ГАЗОСТАТ
GASOSTATIC EXTRUDER

Изобретение относится к области создания оборудования для обработки изделий промышленного назначения из дискретных и сплошных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 2000 МПа давлений и температур до 2000°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата.
Газостаты на высокое давление в контейнере до 2000 МПа изготавливают трех типов: моноблоки с резьбовыми пробками, которые герметизируют контейнер с двух сторон, и без силовой рамы, моноблоки с гладкими пробками и силовой рамой, на которую передается усилие от запирающих контейнер пробок, и втулочные с гладкими пробками и силовой рамой, выполненные с обмоткой из высокопрочной ленты и создающие предварительное напряженно-деформированное состояние в элементах рамы и контейнера.
Конструкция с предварительным напряжением имеет ряд преимуществ:
- высокая надежность конструкции, исключающая усталостное и мгновенное разрушение, в то время как в моноблочных конструкциях из-за высоких напряжений появляется вероятность возникновения трещин;
t
t
- максимальные напряжения в силовых элементах газостата от создаваемого давления в контейнере не превышают 2/3 от σ, в то время как в моноблочных конструкциях они достигают σ;
- в общей массе конструкции дорогостоящие высокопрочные поковки из легированной стали составляют 1/4 веса (остальное составляет «недорогая» высокопрочная лента размером 5×1 мм из стали 65Г по ГОСТ 21997-77), в то время как в моноблочных конструкциях высокопрочная легированная сталь составляет практически 100%.
В процессе изготовления газостатов с малыми диаметрами контейнера на давление от 500 до 2000 МПа, создаваемых по технологии с предварительным напряженно-деформированным состоянием конструкции, возникают значительные проблемы. В таких конструкциях, скрепленных намоткой из высокопрочной ленты, первые 10…15 слои намотки необходимо вести с натяжением, близким к предельным прочностным напряжениям ленты, а последующие - с меньшими, в соответствии с расчетным графиком намотки и по показаниям тензосистемы намоточного устройства. При этом изгибающие напряжения в ленте составляют
и
σ=E×h/(2R),
где Е - модуль упругости ленты;
h - толщина ленты;
R - радиус втулки контейнера, которую скрепляют лентой.
Из формулы видно, что наименьшие изгибающие напряжения в ленте можно получить, используя ленту меньшей толщины, а наибольшие напряжения возникают на малых радиусах контейнера.
Суммарные напряжения в ленте составляют
и
н
т
Σσ=σ+σ≤[σ],
и
где σ - изгибающие напряжения в ленте;
н
σ - напряжение в ленте при намотке;
т
[σ] - допустимые напряжения в ленте.
Поэтому намотку ленты необходимо вести с натяжением, при котором напряжения в ленте не превысят
н
т
и
σ≤[σ]-σ.
Чем меньше изгибающие напряжения в ленте, тем с большим натяжением можно вести намотку и при этом не перегружать ленту.
Как показывают формула и практика, некоторые проблемы, возникающие в процессе намотки, можно решить, используя бухты с лентой разной толщины и различных групп прочности, которую сваривают встык для продолжения намотки.
Ряд зарубежных фирм, такие как AVURE Technologies Inc., EPSI Inc. разрабатывают газостаты с обмоткой из высокопрочной ленты. Однако на сверхвысокие давления (до 2000 МПа) они газостаты не выпускают и поэтому при намотке они с такой проблемой не сталкиваются.
Опыт изготовления газостатов с малыми размерами контейнеров показывает, что намотка лентой постоянной толщины 5 мм и ширины 1 мм приводит к ее многочисленным обрывам, и как следствие, к ослаблению конструкции.
Аналогом заявляемого изобретения является газостат ГИП 15 0-50-50 конструкции ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ», разработанный в 2007 г. (чертеж №24 - 1387051 СБ). Газостат разработан на давление рабочей газовой среды 500 МПа. Газостат имеет 3-листовую силовую монораму, 3-втулочный контейнер, скрепленный лентой по ГОСТ 21997-77 (материал - сталь 65Г, размер 5×1 мм) постоянной толщины, верхнюю и нижнюю пробки, герметично закрывающие контейнер. Герметичный газовый ввод соединен с газовой системой управления, содержащей запорную, направляющую, предохранительную и показывающую аппаратуру. Газостат имеет верхнюю загрузку обрабатываемого изделия.
Недостатки аналога:
- намотка выполнена высокопрочной лентой постоянной толщины;
- большие суммарные напряжения в ленте привели к разрывам ленты в первых слоях из-за больших изгибающих напряжений;
- из-за снижения усилия натяжения, чтобы исключить обрывы, увеличен наружный диаметр контейнера;
- увеличена по техническим причинам масса контейнера.
Прототипом изобретения является газостат фирмы «ASEA» (Швеция) с контейнером, скрепленным высокопрочной лентой, описанный в книге «Процессы и оборудование для газостатической обработки», Г.А.Кривонос, А.Д.Зверев, Л.Ю.Максимов. - М.: Металлургия, 1994 г., стр.138. Газостат-аналог содержит контейнер, скрепленный высокопрочной лентой, с каналами охлаждения, выполненными вблизи наружной поверхности втулки. Для этого между скрепляющей обмоткой и наружной поверхностью втулки вдоль ее образующих установлены шестигранные прутки. При этом обмотка не изолирована от охлаждающей жидкости.
Недостатками прототипа являются:
- ребра шестигранников, на которые опираются первые витки обмотки, являются концентраторами напряжения ленты, что не позволяет выполнять намотку с максимально возможным натяжением, особенно при малых диаметрах втулки;
- охлаждающая вода не изолирована от скрепляющей ленты, что приводит к коррозии ее и снижению срока службы контейнера;
- каналы охлаждения, выполненные между гранями шестигранников, в ряде случаев малы для полноценного охлаждения контейнера. Со временем они засоряются (так произошло в контейнере газостата фирмы ASEA, установленном в ОАО «ВИЛС»), что приводит к дорогостоящим ремонтным работам или замене контейнера.
Задачей предлагаемого изобретения является создание надежных газостатов для обработки изделий промышленного назначения из дискретных, сплошных и ультрадисперсных материалов высоким (до 2000 МПа) давлением газовой среды.
Задача решается тем, что газостат содержит раму и контейнер, закрытый верхней и нижней пробками, в котором размещена печная вставка, образующая рабочую камеру, при этом рама и контейнер скреплены намоткой высокопрочными лентами, образующими многослойный силовой каркас, а контейнер соединен с герметичными трубопроводами подачи и отвода газов. Первые слои силового каркаса выполнены намоткой из ленты меньшей толщины повышенной прочности, а последующие слои силового каркаса - из ленты большей толщины, при этом все слои силового каркаса выполнены намоткой с натяжением.
Для решения проблемы предлагается конструкция силовой части газостата (рама, контейнер), выполненные с обмоткой из ленты переменной толщины. Первые слои, на которые приходится максимальные напряжения, выполняются лентой меньшей толщины и повышенной (максимальной - 3П) группой прочности, которые ведутся с максимальным натяжением, последующие (с 15…20-го слоя) можно выполнять лентой большей толщины и меньшей (1П или 2П) прочности, которая несколько дешевле, а так как общая масса ленты составляет % от общей массы конструкции, то получается значительная экономия стоимости изготовления.
Технический результат заключается:
- в оптимизации намотки контейнера газостата, исключающей обрывы ленты при намотке, в равномерном распределении напряжений по слоям намотанной ленты,
- в повышении надежности работы газостата из-за отсутствия в обмотке контейнера газостата критических напряжений, и как следствие, в высокой надежности и большом сроке службы,
- в применении в первых слоях высокопрочной ленты группы 3П, но меньшей толщины и в последующих слоях приваривая встык к ней ленту менее прочную (группы 1П, 2П), но большей толщины достигаются минимальные габариты и масса контейнера и, как следствие, снижение стоимости изготовления.
Предлагаемый газостат изображен на графических материалах, где на фиг.1 показан газостат с контейнером в разрезе, а на фиг.2 в качестве информационного материала показан газостат с контейнером, выбранный в качестве прототипа.
Контейнер 1 газостата (фиг.1) имеет трехвтулочный сердечник, скрепленный высокопрочной лентой 2. Первые слои ленты 2 выполнены лентой группы 3П толщиной 0,5…0,8 мм, последующие слои ленты 2 выполнены лентой толщиной 1 мм и шириной 5 мм группы прочности 2П. По торцам ленту 2 удерживают фланцы: верхний 3 и нижний 4. Контейнер 1 герметично закрыт пробками: верхней 5 и нижней 6. В нижней пробке 6 выполнены газовые вводы 7 и 8, а также токоподводы 9 для печной вставки. Усилие от внутреннего давления в контейнере 1 передается через пробки 5, 6 на раму 10. Газовый привод газостата содержит компрессор 11 с гидроприводом 12, системой управления 13 с подводом газа от газовой станции 14 и теплообменным аппаратом 15 с подводом 16 и отводом 17 охлаждающей воды.
Контейнер 1 газостата с трехвтулочным сердечником и обмоткой из лент из высокопрочной стали выполнен следующим образом.
На втулки намотана высокопрочная лента 2.
Намотка лент осуществляется следующим образом.
Рулон из высокопрочной ленты (например, сталь 65Г) толщиной 0,5-0,8 мм, определяемой из формул (1, 2), наматывается до 15-20 слоев по заранее составленной программе намотки между верхним 3 и нижним 4 фланцами на предварительно собранные втулки контейнера 1. После того как рулон оканчивается, производится сварка встык торца ленты со следующей лентой большей толщины, например 1 мм. После чего производится дальнейшая намотка ленты большей толщины по заранее составленной программе намотки. После намотки ленты последний слой ленты (ее конец) фиксируется (закрепляется). Все намотанные слои выполнены с натяжением.
Контейнер 1 герметично закрыт верхней 5 и нижней 6 пробками. В нижней пробке 6 выполнены газовые вводы 7, 8, а также токопровод 9 для печной вставки. Усилия от давления в контейнере 1 передается через пробки 5, 6 на силовую раму 10. К газовому подводу 7 нижней пробки 6 подведена трубка газовой системы управления 13. Через нее выполняется нагнетание газа в контейнер и вакуумирование в начале и в конце цикла газостатирования.
Таким образом, предлагаемый газостат с контейнером, имеющим двух- или трехвтулочный сердечник, скрепленный высокопрочной лентой переменной толщины, позволяет:
- производить намотку высокопрочной лентой по оптимальным значениям напряжений;
- исключить в первых слоях суммарные критические напряжения, приводящие к обрыву ленты;
- повысить надежность и срок службы оборудования;
- создавать силовую часть газостата (контейнер, раму) оптимальных размеров и минимальной массой;
- снизить себестоимость изготовления оборудования.