделения вакуумной сепарации титановой губки на базе АО "УК ТМК"

Министерствообразования и науки Республики Казахстан
 
Восточно-Казахстанскийгосударственныйтехнический университет
им.Д. Серикбаева
Проектированиеотделения вакуумной сепарации титановой губки на базе АО «УК ТМК»

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

специальность050709– «Металлургия»
 
Выполнил: Коробков Е.В.

Усть-Каменогорск2010

Реферат
Пояснительная записка к дипломномупроекту выполнена на 99 стр., содержит 3 рис., 16 табл., 20 библ. назв.
РЕАКЦИОННАЯ МАССА, ВАКУУМНАЯ СЕПАРАЦИЯ, ЭЛЕКТРОПЕЧЬСОПРОТИВЛЕНИЯ, РЕТОРТА, ТИТАНОВАЯ ГУБКА, МАГНИЙ, ХЛОРИД МАГНИЯ, МАТЕРИАЛЬНЫЙБАЛАНС, ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ.
Целью дипломного проектаявляется модернизация отделения вакуумной сепарации реакционной массы, производительностью30000 тонн в год губчатого титана.
С целью интенсификации процессавакуум-термической сепарации реакционной массы предлагается снизитьпродолжительность высокотемпературной выдержки на 2,5 часа.
В дипломной проекте на основе существующейаппаратурно-технологической схемы, выполнены расчеты материального и тепловогобаланса, выбрано основное и вспомогательное оборудование.
Экономический расчет выполнен на основаниипрогрессивных норм выработки и расходных коэффициентов, отражающих современныйуровень развития титановой отрасли.
В необходимом объеме рассмотрены вопросыавтоматизации процесса, экологичности и безопасности.
Графическая часть выполнена на 4 чертежах.

Содержание
Введение
1.Аналитический обзор
1.1Обзор технологий
2. Выбор и обоснование принимаемого в проектетехнологического решения
3.Технологическая часть
3.1 Номенклатура сырья и продукции
3.2 Описание основного технологического процесса
3.3 Металлургические расчёты
4. Аналитический контроль производства
5.Контроль и автоматизация технологических процессов
6.Экологичность и безопасность проекта
6.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов
6.2 Мероприятия по охране труда и технике безопасности
6.3 Санитарно-гигиенические мероприятия
6.4 Обеспечение спецпитанием
6.5 Общая вентиляция
6.6 Электробезопасность
6.7 Противопожарные мероприятия
6.8 Общие правила безопасности
6.9 Расчет электроосвещения в отделении сепарации
6.10 Расчет защитного заземления
6.11 Охрана воздушного бассейна от загрязнения вреднымивеществами
6.12 Экологическое состояние в отделении вакуумной сепарации
6.13 Проектные решения по утилизации отходов производства7. Экономика производства
7.1Организация производства
7.2Планирование производства
7.3Расчет экономической эффективности
7.4Нахождение точки безубыточности
7.5Технико-экономические показатели проекта
Заключение
Список литературы

Введение
металлургия титан технологический автоматизация
Титан, благодаря своей высокой прочности,твердости и высокой коррозийной стойкости, нашел широкое применение почти вовсех отраслях промышленности: пищевой, медицинской, авиакосмической и т.д.
Современное производство титана базируетсяна хлорной технологии: получение тетрахлорида титана с последующим еговосстановление магнием и очисткой полученной реакционной массы ( титановаягубка, загрязненная продуктами восстановления – магнием и хлористым магнием)методом вакуумной сепарации.
Переработка реакционной массы методомвакуумной сепарации является одним из основных переделов в технологиипроизводства титана, так как конечным продуктом переработки является получениетоварной титановой губки. Этот процесс является довольно сложным идорогостоящим, так как к качеству товарного губчатого титана предъявляютсяочень высокие требования.
Поэтому вопросы, связанные с улучшениемтехнико-экономических показателей процесса вакуумной сепарации — уменьшениерасхода электроэнергии, повышение качества титановой губки и т.д. являются на сегодняшнийдень наиболее актуальными.
Целью настоящего дипломного проектаявляется проектирование отделения переработки реакционной массы методомвакуумной сепарации производительностью 30000 тонн в год титановой губки..
Новизна и практическая ценностьзаключается в снижении удельного расхода электроэнергии, расхода водыподаваемой на охлаждение аппарата.В уменьшении потерь магния с отвальнымконденсатом на 40%. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемыхрешений составит около 1000000 тыс.тенге.
 

1. Аналитический обзор
 
1.1 Обзор технологий
В основном, современное производствотитана базируется на хлорной технологии: получение тетрахлорида титанахлорированием титаносодержащего сырья с последующим его восстановлением магниеми очисткой полученной реакционной массы (титановой губки, загрязненнойпродуктами восстановления – магнием и хлоридом магния) методом вакуумной сепарации.
В СНГ все три предприятия – Запорожскийтитано-магниевый комбинат, расположенный на Украине; Березниковскийтитано-магниевый комбинат, расположенный в России; Усть-каменогорскийтитано-магниевый комбинат производят титан по хлорной технологии, используя вкачестве восстановителя магний.
Магниетермический способ получения титанаиз тетрахлорида титана оказался наиболее экономически и технологическицелесообразнее только при комбинировании титанового и магниевого производств,которые обеспечивают наиболее рациональную регенерацию продуктов (магний ихлор) и переработку отходов (хлорид магния).
В процессе металлотермическоговосстановления образуется металлический титан, загрязненный продуктамивосстановления (так называется реакционная масса). В странах СНГ получаютметаллический титан с использованием в качестве восстановителя металлическиймагний.
Помимо магниетермическогоспособа получения титана в аппарате периодического действия, широкоприменяемого в мировой практике, существуют и другие. Важным являетсяпроизводство титана натриетермическим способом, используемым за рубежом, вчастности в Англии.
Этот способ основан на следующейэкзотермической реакции:

TiCl4 (Г) + 4Na(Ж) = Ti (тв.) + 4NaCl(Ж) + Q(1.1)
Натриетермический способ имеетопределенные преимущества перед магниетермическим (легкость транспортировкинатрия вследствие низкой 198оС) температуры его плавления; высокаяскорость реакции восстановления и прохождение ее со стопроцентным коэффициентомиспользования натрия; отсутствие сложного и энергоемкого передела вакуумнойсепарации; возможность ведения полунепрерывного процесса. Вместе с тем, этомуметоду свойственны существенные недостатки. Натрий очень активен на воздухе. Онбыстро окисляется, а с водой реагирует с взрывом. Все это требует принятия специальныхмер безопасности. Отрицательными сторонами этого метода также является высокаяэкзотермичность процесса восстановления, большой объем восстановления ипродуктов реакции, что приводит к необходимости применения громоздкой аппаратуры[1].
Из-за других способов производства титанаизвестны восстановление двуокиси титана кальцием по реакции:
TiO2 = 2Ca = Ti + 2CaO, (1.2)
гидридом кальция по реакции:
TiO2 + 2CaH2= Ti + 2CaO + 2H2. (1.3)
Интересен йодный метод, с помощью которогоможет быть получен высокочистый титан:
TiJ4 = Ti + 2J2. (1.4)
Все эти способы применяются ограниченно ипо своим масштабам значительно уступают магние- и натриетермическому способу [2,3].
Весьма перспективен электролитический способтитана. Главное его преимущество – отсутствие металлического восстановителя.Достигнуто значительные успехи по разработке и усовершенствованию этого метода.Идея метода уже используется в промышленной практике при электротехническом рафинированиититана (например, некачественного губчатого титана, отходов плавки титана и егосплавов). В этом процессе анодом служим загрязненный титан, погруженный врасплав электроплиты. Последний содержит хлориды щелочных металлов и низшиехлориды титана. При электролизе, проходящем при (800 – 850)0С титанпереходит в электролит и осаждается на катоде. Катодный осадок послегидрометаллургической обработки, просеивания, служит отличным сырьем дляпорошковой металлургии [2].
На первых этапах развитиямагниетермического производства титана для очистки титановой губки от хлоридамагния и магния применяли гидрометаллургический способ, который состоит вобработке реакционной массы разбавленной (однопроцентной) хлороводороднойкислотой на холоду для извлечения основного количества магния и его хлорида.Остаточное количество выщелачиваем после мокрого измельчения губки в шаровоймельнице десятипроцентной шароводородной кислотой при 45оС. Готовыйтитановый порошок содержит (0,1 – 0,3)% водорода, 1% кислорода, примеськоторого, в основном, окислением титана при контакте с водяным раствором [3].
Также разработан способ выщелачиваниямагниетермической реакционной массы в насыщенных растворах хлорида магния. Этотметод позволяет регламентировать скорость процесса растворения хлористых солейизменением их концентрации в растворе [4].
Реализация этого способа возможна двумятехнологическими вариантами процесса выщелачивания:
— в предварительно приготовленныйнасыщенный раствор хлорида магния одновременно вводятся реакционная масса ихлороводородный водный раствор в таком соотношении, чтобы образующаяся врезультате выщелачивания жидкая фаза также представляла собой насыщенный илиблизкий к насыщенному раствор хлорида магния. При этом скорость введениявеществ регламентируется обеспечением изотермичности процесса выщелачивания.
— в предварительно приготовленныйнасыщенный раствор хлорида магния одновременно или большими порциями вводитсяреакционной массы, а затем производится регламентированное введениехлороводороднго водного раствора.
Проведенные исследования показалипрактическую возможность реализации обоих вариантов очистки реакционной массы.Однако, гидрометаллургические способы обладают рядом недостатков:
— при выщелачивании реакционной массытеряется металл – восстановитель;
— в случае переработки магниетермическойреакционной массы хлорид магния при выщелачивании частично гидролизуется иостатки гидратов, которые не могут быть полностью удалены из титановой губкипри выщелачивании при последующей плавке, взаимодействуют с титаном, загрязняяего кислородом, водородом и др.
Для улучшения качества титанабыл разработан способ вакуумной отгонки (сепарации) магния и хлорида магния изреакционной массы, который в настоящее время стал доминирующим [3-5].
Вакуумная сепарация основана на различнойупругости паров титана, магния и хлорида магния. Так, температура кипения приатмосферном давлении у титана магния и хлорида магния соответственно 3260,1107, 1417оС. Отделение вакуумной дистилляции. Однако, максимальнаятемпература на стенке реторты не должна превышать 1085оС. При этойтемпературе железо заметно взаимодействует с титаном с образованиемлегкоплавкого соединения — эвтектики. Поэтому для более полного удаления магнияи хлорида магния и снижения температуры процесса возгонку ведут под глубокимвакуумом.
Передел вакуумной сепарации непосредственно связан спеределом восстановления и может иметь разное аппаратурно-технологическоеоформление. При так называемом раздельном способе магниетермического получениятитановой губки процесс восстановления ведут в отдельном аппарате и отдельнойпечи. После окончания процесса аппарат восстановления охлаждают, передают наотдельный участок, вскрывают, очищают, переоборудуют на аппарат вакуумнойсепарации и устанавливают в другую электротермическую печь для проведениявысокотемпературной вакуумной сепарации. При таком раздельном способе аппаратвосстановления с печами размещают в одном помещении или корпусе, а аппаратысепарации с печами – в другом. Раздельный процесс наименее экономичен ипрактически не используется.
При совещенном способе получения титановойгубки аппараты восстановления и сепарации собраны в один агрегат, и процессывосстановления и сепарации можно проводить в одной печи или в различных печах,но в одном корпусе. Совмещенный процесс был разработан в СССР, и в разные годыбыл опробован на Запорожском и на Усть-Каменогорском титано-магниевых комбинатах.На тот период он не показал заметных преимуществ перед полусовмещеннымпроцессом и не нашел промышленного применения. Совмещенный процесс имеет рядпреимуществ: снижение энергозатрат, трудозатрат, повышение качества титана.Кроме того, в случае использования для конденсации магния и хлорида магниярядом стоящего конденсатора и возможностью демонтажа аппарата сепарации вгорячем состоянии совмещенный процесс дает дополнительные преимущества,повышающие эффективность его использования: значительное снижение массы ивысоты транспортируемого аппарата сепарации. Это позволяет при существующихвысотах зданий и действующих мостовых кранов эксплуатировать аппараты большойцикловой производительности. Наряду с рядом преимуществ, совмещенный процессимеет ряд существенных недостатков, связанных с более сложными конструкциямиаппаратов и печей, не достаточно эффективным использованием оборудования,приборов контроля и управления, вакуумных насосов и вентиляторов. Прииспользовании аппаратов с боковым конденсатором снижается коэффициентиспользования производственных площадей. При существующей конструкциисовмещенных аппаратов с верхним конденсатором горячий демонтаж аппаратовсепарации невозможен. Поэтому поиск технических решений здесь необходим [6].
В СНГ, в основном, применяетсяполусовмещенный способ получения титановой губки. Отличие его от раздельногозаключается в том, что после процесса восстановления аппарат не охлаждают и неразбирают, а в горячем состоянии в крышке монтируют легкоплавкую магниевуюзаглушку. На аппарат с магниевой заглушкой сверху монтируют оборотную реторту –конденсатор и в собранном виде аппарат сепарации устанавливают в печь сепарациив другом корпусе. При полусовмещенном способе расход электроэнергии ниже, акачество титановой губки лучше, чем при раздельном.
Как правило, при раздельном иполусовмещенном способах переделы восстановления и сепарации размещаются вразных корпусах, а между ними организуется передел подготовки аппаратоввосстановления и сепарации (монтажный участок). Это вызвано однотипностьюоборудования и технологии [4,5].
В процессе вакуумной сепарации хлоридмагния и магний испаряются и осаждаются в конденсаторе. Конденсат испаряется ичасть самовозгорается в контакте с воздухом при демонтаже аппарата сепарации.Скорость увлажнения и вероятность возгорания возрастают с увеличением удельнойповерхности и содержания дисперсного магния. Поскольку конденсат является оборотным,кислород, содержащийся в продуктах увлажнения и горения, попадает в титановуюгубку, ухудшая ее качество. Поэтому на монтажном участке применяется инертныйгаз – аргон, который вытесняет воздух из реторты – конденсатора при монтажеаппарата восстановления.
Одним из основных факторов, определяющихусловие конденсации и структуры конденсата, является тепловой режимконденсатора, обуславливаемый скоростью отгонки магния и хлорида магния изтитановой губки, конструктивными особенностями, габаритами аппарата сепарации ирежимом охлаждения поверхности конденсатора. В настоящее время применяетсяводное и воздушное охлаждение, интенсивность которого, в основном, задается вначале сепарации и не изменяется в ходе процесса, что приводит к образованию рыхлогоконденсата в аппаратах большой цикловой производительности, характеризующейсяповышенной тепловой нагрузкой на конденсатор.
Исследования показали, что наиболееплотный конденсат образуется при охлаждении водой конденсатора в течении 10-15часов с момента установки аппарата в печь. Однако, установленный режим оказалсянеприемлемым для данной конструкции аппарата, поскольку создавалась опасностьпроплавления резиновой прокладки между фланцем аппарата и патрубком, черезкоторый производится откачка аппарата. Магний и хлорид магния конденсируется взоне разделения нижней реторты и конденсатора, в том числе и на экране, где начинаетсяпреимущественное осаждение конденсата, когда экран не успевает прогреться доначала периода бурной возгонки.
Также существует конструкция аппарата с нижнимрасположением конденсатора. Принципиально эта конструкция аналогична аппаратусепарации с верхним расположением конденсатора. Однако, в этом аппаратеприменяется колпаковая съемная печь. Аппарат устанавливается на специальныйстенд. Учитывая специфику процесса, нижнюю часть сборника для конденсатора делаютнеразъемной в виде усеченного конуса, а верхнюю часть осадителя – разъемной. Наповерхность экрана устанавливают специальную кольцевую подставку, котораяпрепятствует опусканию блока реакционной массы в процессе сепарации. Междустенками экрана и реторты при монтаже аппарата, засыпают слой хлорида магния,который создает гидравлический затвор, и препятствует проникновениюрасплавленного магния. Такие реторты не применяются на заводах из-за сложногоаппаратурного оформления и сложности проводимых работ [7-9].
Проводились исследования по конструкцииаппаратов сепарации с рядом стоящим конденсатором. Такой аппарат состоит изреактора с заглубленной крышкой, установленный в электропечь, конденсатор,помещенный в рядом стоящий с печью холодильник, соединенные между собойобогреваемым паропроводом и вакуумпроводом. Холодильник установлен в тележке свозможностью перемещения в горизонтальном направлении для компенсации температурногорасширения материала трубопровода. Устройство стыковых обогреваемых патрубковпаропровода обеспечивается маневром тележки с установленным на нейхолодильником и конденсатором по колее (рельсам), а также подъемом и опусканиемпоследних при помощи гидроподъемников, установленных на раме тележки.Недостатком установки является сложность и громоздкость конструкций,обеспечивающих передвижение конденсатора в горизонтальной и вертикальнойплоскостях при стыковке патрубков паропровода. Так, наличие тележки с колесамиобуславливает необходимость установки рельсового пути, а наличиегрузоподъемников на маме тележки – необходимость иметь маслонасосную станцию смаслопроводами, что повышает трудоемкость обслуживания устройства. Наличиебольшого числа деталей требует значительного времени на подготовку устройства имонтажу, на их ремонт, повышает вероятность их поломки во время эксплуатации,что в целом снижает производительность устройства из-за непроизводительныхпростоев и его надежность.
На АО «УК ТМК» был опробовананалогичный аппарат. Основными недостатками были: зарастание внутреннегосечения сливного стояка, зарастание паропровода на выходе в конденсатор, к томуже колпаковые печи, обогреваемые паропровод, потреблял очень многоэлектроэнергии (так же, как печь вакуумной сепарации).
Кроме того, если рассматривать конструкциюосуществления компенсации расширения материалов паропровода за счет перемещенияхолодильника на тележке, то конструкция тележки настолько металлоемка, что онане позволит осуществить перемещение относительно оси паропровода, что осложняетстыковку фланцев патрубков при монтаже установки, тем самым повышает трудоемкостьобслуживания. Как следствие, непроизводительные простои при сборке устройства,при проведении процесса сепарации и при его разборке после процесса, ведут кснижению производительности процесса.
Благодаря исследованиям, проведенным вобласти вакуумтермической очистки титановой губки, установлено, что устройство,состоящее из реторт, одна из которых является термостатированным конденсатором,создаются благоприятные условия для достижения необходимого температурногоградиента между номерами испарения и конденсации. Пары магния и хлорида магния,попадая в термостатированный конденсатор резко не теряют свою температуру.Конструкция вертикального обогреваемого паропровода, в сравнении с горизонтальнымпо прототипу, обеспечивают максимально свободный доступ парогазового потока кповерхности конденсации за счет сокращения длины пути с парами магния и хлоридамагния. Использование устройства позволяет повысить производительность,дополнительно снизить затраты электроэнергии за счет сокращенияпродолжительности высокотемпературной выдержки [10].
С целью повышения производительностиаппаратов применяемых в производстве губчатого титана проводили исследования сиспользованием индукционного нагрева [11].
Это объясняется тем, что в этом случаезначительная часть энергии выделяется в непосредственно нагреваемом теле.Изменение вида нагрева будет заключаться в том, что вместо резисторногонагревателя в печи будет установлен источник электромагнитной энергии –индуктор.
При использовании резисторно — индуктивного нагревателя существенная часть энергии должна выделятьсянепосредственно в блоке реакционной массы. Частично будет нагреваться стальнаястенка реактора, в котором находится реакционная масса, за счет радиационногоизлучения нагревателя. Выделение тепловой энергии происходит непосредственно вблоке реакционной массы, то есть источник тепловой энергии перемещается внутрьблока, что способствует увеличению теплового коэффициента полезного действияпроцесса сепарации. Улучшение качества титановой губки достигается действиемдинамических сил в блоке реакционной массы. Индуктор располагается впространстве между ретортой и внутренней стенкой печи. Индуктор выполняется изтрех – четырех секций, переключением которых можно регулировать величинуэлектромагнитного поля и тепловой режим печи. Секции могут быть включены параллельно,последовательно или смешанно. Таким включением можно получить широкий диапазонрегулирования температуры.
Приведенный обзор научно-исследовательскихработ и практика работы титано — магниевых комбинатов показали, что на данныймомент наиболее приемлемым для очистки реакционной массы является методвакуумной сепарации с верхним расположением конденсатора.
 

2. Выбор и обоснованиепринимаемого в проекте технологического решения
 
Как показал обзор, приведенный в п. 1.1 присепарации реакционной массы, во время процесса может происходить перегораниенагревателей, что приводит к ухудшению качества титановой губки, увеличениюрасхода электроэнергии, дополнительным трудозатратам и т.д. Разрушение защитнойпленки на поверхности нагревателей может быть результатом воздействияматериалов футеровки или появления окислительной среды в печном пространствепри разгерметизации швов аппарата.
Кроме того, работа печейсопротивления сопровождается довольно большим расходом электроэнергии.Основными путями снижения удельного расхода электроэнергии является: уменьшениетепловых потерь, улучшение теплоизоляции, повышение мощности печи, уменьшениепотерь на аккумуляцию тепла, рационализацию электрического и технологическогорежима работы [5, 12, 13].
Анализ теплового баланса аппаратавакуумной сепарации показывает, что полезный расход тепла на нагрев исублимацию магния и хлорида магния из реакционной массы составляетнезначительную величину по сравнению с тепловыми потерями: 26% отизрасходованного за цикл. Печи вакуумной сепарации работают в периодическомрежиме и остывают между отдельными кампаниями, поэтому применение наиболееэффективных теплоизоляционных материалов позволит значительно снизить удельныйрасход электроэнергии.
На АО«УК ТМК» для футеровки электропечейиспользуется шамот – легковес марок ШЛ-1 и ШЛ-1,3 в виде кирпича. Электропечи стакой футеровкой эксплуатируются более двух лет без капитального ремонта, ноони имеют сравнительно высокую теплопроводность, что не позволяет снижатьтемпературу кожуха печи и приводит к потерям тепла и увеличению расходаэлектроэнергии. Для снижения тепловых потерь можно рекомендовать новый футеровочныйматериал на основе стекловолокна, который успешно прошел испытания наБерезниковском титано-магниевом комбинате [13].
Мероприятия по рационализацииэлектрических и технологических режимов работ печей вакуумной сепарации:сокращение длительности технологического процесса за счет егосовершенствования, применяя, например, новые виды нагрева. Небольшое повышениетемпературы ведения процесса также может сократить длительность печного цикла.
Повышение единичной мощности имеющихсяаппаратов позволит на тех же площадях увеличить выпуск титановой губки и,следовательно, снизить удельный расход электроэнергии.

3. Технологическая часть
 
3.1 Номенклатура сырья ипродукции
Исходным сырьем, перерабатываемым вотделение является реакционная массы, поступающая из отделения восстановления ипредставляющая собой титановую губку, пропитанную магнием и хлоридом магния.
Реакционная масса поступает в отделениевакуумной сепарации в ретортах и имеет следующий состав: (50 – 70)% титановойгубки; (8 – 15)% хлористого магния (25 – 37)% магния.
В таблице 1 приведены требования ккачеству титановой губки по ГОСТ 11746-79.
Таблица 1.
Состав и твердость титановой губки Марка титана Состав титановой губки, % Твердость, НВ, не более Титан Железо Кремний Никель Углерод Хлор Азот Кислород ТГ-90 99,74 0,05 0,01 0,04 0,02 0,08 0,02 0,04 90 ТГ-100 99,72 0,06 0,01 0,04 0,03 0,08 0,02 0,04 100 ТГ-110 99,67 0,09 0,02 0,04 0,03 0,08 0,02 0,05 110 ТГ-120 99,64 0,11 0,02 0,04 0,03 0,08 0,02 0,06 120 ТГ-130 99,56 0,13 0,03 0,04 0,03 0,10 0,03 0,08 130 ТГ-150 99,44 0,2 0,03 0,04 0,03 0,12 0,03 0,10 150 ТГ-ТВ 97,75 1,9 - 0,04 0,10 0,15 0,10 - -
3.2 Описание основноготехнологического процесса
В отделении вакуумной сепарации применяетсяполусовмещенная схема получения титановой губки, при которой монтаж аппаратасепарации осуществляется без охлаждения аппарата восстановления, процесссепарации ведется в специализированной электропечи. После процесса сепарацииреторта – конденсатор с магнием с хлоридом магния отправляется на процессвосстановления. Из нее сливают хлорид магния, затем добавляют магний и подаюттетрахлорид титана, образуется реакционная масса после прохождения реакциивосстановления, эту реторту уже называют ретортой – конденсатором. А реторта сблоком титановой губки освобождают и монтируют на реторту – реактор, устанавливаямежду ними магниевую заглушку. Такая реторта становится ретортой – конденсатором.Этот метод получил название «Метод оборотных реторт». Технологическая схемаотделения вакуумной сепарации представлена на рисунке 3.1
После процесса восстановления в реактореостается спекшийся блок реакционной массы, представляющий собой титановуюгубку, пропитанную магнием и хлоридом магния.
Состав реакционной массы (средний поблоку) примерно следующий: (55 – 60)% титана,(25-35)% магния, (8 – 12)% хлоридамагния, (0,01 – 0,1)% низших хлоридов титана. Блок прочно спаян со стенкамиреактора в верхней зоне, и его невозможно извлечь без разрушения места спая.Целью передела вакуумной сепарации является очистка титановой губки от магния,хлорида магния и низших хлоридов титана.
Вакуумная сепарация реакционной массыоснована на различной упругости паров титана, магния и хлорида магния. Так,температуры кипения у титана, магния и хлорида магния соответственно равны3260, 1107 и 1417 0С. Следовательно, при 1417 0С иатмосферном давлении от титана отгоняются магний и хлорид магния. Однако, приэтих условиях, практически невозможно добиться полного отделения магния ихлорида магния от титана. Кроме того, при температуре 1085 0С железостенки реторты интенсивно взаимодействует с титаном с образованиемлегкоплавкого вещества – эвтектики. Скорость испарения магния и хлорида магнияиз реакционной массы зависит от упругости паров, общего давления над реакционноймассой и температуры. Как показали исследования, зависимости давления паровмагния и хлорида магния от температуры [3], при 900 0С эти величинысоответственно равны 0,13·105 Па. Для титана скорость испаренияблизка к нулю.
Это значит, что уже при 9000Снад реакционной массой находятся пары магния и хлорида магния в количестве,пропорциональном давлению их паров. Если эти пары отводить, то из реакционноймассы будут испаряться новые порции. Для отвода паров магния и хлорида магния ваппарате сепарации применяют конденсатор, в котором, с помощью охлаждения,создается низкая температура, следовательно, более низкое давление паров магнияи хлорида магния. Таким образом, движение паров из реактора в конденсаторпроисходит в результате разности давления в этих зонах аппарата.
Из реакционной массы в период сепарациивыделяются и другие газы (главным образом водород). Эти газы непрерывнооткачиваются вакуумным насосом через конденсатор. Когда говорится о давлении вреторте в период сепарации, то под этим подразумевается давление газов(водорода, паров воды, паров хлоропроводной кислоты и другие), замеряемое навыходе из конденсатора. Измерение паров магния и хлорида магния не производят,так как в место замера давления эти вещества могут попасть только в конденсированномсостоянии. Когда говорится о температуре сепарации, то под этим подразумеваетсятемпература наружной стенки реторты, реакционная масса в течение процесса прогреваетсяот стенки к центру.

/>
Рисунок 1 — Технологическая схемаотделения вакуумной сепарации
Вакуумные насосы могут откачать газы изреторты до остаточного давления (0,13 – 13,3)Па, однако, вследствиеинтенсивного выделения газов в начальный период сепарации давление повышаетсядо (133 – 1328) Па.
Процесс сепарации имеет три основныестадии. В первой стадии происходит дегазация реакционной массы и ее нагрев. Вслучае быстрого нагрева часть газов (в основном воды и адсорбируемого стенкамиреактора воздуха) поглощаются титаном. Во второй стадии происходит интенсивноеиспарение магния и хлорида магния с открытой поверхности и из крупных пор. Втретьей стадии испаряется, в основном, хлорид магния и оставшийся в мелкихпорах магний. Из диаграмм сепарации [3] следует, что самым продолжительным периодомявляется третий. Продолжительность отгонки основного количества конденсатасоставляет (25 – 35)% общего времени сепарации. Продолжительность третьегопериода резко увеличивается при увеличении длины пути паров с хлоридом магния.В аналогичных условиях находится губка в центральных зонах промышленного блока.Поэтому исследование процесса в третьем периоде – отгонка последних (2 – 3)%хлорида магния – является основным направлением при изучении процесса сепарации.
В первой и второй стадиях сепарациидавление почти не влияет на скорость процесса.
Интенсивность испарения определяетсяколичеством подводимого к материалу тепла и скоростью отвода массы пара. Вовторой стадии испарение происходит интенсивно, следовательно, тепло подводитсяв достаточном количестве. В этот период удаление хлорида магния происходитпутем углубления поверхности испарения внутрь тела (внутри крупных пор). Втретьей стадии процесса условия для подвода тепла остаются такими же, однако,скорость испарения резко падает, процесс лимитируется возрастающимкоэффициентом сопротивления переносу пара. Снижение скорости процессапроисходит в результате наличия мелких пор, в которых остается (2 – 3)% хлоридамагния.
Процесс сепарации резко замедляется приостаточном содержании хлорида магния около 2%.
Повышенное содержание хлора в губке,расположенной в верхней половине центральной зоны блока, объясняется не толькотем, что эта зона прогревается в последнюю очередь, но главным образом, тем,что губка, формирующаяся в этой зоне, имеет структуру, неблагоприятную длясепарации. Другим существенным фактором, влияющим на скорость процессасепарации, является расстояние от зоны испарения до поверхности блока губки. Вслучае, если блок имеет простую геометрическую форму: цилиндр, параллелепипед ит.п., этот фактор определяется соотношением массы блока и его поверхности.
Из изложенного следует, чтопродолжительность процесса сепарации определяется температурой, давлением,геометрической формой и размерами блока, структурой губки.
Остаточное давление, создаваемое ваппарате определяется возможностью вакуумных насосов. Применяемые впромышленности вакуумные насосы в сочетании с бустерными насосами создают вконце процесса остаточное давление порядка одного Паскаля. Снижение давленияниже одного Паскаля несущественно влияет на скорость процесса, создание жеболее низкого давления весьма сложно. Поэтому создаваемое существующимвакуумным оборудованием остаточное давление можно считать приемлемым.
Процесс сепарации заканчивается тогда,когда вся губка прогревается до температуры (940 – 960)0С. Исходя изэтого, параметры для определения окончания процесса могло бы служить достижениеэтой температуры в той точке реакционной массы, которая прогревается впоследнюю очередь. Такой точкой обычно является середина поверхности блокареакционной массы. Однако, этот параметр, во-первых, трудно замерить,во-вторых, он не всегда достаточно надежен.
Вторым, более точным методом определения окончанияпроцесса является метод замера изменения давления газов в реторте послеотключения вакуум – линии. Поворот газового потока определяет окончаниепроцесса сепарации, он происходит вследствие того, что после прекращениявыделения газов ( в основном, водорода) из губки, которое происходит в течениевсего процесса, губка начинает поглощать газы, натекающие в реторту черезнеплотности, а также из вакуум — линии.
После окончания процесса аппарат охлаждаютсначала в печи, потом транспортируют его мостовым краном в так называемыйхолодильник, где он охлаждается сначала воздухом, затем водой.
3.3 Металлургические расчёты
Расчет состава реакционной массы
Состав реакционной массы, которуюперерабатывают в отделении вакуумной сепарации, находят из предварительногорасчета процесса восстановления тетрахлорида титана магнием.
Процесс восстановления протекает последующей реакции:
TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti. (5)
Процесс восстановления протекает винертной среде, т. е. в среде аргона.
Расчет ведем на 1 тону губчатого титана споследующим пересчетом на цикловую производительность аппарата. В расчетепринимается следующий состав:
— состав очищенного тетрахлорида титана,%: TiCl4 — 99,98;FeCl3 — 0,003; SiCl4 — 0.005; AlCl3 — 0.005;VOCl3 — 0,0034;O- 0,0006.
— состав магния – восстановителя марки, %:Mg -99,832; O -0.02;Fe -0,05;N-0.02; Ni -0,05;Cl -0,008.
— примеси аргона, %: O — 0,005; N — 0,002.
Восстановление идет по реакции (5):

3960,541014,82 10003975,36
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
189,72 48,61 47,9 190,42
На 47,9 кг титана потребуется 189,71 кг тетрахлорида титана
На 1000 кг титана потребуется х кг тетрахлорида титана
х = 3960,54 кг тетрахлорида титана
Находим количество тетрахлорида титанас примесями:
3960,54 / 0,99983 = 3961,21 кг,
в том числе:
FeCl3: 3961,21·3·10-5= 0,118 кг
SiCl4: 3961,21·5·10-5= 0,198 кг
AlCl3: 3961,21·5·10-5= 0,198 кг
VOCl3: 3961,21·3,4·10-5= 0,134 кг
O: 3961,21·0,6·10-5 =0,023 кг
0,118 0,053 00,081 0,207
2FeiCl3 + 3Mg = 2Fe +3MgCl2
162,2 72,9 111,7 285,6
0,198 0,056 0,032 0,221
SiCl4 + 2Mg = Si + 2MgCl2
169,8 48,61 28,08 190,42
0,198 0,054 0,02 0,212
AlCl3 + 3Mg = 2Al + 3MgCl2
266,66 72,9 26,98 285,6
0,134 0,009 0,106 0,036
2VOCl3 + Mg = 2VOCl2+ MgCl2
346,58 24,3 275,68 95,2
Кислород= 0,023 кг.
Общее количество магния составляет:
1014,84 + 0,053 + 0,056 + 0,054 + 0,009 = 1015,012кг.
Количество магния с примесями:
1015,72 / 0,99832 = 1016,72 кг.
Коэффициент использования Mgпринимаем равным за 60%:
1016,72 / 0,6 = 1694,533 кг.
Избыток Mg: 1694,533 — 1016,72= 677,813 кг.
Mg = 1694,533 · 0,99832= 1691,686 кг,
Fe = 1694,533 · 0,0005= 0,847 кг,
Ni = 1694,533 · 0,0005= 0,847 кг,
O = 1694,533 · 0,0002= 0,338 кг,
N = 1694,533 · 0,0002= 0,338 кг,
Si = 1694,533 · 0,0002= 0,338 кг,
Cl = 1694,533 · 0,00008= 0,135 кг.
Общее количество MgCl2 образующегося во время восстановления:
3975,36 + 0,207 + 0,221 + 0,212 + 0,036 = 3976,036кг.
По данным практики титано – магниевыхзаводов для получения одной тоны губки расходуется 7 м3 аргона.
Количество примесей переходящих из аргонав титановую губку [3]:
/> ,
 
где V– расход Ar на 1 т титановойгубки;
а — содержание примесей в Ar, общий %;
т — молекулярная масса примесей.
/>кг,
/>кг.
Титан имеет способность активновзаимодействовать в нагретом состоянии со многими элементами и материалами. Впроцессе магниетермического получения титана образуется интерметаллическиесоединения. Основными каналами поступления примесей является Mg, TiCl4 и Ar. Главным составляющим, загрязняющим титан железом,является магний. Железо легко извлекается из магния первыми порциями TiCl4 и концентрируется в донной и гарниссажной частяхблока.
Общее количество примесей, переходящих в титановуюгубку:
(0,338 + 0,0017) + (0,338 + 0,023 + 0,005)+ (0,338 + 0,032) + +0,135 +(0,847 + 0,081) +0,847+0,02=3,00 кг.
Количество губки вместе с примесями: 1000+ 3,005 = 1003,005 кг.
Из практики следует, что во время процессавосстановления сливается 96% MgCl2.: 3976,036. 0,96 = 3816,994 кг.
В реакционной массе остается MgCl2:
3976,036 – 3816,994 = 159,041 кг./>
На основе получения данных составимтаблицу 2 материального баланса процесса восстановления, в котором представленсостав реакционной массы.
Расчет материального баланса процессавакуумной сепарации
Состав исходного продукта – реакционноймассы – взят из предварительного расчета (таблица 3.1). В отделении, согласнопроекту предполагается получать титан губчатый марки ТГ – 90, имеющий составГОСТ 17749-79, %: Ti – 99,74; Fe – 0,05; C – 0,02; Cl – 0,08; N2 – 0,02; O2-0,04; Si – 0,01; Ni –0,04.
Образуется губчатого титана: 1000.100 / 99,74 = 1002,606 кг.
Состав губчатого титана после сепарации,кг:
1002,606. 0,9974 = 999,999 титана
1002,606. 0,00005 = 0,501 железа
1002,606. 0,0002 = 0,2 углерода
1002,606. 0,0008 = 0,802 хлора
1002,606. 0,0002 = 0,2 азота
1002,606. 0,0004 = 0,401 кислорода
1002,606. 0,0001 = 0,1 кремния
1002,606. 0,0004 = 0,401 никеля
В конденсат полностью переходит магний,алюминий.
Состав конденсата после сепарации, кг:
Mg из MgCl2
677,813 + 40,595 = 718,408 магния,
Cl из MgCl2
0,135 + 118,445 = 118,58 хлора,
0,02 алюминия,
0,928 – 0,501 = 0,427 железа,
0,339 – 0,2 = 0,1239 азота,
0,37 – 0,1 = 0,27 кремния,
0,847 – 0,401 = 0,446 никеля.
Всего образуется конденсата 838,29 кг.
Материальный баланс вакуумной сепарациипредставлен в таблице 3.
Составим цикловой материальный баланспроцесса сепарации который представлен в таблице 4 для аппаратапроизводительностью 4.3 тоны за цикл.
Коэффициент пересчета 4300 / 1002,606 =4,2888233
Тепловой расчет аппарата сепарации
Во время процесса сепарации происходитразделение компонентов Mg, MgCl2 и Tiпутем конденсации их на охлажденных стенках конденсатора.
Таблица 2
Материальный баланс процессавосстановления тетрахлорида титана магнием Приход Расход /> Наименование Количество Наименование Количество /> кг % кг % /> 1 2 3 4 5 6 />
Тетрахлорид титана,
в том числе:
TiCl4
FeCl3
SiCl4
AlCl3
VOCl3
O
3961,21
3960,54
0,118
0,198
0,198
0,135
0,023
100
99,983
0,003
0,005
0,005
0,0034
0,006
Реакционная масса, в том числе:
Ti
N
O
Si
Cl
Fe
Ni
Al
1836,854
1000
0,339
0,366
0,370
0,135
0,928
0,847
0,02
100
54,44
0,018
0,019
0,02
0,007
0,05
0,046
0,001 />
Магний– восстанови-тель, в том числе:
Mg
Fe
Ni
O
N
Si
Cl
1694,533
1691,686
0,847
0,847
0,338
0,338
0,338
0,135
100
99,832
0,05
0,05
0,02
0,02
0,02
0,008 /> Избыток магния 677,813 36.9 /> Оставшийся хлорид магния 159,041 8.658 />
Слив хлорида магния, в том числе:
MgCl2
VOCl2
3817,1
3816,994
0,106
100
99.997
0,003 />
Примеси аргона, в том числе:
O
N
0.0067
0,0005
0,0017
100
74,62
25,37 /> Невязка 1,795 0,03 /> Итого 5655,749 Итого 5653,954 />
Таблица 3.
Материальный баланс вакуумной сепарации Приход Получено Наименование Количество Наименование Количество кг % кг %
Реакционная масса, в том числе:
Ti
N
O
Si
Cl
Fe
Ni
Al
избыток Mg
ост. MgCl2
1836,854
1000
0,339
0,336
0,370
0,135
0,928
0,847
0,020
77,813
159,041
100
54,44
0,018
0,019
0,020
0,007
0,050
0,046
0,001
36,90
8,658
Губчатый титан, в том числе:
Ti
Fe
C
Cl N
O
Si
Ni
1002,606
999,999
0,501
0,200
0,802
0,200
0,401
0,100
0,401
100
99,74
0,05
0,02
0,08
0,02
0,04
0,01
0,04
Конденсат,
в том числе:
Mg
Cl
Fe
N
Si
Ni
Al
838,290
718,408
118,580
0,427
0,139
0,270
0,446
0,020
100
858,699
14,145
0,050
0,016
0,032
0,053
0,002 Невязка 4,042 0,219 Итого 1836,854 кг Итого 1840,896 кг

Таблица 4.
Материальный баланс процесса вакуумнойсепарации (цикловой)Приход Расход /> Наименование Количество Наименование Количество /> кг % кг % /> Реакционная масса 7877,942 100 Губчатый титан. 4300 100 />
В том числе:
Ti
N
O
Si
Cl
Fe
Ni
Al
избыток Mg
ост. MgCl2
4288,823
1,453
1,569
1,586
0,578
3,980
3,632
0,085
2907,020
682,098
54,44
0,018
0,019
0,020
0,007
0,050
0,046
0,001
36,90
8,658
В том числе:
Ti
Fe
C
Cl
N
O
Si
Ni
4288,820
2,150
0,800
3,440
0,860
1,720
0,430
1,720
99,74
0,05
0,02
0,08
0,02
0,04
0,01
0,04 /> Конденсат 3595,277 100 />
В том числе:
Mg
Cl
Fe
N
Si
Ni
Al
3081,124
508,568
1,831
0,596
1,158
1,913
0,085
858,699
14,145
0,050
0,016
0,032
0,053
0,002 /> /> /> /> /> /> /> Невязка 17,335 0,219 /> Итого 7877,942 кг Итого 7895,277 кг />
Исходные данные для расчета.
Состав реакционной массы: 4300 кг титана, 2907 кг магния, 682 кг хлорида магния.
Температура выдержки в процессе вакуумнойсепарации 1010 °С.
Аппарат поступающий в отделение сепарацииимеет температуру 600 – -650 °С.
Температура стенки охлаждаемой оборотнойреторты не более 100 °С. Температуры:плавления Mg — 651 °С,кипения Mg — 1102 °С,плавления MgCl2 — 718 °С, кипения MgCl2 — 1410 °С.
Тепловой расчет реактора
Рассчитываем количество тепла необходимое наиспарение магния:
/> ,
гдеQ/ — скрытая теплота испарения Mg – 5606,5кДж/кг °С;
/> - скрытая теплота плавления Mg–361,9 кДж/кг °С;
С — теплоемкость Mg;
G — вес Mg;
/> кДж.
Определим количество тепла, необходимогона испарение MgCl2:
/> ,
гдеQ// — теплота возгонки MgCl2 — 1368 кДж/кг °С;
/> - теплота плавления MgCl2 — 452 кДж/кг °С;
С — теплоемкость MgCl2 ;
G — вес MgCl2 .
QMgCl2 = 682.[0,84. (718 – 20) + 452 + 1368 + 0,97. (1010 – 718) =
= 1834279 кДж.
Определим количество тепла необходимого нанагрев титановой губки:
QTi = G.C. (tпл–tг) ,
гдеС — теплоемкость титана – 0,67 кДж/кг °С
G — вес титана — 4300 кг
tг — температурагубки — 700°С.
QTi=4300. 0,67(1010 – 700) = 893110 кДж.
Количество тепла необходимого на нагревреактора:
Qp = G.C.(tнр – tр),
где С — теплоемкость нержавеющей стали –0,62 кДж/кг °С;
G — вес реактора.
/>,
гдеdн — наружный диаметр реактора, м;
dВн — внутреннийдиаметр реактора, м;
/> — плотность материала реактора –7200кг/м2.
/>.
Qрет =3310. 0,62. (1010 – 600) = 841402 кДж.
Расчет потерь тепла в оборотную реторту:
— потери через крышку реактора:
/>,
гдеE — степеньчерноты крышки – 0,9;
С0 — лучеиспускание абсолютночерного тела 20,7 кДж.

/>,
где n — число экранов;
F — площадьэкранов крышки.
Fэ = Fкр– Fц.патр. .
Fэ= />.
/>.
— потери через центральный патрубок:
/>
Суммарные потери в оборотную реторту: Qв.обр.рет = Qкр + Qц.п ,
Qв… обор.рет.=199805 +8520 =208325 кДж
Расчет охлаждения оборотной реторты
Расчет охлаждения оборотной ретортыпроизводится при конденсации Mg оттемпературы процесса равной 1010 °Сдо температуры водоохлаждаемой стенки реторты равной 100 °С.
— тепловыделения при конденсации Mg:
Q1 = G. Q/,
где Q/ — скрытая теплота возгонки Mg — 5606 кДж;
G — вес Mg.
Q1 = 2907.5606 = 16298269 кДж.
— тепловыделения при охлаждении магния дотемпературы плавления 651 °С:
Q2 = G× Cж ×(tпр – tпл).
Q2 = 2907 × 1,4 ×(1010 × 651) = 1458400 кДж.
где Cж — теплоемкость Mg = 1,4 кДж.
— тепловыделения при затвердении жидкого Mg:
Q3 = G×Q// .
Q3= 2907 × 362 = 1052087 кДж
гдеQ// — скрытая теплота плавления – 362 кДж.
— тепловыделения при охлаждении твердого Mg дотемпературы водо-охлаждаемой стенки реторты:
Q4 = G× C × (tпл × tст) .
Q4= 2907 × 1,17 × (651 –100) = 1876490 кДж.
где С — теплоемкость Mg винтервале 651 – 100 °С – 1,17 кДж.
— Суммарные тепловыделения при конденсацииMg:
QMg=Q1 + Q2 + Q3 + Q4 .
QMg=16298269 + 1458400 + 1052087 + 1876490 = 20685248 кДж.
Расчет тепловыделений при конденсациипаров MgCl2 оттемпературы процесса 1010 °С дотемпературы конденсатора 100 °С
— тепловыделения от конденсации паров MgCl2:
Q1 = G× Q///,
где Q/// — скрытая теплота испарения MgCl2 – 1368 кДж.
Q1 = 682 × 1368 = 933090 кДж.
— тепловыделения при охлаждении от 1010 °С до температуры плавления 718 °С:
Q2 = G× Cж× (tпр – tпл) ,
гдеCж — теплоемкость MgCl2 – 0,97 кДж.
Q2 =682 × 0,97 × (1010 –718) = 193304 кДж.
— тепловыделения при затвердевании жидкогоMgCl2: Q3 = G × QIÑ.
где QIÑ — скрытая теплота плавления MgCl2 – 452кЛж
Q3 = 682 × 452 = 308176 к Дж.
— тепловыделения при охлаждении твердого MgCl2 до температуры водоохлаждаемой стенки оборотнойреторты:
Q4 = G× C × (tпл -tст) .
где С — теплоемкость MgCl2 в интервале температур 718 – 100 °С – 0,84 кДж.
Q4= 682 × 0,84 × (718 × 100) = 354451 кДж.
— общие тепловыделения при конденсации MgCl2:
Q MgCl2 = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 .
QMgCl2 = 933090+ 193304 + 308176 + 354451 = 1789024 кДж.

На период возгонки основного количестваконденсата затрачивается примерно до 20% времени выдержки. Остальное времяпроцесса сепарации идет на удаление оставшегося Mg и MgCl2.
На основании опытных данных об увеличениитемпературы выдержки на 10°Спродолжительность высокотемпературной выдержки, с температурой по зонам 970,1010, 1020, 1010, принимаем 62 часа. Определяем время интенсивной возгонки:
62—100%х = 12,4 часов.
х—20%
— часовые тепловыделения при конденсации Mg и MgCl2:
/>.
/>.
Суммарные тепловыделения в конденсатор изреактора:
Q = QMg+QMgCl2 + Qкрыш .
Q = 166165 + 144276 + 209362 = 2021805 кДж.
Расчет водяного охлаждения оборотнойреторты (конденсатора)
Охлаждение реторты – конденсатора во времяпроцесса сепарации производится водой. Из практических данных известно, чтотемпература воды после охлаждения порядка 70 °С.Начальная температура воды – 20 °С.Определяем количество воды, необходимое для охлаждения оборотной реторты:

 />
где С — теплоемкость воды = 4,184 кДж/кг×с.
Теплоотдача при стекании жидкости повертикальной поверхности:
/> ,
где G — расход воды на охлаждение равен 2,68 ?
pd –периметр орошения, м
m — коэффициент динамической вязкости воды, при 20 °С m = 10-3н×с/м2
/>.
т. к. Re = 1957
По упрощенной формуле толщина пленки воды:/> ,
гдеr — плотностьводы при 20 °С = 0,998 ×103 кг/м3.
/>
Критерий Прандтля для воды при 20 °С равен 7,02.
/>

гдеH — высота скоторой стекает пленка воды.
Критерий Галия:.
/>
Критерий Нуссельта: Nu =0,67 ×(Ga2 × P2 × Re)1/9 ,
Nu = 0,67 × [(87,93 ×1012)2 ×7,023 × 19,57] = 3792.
Коэффициент теплоотдачи для пленочноготечения определяется из уравнения:
/> ,
где l — теплопроводность воды, при 20 °С = 10-2Вт/м×ч.
/>
Определим необходимую поверхность орошенияводой:
/>
Действительная поверхность орошенияреторты конденсатора:

/>
Таким образом, поверхности орошения иколичества воды вполне достаточно для отвода выделяющегося тепла и конденсациивсего количества MgCl2.
Тепловой расчет печи сепарации
Потери тепла в стационарном режиме.
Исходные данные: tп – рабочая температура печи – 1020 °С; tв — температураокружающей среды – 20 °С; d1 –толщина шамота легковеса ШЛБ – 10 – 0,12 м; aкоэффициенттеплопроводности шамота 2,5 кДж/м2 × ч × °С; d2 — толщина пенодиатомита ПД – 350 – 0,38 м; aкоэффициенттеплопроводности пенодиатомита – 0,62 кДж/м2×ч×°С; d3 — толщинаметаллического кожуха – 0,02 м; aкоэффициент теплопроводности стали –185,3 кДж/м2×ч×°С.
Определим площади слоев кладки футеровки икожуха: F = p dcp ×H .
Средняя поверхность слоя шамота: F1= 3,14 × 2,0 ×4,85 =30,46м2 .
Средняя поверхность слоя пенодиатомита: F2 = 3,14 ×2,46 × 4,99 = 38,55м2.
Наружная поверхность кожуха: F3 = 3,14 ×2,50 × 5,04 = 40 м2.
Определим температурунаружной поверхности кожуха печи. Для этого задаемся температурами наружнойстенки печи 50, 70, 90°С. Определимкоэффициент теплопередачи для этих температур:
/>
/>.
/>.
— потери тепла вокружающую среду при заданных температурах:
/> .
/>
/>
/>
Потери тепла теплопроводностью: Qт = F × k × (tвн.ст – tн.ст),
где/>.
/> .
/>.
/>.
/>.
Температура наружной стенки печи сепарацииравна 58 °С. Определяем коэффициент потерь тепла конвекцией иизлучением: />
где tcт — температура наружной стенки печисепарации; tв — температура окружающей среды.
/>.
/> .
Суммарный коэффициент тепловых потерьсоставит:
/> .
— потери тепла через боковую поверхностькожуха печи сепарации:
/> .
/>.
Потери через низ печи.
Исходные данные: d1 –толщина шамота легковеса ШЛБ – 1 – 0,2 м; d1 — толщинапенодиатомита ПД – 350 – 0,6 м; d3 — толщина металлического кожуха — 0,02 м; λ — коэффициент теплопроводности шамота – 2,5 кДж/м2.ч.0С; λ 2 — коэффициент теплопроводности пенодиатомита – 0,62 кДж/м2.ч.0С; λ3 — коэффициент теплопроводности стали – 185,3 кДж/м2.ч.0С.
— поверхность слоев футеровки и кожуха:
/>.
/>.
/>.
где d — средний диаметр слоев футеровки и кожуха;
— температура наружной поверхности низапечи.
Задаемся температурами наружной стенки 60,70, 80 °С. Для поверхностей, обращенных вниз.
/>.
/> кДж/м2×ч ×°С .
/> кДж/м2×ч ×°С .
/> кДж/м2×ч ×°С .
— потери тепла конвенцией и излучением:/>
/> .
/>
/>
/>
— потери теплопроводностью: />,
где k — коэффициент теплопроводности

/>.
/>.
/>.
/>.
Определяем коэффициент потерь теплаконвенцией и излучением.
/>
/>
/>
— потери тепла нижней поверхностью печи:
/> .
/>.
— потери тепла печью сепарации:
/>
— тепло, необходимое на нагрев всейфутеровки печи от 20 °С до 1020 °С.
— тепло на нагрев шамота: Q1= G1×C2×(t1-t2) ,/>
гдеG1 – вес шамота – 1150 кг (по данным практики);
С1 — удельная теплоемкостьшамота – 1,04 кДж/кг °С.
/>.
— тепло на нагрев пенодиатомита:
/>,
где G2 – вес пенодиатомита – 1300 кг (по данным практики);
С2 — удельная теплоемкостьпенодиатомита – 0,96 кДж/кг °С.
/>.
Общее количество тепла на нагревфутеровки:
/>.
Суммарные потери тепла реактором и печьюсепарации:
— часовые теплопотери:
/>,
где t — время наиболее интенсивных теплопотерь – 12,4ч.
Данные расчетов сведены в таблицу 5.
Расчет мощности печи сепарации
Необходимую мощность печи сепарациирассчитываем по формуле:
/> , где k — коэффициент запаса мощности, учитывающий различныенезначительные потери.
Для печей непрерывно действующих: k = 1,2 /1,3 .
Q – общий расход тепла в печи.

/>.
Электрический расчет печи сепарации
Напряжение печи 380 В, нагревателипитаются то сети перемененного тока через трансформатор. В качественагревателей применяем ленточный нихром марки Х20Н80 ГОСТ-2615-58, сечением 3,2´36 мм.
Таблица 5.
Тепловой баланс процесса вакуумнойсепарацииПриход кДж/ч Расход Тепло получаемое за счет нагревателей 27106792 1 Теплота испарения Mg 20828945 2 Теплота испарения MgCl2 1834279
3 Тепло на нагрев:
а) Титановой губки б) Реактора в) Футеровки
892363
841402
2444000 4 Потери тепла в обратную реторту через крышку реактора 208325 5 Потери тепла боковой и нижней поверхностью печи 57478 Итого 27106792 Итого 27106792
Удельное электрическое сопротивлениенихрома при рабочей температуре: r =1,15 Ом × мм2 /м
Предельно допустимая температура длянихрома марки Х20Н80 равна 1150 °С.На основании опыта эксплуатации печей с повышенной цикловой производительностью,нагреватели печей распределяем по четырем зонам. Мощность каждой зоны 175 кВт.
Расчет нагревателей: Мощность зоныР = 175кВт; напряжениеU = 380 В; сила тока />; сопротивление/>; сечение ленты S =3,2 × 3,6 = 115 мм2; длина ленты />; поверхностьлентыF = 2 ×(0.32 + 3.6) × 8250 = 64680см2;Ваттная нагрузка
/>
Технологический расчет основногооборудования
Количество печей сепарации
На основании данных дипломного проектапредлагается сокращенные высокотемпературные выдержки процесса сепарации на 10часов, продолжительность печного цикла 80 часов: разогрев до температурывыдержки – 16 ч; время высокотемпературной выдержки – 62 ч; охлаждение аппаратав печи – 2 ч.
Календарное количестводней в году – 365 дней.
Печь на кап. ремонте – 12 дней.
Печь на профилактическом ремонте – 5 дней.
Итого 348 дней.
Производительность одной печи сепарации вгод составит:
/>
— количество печей сепарации,обеспечивающих заданную годовую производительность: />
— коэффициент использования печейсепарации составляет:
k = 348/365 = 0,95.
— количество печей сепарации с учетомкоэффициента использования:
n = 67/0,95 = 70,5 » 71
— резерв печей сепарации:71 × 0,05 = 3,5
Общее количество печей сепарации составит:71 + 4 = 75
Расчет количества холодильников
Цикл охлаждения аппарата сепарации вхолодильнике принимаем 53 ч. (охлаждение воздухом – 3 ч; охлаждение водой – 50ч..). Количество календарных дней работы холодильника в год – 365 дней.
— производительность холодильника в год: />.
— количествохолодильников, обеспечивающих заданную производительность: n= 30000 / 700,98 = 43 холодильника.
— коэффициентиспользования холодильников: k = 360 / 365 =0,98
— необходимое количество холодильников сучетом коэффициента использования составит: n = 43 /0,98 = 43,8 » 44
— резерв холодильников: 44 × 0,05 = 2,2 » 3
Общее число холодильников: n= 44 + 3 = 47
Расчет количества реторт.
— суточная производительность цеха: Псут.= 30000 / 365 = 82,19 т/сут.
— общее количество реторт необходимых дляобеспечения заданной производительности отделения, из них:
— реторты, занятые на вакуумной сепарации:75 × 2 = 150
— реторты, находящиеся на охлаждении: 47 × 2 = 94
— всего реторт: 244
— резерв реторт: 244 × 0,05 = 13
— общее количество реторт: 244 + 13 = 257
Выбор и расчет вспомогательногооборудования
Выбор вакуумных насосов
Для создания вакуума в аппарате сепарацииустанавливается диффузионный насос в паре с механическим насосом. Откачиваемыйобъем воздуха равен сумме двух объемов –реактора, оборотной реторты и объемавакуумных проводов. Объем реторты – 4,8 м3. Объем вакуумных проводов до механического насоса – 1,5 м3, до диффузионного — 1 м3. Время откачки механическим насосом – 10 мин (600с)
Время откачки диффузионным насосом – 5 мин(300с)
Остаточное давление в системе послеоткачки механическим насосом 13,3 Па, после откачки диффузионным насосом 0,133Па.
Суммарный откачиваемый объем: 4,8 + 4,8 +1,5 = 11,1 м3
Скорость откачки отатмосферного давления до 13,3 Па определим по формуле:
/> .
Предлагается к установке насос ВН – 6Гпроизводительностью 155 л/с, предельным вакуумом 1,3 Па, мощностьэлектродвигателя 20 кВт.Выбираем диффузионный насос. Суммарныйоткачиваемый объем: 4,8 + 4,8 +1 = 10,6 м3
Скорость откачки от давления 13,3 до 0,133Па:
/>
Устанавливаем насос БН – 2000производительностью 2000 л/с, предельным вакуумом 0,06 Па, мощностьюэлектродвигателя 7,5 кВт..
Выбираем насос для создания контрвакуума впечи.
Откачиваемый объем:
/>.
Остаточное давление в печи 664,5 Па.
Скорость откачки от атмосферного давлениядо 664,5 Па, время откачки 5 мин (300 с):
/>.
Расчет количества вакуумных насосов
Количество вакуумных насосов ВН – 6Г равноколичеству печей в отделении плюс 4 насоса контрвакуумной линии. Всего ВН – 6Г:75 + 4 = 79

4. Аналитический контрольпроизводства
Качество титановой губкиопределяется содержанием в ней примесей и ее однородностью. Повышенноесодержание примесей делает титан хрупким, что затрудняет получение изделий с необходимымимеханическими свойствами. Неоднородность губки затрудняет изготовление изделийс определенными механическими свойствами. В качестве основных примесей втитановой губке присутствуют: кислород, азот, железо, хлор, магний, углерод,кремний, никель, хром, водород. Содержание этих элементов в губке колеблетсякак в партиях металла, так и в пробах, отобранных из одной партии.
Основными параметрами дляопределения качества титана являются его механические свойства, в частноститвердость. Чем выше твердость титана, тем ниже его качество.
Целью переработкиотсепарированной губки является разделение на партии, в которых металл был быпо возможности однороден, Выбор схемы переработки губки зависит оттехнологической схемы ее получения. Во всех случаях переработка заключается впервую очередь в отделении более качественного металла от менее качественного.При разделке губки в виде блока от кричной (центральной) части блока отделяютсяниз и верх блока. Из криц комплектуют партии металла наиболее высокого качества,партии металла, отобранного из остальных частей блока, имеют более низкоекачество. Благодаря такому методу сортировки удается получить часть металлавысших сортов ссодержанием примесей меньшим, чем среднее содержание ихв блоке. Но зато другая часть металла неизбежно получается менее высокогокачества, и часть его может пойти даже в брак.
Кроме разделкиотсепарированного блока губки на соответствующие части, приемом, улучшающимкачество, является рассев губки по фракциям крупности после ее дробления.Дробление губки вообще необходимо, так как в противном случае ее переплавказатруднительна. В самые мелкие фракции губки (менее 3 мм)попадает металл более хрупкий, который, как правило, идет в отходы.
Переработка и использованиеотходов титана являются важным переделом, который существенно влияет наэкономику всего производства этого металла.
Товарные партии титановойгубки составляют из фракций 12 — (—70), 12 — (—25) и 2— (—12) мм.Допускаетсякомплектование партий из фракций 6 — (—12) и 2 — (—6) мм.Все товарныепартии независимо от крупности не должны содержать дефектной губки,соответствующей установленным эталонам.
В связи с жесткимитребованиями к качеству титановой губки перед упаковкой в тару на транспортереее тщательно сортируют по внешнему виду. От губки отделяют отходы(недосепарированная, окисленная, оплавленная губка, шламистые низы, гарниссаж сжелезом, губка наклепанная окисленная, некачественные пленки верхней частикрицы), а также посторонние включения, случайно оказавшиеся в губке.
Всю качественную губкупосле сортировки транспортером подают в промежуточную емкость и по меренакопления комплектуют в товарные партии, и затем упаковывают в тару.
Отходы первичнойсортировки подвергают более тщательной вторичной сортировке на столах, откудаотобранную качественную губку возвращают на составление товарных партий, аостальную губку направляют в отделение переработки отходов, где ее повторнонесколько раз дробят до фракции —30 мм, производят грохочение и отсев идля окончательной сортировки подают на сортировочные столы. Качественную губкувозвращают в отделение для составления товарных партий, а брак и отсевысмешивают и направляют на пресс для брикетирования.
В процессе работы недопускается попадание некачественной губки в комплектуемую товарную партию.Если в пробе обнаруживается хотя бы один кусочек дефектной губки, партиюсчитают забракованной и возвращают на повторную сортировку.
Упаковка титановой губкив тару. Титановуюгубку упаковывают в специально предназначенную тару — контейнеры емкостью 500 лили бочки емкостью 250 л. Тару с титановой губкой тщательногерметизируют, воздух откачивают, а свободный объем заполняют аргоном донебольшого избыточного давления.
Дробленую губку послеполучения результатов анализа из промежуточной емкости засыпают в бункер,подают на конусный делитель для усреднения и равномерно засыпают в тару.
Тару, поступающую длязаполнения губкой, предварительно осматривают, очищают, проверяют нагерметичность. После заполнения и взвешивания на весах на тару наносятмаркировку.
Для удовлетворенияпотребностей западного рынка на комбинате установлен жесткий контроль качества,который адаптирован к требованиям производителей авиационных двигателей иаэрокосмоса. Комбинат работает согласно международных стандартов качества:
— ISO 9002 — 94 — Система качества. Модельдля обеспечения качества при производстве, монтаже и обслуживании.
— AS 9100 — 99 — Системакачества. Авиакосмос. Модель обеспечения качества при проектировании,разработке, производстве, монтаже и обслуживании.

5. Контроль и автоматизация технологическихпроцессов
На переделе вакуумной сепарацииреакционной массы наибольшее количество точек контроля и автоматическогорегулирования сосредоточены непосредственно на участке электропечей и аппаратовсепарации с вакуум – системами.
Максимально возможная и надежнаяавтоматизация контроля и регулирования на этом участке обеспечивают высокуюпроизводительность аппаратов, хорошее качество титановой губки и снижениетрудозатрат.
Основными технологическими контролируемымии автоматически регулируемыми параметрами в отделении вакуумной сепарацииявляются; температурный режим печей вакуумной сепарации, остаточное давление ваппарате сепарации (вакуум) и остаточное давление в печи сепарации(контрвакуум).
Как было отмечено в п.3.1.6 магний ихлорид магния начинают испарятся при температуре 900 °С, но для активизации процесса сепарации температурунеобходимо повысить. Температура процесса сепарации лимитируется 1085°С, при той температуре железо стенки реторты начинаетвзаимодействовать с титаном. Конструкция печи предусматривает четыре зонынагрева реторты реактора по вертикали. Температуры зон предлагаются следующие:1- 970 °С, 2 – 1010 °С,3 – 1020 °С, 4 – 1010 °С,значит в процессе сепарации необходимо независимо регулировать температуру четырехзон одновременно. Этой производится с помощью термопар и котроллеров Р – 130,один контроллер на одну печь. Величина уставок по зонам печи сепарации приведении процесса;
1- 970 ±10°С, 2 – 1010 ± 10°С, 3 – 1020 ± 10°С, 4 – 1010 ± 10°С.
Понижение давления в аппарате необходимодля протекания процесса сепарации при заданных температурах. Промышленныенасосы могут откачивать газы из аппарата до остаточного давления порядка 0,13Па. Повышение остаточного давления в аппарате более 13,3 Па привысокотемпературной выдержке нежелательно, это может происходить приразгерметизации аппарата, прогара стенки реторты, что неотвратимо ведет кухудшению качества титановой губки. Поэтому величину остаточного давления ваппарате необходимо контролировать.
При высоких температурах конструкциястальной реторты теряет необходимую жесткость для удержания правильнойцилиндрической формы при глубоком вакууме внутри реторты. Поэтому необходимопонижать давление между стенкой реторты и печью сепарации. Печь вакуумнойсепарации делается герметичной, поэтому есть возможность для созданияконтрвакуума. Научные исследования и практика работы показала, что остаточногодавления 6665 Па достаточно для сохранения ретортой прежней формы.
Осуществление автоматическогоконтролирования и регулирования технологического процесса.
Технологический процесссепарации губчатого титана управляется автоматизированной системой.
АСУТП процесса сепарации представляетсобой 2-х уровневую распределённую систему управления отдельными аппаратами.
На нижнем уровне АСУТП решаются задачи:
- автоматическое регулированиетемпературой зон печи сепарации;
- автоматический контроль вакуума ваппарате;
- автоматическое управлениевакуумными насосами аппарата;
- автоматическое определениеокончания сепарации.
На нижнемуровне каждой печи установлены контроллеры Ремиконт-130, которые объединенылокальной вычислительной сетью “Транзит” по четыре контроллера в каждом.
На верхнем уровне АСУТП процессовсепарации производится:
- отображение мнемосхемы аппарата;
- отображение на мнемосхеме текущихзначений температуры, вакуума, длительности высокотемпературной выдержки вцифровой и графической форме;
- регистрация и документирование намагнитном носителе температуры, вакуума, количество электроэнергии.
Контроль ирегулирование температуры по зонам в аппарате сепарации выполнен с применениемконтроллера Ремиконт -130. Один контроллер на одну печь (позиция А1).
Температура в печи измеряется первичнымипреобразователями – термопары хромель-алюмелевые (поз. 4 а-1 – 4 2-1). Сигнал стермопар поступает на усилители сигнала термопар БУТ (поз. 4 д-1; 4 е-1),преобразующие сигнал термопар в унифицированный токовый сигнал 0 – 5 ma. Сигналс БУТ заведён на клеммные разъёмы контроллера Ремиконт -130.
В контроллере Ремиконт -130 заложенапрограмма управления температурным режимом зон печи.
В контроллере Р-130 происходит сравнениесигнала, поступающего с термопары, с заданием, заложенным в программе.
Если температура в печи выше задания, токонтроллер выдаёт команду на отключение нихромового нагревателя зоны, еслитемпература в печи ниже задания, то выдаётся команда на включение нихромовогонагревателя. Включение и отключение зон происходит через усилители мощности БУМ(поз. 4 ж-1).
Резервирование схемы микропроцессорногоуправления осуществляется машиной “Марс-200Р” (поз. А-4). Сигналы термопар(поз. 4 а – 4 2-1) параллельно заводятся на машину централизованного контроля иуправления “Марс-200Р” (поз. А-4).
Сигналы управления нихромовыминагревателями через переключатель S B-1 поступают или от контроллера Ремиконт(поз. А-1), или в аварийном случае от Марс-200Р (поз. А-4).
С помощью прибора ЦР (поз. 43-1)контролируется температура зон печи.
При аварийном завышении температуры сигналс контроллера Ремиконт-130 поступает на лампы сигнализации, установленные нащите (поз. HL 5-1, HL 6-1, HL 7-1, HL-8). При аварийном завышениитемпературного режима эти лампы мигают “частым” светом. Лампы сигнализации(поз. HL 1-1, HL 2-1, HL 3-1, HL 4-1) сигнализируют об аварийном значениитемпературы при регулировании температурного режима “Марс-200Р”.
Контроль вакуума в аппарате сепарацииосуществляется термопарной лампой ПМТ2 (поз. 3 а-1), сигнал с которой заводитсяна вакуумметр термопарный ВТ-2АП (поз. 3 б). С выхода прибора ВТ-2А (поз. 3б)сигнал поступает на нормирующий преобразователь Ш-72 (поз. 3 в-1),преобразующий сигнал вакуумметра в унифицированный сигнал 0 – 5 ma, которыйзаведён в контроллер Ремиконт -130.
Сигнализация вакуумного режима.
Сигнализация нарушения режима вакуумаосуществляется лампой сигнализации (поз. HL 9-1), установленной на щите.
В контроллере заложена программа, всоответствии с которой текущее значение вакуума сравнивается с аварийнымзначением, заложенным в программе, и при изменении вакуума ниже заданногозначения лампа мигает частым светом.
Управление вакуумными насосами вавтоматическом режиме осуществляется с помощью контроллера Ремиконт -130. Вконтроллере заложена программа управления вакуумными насосами: механическимиВН-6Г, ВН-1МГ и паромасленными БН-2000. Первоначальный пуск процесса дистилляциипредусматривает включение механического насоса ВН-6Г. Для этого контроллерРемиконт -130 (поз. А1) включает:
- магнитный пускатель (поз. 3 ж-1)насоса ВН-6Г;
- электрифицированный вакуумныйвентиль (поз. 3 Е-1).
Последостижения вакуума в аппарате, равного 430 микрон, по программе, заложенной вконтроллер, включается паромасленный насос, имеющий более высокуюпроизводительность, для чего контроллер (поз. А 4) включает:
— магнитный пускатель (поз. 3 д-1) дляподачи напряжения на нагреватель вакуумного масла в насосе БН-2000;
— электрифицированный вентиль (поз. 3з-1);
— электрифицированный вентиль (поз. 3Е-1).
При этом паромасленный насос БН-2000 имеханический насос ВН-6Г включены последовательно.
Механическийнасос ВН-6Г создаёт предварительное разряжение для насоса БН-2000. С цельюэкономии электроэнергии через 4 часа после достижения вакуума 430 микрон покоманде контроллера (поз. А 4) насос ВН-6Г останавливается, а насос ВН-1МГвключается.
Контроллер( поз. А 4) осуществляет:
— включение пускателя (поз. З 2-1) насосаВН-1МГ;
— отключение пускателя (поз. 3 ж-1) насосаВН-6Г;
— включение электрифицированного вентиля(поз. 3 и-1) на линии вакуума насоса ВН-1МГ;
— отключение электрифицированного вентиля(поз. 3 К-1) на линии вакуума насоса ВН-6Г.
Отключениевакуумных насосов после окончания процесса сепарации осуществляетсяавтоматически контроллером Ремиконт Р-130. Автоматическое окончание процессасепарации осуществляется по истечению 72 часов высокотемпературной выдержки.
Контроллер(поз. А 4) производит:
— отключение пускателей насосов БН-2000,ВН-1МГ (поз. 3 ж-1, 3 д-1);
— закрытие электрифицированных вентилей налинии вакуума (поз. 3 з-1, 3 к-1). Сигнализация об окончании процесса сепарацииосуществляется контроллером Ремиконт -130 (поз. А 4) путём включения на щителампы сигнализации HL 10-1.
Сигнал о количестве электроэнергии,потребляемой на процесс сепарации, измеряется счётчиком СА4У-И672Д (поз. 6 а-1)и поступает на вход контроллера Р-130.
Контроль температуры отходящейводы с реторты конденсатора и фланцев. Температура отходящей воды с ретортыконденсатора измеряется термометром сопротивления ТСМ-50 (поз. 2 а-1). Сигналзаводится на контроллер (поз. А 4). Сигнал термореле ТР-200 (поз. 1 а-1)поступает на вход контроллера (поз. А 4) для контроля максимальной температурыохлаждающей воды фланцев печи, аппарата, вакуумных насосов.
Верхний уровень АСУТПпредставляет собой автоматизированное рабочее место оператора-технолога,созданное с помощью локальной вычислительной сети. Локальная вычислительнаясеть “Транзит” предназначена для объединения микропроцессорных контроллеровРемиконт -130 для организации рабочего места оператора-технолога.
Объединение контроллеров Ремиконт -130(поз. А 1) осуществляется с помощью блока БШ (поз. А 2). На один БШ подсоединяетсядо 15 штук контроллеров. Сигналя с блока шлюза БШ (поз. А 2) поступают на IBMсовместимый компьютер (поз. А 3).
На компьютере (поз. А 3) реализованоавтоматизированное рабочее место оператора-технолога.
На АРМ отображены мнемосхемы процесса.Отдельные элементы мнемосхемы отображают критические значения параметровтемпературного режима и вакуума. На мнемосхеме приведены цифровые значенияпараметров температуры и вакуума. При критических значениях изменяется цветтекущих параметров. В АРМ реализованы текстовые сообщения: аварийные итехнологические. Технологические сообщения отражают в хронологическом порядкевсе операции в процессе: установку аппарата в печь, проплавление магниевой заглушки,выход процесса на высокотемпературную выдержку, окончание процесса, т.е.прохождение всех технологических стадий. Аварийные сообщения отражают ситуации,связанные с отклонениями параметров от нормы.
Функциональная схема контроля иавтоматизации процесса вакуумной сепарации представлена на чертеже.
Отделение питается электрической энергиейот двух коммутационных пунктов КП – 3 и КП – 4 и распределительных пунктов РП –9 и РП – 10.
КП – 3 питается от шинопровода ГПП – 5 накоторую поступает энергия от Бухтарминской ГЭС.
КП – 4 питается от шинопровода СогринскойТЭЦ.
РП – 10 – от КП – 3, РП – 9 – от КП –4.
Отделение сепарации имеет 11 встроенныхподстанций, в каждой из которых установлены по три понижающих трансформатора 10/ 0,4 кВ на1000 кВт или 1600 кВт.
Основными потребителями электроэнергииявляются печи вакуумной сепарации, вакуумные насосы. В качестве понижающихтрансформаторов применяются маслонаполненные трансформаторы типа ТМ – 1000, 10/ 0,4 и ТМ – 1600, 10 / 0,4.

6. Экологичность ибезопасность проекта
6.1 Анализ вредных иопасных производственных факторов
Технологические процессыв проектируемом цехе связаны с применением и получением вредных химическихвеществ в различных агрегатных состояниях. Эти вещества при нарушениитехнологии и несоблюдении профилактических мер могут попасть в атмосферу производственныхпомещений, землю, сточные воды и представить опасность для самих рабочих и длянаселения, живущего вблизи предприятия.
Классификацияпроизводственных факторов, опасных для жизни человека. Производственныефакторы, влияющие на жизнь человека:
— движущиеся части машини механизмов;
— электрический ток;
— промышленные яды иагрессивные жидкости;
-  промышленная пыль и производственныйшум.
Мгновенное действиепроизводственной среды на организм человека, связанное с нарушением тканей иорганов человека, называют производственной травмой. Медленное разрушение инарушение физиологических функций организма называют профессиональнымзаболеванием.
Движущиеся части машин имеханизмов являются опасными, когда они доступны для случайного прикосновения кним 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 0,000выполнен из рифленых чугунных плит. Уборку полов производят мокрыми опилками.
Ремонт и чистку печейпроизводят при обязательном присутствии наблюдающего. Нахождение людей подхвостовиками работающих аппаратов восстановления запрещается.
Тепловые факторы вызываюту человека ожоги. Они возникают при соприкосновении человека с нагретымичастями производственного оборудования, в результате действия расплавленногометалла, горячей жидкости, пара или газа. При заливке жидкого магния в реактор,при сливе хлорида магния в ковш из аппарата, для предупреждения возможноговыброса металла и расплава соли, все оборудование, и инструменты должныпредварительно быть просушены и прогреты.
Действие электрическоготока на организм человека проявляется в сложной и многообразной форме.Поражение электрическим током можно разделить на две группы:
— поражение внутреннегохарактера;
-  внешнее поражение (ожоги).
Наибольшую опасностьпредставляют электрические удары, появляющиеся вследствие прохожденияэлектрического тока через тело человека. Принято считать безопасным длячеловека ток до 0,01 А. Среднее сопротивление тела человека составляет 1000 Ом.
В проектируемом цехепредусмотрено дистанционное включение и отключение оборудования при помощимагнитных пускателей, световая и звуковая сигнализации. Во избежаниеповреждения электрическим током необходимо прокладку кабелей вести в трубах. Длятого чтобы при ремонте избежать случайных поражений током, необходимопредусмотреть электроблокировку. Все электрооборудование должно иметьзаземление.
Распределительные щитовыенаходятся в отдельных помещениях, вход в которые разрешен только лицам, имеющимдопуск.
Работы, связанные свключением электрического оборудования, производятся в соответствии стребованиями “Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей иправил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей.
Характеристика вредныхвеществ, специфичных для данного производства.
Тетрахлорид титана приобычных условиях, с температурой кипения 409,9 градусов К, попадает в атмосферупроизводственных помещений в виде жидкости или пара при разгерметизацииоборудования.
TiCl4 — дымообразующее вещество, при воздействии с влагойвоздуха образует белую пыль оксихлорида титана и токсичный хлорид водорода,который отсорбируется на частицах пыли оксихлорида титана, способен проникать влегкие. Предельно допустимая концентрация (ПДК) для HCl в атмосфере производственных помещений составляет 1мг//>. Пары HCl поражают слизистую оболочку верхнихдыхательных путей и вызывают токсические бронхиты. Попадание TiCl4 на кожу дает труднозаживающие ожоги II и III степеней.
Хлорид водорода (HCl) – бесцветный удушливый газ,растворяясь в воде, образует соляную кислоту. Токсичность проявляется в видесильного раздражения верхних дыхательных путей.
В проектируемом цехеядовитыми веществами являются: хлор, пары соляной кислоты, хлоридной окисититана, титановой пыли. Допустимые концентрации в атмосфере рабочего помещенияследующие:
-  хлор – 1,001 мг/дм3;
-  HCl – 0,005 мг/дм3;
-  Ti – 0,1 мг/дм3.
6.2 Мероприятия поохране труда и технике безопасности
Производство губчатоготитана на всех переделах связано с применением и получением вредных химическихвеществ в различных агрессивных состояниях. Эти вещества при нарушениипрофилактических мер могут попасть в атмосферу производственных помещений,землю, сточные воды и представить опасность как для самих рабочих, так и длянаселения, живущего вблизи предприятия. В процессе производства рабочиеуправляют различными механизмами с электрическими приводами, обслуживаютгрузозахватные механизмы.
В этих условияхотклонения от правил технической эксплуатации, техники безопасности можетвызвать аварию и несчастный случай.
Рабочие, впервые принятыена производство и не имеющие удостоверения по специальности проходят вводныйинструктаж по технике безопасности в отделе охраны труда предприятия, которыйзнакомит с общими правила поведения людей на территории завода и его цехов, справилами пожарной безопасности.
Отдел охраны трудапредприятия выдает рабочему на руки “Личную карточку инструктажа” и с этимдокументом его направляют непосредственно в цех. Администрация цехаобеспечивает вновь принятого рабочего спецодеждой, спецобувью, специальнымисредствами защиты, выделяет ему место в бытовой комнате, выдает на руки инаправляет к мастеру, который отвечает за соблюдение требований охраны трудаэтим рабочим.
Рабочего допускают ксамостоятельной работе только после прохождения им инструктажа на рабочемместе, сдачи экзамена по технике безопасности для конкретной специальности.
В процессе самостоятельнойработы с рабочим не менее двух раз в году проводят повторный инструктаж побезопасности и плану ликвидации аварии. Важным значением для безопасных условийтруда имеет соблюдение трудовой дисциплины. Игнорирование правил ношениязащитной одежды, специальной обуви, средств защиты органов дыхания, выполнениечужих функций работы на неисправном оборудовании — основные причины аварии инесчастных случаев на производстве.
Для профилактикипроизводственного травматизма, профзаболеваний, исключения аварии припроизводстве губчатого титана внедрена система управления охраной труда.
На всех предприятиях, вовсех цехах создаются кабинеты по охране труда, призваны стать центрами поповышению знаний рабочих, воспитанию в них сознательного отношения к выполнениютребований техники безопасности и производственной санитарии.
Администрация предприятияцеха обязана разрабатывать ежегодные планы по охране труда и техникебезопасности, проводить анализ производственного травматизма.
6.3Санитарно-гигиенические мероприятия
Перед началом сменырабочий должен прийти на рабочее место в исправной и чистой спецодежде.Принимать пищу и курить запрещается на всей территории цеха. Разрешается тольков специально отведенных для этих целей помещениях. Запрещается употреблять водуиз промышленного водопровода. Пить воду можно только из специальнооборудованных фонтанчиков, которые расположены на каждом технологическомучастке. При получении микротравмы, рану необходимо промыть и обработатьмедикаментами из аптечки, находящейся в специальном месте.
После рабочей смены, потребованию инструкции по технике безопасности, каждому работнику необходимопринимать гигиенический душ. Моющие средства – 200 гр. Мыла выдаются каждомуработнику ежемесячно. Стирка и ремонт спецодежды производится централизованно вхозяйственном цехе предприятия.
6.4 Обеспечение спецпитанием
Работники проектируемого цеха получают специальноепитание, состоящее из талонов на молочные продукты – 0,5 литра ежедневно, кромесубботы и воскресенья.
В цехе предусмотрена чайная–буфетдля принятия в течение смены горячего чая. Столовая расположена на территориипредприятия в 30 метрах от цеха.
6.5 Общая вентиляция
Общая вентиляцияпредназначена для обмена воздуха во всем помещении.
Для вентиляции подаетсянезагрязненный воздух. Приточный воздух подают в производственные помещения системамимеханической вентиляции в рабочую зону. Удаление воздуха предусматривают изверхней зоны.
Для осуществления общесообщенной вентиляции принимаем, что надо поменять воздух во всем отделении 1раз за 1 час. Количество требуемого воздуха в течении 1 часа:
/>
Для установки выбирают 2центробежных вентилятора марки В-Ц12-49-8-01 производительностью 18 м3/с,тип двигателя 4А-315S мощностью 160 кВт.
6.6 Электробезопасность
Оборудование отделенияпитается от подстанции с двумя трансформаторами мощностью S =1500 кВт. Ток однофазногозамыкания в сети 10 кВ равен 15 А.
Требуется определитьсопротивление заземляющего устройства в сети 0,23 кВ с глухо –заземленной нейтралью.
Грунт на месте устройстваподстанции – глина с удельным сопротивлением r равным 0,6 × 104Ом×см.
Принимаем заземление изполосовых электродов сечением 4´40 мм и стержневых из угловой стали сечением 50´50 мм длинной 2,5 м. Заземлитель углублен в землю на 0,8 м.
Контур по периметруздания выполнен из полос, заглубленных на 0,8 м и вертикальных стержневых электродов. Рассчитаем сопротивление одного стержневого электрода Rc и сопротивление полосы контура Rп.
Сопротивление стержневогоэлектрода:
/>
где rc — rгр× ус; ус– коэффициент сезонности = 2;
rc = 0,6 × 106 × 2 = 1,2 × 104
l – длина стержневого электрода, см;
t — длина заглубления, см;
а – длина электрода.
/>
Сопротивление полосыконтура рассчитываем по формуле:
/>,
гдеrn= rc — rгр× уп= 0,6 × 104
 

/>
Наиболее допустимоезначение сопротивления, установленное нормами ПУЭ для сетей до 1000 Вравно 4Ом, т. е. должно выполняться условие:
/> ,
где N – число уголков принимаем равным 30;
 
hc = 0,42 ;
hn = 0,68.
/>; 2,6
6.7 Противопожарныемероприятия
Производственноепомещение отделения вакуумной сепарации не относится к категории пожароопасных.Однако в отделении пожар может возникнуть от неисправности электрооборудования,от газоэлектро – сварочных работ, от возгорания низших хлоридов титана приремонте вакуумных блоков, вакуумных ловушек, при отсоединении вакуумной трубыот вакуумного блока. С целью недопускания возгораний необходимо строговыполнять правила обслуживания аппаратов и установок, строго соблюдать графикППР оборудования.
На отметке 0,00 м и 5,40 м по всему отделению устанавливаются емкости с песком или обевоженным карналитом длятушения. Предусмотрена установка противопожарных щитов с оборудованием иинвентарем, по одному щиту в каждом крыле. Для случаев эвакуации во времяпожара предусмотрены аварийные выходы. В каждом крыле отделения существуетпожарная сигнализация которая подключена к сигнализации пожарной командыкомбината.
6.8 Общие правилабезопасности
Индивидуальные средствазащиты
Печевые должны работатьтолько в установленных для них спецодежде и защитных средствах:
— суконный костюм илилавсано-хлопковый с маслозащитной пропиткой;
— ботинки кожаные;
— рукавицы суконные;
— защитные очки, щиток;
— каска;
— при необходимостипротивогаз марки БКФ.
При работе, связанной сревизией вакуумных блоков пользоваться кислотостойкими рукавицами,нарукавниками и фартуками. Ревизию холодильников производить в резиновыхсапогах, влагостойких рукавицах и фартуке.
Правила безопасности приработе с аппаратом сепарации.
При установке аппарата:
— отцентровать аппаратточно по центру печи;
— установку производитьосторожно, без рывков, во избежание повреждения футеровки, нагревателей итермопар;
— не поправлять прокладку на печируками, так как данную операцию производить с помощью специального крюка.
— не допускать подачусразу большого количества воды на охлаждение фланцев аппарата, печи и насосов,во избежание образования большого давления водяных паров и разрыва стенокводяных рубашек.
При извлечении аппарата:
— убедиться что печьотключена;
— осмотреть аппарат,убрать имеющиеся на нем незакрепленные детали или предметы;
— при строповке аппаратаубедиться в исправности грузовых проушин реторты – реактора;
— при отбалчиванииаппарата выбирать устойчивые и безопасное положение тела;
— стропы траверсы должнанаходиться в направляющих оросителя и фиксироваться Г – образными штырями;
— приподнять аппарат на100 – 150 мм, убедиться в надежности его строповки и только после этого датькоманду на извлечение его из печи.
6.9 Расчетэлектроосвещения в отделении сепарации
Расчет естественногоосвещения
Расчет производится надвух отметках 0,00 и 5,40 днем и ночью.
Площадь световых проемов наотметке 0,00 при боковом освещении помещений рассчитывается по формуле:
100/>
где S0– площадь световых проемов при боковом освещении;
Sn – площадь пола помещения;
Ln — нормированное значение КЕО (СНиП 11-4-79);
Кз — коэффициент запаса (СниП 11-4-79);
h0 — световая характеристика окон (СниП11-4-79);
Кзд –коэффициент учитывающий затемнение окон противостоящим зданиям (СниП 11-4-79);
t0– общий коэффициент светоиспускания, определяемая по формуле:
t0 =t1∙t2 ∙ t3 ∙ t4 ∙t5,
где t1, t2, t3, t4 — коэффициенты, учитывающие потерисвета;
t5 – коэффициент, учитывающий потери света в защитнойсетке под фонарями, равен 0,9;
r1 – коэффициент учитывающий повышение КЕО;
t0– 0,8 × 0,8 ×1× 1 × 0,9 = 0,576
/>
Потребная площадьсветовых проемов на отметке 0,00 м: S0= 5038 м2
При расчете естественногоосвещения на отметке 5,40 используются технологического же формулы, как при расчетеосвещения на отметке 0,00 м:
а) при боковом освещении:
/>
б) при верхнем освещении:
/>
где Sф – площадь световых проемов при верхнем освещении, м2
hф – световая характеристика фонаря или светового проемапокрытия;
r2 –коэффициент учитывающий повышение КЕО при верхнем освещении;
Кф — коэффициентучитывающий тип фонаря.
а) при боковом освещении
/>
/>
б) при верхнем освещении
/> ,/>
где />/> — площадь световых проемов при верхнем освещении, />;/>
/> - световая характеристика фонаряили светового проема в плоскости покрытия;
r2 — коэффициент учитывающий повышение КЕО при верхнемосвещении
Кф — коэффициентучитывающий тип фонаря.
а) />
S0=1679 м2
б) />
Sф=934 м2.
Потребная площадьсветовых проемов бокового освещения составит 1679 м2, верхнего освещения – 934 м2.
Расчет искусственногоосвещения
По данным расчета длинаотделения вакуумной сепарации 271 м. Для освещения на отметке 5.40 м лампы расположены в три ряда. Расстояние между колоннами 6 м, на 271 м длины приходится 45 ферм. На каждой по 3 светильника, всего 135 штук.
При расчете используетсяметод коэффициента использования и определяется потребный световой поток (F) каждого светильника по формуле:
/> 
где Е – наименьшаяосвещенность, равна 75 лк;
k – коэффициент запаса, равен 1,3;
S – площадь помещения, м2;
z – коэффициент перехода от наименьшейосвещенности к средней, равен 1,15;
N – количество светильников;
h — коэффициент использования, т.е.относительная доля потока лампы, падающая на поверхность S.
Светильники находятся навысоте 19 м. До отметки 5,40 м расстояние составляет 13,6 м. Расчетная высота составит 13,6-0,8=12,8 м.
Индекс помещения находимпо формуле:
/> ,
гдеА – длина помещения,м;
В – ширина помещения, м;
H – высота подвеса светильников, м.

/>
h=0,57, тогда:
/> лк
Выбираем лампу 750Вт-13100 лм, принимаем к установке 135 светильников, мощностью 750 Вт каждый.Светильники типа Универсал ДРЛ-220-750.
На отметке 0.00 м принимаем к установке 129 светильников.Площадь 6504 м2, расчетная высота h=5.4 м, коэффициент отраженияпотолков и стен принимаем Рп=50%, Рс=30%.
Индекс помещениясоставит:
/> = 4,1
По [18] находим h=0.63, тогда:
/> лм
Выбираем лампу 500Вт-9100 лм, Принимаем к установке 129 светильников, мощностью 500 Вт каждый.
6.10 Расчет защитного заземления
Цеховое оборудование питается от подстанции с двумятрансформаторами мощностью S=1500 кВатт. Ток однофазного замыкания в сети 10 кВравен 15А.
Требуется определитьсопротивление заземляющего устройства в сети 0,23 кВ с глухо-заземленнойнейтралью.
Грунт на месте устройстваподстанции — глина с удельным сопротивлением Р, равным. /> 
Принимаем заземление изполосовых электродов сечением 4х40 мм и стержневых из угловой стали сечением 505 50 мм длиной 2,5 м. Заземлитель углублен в землю на 0,8 м.
Контур по периметруздания выполнен из полос, заглубленных на 0,8 м и вертикальных стрежневых электродов.
Рассчитаем сопротивление одногостержневого электрода Rс и сопротивление полосы контура Rп.
Сопротивление стержневогоэлектрода:
/>
где, rc = rгр. Х yc;yc – коэффициент сезонности;
yc = выбираем равным 2,0;
l – длина стрежневого электрода, см;
t – длина заглубления, см;
а – длина электрода.
/>
Сопротивление полосыконтура рассчитываем по формуле:
/>;
/>
/>
Наиболее допустимоезначение сопротивления R3,установленное нормами ПУЭ для сетей до 1000 В равно 4 Ом.
/>Ом,
где N — число уголков, равное 10;
hп = 0,42;
hс = 0,68.
/>/>
1,1
Проведем проверкузаземления на термоустойчивость по формуле:
S > 0,12 5 Iз5 Vrгр. 5 t,
где S – поверхность сопротивлениязаземлителя с грунтом, см2;
Iз – расчетный ток замыкания на землю, А;
rгр. – удельное сопротивление грунта, Ом см;
t – длительность замыкания на землю.
/>
/>
Данный заземлительудовлетворяет правилам устройств электроустановок, обладает достаточнойповерхностью и термоустойчивостью.
6.11 Охрана воздушногобассейна от загрязнения вредными веществами
В настоящее время дляпроизводства титана магниетермическим способом используются герметичныеаппараты. Источником загрязнения воздуха (хлоридом водорода) являются местаслива из аппаратов восстановления. Хлорид водорода и пыль, содержащиеся нарабочих площадках демонтажа аппаратов восстановления и сортировки титановойгубки выбрасываются в атмосферу через аэрофонари. По данным АО «УКТМК» выбросы в атмосферу хлорида водорода составляют 34,66 т в год ититановой пыли 0,442 т в год.
6.12 Экологическоесостояние в отделении вакуумной сепарации
В целях охраны земель иводоемов построены 2 траншеи с полиэтиленовым противофильтрационным экраном,что позволило уменьшить загрязнение подземных вод. Была проведена реконструкцияи капитальный ремонт водооборотной станции, очистки и сброса промышленной воды.По охране водного бассейна выполнен капремонт коллектора в реку Иртыш.
6.13 Проектные решенияпо утилизации отходов производства
На АО «УК ТМК»общий объем осадков в трех шлаконакопителях составляет более чем 1,5 млн. тонн.
Под отходами производствапонимаются материалы и энергоресурсы, неиспользуемые для получения основнойпродукции и образующиеся в процессе производства вредных веществ, загрязняющихокружающую среду. Под формулировкой “Безотходная технология” — понимают методпроизводства продукции, при котором все сырье и энергия используется наиболеерационально и комплексно.
Технология переработкипромышленных продуктов и отходов титанового производства включает следующиепеределы, которые были предложены и разработаны на АО «УК ТМК»:
— получение пятиокисиванадия из алюмованадиевых пульп;
— извлечение скандия изотработанного расплава титанового хлоратора;
— переработка конденсатааппарата вакуумной сепарации титановой губки.
7. Экономика производства
7.1 Организация производства
Организационно-производственная структураотделения вакуумной сепарации представлена в виде схемы 2.
Структура производственного процесса потехнологическому содержанию представлена схемой 3
Режим работы и плановый баланс рабочеговремени.
Для проектируемого отделения принимаемследующий режим работы:
- непрерывный;
- продолжительность рабочей недели40 часов;
- число смен в сутки 3;
- продолжительность рабочей смены 8часов.
Плановый баланс рабочего временипредставлен в таблице 6Таблица 6 Плановый баланс рабочеговремени.Показатели Непрерывное производство с восьми часовой рабочей сменой 1.Число календарных дней (Т кал) 365 2. Число выходных и нерабочих дней (по графику выходов) 112 3.Номинальный фонд рабочего времени (Т ном) 253 4.Невыходы на работу по причинам, дни: — отпуск 24 — болезни 6 -выполнение государственных общественных обязанностей 2 — отпуска учащихся 2 Всего невыходов 34 5. Эффективный фонд рабочего времени (Т эф) 253-34=219
Коэффициент списочного состава
К сс=Т ном * Т эф 1,15 Количество бригад 5

/>
Схема 2 – Организационно- производственнаяструктура отделения вакуумной сепарации.
/>
Схема 3 Структура производства процессавакуумной сепарации титановой губки по технологическому содержанию.

Научная организация труда и кадров.
Формы единого разделения трудапредставлены в таблице 7.
Организация заработной платы.
В проекте принимаем районный коэффициент1.3
В проекте планируем следующие доплаты:
— доплата за работу в праздничные дни. При9 днях в году планируем в размере 9дн x 100% / 360 =2.5 % от тарифного фонда.
— доплата за работу в ночное время(22.00-6.00) и в вечерние часы (18.00-22.00)
Итого ночных часов -8 ч, вечерних –4 ч.
Принимаем в соответствии с действующимположением о доплатах
20% от тарифной ставки – за вечерние часы
50% от тарифной ставки – за ночные часы
В проекте принимаем средний процентдоплаты
/> от тарифной ставки (тарифногофонда)
Таблица 7
Формы единого разделения труда.Форма разделения труда Металлургическое производство 1.Функциональная рабочие служащие 1.1 Профессии металлург инженер-металлург 1.2 Специальности
-печевой на восстановление и дистилляции титана и редких металлов.
— оператор пульта управления
Ст. мастер
Мастер смены 1.3 Квалификационное 4-5 разряд 8-11 разряды 1.4 Операционные
печевой на отметки 5,4
печевой на отметки 0,00
печевой холодильщик

Таблица 8
Формы организации труда. Формы организации труда Металлургическое производство
Коллективная
-бригада по территориальному признаку
Комплексная бригада
-печевые
-электромонтер
-электромеханик
-оператор пульта управления
Оплату отпусков планируем в проекте впроцентах от фонда основной зарплаты:
%= />
где:
а- средняя продолжительность отпуска;
25,4 — среднее число дней в месяце;
12- количество месяцев в году;
100 – проценты.
/> от заработной платы
Выслугу лет планируем в размере 10% оттарифного фонда заработной платы по опыту прошлых лет
Отчисления на социальное страхованиепланируем в размере 26% от фонда оплаты труда рабочих и служащих (Госбюджет РК)Отчисления в пенсионный фонд планируем в размере 10%
В проекте принимаем в соответствии сПоложением о премировании, утвержденном для данного предприятия, следующий размерпремий:
- рабочим 100% от тарифной ставки;
- служащим 100% от месячного оклада.
Расчет численности рабочих представлен втаблице 5.4
Планирование заработной платы рабочихпредставлено в таблице 5.5
Планирование заработной платы служащихпредставлено в таблице 5.6