ИЗОСТАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ В ЖИДКОСТИ
ISOSTATH FOR PROCESSING MATERIALS IN FLUID

Изобретение относится к оборудованию для обработки материалов при комбинированном воздействии на них давления и температуры, создаваемых в системе газ-жидкость, и наиболее эффективно может быть использовано для компактирования порошковых материалов в эластичных оболочках при температуре до 200°С и давлении до 200 МПа.
Аналогом изобретения является изостат, описанный в патенте на изобретение №2151026 (кл. B22F 3/14, B22F 3/15 от 10.11.1999 г.) «Изостат для обработки материалов в жидкости». Его недостатком является то, что обрабатываемый материал помещается в заполненный водой сосуд, имеющий большую открытую площадь у его верхнего торца, что при температуре, превышающей 100°С, и давлении ниже критического (для воды ≈22,4 МПа) приводит к активному парообразованию, а при контакте пара с охлаждаемыми стенками контейнера и пробок - к образованию конденсата. Процесс парообразования также имеет место при температуре 100°С и выше в широком диапазоне вакуумметрического давления (от 0,1 до 0,03 МПа), практически используемом в процессе откачивания рабочего газа из камеры изостата перед извлечением из нее обработанных заготовок. В обоих случаях образующийся конденсат оседает на элементах донного нагревателя и разрушает их.
Прототипом изобретения является «Изостат для обработки материалов в жидкости», описанный в патенте №2356692 (кл. B22F3/14 от 27.05.2009 г.).
Недостатком прототипа является недостаточная экономичность нагрева, ограничение температуры нагрева рабочей жидкости, связанное с нагревом уплотнения верхней пробки и с повышенным образованием конденсата рабочей жидкости при соприкосновении ее паров с охлаждаемыми контейнером и верхней пробкой.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение технологических возможностей изостата, повышение экономичности, надежности его работы и однородности нагрева.
Технический результат достигается за счет того, что нагреватель, выполненный в виде нагревателя сопротивления, состоящего из донного нагревателя, размещенного над дном сосуда, и бокового нагревателя, закрепленного на внутренней стенке сосуда, расположен в рабочей жидкости и электроизолирован от сосуда; внутри сосуда установлен сменный стакан на электроизоляционных опорах, разделяющих стакан и донный нагреватель; сосуд и стакан электроизолированы от контейнера и пробок изостата; донный нагреватель установлен между электроизоляционными планками, размещенными на дне сосуда, и ограничителями, выполненными в виде буртов в опорах стакана; между сосудом, контейнером и верхней пробкой размещены экраны, закрепленные на верхней пробке; сосуд снабжен направляющей втулкой для стакана, выполненной с отверстиями на боковой поверхности.
Заявляемый изостат изображен:
- на фиг.1 представлен продольный разрез изостата,
- на фиг.2 показан вид сверху на боковой и донный нагреватели,
- на фиг.3 изображен разрез направляющей и стакана.
Изостат состоит из контейнера 1, верхней 2 и нижней 3 пробок с уплотнениями 4, рабочего сосуда 5, внутри которого установлен нагреватель сопротивления, состоящий из донного нагревателя 6 и бокового нагревателя 7. Донный нагреватель 6 размещен на электроизоляционных планках 8 и фиксируется от перемещения ограничителями, выполненными в виде буртов в электроизоляционных опорах 9 стакана 10, в котором размещены обрабатываемые заготовки. В стакане 10 выполнены многочисленные отверстия в дне и боковой стенке (см. фиг.2 и 3) для улучшения циркуляции рабочей жидкости. Боковой нагреватель 7 электроизолирован от стенки сосуда с помощью прокладки 11 и удерживается планками 12 из электроизоляционного материала. Для предотвращения контакта стакана 10 с боковым нагревателем 7 установлена направляющая 13, опирающаяся на торец сосуда 5. На боковой поверхности направляющей 13 выполнены многочисленные отверстия, облегчающие конвективное перемешивание рабочей жидкости при ее нагреве. Для снижения конденсации рабочей жидкости, сосуд 10 прикрыт крышкой 14 и отделен от контейнера 1 и верхней пробки 2 экранами 15 и 16, прикрепленными к верхней пробке 2. Наличие экранов способствует снижению температуры у уплотнения 4 верхней пробки, уменьшает потери тепла от рабочего сосуда 5 к контейнеру 1 и верхней пробке 2.
Питание нагревателей 6 и 7 осуществляют через токовводы А, Б и З фиг.2, аналогичные токоподводу 17. Токоподводы электроизолированы от сосуда втулками 18 и шайбами 19. При питающем напряжении до 40 В выводы нагревателей замыкают на «землю», как показано на фиг.1 и 2. Вводы к нагревателям 6 и 7 от трансформаторов выполняют через токоподводы, проходящие через нижнюю пробку 3 и дно сосуда 5 (не показаны). Для предотвращения возможных утечек тока в случае разрушения оболочек с компактируемыми порошками, стойки 20 сосуда 5 установлены на подпятниках 21 из электроизоляционного материала. Крепление стоек 21 производят с помощью планок 22, электроизолированных от крепежных болтов 23 втулками 24. Контроль температуры осуществляют с помощью термопар (не показаны), расположенных как в рабочей жидкости, так и около уплотнений 4.
Работа изостата осуществлается следующим образом.
В исходном положении нижняя пробка 3 с сосудом 5 опущены и находятся вне оси контейнера 1 изостата. В сосуде находится рабочая жидкость (например, вода). Стакан 10 с обрабатываемыми заготовками опускают в рабочий сосуд 5. Излишки рабочей жидкости либо удаляют, либо рабочую жидкость доливают до требуемого уровня. Стакан 10 прикрывают крышкой 14, нижнюю пробку подают на ось контейнера 1 и поднимают вверх. Герметичное рабочее пространство вакуумируют и затем в полость контейнера 1 закачивают рабочий газ (например, азот) до требуемого давления, обжимая обрабатываемые заготовки. Одновременно с подъемом давления производят нагрев рабочей жидкости донным нагревателем 6. В случае необходимости автоматически включается боковой нагреватель 7, позволяющий поддерживать температуру рабочей жидкости с минимальным перепадом температуры по высоте зоны нагрева, особенно при высоких скоростях нагрева. После достижения требуемых параметров (температуры, давления и времени выдержки), производят охлаждение до требуемой температуры при высоком давлении газа, которое способствует более быстрому охлаждению, газ перекачивают в баллоны, а остатки газа сбрасывают в атмосферу. Нижнюю пробку 3 опускают, сдвигают в сторону, и изделия вместе с загрузочным стаканом извлекают из изостата.
При эксплуатации изостата давление газа обычно не более 200 МПа, а температура не выше 200°С. Эти параметры устанавливают исходя из технологических требований, применяемых рабочих жидкостей и материала оболочек, в которых размещены порошковые материалы, но температура обработки не должна превышать критическую для данной жидкости. Например, для воды критическая температура составляет 374°С. Следует отметить, что при высоких температурах обработки количество экранов может быть три и более.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения экономичности и точности нагрева рабочей жидкости, снижения тепловых потерь, расширения технологических возможностей оборудования, снижения объема конденсата, образующегося в процессе рабочего цикла обработки, повышения надежности работы изостата в результате расположения нагревателя сопротивления, состоящего из донного нагревателя, размещенного над дном сосуда, и бокового нагревателя, закрепленного на внутренней стенке сосуда, в рабочей жидкости и его электроизоляции от сосуда; установки сменного стакана на электроизоляционных опорах, разделяющих стакан и донный нагреватель; электроизоляции сосуда, и стакана от контейнера и пробок изостата; установки донного нагревателя между электроизоляционными планками, размещенными на дне сосуда и ограничителями, выполненными в виде буртов в опорах стакана; размещения между сосудом, контейнером и верхней пробкой экранов, закрепленных на верхней пробке; снабжения сосуда направляющей втулкой для стакана, выполненной с отверстиями на боковой поверхности.
Расширение технологических возможностей изостата происходит за счет повышения температуры обработки. Снижение тепловых потерь и массы конденсата - за счет использования экранов. Повышение равномерности нагрева жидкости - за счет бокового нагревателя. Повышение экономичности нагрева - за счет расположения донного и бокового нагревателей непосредственно в рабочей жидкости и использования экранов. Повышение надежности - за счет электроизоляции нагревателей от стакана и сосуда и электроизоляции сосуда от контейнера, экранов и нижней пробки изостата.