ГАЗОСТАТ
GASOSTATIC EXTRUDER

Изобретение относится к области промышленного оборудования для обработки изделий в газовой среде при одновременном воздействии на них высоких давлений, до 500 МПа, а также температуры до 2000°С, создаваемых в рабочей камере газостата.
Традиционная газостатическая обработка заготовок из дискретных и монолитных материалов проводится при давлениях, не превышающих 200 МПа, и температурах до 2000°С.
Развитие нанотехнологий потребовало увеличения рабочих давлений до 500 МПа. Так, например, хорошие результаты получены при газостатическом компактировании изделий из многофазных керамических нанопорошков в диапазоне давлений 200-500 МПа. Сегодня газостатическое спрессовывание металлических, керамических и композиционных нанопорошков является наиболее эффективным и перспективным технологическим процессом получения из них изделий промышленного назначения благодаря возможности создания газостатов с большим объемом рабочей камеры. Использование повышенных давлений позволяет снизить температуру процесса консолидации нанокомпозитных порошков, предотвращая рост их зерна, а следовательно, получить изделия с плотностью, близкой к теоретической плотности обрабатываемого материала, и уникальными техническими характеристиками.
Одним из наиболее важных силовых узлов газостата является контейнер, образующий вместе с закрывающими его по торцам пробками рабочую камеру машины. Стенки контейнера воспринимают радиальную нагрузку газа высокого давления в процессе выполнения рабочего цикла в течение нескольких часов на газостатах с небольшим объемом рабочей камеры и нескольких десятков часов на мощных промышленных машинах с большим, достигающим нескольких кубических метров, объемом рабочей зоны. Энергия сжатого газа (азота или аргона), заключенная в рабочей камере промышленного газостата, эквивалентна энергии взрыва нескольких десятков килограммов тринитротолуола. В связи с этим разработка надежной конструкции контейнера, обеспечивающей безопасную эксплуатацию оборудования, является первоочередной задачей при создании лабораторных и, в особенности, промышленных газостатов.
Мировой практикой установлены три основных принципиально отличных схемы конструктивного исполнения этих узлов:
- монолитные контейнеры, состоящие из одного толстостенного цилиндра;
- однослойные контейнеры, у которых одна цилиндрическая втулка скреплена бандажом проволоки или ленты;
- многослойные контейнеры, у которых две или более втулок устанавливаются с зазором одна внутри другой, а затем на наружную втулку накладывается с предварительным натяжением скрепляющий бандаж, обеспечивающий выбор зазоров между ними и дальнейшее совместное сжатие блока втулок.
Применительно к газостатам упомянутые конструкции контейнеров работают при давлениях, как правило, не превышающих 200 МПа.
Аналогом изобретения является «Печь для спекания порошка под давлением». Патент Швеции 419014, М. кл. В22f 3/14, опубликовано 05.03.1971, бюллетень №9. Рабочая камера аналога содержит контейнер, закрытый по торцам верхней и нижней пробками, оснащенными уплотнениями. Цилиндрическая втулка контейнера обмотана высокопрочной проволокой, уложенной с предварительным натяжением на ее наружную поверхность. Внутри контейнера на термоизоляционной подставке нижней пробки установлена обрабатываемая заготовка. Нагреватель и термоизоляция, уменьшающая тепловой поток изнутри камеры к внутренним поверхностям охлаждаемых водой втулки контейнера, верхней и нижней пробок, смонтированы на промежуточной нижней пробке. Силовая станина, воспринимающая осевое усилие рабочей среды и состоящая из двух ригелей и двух расположенных между ними стоек, перемещается из рабочего положения - на оси контейнера в положение загрузки/выгрузки заготовки, освобождая, таким образом, пространство для извлечения из контейнера нижней пробки с установленной на ней заготовкой.
Недостатком аналога является использование однослойного контейнера с подачей охлаждающей воды в зазор между герметичным кожухом, приваренным к его верхнему и нижнему фланцам, и бандажом намотки. В процессе выполнения рабочего цикла, сопровождаемого охлаждением контейнера, вода проникает между витками намотки, вызывая коррозию скрепляющего бандажа и наружной поверхности втулки. Это может привести к разгерметизации контейнера при увеличении диаметра его втулки в зоне уплотнений верхней и нижней пробок вследствие уменьшения усилия ее первоначальной затяжки, а также к разрушению втулки контейнера с внезапным высвобождением энергии сжатого газа и попаданием его в систему охлаждения. В этом случае система охлаждения выходит из строя и создается аварийная ситуация, не позволяющая закончить рабочий цикл в штатном режиме. Контейнеры такой конструкции изготавливаются для газостатов с рабочим давлением, не превышающим 200 МПа, которая становится менее надежной и более опасной при повышенных рабочих давлениях, близких к 500 МПа.
Прототипом заявляемого изобретения является изостат для обработки материалов в жидкости, патент РФ - RU 2151026 С1, опубликован 2006.06.20. Изостат содержит многокорпусный контейнер, выполненный в виде трех цилиндрических стальных втулок, с плотно намотанной на поверхность наружной втулки бандажом стальной ленты. Перед намоткой втулки устанавливаются одна внутри другой с зазором, обеспеченным при их механической обработке. В процессе намотки ленты с предварительным натяжением сначала выбираются зазоры между средней, наружной и внутренней втулками, а затем одновременно сжимается блок из трех втулок. Трехвтулочная конструкция контейнера исключает попадание газа высокого давления в систему охлаждения машины даже при разрушении его внутренней втулки. В этом случае газ по образовавшимся трещинам и зазорам выходит из внутреннего пространства рабочей камеры в атмосферу, аналогичная конструкция может быть использована в конструкциях газостатов.
2
К недостаткам прототипа следует отнести необходимость выбора зазоров, находящихся между втулками, перед началом их совместного сжатия. Выполнение этой операции требует дополнительной укладки на блок втулок от 20 до 30% общего числа слоев бандажа, необходимых для создания в диаметральных сечениях втулок расчетных напряжений сжатия. При этом значительно возрастают массы контейнера и силовой станины, воспринимающей осевое усилие рабочей среды, действующее на пробки, за счет увеличения просвета между ее стойками, размеров ригелей и стоек, а также числа слоев бандажа силовой станины в случае использования скрепленной конструкции или сечения колонн при использовании колонной конструкции. Высокопрочная лента, применяемая для намотки контейнера и силовой станины с пределом прочности более 1860 Н/мм, является дорогостоящим компонентом упомянутых узлов, оказывающим существенное влияние на общую цену газостата. Другим недостатком прототипа является неодновременное контактирование поверхностей соседних втулок между собой в процессе выбора зазоров как по длине, так и в диаметральном направлении вследствие несовершенства их геометрии. По этой причине в диаметральных сечениях блока, взятых на различных по высоте позициях и даже в одном сечении, возникают неравномерные напряжения в сечении каждой втулки. При дальнейшей намотке и после ее завершения неравномерное распределение напряжений в сечениях блока втулок сохраняется, что отрицательно сказывается на работе конструкции при нагружении ее рабочим давлением.
Задачей настоящего изобретения является устранение упомянутых недостатков аналога и прототипа и создание надежного газостата длительного срока; действия с повышенным до 500 МПа рабочим давлением газа.
При этом достигается технический результат:
- создание надежного контейнера газостата с повышенным до 500 МПа рабочим давлением;
- исключение коррозии скрепляющего бандажа ленты и его втулок;
- уменьшение массы контейнера и силовой станины.
Выполнение поставленной задачи и достигаемый при этом технический результат обеспечиваются тем, что в предлагаемом газостате использована конструкция контейнера, который выполнен из трех тонкостенных втулок, установленных с натягом относительно друг друга, с размещением бандажа на наружной поверхности втулок, при этом на наружной поверхности средней втулки выполнены многозаходные каналы для охлаждающей жидкости, а на внутреннюю поверхность наружной втулки и наружную поверхность средней втулки, включая поверхность каналов охлаждения, нанесено антикоррозионное покрытие.
Предлагаемая конструкция исключает коррозию бандажа скрепляющей ленты и его втулок, а следовательно, и возможность осколочного разрушения компонентов контейнера с внезапным выходом из рабочей камеры машины энергии сжатого газа. Использование для намотки блока из трех тонкостенных втулок, предварительно собранных с натягом, позволяет на 20-30% уменьшить число слоев бандажа высокопрочной ленты, необходимое для создания равномерного расчетного распределения напряжений сжатия в них. При этом уменьшается наружный диаметр контейнера и просвет между стойками силовой станины, а следовательно, снижается металлоемкость упомянутых узлов газостата.
Предлагаемый газостат показан на чертеже в разрезе.
Газостат содержит собственно газостат 1 и газовую систему 2.
Собственно газостат состоит из силовой станины 3, воспринимающей осевое усилие рабочей среды, передаваемое верхней 4 и нижней 5 пробками. Станина выполнена в виде верхнего 6 и нижнего 7 полуцилиндрических ригелей, а также расположенных между ними двух стоек 8, скрепленных бандажом высокопрочной ленты. Контейнер газостата 9 состоит из трех 10, 11, 12 втулок, установленных друг на друга с расчетным натягом перед намоткой ленты, бандажа 13, дополнительно сжимающего блок собранных втулок в процессе намотки на него с предварительный натяжением расчетного числа слоев высокопрочной ленты, верхнего 14 и нижнего 15 фланцев, ограничивающих смещение бандажа в осевом направлении, и кожуха 16, прикрепленного к фланцам и закрывающего снаружи элементы контейнера. Возможны две схемы сборки втулок перед их намоткой. При сборке изнутри средняя втулка нагревается и устанавливается на внутреннюю, при ее остывании между ними образуется натяг заданной величины. Внутренняя втулка перед выполнением описанной операции может одновременно охлаждаться, например в жидком азоте, что облегчит сборку. Затем нагретая наружная втулка аналогичным образом устанавливается на блок внутренней и средней втулок. При сборке снаружи нагретая наружная втулка устанавливается на среднюю, а затем нагретый блок наружной и средней втулок устанавливается на внутреннюю, при этом она может быть предварительно охлаждена. Величина расчетного посадочного натяга полностью исключает наличие зазоров между контактирующими поверхностями втулок после их сборки, перед началом намотки. В этом случае напряжения сжатия, возникающие во втулках при намотке, распределяются равномерно в любом диаметральном сечении, обеспечивая равномерную нагрузку компонентов контейнера рабочим давлением и более длительный период его эксплуатации. На наружной поверхности средней втулки 11 выполнены многозаходные каналы 17 для охлаждающей жидкости. С целью исключения коррозии втулок, приводящей к их разрушению, на внутреннюю поверхность наружной и наружную поверхность средней втулок перед их сборкой наносится антикоррозионное покрытие. По торцам контейнер закрыт верхней и нижней водоохлаждаемыми пробками, оснащенными уплотнениями 18, с помощью которых герметизируется рабочая камера газостата, образованная поверхностью внутренней втулки и торцевыми поверхностями обеих пробок. Внутри рабочей камеры на термоизоляционной подставке 19 устанавливается обрабатываемая заготовка 20. Термоизоляция 21 с токоподводами 22 и нагревателем 23 закреплены на верхней пробке. Рабочая среда подается и удаляется из камеры по каналу 24, выполненному в верхней пробке.
Газовая система 2 содержит компрессор 25, запорные нормально закрытые клапаны 26-30, с помощью которых создаются необходимые потоки газовой среды, заключенной в баллонной станции 31, а также - трубопровод 32, соединяющий компоненты газовой системы между собой и с контейнером газостата.
Работа газостата осуществляется следующим образом.
Силовая станина 3 с помощью вспомогательного гидроцилиндра сдвинута с оси контейнера 9, освободив, таким образом, доступ к нижней пробке 5, которая с помощью гидроцилиндра ее перемещения опускается вниз. На термоизоляционную подставку 19 устанавливается и вводится в рабочую камеру заготовка 20. Силовая станина надвигается и фиксируется на оси контейнера перед проведением основных операций рабочего цикла.
Далее открывается клапан 29 и газ по трубопроводу 32 поступает самотеком из баллонной станции 31 в контейнер 9 до момента выравнивания давления в них. Затем клапан 29 закрывается, открываются клапаны 26 и 28, включается компрессор 25 и продолжается подъем давления в контейнере до величины начального, приблизительного равного 350 МПа, зависящего от объема загруженной заготовки и температуры стационарного режима конкретного рабочего цикла. Включается система нагрева, и рабочее пространство вместе с заготовкой разогревается до рабочей температуры заданного цикла, при этом давление в контейнере повышается до 500 МПа или близкого к этой величине, равной рабочему давлению цикла. Заготовка при заданных рабочих температуре и давлении цикла, параметрах стационарного режима, выдерживается в течение нескольких часов, после чего система нагрева отключается и рабочая камера охлаждается. Остывший газ выпускается из контейнера в баллонную станцию самотеком через открытый клапан 29 до выравнивания давления в них. С целью минимализации потерь газа за цикл и его многократного использования газ откачивается из контейнера в баллонную станция компрессором 25 через открытые клапаны 27, 28 и 29. Остатки газа сбрасываются в атмосферу при открытии клапана 30. Силовая станина 3 сдвигается с оси контейнера 9, нижняя пробка 5 извлекается из него, спрессованная заготовка 20 снимается с термоизоляционной подставки 19 и рабочий цикл повторяется.
Таким образом, выполнение контейнера газостата из трех тонкостенных втулок, установленных с натягом относительно друг друга с размещением бандажа на наружной поверхности втулок, при этом на наружной поверхности средней втулки выполнены многозаходные каналы для охлаждающей жидкости, а на внутреннюю поверхность наружной втулки и наружную поверхность средней втулки, включая поверхность каналов охлаждения, нанесено антикоррозионное покрытие, позволяет:
- исключить коррозию бандажа, стягивающей ленты и втулок;
- исключить возможность осколочного разрушения компонентов контейнера с внезапным выходом из рабочей камеры машины энергии сжатого газа;
- на 20-30% уменьшить число слоев бандажа высокопрочной ленты, необходимое для создания равномерного расчетного распределения напряжений сжатия в них;
- уменьшить наружный диаметр контейнера и просвет между стойками силовой станины;
- снизить металлоемкость упомянутых узлов газостата;
- повысить надежность работы газостата при давлениях 500 МПа и температуре 2000°С.