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 500 МПа давлений и температур до 2000°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата.
Эффективность работы газостата во многом зависит от надежности и производительности его систем. В свою очередь качественный уровень их работы определяется надежностью и производительностью. Все системы газостата создают требуемые технологические параметры: заданное давление и температуру в контейнере газостата, вакуумирование и откачивание газа из него по окончании рабочего цикла с целью повторного использования, осуществляют управляемый нагрев, а также выполняют быстрое охлаждение рабочего пространства. Этот технологический цикл называется горячим изостатическим прессованием (ГИЛ).
Длительность цикла ГИП относительно других способов формования очень высока. В зависимости от технологии и применения время цикла составляет до 24 часов, а в ряде случаев и более.
Это время нужно для выполнения таких операций, как вакуумирование и заполнение камеры газом, нагрев, выдержка, охлаждение и выпуск газа.
При этом определяющими для технологии обрабатываемых деталей являются только время нагрева и выдержки. Нагнетание газа и нагрев при использовании мощных компрессоров и нагревателей можно существенно ускорить. С другой стороны, определяющей времени цикла является фаза охлаждения. При этом теплоизоляция печной вставки должна быть очень высокого качества, чтобы обеспечить максимально равномерное распределение температуры в загрузочной камере. С другой стороны, она не должна быть слишком плотной, иначе время охлаждения займет очень много времени, а это приведет к снижению экономичности. Для решения этой проблемы существуют так называемые системы быстрого охлаждения, при использовании которых нагретый газ отводится из загрузочной камеры методом целенаправленной циркуляции и охлаждения его. Однако первое поколение этих систем имело множество недостатков. По этой причине предлагается система быстрого охлаждения, с помощью которой можно существенно увеличить производительность газостата и повысить качество обрабатываемых изделий.
Высокая скорость охлаждения в камере газостата может обеспечить возможность повысить свойства получаемых изделий за счет их термической обработки при сохранении мелкозернистой структуры материала. Исключить последующую термообработку, используя диффузионный отжиг, и получить при этом существенный экономический эффект.
Аналогом изобретения является газостат с системой быстрого охлаждения, описанный в книге Кривоноса Г.А., Максимова Л.Ю., Зверева А.Д. «Процессы и оборудование для газостатической обработки», М.: Металлургия, 1994 г., стр.266. Газостат-аналог содержит устройство быстрого охлаждения за счет естественной конвекции газа через встроенный в верхнюю пробку теплообменник и управляемые клапаны, расположенные в камере газостата.
Устройство для быстрого управляемого охлаждения с клапанами аналога, расположенными внутри камеры газостата, встроенным теплообменником и естественной конвекцией газа разработано и используется фирмой "ASEA" (Швеция). Принципиальная схема работы такого устройства следующая, колпак нагревательного устройства газостата с нижней загрузкой фирмы "ASEA" установлен на промежуточной пробке вместе с нагревателем. В верхней части термоизоляционного колпака предусмотрено отверстие, в котором расположена телескопическая втулка. Фланец этой втулки с помощью грузов рычажного устройства, закрепленного на верхнем торце колпака, прижимается к фланцу графитового диска, закрепленного на нижней поверхности верхней пробки. Между пробкой и диском предусмотрены каналы, соединяющие полость в центральной части диска с пространством за колпаком. Снаружи колпака в его нижней холодной части установлены клапаны, которые открывают с помощью электромагнитов. Верхняя пробка с усиленным водоохлаждением и газовые каналы между ней и графитовым диском образуют встроенный теплообменник. При нагреве и выдержке заготовки при заданном давлении и температуре клапаны закрыты, и циркуляции газа из рабочего пространства камеры газостата через теплообменник нет. При открытии клапанов горячий газ из рабочего пространства через отверстие в верхней части колпака поступает в теплообменник, охлаждается в нем и опускается вниз в пространство снаружи колпака. Далее охлажденный газ поступает через открытые клапаны в рабочее пространство. Нагреваясь о заготовку и охлаждая ее, газ поднимается вверх и вновь поступает в теплообменник.
Поскольку такое устройство для ускоренного охлаждения является дополнительным и охлаждение контейнера рассчитано только на нормальный теплоотвод во время разогрева и выдержки заготовки, для предотвращения перегрева контейнера за счет циркуляции газа при ускоренном охлаждении на его внутренней поверхности предусмотрена защитная втулка. Телескопическая втулка компенсирует неточности изготовления колпака и его деформацию при нагреве.
Преимуществом рассмотренного устройства для быстрого охлаждения является его простота, недостатком - ограничение возможных скоростей движения газа из-за небольшого перепада давлений при естественной конвекции, использование деталей из графита ограничивает использование таких устройств при обработке изделий, требующих высокую степень чистоты рабочей газовой среды, т.к. графитовые детали при высоких температурах способствуют образованию карбидов на поверхности обрабатываемого изделия.
Прототипом изобретения является газостат с системой быстрого охлаждения, описанный в книге Кривоноса Г.А., Максимова Л.Ю., Зверева А.Д. «Процессы и оборудование для газостатической обработки», М.: Металлургия, 1994 г., стр.271, а также прототипом заявляемого изобретения является устройство для быстрого охлаждения фирмы "Industrial materials technology inc" "IMT" (США) 1995 г., оснащенное клапанами, расположенными вне камеры газостата, внешним теплообменником и принудительной конвекцией газа.
Нагревательная камера газостата с таким устройством выполнена в виде открытого сверху стакана. Нагреватели установлены в пространство между стенками нагревательной камеры и теплоизоляционным колпаком. Устройство оснащено внешними теплообменником и газовым циркуляционным компрессором. При охлаждении холодный газ из внешнего теплообменника с помощью компрессора через газовый ввод в нижней пробке контейнера нагнетается в пространство между колпаком и стенками нагревательной камеры. Далее газ поступает сверху внутрь нагревательной камеры, охлаждает заготовки и через отверстия в дне этой камеры и газовый ввод нижней пробки контейнера поступает по трубопроводу в теплообменник. Управление компрессором производится по сигналу термопары, установленной на выходе газа из дна нагревательной камеры.
Преимуществами такой конструкции являются ее простота, практически неограниченная мощность внешнего теплообменника, полное использование пространства камеры газостата, отсутствие трудностей, связанных с размещением компрессора внутри этой камеры, а также широкие возможности регулирования скорости охлаждения.
Недостатком конструкции является:
- необходимость разделения потоков горячего и холодного газа в рабочем пространстве;
- управление компрессором по одной термопаре, установленной в нижней части камеры на выходе газа, что приведет к большому перепаду температуры по высоте.
Задачей предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительных, надежных газостатов для обработки изделий промышленного назначения из дискретных, сплошных материалов высоким (до 500 МПа) давлением газовой среды.
Задача решается тем, что газостат содержит силовую станину и контейнер, закрытый по торцам верхней пробкой и нижней пробкой и соединенный с газовой системой, в контейнере размещен теплоизоляционный колпак и нагреватель, при этом в контейнере газостата размещена система ускоренного охлаждения, расположенная в теплоизоляционном колпаке и элементах нагревателя. Система ускоренного охлаждения снабжена дополнительной полостью, выполненной в теплоизоляционном колпаке, при этом подвод газовой системы соединен герметично с элементами нагревателя, выполненными в виде несущих трубок каркаса, а трубки каркаса нагревателя выполнены с тангенциальными боковыми отверстиями.
Достигаемый при этом технический результат:
- увеличение производительности и оптимизации работы газового привода машины, включающего систему ускоренного охлаждения;
- улучшение ремонтопригодности и условий обслуживания газостата;
- повышение надежности работы газовой системы газостата из-за отсутствия в камере подвижных деталей и, как следствие, высокая надежность и большой срок службы;
- возможность использования системы ускоренного охлаждения для дооснащения существующих установок. Как правило, это можно осуществить путем замены печной вставки и теплоизоляции, не повлияв на полезный объем загрузочной камеры;
- уменьшение времени цикла обработки изделий в газостате;
- повышение производительности газостата и снижение стоимости выпускаемой продукции;
- уменьшение перепада температур при ускоренном охлаждении, путем управления работой соответствующей зоны нагревателя.
Нагревательная камера газостата с таким устройством выполнена в виде закрытого сверху теплоизоляционного колпака. Нагреватели установлены в пространство между заготовками и теплоизоляционным колпаком. Устройство оснащено внешним теплообменником, газовым циркуляционным компрессором и системой газовых клапанов.
При охлаждении холодный газ из внешнего теплообменника с помощью компрессора через газовый ввод в нижней пробке контейнера нагнетается в верхнюю часть рабочей камеры через трубчатые элементы нагревателя и выходит из них в тангенциальном направлении по отношению к заготовкам, образуя турбулентный вихревой поток холодного газа. Поток холодного газа постепенно опускается и все больше смешивается с горячим газом в рабочей камере. Горячий газ не попадает прямо на стенку резервуара, а сначала смешивается в промежуточной полости теплоизоляционного колпака с холодным газом, а затем дальше охлаждается своеобразным теплообменником, прежде чем выйти к охлаждаемой стенке контейнера через верхние отверстия в колпаке. Промежуточная втулка контейнера снабжена охлаждающими каналами, и контактирует с внутренней втулкой, у которой газ снова охлаждается. В донной зоне рабочей камеры, охлажденный таким образом газ снова всасывается через газовый ввод нижней пробки контейнера и поступает по трубопроводу в теплообменник, а далее на всасывание циркуляционного компрессора.
Описанную систему ускоренного охлаждения также можно использовать для дооснащения существующих установок. Как правило, это можно осуществить путем замены печной вставки и теплоизоляции, не повлияв на полезный объем загрузочной камеры.
Конструкция предлагаемого газостата представлена на фиг.1, где показаны собственно газостат с разрезом рабочей камеры и системой ускоренного охлаждения, на фиг.2 представлена печная вставка в разрезе, на фиг.3 - узел инжектора в теплоизоляционном колпаке, разрез «А-А» по фиг.2, на фиг.4 показан разрез «Б-Б» на фиг.3.
В качестве информационного материала на фиг.5 показана система быстрого охлаждения газостата, выбранного в качестве прототипа.
Газостат (фиг.1) содержит силовую станину 1, контейнер 2, закрытый по торцам верхней 3 и нижней 4 пробками, газовую систему управления 5, а также печную вставку с системой ускоренного охлаждения 6. Газовая система управления позволяет компрессору высокого давления 7 работать как в режиме нагнетания в контейнер 2, так и в режиме всасывания из контейнера 2 газостата. Нагревательная камера газостата выполнена в виде закрытого сверху теплоизоляционного колпака 8, нагреватели 9 установлены в пространстве между заготовками и теплоизоляционным колпаком 8. Система ускоренного охлаждения 6 снабжена дополнительной полостью 10, выполненной в теплоизоляционном колпаке 8, при этом подвод газовой системы 5 соединен герметично с элементами нагревателя 9, выполненными в виде несущих трубок 11 каркаса 12, а трубки 11 каркаса 12 нагревателя 9 выполнены с тангенциальными боковыми отверстиями 13.
Газостат работает следующим образом. В исходном положении силовая станина 1 сдвинута с оси контейнера 2. На нижнюю пробку 4 устанавливают заготовку и манипулятором перемещают ее в контейнер 2. Силовая станина 1 устанавливается на ось контейнера 2. Затем контейнер 2 заполняется рабочим газом, поступающим из баллонной станции (не показано) газовой системы 5, до выравнивания давления в них. После чего газ подается компрессором 7 с регулируемой производительностью в контейнер 2 до создания начального давления в нем. Включается система нагрева, разогревая заготовку до необходимой температуры. При заданной температуре и давлении заготовка выдерживается в течение необходимого времени. Затем выключается система нагрева, и рабочий контейнер 2 с заготовкой охлаждается. Для равномерного ускоренного охлаждения рабочего контейнера 2 включается компрессор 7 по круговой системе для нагнетания холодного газа через дополнительную полость 10 непосредственно в рабочий контейнер.
Охлажденный газ через систему запорных клапанов газовой системы 5 сбрасывается самотеком, а затем откачивается компрессором 7 в баллонную станцию (не показана). Контейнер 2 соединяется с атмосферой, силовая станина 1 сдвигается с оси контейнера 2, нижняя пробка 4 с заготовкой извлекаются из него и рабочий цикл газостата повторяется.
Таким образом, использование в газовом приводе газостата системы ускоренного охлаждения с боковыми инжекторами для смешивания горячего и охлажденного газа при высоких давлениях позволяет:
- создать надежный и высокопроизводительный газостат благодаря использованию в системе газового привода системы ускоренного охлаждения;
- улучшить ремонтопригодность и условия обслуживания газостата за счет отсутствия подвижных частей в системе ускоренного охлаждения;
- повысить производительность газостата (в 5…6 раз) за счет сокращения времени рабочего цикла при равномерном ускоренном охлаждении рабочего пространства и обрабатываемых изделий со скоростью до 100°С/мин.