ИЗОСТАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ В ЖИДКОСТИ
ISOSTAT 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 дискретных и сплошных материалов при температуре до 250…300°С и давлении до 200 МПа.
Аналогом заявляемого технического решения являются изостаты (гидростаты), описанные в монографии «60 лет научно-конструкторской и производственной деятельности ВНИИМЕТМАШ». - М.: Наука 2005 г., стр.451-463. Изостат содержит силовой контейнер, герметично закрываемый пробками, образующими рабочее пространство с обрабатываемым изделием. Обжатие изделий осуществляется рабочей жидкостью, подаваемой в рабочую полость под требуемым давлением.
Недостатком изостата аналога является то, что обработка ведется при комнатной температуре, что снижает технологические возможности оборудования.
В качестве прототипа может быть использован патент на изобретение №2151026 (кл. B22F 3/14 от 10.11.1999 г.) «Изостат для обработки материалов в жидкости». Недостатком этого прототипа является то, что обрабатываемый материал помещается в заполненный жидкостью сосуд, имеющий открытую поверхность, что при температуре, превышающей температуру кипения, приводит к активному парообразованию, а при контакте пара с холодными стенками контейнера и пробками - к образованию конденсата. Процесс парообразования также имеет место при температуре даже ниже температуры кипения 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 обработанной заготовки. В обоих случаях образующийся конденсат оседает на элементах донного нагревателя и разрушает их.
Другим недостатком прототипа является низкая производительность изостата, связанная с длительным временем, требуемым для охлаждения рабочей жидкости до температуры ее кипения при атмосферном давлении.
Еще одним недостатком прототипа является исполнение магнитопровода, выполненного в виде нескольких секций, представляющих прямоугольные параллелепипеды. Такая конструкция приводит к большим зазорам между концевыми участками магнитопроводов и дном сосуда, в результате чего эффективность нагрева сосуда с жидкостью снижается.
Прототип имеет одноступенчатый спиральный индуктор, что затрудняет управление технологическим процессом, особенно при рабочей выдержке.
Предлагаемое изобретение решает задачу расширения технологических возможностей изостата, повышает надежность его работы и производительность оборудования.
Указанная задача достигается за счет выполнения дна двойным: из верхней плоской части с отверстиями для прохода жидкости и нижней части, расположенной над нагревателем и соединенной уплотняемой трубкой с полостью в нижней пробке, и далее с запорным узлом, гидроприводом и баком слива жидкости, при выполнении секций магнитопроводов корытообразного сечения, повторяющего конфигурацию нагревателя, и с выступами на концах, направленными в сторону нижней части дна, и с высотой, равной высоте нагревателя, снабжением рабочего сосуда датчиками уровня жидкости, оснащением нижней пробки узлом сброса конденсата, расположением на наружной боковой поверхности сосуда и на его крышке теплоизоляции, выполнением нагревателя в виде отдельных секций нагрева спирально намотанных плоских пластин, каждая из которых соединена со своим вводом и выводом.
Заявляемый изостат изображен на фиг.1, на которой представлен продольный разрез изостата, и на фиг.2, где показан вид по стрелке А фиг.1 (при снятом рабочем сосуде).
Он состоит из контейнера 1, верхней 2 и нижней 3 пробок с уплотнениями 4, рабочего сосуда 5 с крышкой 6, секционного спирального индукционного нагревателя 7, электроизолированного от рабочего сосуда и магнитопровода 8, состоящего из нескольких секций и установленного на нижней пробке. Электропитание к индукционному нагревателю подводится через электроизолированные электровводы 9. С целью снижения градиента температур по диаметру, особенно при выдержке, спиральный нагреватель выполнен из нескольких секций (зон нагрева), включение которых осуществляется в зависимости от перепада температур по диаметру рабочей зоны. Рабочий сосуд имеет двойное дно для повышения однородности прогрева жидкости и выравнивания ее температуры в рабочей зоне сосуда при ее конвекции через многочисленные отверстия 10 в плоской части дна.
Рабочий сосуд через герметично уплотняемую трубку 11 соединен с каналом подачи жидкости в нижней пробке, к которому подведены трубопроводы от гидропривода 12 и запорный узел 13 через теплообменник 14 (холодильник) в бак 15.
Рабочая полость изостата герметично соединена через одну из пробок с газовым компрессором 16. Для контроля уровня жидкости в рабочем сосуде предусмотрены датчики уровня жидкости (на фиг.1 не показаны).
Использование крышки 6 значительно уменьшает количество конденсата, образующегося на холодных стенках контейнера и пробок, что практически не приводит к уменьшению уровня жидкости в рабочем сосуде по этой причине и снижает теплопотери от ее испарения и конденсации. Однако для сброса небольшого количества конденсата предусмотрен узел сброса конденсата 17, установленный в нижней пробке.
Снижению теплопотерь при нагреве и выдержке способствует теплоизоляция 18, расположенная на боковой поверхности рабочего сосуда 5 и крышке 6.
Работа изостата осуществляется следующим образом.
В исходном положении верхняя пробка 2 и крышка 6 сняты. В рабочий сосуд 5 загружаются обрабатываемые изделия и гидроприводом 12 подается рабочая жидкость (она может быть подана перед загрузкой заготовок) до требуемого уровня, контролируемого датчиком уровня. Крышка 6 и верхняя пробка 2 закрываются и в герметично изолированное рабочее пространство компрессором 16 подается газ, сжимающий жидкость и передающий через нее давление на обрабатываемые изделия. Одновременно осуществляется нагрев рабочего сосуда 5, жидкости и заготовок секционным индукционным нагревателем 7. Если в результате обжатия заготовок и сжатия жидкости контролируемый уровень жидкости понижается до предельно допустимого нижнего уровня, производится подкачка жидкости гидроприводом 12.
При эксплуатации изостата давление газа выбирают, как правило, не более 200 МПа, а температуру не более 250…300°С. Эти параметры устанавливают исходя из технологических требований, применяемых рабочих жидкостей и материала оболочек, в которых размещены заготовки из дискретных (порошковых) материалов, но температура обработки не должна превышать критическую для данной жидкости. Например, для воды критическая температура составляет 374°С.
После обработки для повышения производительности процесса производится частичный сброс жидкости в бак 15 через запорный клапан 13 и теплообменник (холодильник) 14, а взамен сброшенной приводом 12 подается холодная жидкость. Одновременно производится и сброс газа из контейнера 1. Это позволяет значительно сократить время охлаждения заготовок. После охлаждения и сброса давления газа верхняя пробка 2 поднимается, крышка 6 снимается и обработанные заготовки извлекаются из рабочего сосуда и процесс повторяется.
Сброс конденсата осуществляется по мере необходимости через узел сброса 17 в бак 15.
Предлагаемое изобретение решает задачу расширения технологических возможностей и повышения производительности изостатического прессования, снижения тепловых потерь и повышения равномерности и эффективности прогрева жидкости по диаметру сосуда, улучшению использования объема рабочего пространства сосуда в результате выполнения дна двойным: из верхней плоской части с отверстиями для прохода жидкости и нижней части, расположенной над нагревателем и соединенной уплотняемой трубкой с полостью в нижней пробке, и далее с запорным узлом, гидроприводом и баком слива жидкости, выполнения секций магнитопроводов корытообразного сечения, повторяющего конфигурацию нагревателя, и с выступами на концах, направленными в сторону нижней части дна, и с высотой, равной высоте нагревателя, снабжением рабочего сосуда датчиками уровня жидкости, оснащением нижней пробки узлом сброса конденсата, расположением на наружной боковой поверхности сосуда и на его крышке теплоизоляции, выполнением нагревателя в виде отдельных секций нагрева спирально намотанных плоских пластин, каждая из которых соединена со своим вводом и выводом.
Повышение производительности процесса достигается за счет быстрого охлаждения жидкости путем замены нагретой жидкости на холодную, подаваемую из бака в рабочий сосуд.
Сокращение энергетических затрат при нагреве и выдержке достигается за счет использования магнитопроводов новой конструкции, позволяющих до минимума сократить зазоры между ними и дном сосуда, а также применения индукционного нагревателя, состоящего из нескольких независимо управляемых спиральных секций. Использование секционных нагревателей и сосуда с двойным дном способствует более равномерному распределению температуры по диаметру сосуда. Кроме того, снижению энергетических затрат и уменьшению теплопотерь при нагреве и выдержке способствует теплоизоляция на боковой поверхности рабочего сосуда и крышке.
Улучшение использования рабочего пространства сосуда достигается за счет контроля уровня жидкости датчиками контроля, подкачки необходимого количества жидкости в случае снижения ее уровня за счет ее объемного сжатия при приложении высокого давления и обжатия обрабатываемых изделий из порошков за счет их компактирования.
Улучшению работоспособности и долговечности изостата способствует узел сброса конденсата, расположенный в нижней пробке.