Проектирование отделения вакуумной сепарации титановой губки

Также существует конструкция аппарата с нижним расположением конденсатора. Принципиально эта конструкция аналогична аппарату сепарации с верхним расположением конденсатора. Однако, в этом аппарате применяется колпаковая съемная печь. Аппарат устанавливается на специальный стенд. Учитывая специфику процесса, нижнюю часть сборника для конденсатора делают неразъемной в виде усеченного конуса, а верхнюю часть осадителя - разъемной. На поверхность экрана устанавливают специальную кольцевую подставку, которая препятствует опусканию блока реакционной массы в процессе сепарации. Между стенками экрана и реторты при монтаже аппарата, засыпают слой хлорида магния, который создает гидравлический затвор, и препятствует проникновению расплавленного магния. Такие реторты не применяются на заводах из-за сложного аппаратурного оформления и сложности проводимых работ [7-9].

Проводились исследования по конструкции аппаратов сепарации с рядом стоящим конденсатором. Такой аппарат состоит из реактора с заглубленной крышкой, установленный в электропечь, конденсатор, помещенный в рядом стоящий с печью холодильник, соединенные между собой обогреваемым паропроводом и вакуумпроводом. Холодильник установлен в тележке с возможностью перемещения в горизонтальном направлении для компенсации температурного расширения материала трубопровода. Устройство стыковых обогреваемых патрубков паропровода обеспечивается маневром тележки с установленным на ней холодильником и конденсатором по колее (рельсам), а также подъемом и опусканием последних при помощи гидроподъемников, установленных на раме тележки. Недостатком установки является сложность и громоздкость конструкций, обеспечивающих передвижение конденсатора в горизонтальной и вертикальной плоскостях при стыковке патрубков паропровода. Так, наличие тележки с колесами обуславливает необходимость установки рельсового пути, а наличие грузоподъемников на маме тележки - необходимость иметь маслонасосную станцию с маслопроводами, что повышает трудоемкость обслуживания устройства. Наличие большого числа деталей требует значительного времени на подготовку устройства и монтажу, на их ремонт, повышает вероятность их поломки во время эксплуатации, что в целом снижает производительность устройства из-за непроизводительных простоев и его надежность.

На АО "УК ТМК" был опробован аналогичный аппарат. Основными недостатками были: зарастание внутреннего сечения сливного стояка, зарастание паропровода на выходе в конденсатор, к тому же колпаковые печи, обогреваемые паропровод, потреблял очень много электроэнергии (так же, как печь вакуумной сепарации).

Кроме того, если рассматривать конструкцию осуществления компенсации расширения материалов паропровода за счет перемещения холодильника на тележке, то конструкция тележки настолько металлоемка, что она не позволит осуществить перемещение относительно оси паропровода, что осложняет стыковку фланцев патрубков при монтаже установки, тем самым повышает трудоемкость обслуживания. Как следствие, непроизводительные простои при сборке устройства, при проведении процесса сепарации и при его разборке после процесса, ведут к снижению производительности процесса.

Благодаря исследованиям, проведенным в области вакуумтермической очистки титановой губки, установлено, что устройство, состоящее из реторт, одна из которых является термостатированным конденсатором, создаются благоприятные условия для достижения необходимого температурного градиента 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 горизонтальным по прототипу, обеспечивают максимально свободный доступ парогазового потока к поверхности конденсации за счет сокращения длины пути с парами магния и хлорида магния. Использование устройства позволяет повысить производительность, дополнительно снизить затраты электроэнергии за счет сокращения продолжительности высокотемпературной выдержки [10].

С целью повышения производительности аппаратов применяемых в производстве губчатого титана проводили исследования с использованием индукционного нагрева [11].

Это объясняется тем, что в этом случае значительная часть энергии выделяется в непосредственно нагреваемом теле. Изменение вида нагрева будет заключаться в том, что вместо резисторного нагревателя в печи будет установлен источник электромагнитной энергии - индуктор.

При использовании резисторно - индуктивного нагревателя существенная часть энергии должна выделяться непосредственно в блоке реакционной массы. Частично будет нагреваться стальная стенка реактора, в котором находится реакционная масса, за счет радиационного излучения нагревателя. Выделение тепловой энергии происходит непосредственно в блоке реакционной массы, то есть источник тепловой энергии перемещается внутрь блока, что способствует увеличению теплового коэффициента полезного действия процесса сепарации. Улучшение качества титановой губки достигается действием динамических сил в блоке реакционной массы. Индуктор располагается в пространстве между ретортой и внутренней стенкой печи. Индуктор выполняется из трех - четырех секций, переключением которых можно регулировать величину электромагнитного поля и тепловой режим печи. Секции могут быть включены параллельно, последовательно или смешанно. Таким включением можно получить широкий диапазон регулирования температуры.

Приведенный обзор научно-исследовательских работ и практика работы титано - магниевых комбинатов показали, что на данный момент наиболее приемлемым для очистки реакционной массы является метод вакуумной сепарации с верхним расположением конденсатора.

2. Выбор и обоснование принимаемого в проекте технологического решения

Как показал обзор, приведенный в п. 1.1 при сепарации реакционной массы, во время процесса может происходить перегорание нагревателей, что приводит к ухудшению качества титановой губки, увеличению расхода электроэнергии, дополнительным трудозатратам и т.д. Разрушение защитной пленки на поверхности нагревателей может быть результатом воздействия материалов футеровки или появления окислительной среды в печном пространстве при разгерметизации швов аппарата.

Кроме того, работа печей сопротивления сопровождается довольно большим расходом электроэнергии. Основными путями снижения удельного расхода электроэнергии является: уменьшение тепловых потерь, улучшение теплоизоляции, повышение мощности печи, уменьшение потерь на аккумуляцию тепла, рационализацию электрического и технологического режима работы [5, 12, 13].

Анализ теплового баланса аппарата вакуумной сепарации показывает, что полезный расход тепла на нагрев и сублимацию магния и хлорида магния из реакционной массы составляет незначительную величину по сравнению с тепловыми потерями: 26% от израсходованного за цикл. Печи вакуумной сепарации работают в периодическом режиме и остывают между отдельными кампаниями, поэтому применение наиболее эффективных теплоизоляционных материалов позволит значительно снизить удельный расход электроэнергии.

На АО«УК ТМК» для футеровки электропечей используется шамот - легковес марок ШЛ-1 и ШЛ-1,3 в виде кирпича. Электропечи с такой футеровкой эксплуатируются более двух лет без капитального ремонта, но они имеют сравнительно высокую теплопроводность, что не позволяет снижать температуру кожуха печи и приводит к потерям тепла и увеличению расхода электроэнергии. Для снижения тепловых потерь можно рекомендовать новый футеровочный материал на основе стекловолокна, который успешно прошел испытания на Березниковском титано-магниевом комбинате [13].

Мероприятия по рационализации электрических и технологических режимов работ печей вакуумной сепарации: сокращение длительности технологического процесса за счет его совершенствования, применяя, например, новые виды нагрева. Небольшое повышение температуры ведения процесса также может сократить длительность печного цикла.

Повышение единичной мощности имеющихся аппаратов позволит на тех же площадях увеличить выпуск титановой губки и, следовательно, снизить удельный расход электроэнергии.

3. Технологическая часть

3.1 Номенклатура сырья и продукции

Исходным сырьем, перерабатываемым в отделение является реакционная массы, поступающая из отделения восстановления и представляющая собой титановую губку, пропитанную магнием и хлоридом магния.

Реакционная масса поступает в отделение вакуумной сепарации в ретортах и имеет следующий состав: (50 - 70)% титановой губки; (8 - 15)% хлористого магния (25 - 37)% магния.

В таблице 1 приведены требования к качеству титановой губки по ГОСТ 11746-79.

Таблица 1.

Состав и твердость титановой губки

3.2 Описание основного технологического процесса

В отделении вакуумной сепарации применяется полусовмещенная схема получения титановой губки, при которой монтаж аппарата сепарации осуществляется без охлаждения аппарата восстановления, процесс сепарации ведется в специализированной электропечи. После процесса сепарации реторта - конденсатор с магнием с хлоридом магния отправляется на процесс восстановления. Из нее сливают хлорид магния, затем добавляют магний и подают тетрахлорид титана, образуется реакционная масса после прохождения реакции восстановления, эту реторту уже называют ретортой - конденсатором. А реторта с блоком титановой губки освобождают и монтируют на реторту - реактор, устанавливая между ними магниевую заглушку. Такая реторта становится ретортой - конденсатором. Этот метод получил название «Метод оборотных реторт». Технологическая схема отделения вакуумной сепарации представлена на рисунке 3.1

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. Блок прочно спаян со стенками реактора 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 массы основана на различной упругости паров титана, магния и хлорида магния. Так, температуры кипения у титана, магния и хлорида магния соответственно равны 3260, 1107 и 1417 0С. Следовательно, при 1417 0С и атмосферном давлении от титана отгоняются магний и хлорид магния. Однако, при этих условиях, практически невозможно добиться полного отделения магния и хлорида магния от титана. Кроме того, при температуре 1085 0С железо стенки реторты интенсивно взаимодействует с титаном с образованием легкоплавкого вещества - эвтектики. Скорость испарения магния и хлорида магния из реакционной массы зависит от упругости паров, общего давления над реакционной массой и температуры. Как показали исследования, зависимости давления паров магния и хлорида магния от температуры [3], при 900 0С эти величины соответственно равны 0,13·105 Па. Для титана скорость испарения близка к нулю.

Это значит, что уже при 9000С над реакционной массой находятся пары магния и хлорида магния в количестве, пропорциональном давлению их паров. Если эти пары отводить, то из реакционной массы будут испаряться новые порции. Для отвода паров магния и хлорида магния в аппарате сепарации применяют конденсатор, в котором, с помощью охлаждения, создается низкая температура, следовательно, более низкое давление паров магния и хлорида магния. Таким образом, движение паров из реактора в конденсатор происходит в результате разности давления в этих зонах аппарата.

Из реакционной массы в период сепарации выделяются и другие газы (главным образом водород). Эти газы непрерывно откачиваются вакуумным насосом через конденсатор. Когда говорится о давлении в реторте в период сепарации, то под этим подразумевается давление газов (водорода, паров воды, паров хлоропроводной кислоты и другие), замеряемое на выходе из конденсатора. Измерение паров магния и хлорида магния не производят, так как в место замера давления эти вещества могут попасть только в конденсированном состоянии. Когда говорится о температуре сепарации, то под этим подразумевается температура наружной стенки реторты, реакционная масса в течение процесса прогревается от стенки к центру.