Информационная поддержка управления тепловым режимом конденсатора в производстве губчатого титана Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 681.51

Ю.П. Кирин, В.Ф. Беккер, А.В. Затонский

ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ КОНДЕНСАТОРА В ПРОИЗВОДСТВЕ ГУБЧАТОГО ТИТАНА

Анализируются известные способы управления тепловым режимом конденсатора промышленного аппарата вакуумной сепарации губчатого титана. Дается оценка их эффективности. Рассматривается совместный подход к разработке технологии и системы управления вакуумной сепарацией. В рамках совместного подхода предлагаются способы информационной поддержки принятия решений при выборе режима охлаждения конденсатора на разных стадиях процесса сепарации.

Тепловой режим конденсатора, управление, губчатый титан.

Yu.P. Kirin, V.F. Bekker, A.V. Zatonskiy

INFORMATION SUPPORT OF THERMAL CONDENSATION REGIME CONTROL IN SPONGY TITANIUM PRODUCTION

Well known methods of thermal condensation regime control of industrial spongy titanium vacuum separation apparatus control is analyzed with an efficient estimate. Mutual approach in developing technology and control system method is described with regard to the vacuum separation process. Within the mutual approach the ways of information support and decision making at the cooling condenser regime choice at different levels of the process of separation is given here.

Condenser’s thermal condition, management, spongy titanium.

Губчатый титан очищают от примесей магния и хлорида магния в аппарате вакуумной сепарации, состоящем из герметично состыкованных друг с другом реактора и конденсатора. В аппарате создают вакуум и нагревают реактор с реакционной массой в шахтной электропечи. При этом примеси отгоняются из реакционной массы, переходят из реактора в конденсатор и конденсируются на его внутренней стенке [1].

Одним из основных факторов, определяющих условия конденсации и структуру получаемого конденсата, является тепловой режим конденсатора, зависящий от скорости отгонки примесей из реакционной массы и режима охлаждения поверхности конденсатора. При существующей технологии вакуумной сепарации скорость отгонки летучих примесей не регулируется, испарение и удаление примесей из реакционной массы протекают неравномерно. Почти весь магний и около 95% хлорида магния отгоняются из губчатого титана в первые несколько часов процесса сепарации, протекающего в течение

70.. .80 часов. Это обстоятельство осложняет условия конденсации паров.

В промышленном производстве применяют водяное и воздушное охлаждение конденсатора. Воду на охлаждение подают сразу после установки аппарата в шахтную печь и не изменяют интенсивность водяного охлаждения в ходе процесса сепарации. Через предварительно заданное время, определяемое на основании практического опыта,

переходят с водяного на воздушное охлаждение и сохраняют воздушное охлаждение конденсатора до конца сепарации. Выбор режимов охлаждения конденсатора и переключение осуществляет технолог - лицо, принимающее решение (ЛИР).

Такой тепловой режим конденсатора способствует объемной конденсации паров и образованию рыхлого конденсата магния и хлорида магния, который увлажняется и самовозгорается в контакте с воздухом при демонтаже аппарата сепарации. Условия для объемной конденсации паров возникают в начальный период отгонки (так называемый период «бурной» отгонки) при сравнительно холодной стенке конденсатора и в конечный период, когда паров поступает мало, а охлаждение интенсивное. Иоскольку конденсат является оборотным и используется в последующем цикле восстановления [1], то кислород, содержащийся в продуктах увлажнения и горения, попадает в титановую губку и ухудшает ее качество. Другой недостаток существующего теплового режима состоит в том, что в начальный период отгонки значительное количество паров конденсируется на тепловом экране, крышке и в монтажных зазорах аппарата сепарации. Основная часть конденсата из монтажных зазоров не используется в производстве, при этом теряется

0,2...0,5% металлического магния. Следует отметить также, что в период «бурной» отгонки примесей с поверхности конденсатора в атмосферу металлургического цеха выделяется значительное количество водяных паров, что снижает срок службы строительных конструкций цеха [2].

Таким образом, совершенствование температурного режима процесса конденсации магния и хлорида магния является одним из основных направлений повышения эффективности производства губчатого титана.

Авторы работ [3, 4] экспериментально определили на серии промышленных процессов сепарации оптимальный температурный режим конденсатора, обеспечивающий получение плотного невозгораемого конденсата и снижение потерь металлического магния путем изменения интенсивности теплосъема с конденсатора на разных стадиях процесса. Для этого в начале отгонки снижали интенсивность теплосъема с поверхности конденсатора, подавая воду на охлаждение не сразу после установки аппарата в печь сепарации, а спустя некоторое время, необходимое для прогрева теплового экрана, крышки, стенки конденсатора до температуры 400...550°С (режим с задержкой подачи охлаждающей воды). В конце отгонки снижали интенсивность теплосъема переходом с водяного охлаждения конденсатора на воздушное при температуре наружной стенки

200...250°С, характеризующей момент отгонки в конденсатор основного количества магния и хлорида магния.

В результате для улучшения условий конденсации магния и хлорида магния авторами работ [3, 4] предложен тепловой режим, предусматривающий комбинированное охлаждение конденсатора: воздушное охлаждение в начальной стадии сепарации; водяное охлаждение в течение отгонки основного количества примесей; воздушное охлаждение по окончании отгонки основной части примесей. Однако в промышленных условиях не удалось реализовать такой режим из-за сложности измерения температуры наружной стенки конденсатора. В данной ситуации с помощью АРМ оператора можно определить лишь момент окончания отгонки из реакционной массы основной части примесей и выдать ЛИР сообщение о переключении режима охлаждения конденсатора с водяного на воздушное [5].

Предложенный в работе [6] совместный подход к разработке технологии и системы управления вакуумной сепарацией, обеспечивающий массоперенос примесей к поверхности реакционной массы, открывает новые возможности информационной поддержки принятия решений для управления тепловым режимом конденсатора.

\

л

Е

Ш

IV

и

£4 t, Ч

Рис. 1. Оптимальное управление температурой сепарации

В этом случае процесс сепарации v° С

разделяют на четыре основных периода v

(стадии): I- нагрев реакционной массы до температуры начала испарения магния и хлорида магния (ун); II -последующий нагрев реакционной массы с заданной скоростью (0,02...0,9°С/мин) до температуры выдержки (vH) с испарением основного количества магния и хлорида магния; III -

высокотемпературная выдержка для дальнейшего испарения хлорида магния и оставшихся примесей магния; IV -охлаждение блока реакционной массы в печи сепарации с заданной скоростью (0,03...1,7°С/мин) до температуры окончания процесса (ук) с испарением оставшихся примесей хлорида магния (рис. 1).

В течение первого периода (t1 < t < t2) нагрев реакционной массы осуществляется при vн = const. Во втором периоде (t2 < t < t3) проводится дальнейший нагрев реакционной массы повышением температуры по линейному закону. Третий период (t3 < t < t4) -

высокотемпературная выдержка реакционной массы при v = const. В четвертом периоде (t4 < t < t5) блок реакционной массы охлаждается в печи сепарации снижением температуры по линейному закону. Процесс заканчивается при достижении заданной температуры v^

Для автоматизации такой технологии разработана система оптимального управления температурой на базе действующих в составе АРМ оператора отделения сепарации микропроцессорных контроллеров [6]. В периодах I, II температура реактора сепарации поддерживается двухпозиционным программным регулятором (ДПР). Программа изменения задания v 1(,1 (t) ДПР состоит из двух участков. На первом участке

(период I) задание v^ = vi = const. На втором (период II) задание повышается до температуры vв в соответствии с алгоритмом v^(t) = v^ + к1 • t, где к1 = 0,02.0,9 -коэффициент пропорциональности, °С/мин. В периоде III используется импульсный регулятор температуры реактора, поддерживающий заданное значение v^ = v^. В периоде IV задание ДПР температуры реактора снижается в соответствии с алгоритмом v%(t) = v^ -k2 • t, где к2 = 0,03.1,7 - коэффициент пропорциональности, °С/мин.

Процесс сепарации заканчивается при vItV (t) = vK .

Особенность рассмотренного совместного подхода состоит в том, что предложенные технологические режимы и система программного управления температурой реактора, с одной стороны, обеспечивают перенос жидких фаз магния и хлорида магния к поверхности реакционной массы на разных стадиях процесса и

повышают за счет этого скорость сепарации. С другой стороны, при этом регулируется

скорость испарения и отгонки из реакционной массы магния и хлорида магния [7]. Следовательно, регулируется количество поступающих в конденсатор паров, т.е. тепловая нагрузка конденсатора. Как показали результаты промышленных испытаний, такое управление отгонкой примесей стабилизирует тепловой режим конденсатора, что улучшает условия конденсации паров и способствует формированию плотного конденсата. Одновременно снижается выделение в атмосферу цеха водяных паров с поверхности конденсатора. Очевидно, что в данном случае интенсивность охлаждения должна устанавливаться в соответствии с регулируемой тепловой нагрузкой

конденсатора. При этом программа изменения задания регулятору температуры реактора может быть использована в качестве информации для поддержки принятия решений при выборе режима охлаждения конденсатора на разных стадиях процесса сепарации.

В самом деле, анализируя участки этой программы в процессе управления отгонкой примесей из реакционной массы (см. рис. 1), можно в реальном времени определить оптимальный режим охлаждения конденсатора [7]. Так, с учетом интенсивности теплосъема с поверхности конденсатора, на первом участке программы (до начала испарения примесей) необходимо использовать воздушное охлаждение конденсатора, на втором участке (в процессе отгонки основной массы примесей) -водяное охлаждение, на третьем и четвертом участках (по окончании отгонки основной массы примесей) - воздушное охлаждение (см. табл. 1).

При таком управлении конденсатором на первом участке программы предварительно прогревают тепловой экран и крышку аппарата сепарации для предотвращения конденсации паров на их поверхности. Некоторое количество тепла при этом переходит в конденсатор через тепловой экран излучением [1], обеспечивая одновременно прогрев стенки конденсатора.

Таблица 1

Режимы охлаждения конденсатора в процессе оптимального управления температурой вакуумной сепарации

Периоды сепарации Задание регулятору температуры Продолжительность участка программы Режим охлаждения конденсатора

I у с і1 < і < і2 Воздушное охлаждение

II V с (і + кі • і ^2 < і < £з Водяное охлаждение

III V С із < і < £4 Воздушное охлаждение

VI V с (і ^С1 - к2 • і £4 < І < £5 Воздушное охлаждение

Возможно управление конденсатором с задержкой подачи охлаждающей воды (рис. 2). Для этого достаточно на участке II программы задать температуру сепарации V, при которой пары примесей нагревают стенку конденсатора до температуры 400...550°С. Интервал времени ^2 -12 при этом определяет задержку подачи охлаждающей воды (см. табл. 2).

Таблица 2

Режимы охлаждения конденсатора с задержкой подачи охлаждающей воды в процессе оптимального управления температурой вакуумной сепарации

Периоды сепарации Задание регулятору температуры Продолжительность участка программы Режим охлаждения конденсатора

I /1 < і < і2 Воздушное охлаждение

II V С(і ) = ^с + к1 •і І2 < і < Воздушное охлаждение

II ^ (і ) = ^С + к1 •і < і < із Водяное охлаждение

III V ? із < і < і4 Воздушное охлаждение

VI ^ (і) = ^ - к2 • і і4 < і < і5 Воздушное охлаждение

Информация о длительности и моментах смены участков программы задания регулятору температуры реактора (см. табл. 1, 2) может быть выведена в АРМ в виде сообщений о рекомендуемых режимах охлаждения конденсатора для поддержки принятия решений ЛПР.

Предложенные способы

информационной поддержки позволяют принимать оптимальные управленческие решения при выборе режима охлаждения конденсатора на разных стадиях процесса сепарации. Они могут быть использованы для совершенствования технологических режимов процесса конденсации магния и хлорида магния в промышленных аппаратах сепарации действующего производства губчатого титана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сергеев В.В. Металлургия титана / В.В. Сергеев, А.Б. Безукладников, В.М. Мальшин. М.: Металлургия, 1979. 264 с.

2. Рымкевич Д. А. Модернизация оборудования и технологии действующего производства губчатого титана / Д. А. Рымкевич, А. А. Путин, А.П. Чутков // Титан. 2005. № 2.

С. 9-13.

3. Александровский С.В. Об условиях рациональной подготовки оборотного конденсата при магниетермическом получении титана / С.В. Александровский, А.И. Титаренко, Е.А. Черепанова // Цветные металлы. 1982. № 4. С. 59-61.

4. Мальшин В. М. О тепловом режиме при вакуумной сепарации магниетермической реакционной массы / В.М. Мальшин, Е.А. Черепанова, А.Е. Андреев // Цветные металлы. 1981. № 7. С. 60-62.

5. Разработка алгоритма контроля динамики позиционного управления вакуумной сепарацией губчатого титана / Ю.П. Кирин, А.В. Затонский, В.Ф. Беккер, Н.В. Бильфельд // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. 19-й Междунар. науч. конф.: в 9 т. Воронеж: ВГТА, 2006. Т. 6. С. 136-139.

6. Совместная разработка технологии и системы управления вакуумной сепарацией губчатого титана / Ю.П. Кирин, А.В. Затонский, В.Ф. Беккер, Н.В. Бильфельд // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. № 9. С. 7-10.

7. Состояние и перспективы оптимизации теплового режима конденсатора в производстве губчатого титана / Ю.П. Кирин, А.В. Затонский, В.Ф. Беккер, С. Л. Краев // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. 21-й Междунар. науч. конф.: в 10 т. Саратов: СГТУ, 2008. Т. 6. С. 47-49.

Кирин Юрий Петрович - Kirin Yury Petrovich -

кандидат технических наук, доцент кафедры Candidate of Technical Sciences, Assistant «Автоматизация технологических процессов» Professor of the Department of «Automation Березниковского филиала Пермского of Technological Processes» of Bereznikovsky

государственного технического университета affiliated branch of Perm State Technical University

Беккер Вячеслав Филиппович - Bekker Vyacheslav Philippovich -

кандидат технических наук, профессор кафедры Candidate of Technical Sciences, Professor «Автоматизация технологических процессов» of the Department of «Automation Березниковского филиала Пермского of Technological Processes» of Bereznikovsky

государственного технического университета affiliated branch of Perm State Technical University

Рис. 2. Оптимальное управление температурой сепарации с задержкой подачи воды на охлаждение конденсатора

Затонский Андрей Владимирович - Zatonskiy Andrey Vladimirovich -

кандидат технических наук, доцент, Candidate of Technical Sciences, Assistant

заведующий кафедрой Professor, Head of the Department

«Автоматизация технологических процессов» of «Automation of Technological Березниковского филиала Пермского Processes» of Bereznikovsky affiliated branch

государственного технического университета of Perm State Technical University Статья поступила в редакцию 30.09.08, принята к опубликованию 10.12.08