XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

На сегодняшний день титан широко используется в самых разных отраслях промышленности. Из титана производятся самые различные изделия металлопроката – титановая проволока, листы, арматура, балки, уголки и другие изделия, востребованные в промышленности, а также из титана производят хирургические инструменты, т.к. титан абсолютно инертен к организму живых существ. Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Его, а также ферротитан используют как легирующую добавку к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.  Высокая стоимость данного металла и материалов на его основе во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным сырьем, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в конкретных условиях. 

Уникальные свойства титана позволили ему эксплуатироваться в разнообразных условиях, где от продукции требуется прочность, надежность и стойкость к внешним факторам. Поэтому качеству титана уделяется самое высокое внимание и требования.

Одним из способов получения титана является восстановление магниетическим способом (добавление в тетрахлорид титана магния, при температуре 800-900^оС). Для того чтобы из тетрахлорида титана можно было получить титановую губку, из которой затем  путем переплавки в вакуумных электрических дуговых печах произведут титан, необходимо произвести очистку от растворенных в нем газов, для того чтобы продукт соответствовал всем возложенным на него требованиям. Исходя из физической сущности, наиболее эффективным способом очистки тетрахлорида титана от растворенных в нем газов является обработка его вакуумированием (дегазированием). Данный процесс является очень сложным и кропотливым, поэтому необходимо уделить особое внимание основному оборудованию, которое используется в процессе дегазации. Вследствие чего основной целью в производстве будет являться автоматизирование данного процесса, для обеспечения высокой эффективности производства, улучшения условий труда, безопасности работы и нормального протеканию процесса за счёт автоматического контроля и регулирования основных параметров технологического процесса, предупреждении опасных режимов работы, автоматической сигнализации, блокировки и управлению. Эффективность внедрения автоматизации зависит от поточности операций в технологии производства, наличия комплексной механизации, правильной эксплуатации аппаратуры и других компонентов.

При автоматизации данного процесса используется микропроцессорный комплекс. Это связано с рядом положительных особенностей микропроцессоров как элементов управляющих устройств систем автоматизации, основными из которых являются программируемость и относительно большая вычислительная мощность, сочетающиеся с достаточной надёжностью, малыми габаритными размерами и стоимостью.
Технологический процесс дегазации (рисунок 1) тетрахлорида титана включает следующие операции:

- прием и хранение тетрахлорида в баках;

- задача аргона;

- очистка тетрахлорида от растворенных в нем газов;

- стравливание газов;

-подача очищенного продукта на дальнейшие процессы.

Требуемое качество конечного продукта обеспечивается соблюдением технологического режима каждой операции, т.е. поддержанием нормативных значений технологических параметров, в том числе, за счет внедрения автоматизированных систем. Объектом исследования является процесс дегазации тетрахлорида титана. Нарушение любого из параметров приведет к непригодности продукта (процесс повторной дегазации займет большое количество времени), большим экономическим потерям. Исключение брака и необходимости его переработки обеспечивается внедрением автоматизированной системы.

Сущность процесса

Содержание растворенных газов в тетрахлориде титана зависит от давления, температуры и природы газа. Если такие составляющие воздуха как кислород, азот, диоксид углерода растворены в тетрахлориде титана, то концентрация растворенного в нем газа пропорциональна парциальному давлению газа в газообразной фазе, находящегося в равновесии с жидкостью.

Газы из тетрахлорида титана могут быть удалены путем снижения их парциального давления в газообразной фазе или поднятием температуры.

Исходя из физической сущности и природы тетрахлорида титана, наиболее эффективным способом его очистки от растворенных в нем газов является обработка его вакуумированием.

Процесс дегазации тетрахлорида титана от растворенных газов осуществляется следующим образом:

а) насосом 4ЦГ-50/50 под давлением (9,0 – 10 кгс/см² ) тетрахлорид титана из циркуляционного бака по трубопроводу нагнетается в эжекторный насос. В эжекторном насосе, вследствие протока тетрахлорида титана с высокой скоростью через сопло, создается разряжение (-0,95… -0,78 кгс/ см²). Нормы технологического режима представлены в таблице 1. Тетрахлорид титана из эжекторного насоса сливается обратно в циркуляционный бак;

б) тетрахлорид титана из приемного бака насосом 4ЦГ-50/50 под давлением (9,0 – 10 кгс/см² ) по трубопроводу нагнетается в дегазатор, в котором установлены сопла-распылители, благодаря чему он превращается в мелкодисперсное состояние. Так как бак-дегазатор соединен с эжекторным насосом, то в баке-дегазаторе создается разряжение, вследствие чего происходит удаление выделяющихся из тетрахлорида титана газов из дегазатора в эжекционный насос, где он увлекается струей тетрахлорида титана, сливающегося в циркуляционный бак.

Так как растворимость газов в тетрахлориде титана ограничена, то в баке возрастает давление газов, которые стравливаются в «дыхательную» систему, а из нее в боров.

Таким образом, создание вакуума в дегазаторе и удаление из него газов, выделяющихся из тетрахлорида титана, происходит в системе, состоящей из циркуляционного бака, насосов 4ЦГ-50/50, эжекторного насоса, трубопроводов с запорной арматурой.

Из дегазатора дегазированный тетрахлорид титана, по трубопроводам сливается в расходный трубопровод, затем на процессы восстановления.

Поскольку производительность насоса 4ЦГ-50/50 значительно превышает потребность в тетрахлориде титана на процессы, то избыток тетрахлорида титана из дегазатора самотеком сливается в ресивер [1].

Таблица 1

Наименование технологического параметра	Ед. изм.	Величина
Верхний предельный рабочий уровень тетрахлорида титана в приемных баках объемом 100 м3	м	9,0
Нижний предельный рабочий уровень тетрахлорида титана в приемных баках объемом 100 м3	м	1,0
Аварийный верхний уровень тетрахлорида титана в приемных баках объемом 100 м3	м	10,0
Аварийный нижний уровень тетрахлорида титана в приемных баках объемом 100 м3	м	1,0
Рабочий уровень тетрахлорида титана в циркуляционном баке	м	0,9-1,2
Избыточное давление аргона в баках и линии задачи аргона	кгс/см2	0,3 – 0,32
Рабочий уровень тетрахлорида титана в баке – дегазаторе	м	0,24
Разряжение в баке – дегазаторе	кгс/см2	– (0,95-0,78)
Давление тетрахлорида титана в напорном трубопроводе перед эжекторным насосом	кгс/см2	9 – 10
Давление, создаваемое насосом 4ЦГ-50/50	кгс/см2	9 – 10
Давление воды в трубопроводе для охлаждения насоса 4ЦГ-50/50	кгс/см2	0,5 – 2,0
Температура тетрахлорида титана в роторе электронасоса 4ЦГ-50/50, не более	0С	65

Эффективность системы управления во многом зависит от рационального выбора комплекса технических средств, позволяющего своевременно получать и обрабатывать информацию в АСУ ТП и обеспечивать выполнение задач технологического управления. Выбор технических средств производился с учетом совместимости приборов; выбираемые датчики должны обеспечивать требуемую точность преобразования в заданном диапазоне; модульности; иметь высокую эксплуатационную надежность и долговечность; максимальной эффективности, заданных параметров и системного подхода. Немаловажным условием является и то, в каком виде представляется выходной сигнал, так это влияет на точность передачи данных.

Перечень первичных и нормирующих преобразователей, исполнительных механизмов и вспомогательной аппаратуры с указанием основных технических и эксплуатационных характеристик приведен ниже [2].:

Место отбора параметра - приемный бак №1,2

Рабочее значение параметра - +30…+70°С

Характеристика среды - TiCl4, агрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена,руб	Габариты,мм
1а, 2а,	Термо –преобразователь с унифицированным выходным сигналом	ТСМУ 274-02-50М	0…+100°С	2	″Метранʺ г.Челябинск	19800	65×300×108

Место отбора параметра - циркуляционный бак

Рабочее значение параметра - +30…+70°С

Характеристика среды - TiCl4, агрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена,руб	Габариты,мм
3а	Термо –преобразователь с унифицированным выходным сигналом	ТСМУ 274-02-50М	0…+100°С	1	″Метранʺ г.Челябинск	3500	65×300×108

Место отбора параметра – линия задачи аргона

Рабочее значение параметра – 30-32 кПа

Характеристика среды - аргон, неагрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена, руб	Габариты, мм
4а	Датчик избыточного давления	Метран 150СG2	0-63 кПа	1	″Метранʺ г.Челябинск	19000	96×202×101

Место отбора параметра – «дыхательная система» приемного бака №1,2

Рабочее значение параметра – 30-32 кПа

Характеристика среды - аргон, неагрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена, руб	Габариты, мм
5а-6а	Датчик избыточного давления	Метран 150СG2	0-63 кПа	2	″Метранʺ г.Челябинск	19000	96×202×101

Место отбора параметра – «дыхательная система» циркуляционного бака

Рабочее значение параметра – 30-32 кПа

Характеристика среды – аргон, неагрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена, руб	Габариты, мм
7а	Датчик избыточного давления	Метран 150 CG2	0-63кПа	1	″Метранʺ г.Челябинск	19000	96×202×101

Место отбора параметра - трубопровод после насоса №1,2,3,4

Рабочее значение параметра – 0,9-1,0 МПа

Характеристика среды – TiCl4, агрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена, руб	Габариты, мм
8а-11а	Датчик избыточного давления	Метран 150 CG4	0-1,6 МПа	4	″Метранʺ г.Челябинск	39000	96×202×101

Место отбора параметра - дегазатор

Рабочее значение параметра – -95…-78 кПа

Характеристика среды – газ, неагрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена,руб	Габариты, мм
12а	Датчик давленияразряжения	Метран 150СG3	-97..250кПа	1	″Метранʺ г.Челябинск	32240	96×202×101

Место отбора параметра - трубопровод охлаждающей воды

Рабочее значение параметра - 5-20 кПа

Характеристика среды - вода, неагрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена,руб	Габариты, мм
13а-14а	Датчик избыточного давления	Метран 150 CG2	0-63 кПа	2	″Метранʺ г.Челябинск	19000	96×202×101

Место отбора параметра - приемный бак №1,2

Рабочее значение параметра – 1-9 м

Характеристика среды - TiCl4, агрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена,руб	Габариты, мм
15а-16а	Радарный уровнемер	ROSEMO-UNT 5401	0-15 м	2	″Метранʺ г.Челябинск	28500	137×390×180

Место отбора параметра - циркуляционный бак

Рабочее значение параметра – 0,9-1,2 м

Характеристика среды - TiCl4, агрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена,руб	Габариты, мм
17а	Радарный уровнемер	ROSEМO-UNT 5401	0-7 м	1	″Метранʺ г.Челябинск	28500	137×390×180

Место отбора параметра - дегазатор

Рабочее значение параметра – 0,24 м

Характеристика среды - TiCl4, агрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена,руб	Габариты, мм
18а	Радарный уровнемер	ROSEМO-UNT 5401	0-7м	1	″Метранʺ г.Челябинск	28500	137×390×180

Место отбора параметра - трубопровод TiCl4 на процессы

Рабочее значение параметра – 30 м³/ч

Характеристика среды - TiCl4, агрессивная среда

Поз.	Наименование прибора	Тип	Предел измерения	Кол.	Завод изготовитель	Цена,руб	Габариты, мм
18а	Ультразвуковой расходомер	OPTISO-NIC 3400	0-120 м3/ч	1	″Кроне- Автоматикаʺ Пос.Стромилово	40000	350х317х220

Вспомогательная и регулирующая аппаратура.

Поз	Наименование прибора	Тип прибора	Кол	Завод изготовитель	Цена, руб	Размеры, мм
1	2	3	4	5	6	7
КM1- KM4	Пускатель магнитный	ПМЛ- 3220	4	«Курский Электро- аппаратный завод» («КЭАЗ») г. Курск	5170	164×280×166
КM5- KM20	Пускатель магнитный	ПМЛ- 2621	16	«КЭАЗ» г. Курск	8960	123×280×143
SB1- SB4	Пост кнопочный	ПКЕ-222-2	4	«Воронежский завод контактной аппаратуры» («ВЗКА») г. Воронеж	206	76×140×62
SB5- SB20	Пост кнопочный	ПКЕ-222-3	16	«ВЗКА» г. Воронеж	431	76×190×62
4г- 7г	Механизм электрический однооборотный	МЭОФ 40/10-0,25У	4	«Чебоксарский завод электрических механизмов» («ЧЗЭиМ») г. Чебоксары	21550	178×200×240
24а- 39а	Электропривод	AUMA- SA	16	«Armaturen- Und Maschinen Antriebe» («AUMA») г. Мюнхен	166725	299×288×515
4в- 7в	Пускатель бесконтактный реверсивный	ПБР-2М	4	«ЧЗЭиМ» г. Чебоксары	3600	240×90×196
СPU	Центральный процессор	CPU 1214C	1	«SIEMENS» г.Мюнхен	22000	110×100×75
AI	Модуль аналогового ввода	SM1231	3	«SIEMENS» г.Мюнхен	20800	45×100×75
DI	Модуль дискретного ввода	SM1221	3	«SIEMENS» г.Мюнхен	12400	45×100×75
DO	Модуль дискретного вывода	SM1222	3	«SIEMENS» г.Мюнхен	13100	45×100×75
41а	Панель оператора	KTP 100PN	1	«SIEMENS» г.Мюнхен	10340	335×275×60
4б- 7б	Блок управления	БУ-21	4	«ЧЗЭиМ» г. Чебоксары	6550	60×60×165
SA1- SA4	Переключатель кулачковый универсальный	ПКУ3-11	4	«ЧЗЭиМ» г. Чебоксары	2150	60×60×67
SA5- SA20	Переключатель кулачковый универсальный	ПКУ3-11	16	«ЧЗЭиМ» г. Чебоксары	2400	60×60×112
PS	Блок питания	PSU 200М-24V-DC	1	«SIEMENS» г.Мюнхен	14480	70×125×121
GV1	Блок бесперебойного питания	POWER DC/UPS 24V/6A	1	«SIEMENS» г.Мюнхен	8270	50×125×125
GB	Герметичный аккумулятор	POWER DC/USV 24V	1	«SIEMENS» г.Мюнхен	58000	253×168×121
KL3-KL46	Релейный модуль со впаянным миниатюрным реле	EMS10-REL/KSR-G 24/1LC	44	«Phoenix Contact» г.Бломберг	1700	10×75×62

Для управления исследуемым технологическим процессом выбран модульный программируемый логический контроллер S7-1200 и модули ввода-вывода «SIEMENS». Решены задачи разработки программного обеспечения АСУ ТП. Приведена программная реализация САР средствами выбранного ПЛК. Решены задачи управления оборудованием путем разработки соответствующих логических схем и их реализации на программном уровне. Решены задачи разработки информационного обеспечения АСУ ТП. Разработаны структура и экранные формы SCADA-системы, позволяющие обеспечить супервизорный контроль и регулирование технологическим процессом. Предложенная АСУ ТП выполняет контроль следующих технологических параметров: температуры тетрахлорида титана в баках; контроль давления тетрахлорида после насосов, давления разряжения в дегазаторе и давления охлаждающей воды; контроль уровня тетрахлорида в баках; регулирование давления аргона в трубопроводах задачи аргона и баках; управление двигателями и задвижками. Предложенная АСУ ТП снижает брак продукции за счет поддержания необходимы рабочих параметров, а также обеспечивает безопасность персонала и технологического оборудования в аварийных ситуациях.

Рисунок 1 – Технологическая схема процесса

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Использованы каталоги, технические паспорта и справочные пособия:

Термопреобразователь с унифицированным сигналом ТСМУ-274-02;

Датчики давления Метран 150.

Радарный уровнемер ROSEMOUNT 5401.

Ультразвуковой расходомер OPTISONIC 3400.

Пускатель бесконтактный реверсивный ПБР – 2М.

Механизм исполнительный МЭОФ 40/10 – 0,25У.

Электропривод AUMA SA.

Программируемый контроллер SIMATIC S7-1200.

Блок управления БУ-21.

Переключатель универсальный ПКУ.

Пускатель магнитный ПМЛ.

Пост кнопочный ПКЕ.

Данные из интернета:

[1]. Процесс дегазации тетрахлорида титана - https://lektsii.org/5-62319.html

Магниетермическое восстановление тетрахлорида титана -http://www.findpatent.ru/patent/214/2145979.html

Технология и аппаратура для очистки тетрахлорида титана -http://ctcmetar.ru/metallurgiya-titana/8770-tehnologiya-i-apparatura-dlya-ochistki-tetrahlorida-titana.html

[2]. Тепловое реле РТИ - https://ekt.kz/catalog/iek---rele-teplovoe-rti

Светильники LPO - http://russvet.ru/products/5977/330159/

Пакетные выключатели -http://www.elektrotehnik.ru/pdf/paketnye_vyklyuchateli_pv_pp.pdf

Ящик трансформаторный ЯТП - https://wattsap.kz/p8841637-yaschik-ponizhayuschim- transformatorom.html

Реле промежуточное РПУ - http://erk.su/media/sprav/1/RPU_2M.pdf

Резисторы проволочные ПЭВР - http://asenergi.com/catalog/rezistory-moshchnye/pevr.html

Автоматические выключатели ВА47-29 - https://shop220.ru/pdf/?id=990

Автоматические выключатели АК50 - https://elektro121.ru/p275968660-avtomaticheskij-vyklyuchatel-ak50.html

Контрольные и силовые кабели - http://electrotechnika.kz/kabel_kvvge

Релейный модуль EMG 10-REL-https://www.phoenixcontact.com/online/portal/ru?uri=pxc-oc-itemdetail:pid=2940090&library=ruru&tab=1

Код для цитирования: Скопировать