УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
DEVICE FOR CREATION OF HIGH PRESSURE AND HIGH TEMPERATURE

Изобретение относится к технике высоких давлений, содержащих сосуды высокого давления, предназначенных для привода в действие пуансонов многопуансонного блока, и может быть использовано при синтезе и спекании сверхтвердых материалов, выращивании монокристаллов фаз высокого давления в порошковой металлургии, а также для различного рода исследований при высоких давлениях и температурах.
Одним из основных узлов в этих устройствах является узел силовых токовых электровводов, который служит для подключения нагревательного элемента, размещенного внутри многопуансонного блока к вторичной обмотке трансформатора. Узел должен отвечать жестким требованиям. Во-первых, он должен обладать высокой электропроводностью и стабильностью электрических характеристик, для того чтобы обеспечивать управляемый характер подводимого к электронагревателю электрического тока продолжительное время от нескольких часов до суток и более. Во-вторых, не снижать несущую способность силовых элементов устройства. В-третьих, не подвергать опасности обслуживающий персонал. В-четвертых, обладать хорошей электропроводностью.
Существует целый ряд конструкций силовых токовых узлов, однако ни одна из них в полной мере не отвечает вышеуказанным требованиям.
Известно, например, устройство для создания высокого давления и температуры [А.с. СССР №782213, МПК B01J 3/06, опубл. 1980]. Устройство содержит корпус со сферической полостью, выполненный разъемным в горизонтальной плоскости, снабженный затвором, сферический многопуансонный блок, заключенный в сферическую герметизирующую оболочку, установленный в сферической полости корпуса, в котором выполнены каналы для подачи между поверхностью полости и эластичной оболочкой жидкости, создающей высокое давление. В этом устройстве ток на нагревательный элемент, размещенный внутри многопуансонного блока, подают через верхний и нижний пуансоны. Последние соединены с вторичной обмоткой трансформатора, посредством электровводов, установленных в верхней и нижней частях корпуса по оси симметрии аппарата.
Однако наличие электроввода в верхней части корпуса крайне нежелательно по двум причинам: во-первых, электроввод подвержен большим механическим нагрузкам, что не исключает его разрушение, причем необходимо заметить, что даже разгерметизация электроввода представляет опасность, так как истечение струи жидкости происходит под большим давлением. Во-вторых, опасность представляют токовые шины, так как они расположены в зоне обслуживания аппарата. В силу этого либо аппарат размещают в закрытом сейфе, либо применяют локальные защитные средства для электровводов и шин. И то и другое приводит к усложнению устройства. Что касается электроввода, размещенного в нижней части корпуса, то здесь ситуация иная, ибо электроввод со всех сторон защищен стенками стола-сейфа, на котором установлен аппарат. Существенным недостатком известного устройства является то, что охлаждающую среду во внутреннюю полость многопуансонного блока подают по каналам, выполненным в полукорпусах, а не в электровводах. Следовательно, последние не охлаждаются и подвергаются сильному разогреву (а это имеет место при работе устройства в длительном режиме с большой мощностью нагревательного элемента). Сильный разогрев электровводов нежелателен, так как ведет к неоправданным потерям энергии.
Известно, например, устройство шарового типа для создания высоких давлений и температур [патент RU 2077375 (C1), МПК B01J 3/00, B01J 6/00, опубл. 20.04.1997]. Устройство содержит основание, на котором установлен корпус с внутренней сферической полостью, состоящий из двух частей, расположенных одна над другой. В корпусе расположена сферическая эластичная оболочка, состоящая из двух частей, причем части оболочки закреплены на соответствующих частях корпуса, образуя камеру первичного давления с двумя изолированными полостями, соединенными с источником рабочей среды. Внутри эластичной оболочки расположен многопуансонный двухступенчатый блок. В центре двухступенчатого блока расположено рабочее тело с нагревательным элементом. В этом устройстве реализовано два варианта подачи тока на нагревательный элемент, размещенный внутри многопуансонного блока. В первом варианте ток на нагревательный элемент подают по электровводам, установленным в верхней и нижней частях корпуса. Во втором варианте ток на нагревательный элемент подают по электровводам, установленным один в другом в нижней части корпуса, и в том, и в другом вариантах электровводы снабжены каналами для охлаждающей среды. Однако ни тот, ни другой вариант не лишен недостатков. В первом варианте, например, как и в выше описанном устройстве, электровводы требуют средств защиты, так как представляют опасность для обслуживающего персонала. Во втором варианте электровводы опасности для обслуживающего персонала не представляют, однако установка электровводов один в другой ведет к увеличению площади отверстия их обхватывающего и, как следствие, к увеличению механических нагрузок на опорных поверхностях, которые описываются нижеследующим уравнением:
k
0
1
P=(P·S)/(S-S)
k
где P - контактное давление на опорных поверхностях,
0
Р - рабочее давление в автономных камерах сосуда,
S - площадь грибка электроввода,
1
S - площадь отверстия, обхватывающего электровводы.
Из уравнения следует, чем больше площадь отверстия, обхватывающего электровводы, и чем меньше площадь грибка электроввода, тем больше механические (контактные) нагрузки на опорных поверхностях. Попытки оснастить подобные устройства электровводами из бериллиевой бронзы, которая сочетает в себе относительно высокую прочность и коррозионную стойкость с повышенной электропроводимостью в некоторой степени оправдано, так как потери электроэнергии в этом случае меньше. Однако бериллиевая бронза из-за высокой дефицитности и высокой стоимости, как правило, в аппаратах высокого давления применяется крайне редко. В основном она используется лишь для особо ответственных назначений небольшого сечения, в виде лент, проволоки для пружин, мембран, сильфонов и контактов в электрических машинах, аппаратах и приборах. [Ю.А.Геттер, А.Г.Рахатадт Материаловедение. Изд. Металлургия, Москва, 1975, с.430].
Известен, например, многопуансонный аппарат высокого давления и температуры фирмы ASEA [Б.Платен. Современная техника сверхвысоких давлений, с.191-216, 1964, Мир]. Аппарат содержит три базовых узла: блок высокого давления, выполненный в виде толстостенной сферической камеры, расчлененной на шесть частей, цилиндрическую трубу низкого давления и раму, несущую осевую нагрузку. В этом устройстве ток на нагревательный элемент, размещенный внутри многопуансонного блока, подают по электровводу, подведенному непосредственно к нагревательному элементу, и по шине, подключенной к раме, а охлаждающую среду во внутреннюю полость многопуансонного блока - через отверстия во втулке, обхватывающей электроввод. Недостаток этого устройства состоит в том, что рама и корпус трубы сосуда находятся под напряжением, во-первых, во-вторых, электроввод из-за отсутствия принудительного охлаждения плохо охлаждается и при длительном пропускании больших токов подвержен сильному разогреву, в-третьих, подвод электроввода непосредственно к нагревательному элементу существенно ослабляет пуансоны.
Известно устройство для создания высокого давления и температуры с сосудом, предназначенным для привода в действие пуансонов многопуансонного блока, выбранное в качестве прототипа [патент RU №1630061 (А1), МПК В01J 3/06, опубл. 27.03.2000]. Устройство содержит разъемный в горизонтальной плоскости сферический сосуд с автономными эластичными камерами, затвор, многопуансонный блок с рабочим телом и нагревательным элементом, силовые электровводы и гибкие токовые шины, размещенные в автономных эластичных камерах. В этом устройстве силовые электровводы установлены в нижнем полукорпусе и закреплены снаружи полукорпуса, причем установлены один в другом, образуя между собой концентрически замкнутую полость. Внутренний электроввод соединен с нижним пуансоном по плоской поверхности, а наружный соединен с верхним пуансоном гибкими токовыми шинами, размещенными в автономных камерах. Охлаждающую среду во внутреннюю полость многопуансонного блока подают по трубопроводу, размещенному в продольном канале внутреннего электроввода, а возвращают по концентрически замкнутой полости электровводов. Таким образом, данное устройство позволяет разместить силовые электоровводы и гибкие токовые шины в безопасном месте, а также осуществить отбор тепла с многопуансонного блока и электровводов одновременно.
Однако установка электровводов один в другой ведет, как и в выше описанном устройстве, к увеличению площади отверстия их обхватывающего и, как следствие, к увеличению механических нагрузок на опорных поверхностях причем, как минимум, в 1,6 раза, что отрицательно сказывается на надежности устройства, во-первых, а, во-вторых, ограничивает возможность дальнейшего повышения рабочего давления в автономных камерах сосуда. А наличие охлаждающей среды в замкнутой полости электровводов подвергает последние коррозии. В силу этого их изготавливают, как правило, из прочных коррозионно-стойких сталей, например, марки 40Х13. Однако коэффициент удельного электросопротивления у этих сталей велик (более чем в 30 раз больше, чем у меди) и электровводы, из-за больших потерь мощности на нагрев токоведущей части и отбор тепла с токоведущей части, работают крайне не эффективно. К тому же наличие больших механических нагрузок на опорных поверхностях электровводов отрицательно сказывается на надежности устройства, во-первых, а во-вторых, является одной из причин, не позволяющей дальнейшее повышение рабочего давления в автономных камерах сосуда.
Задачей изобретения является обеспечение условий безопасного длительного нагрева в устройстве сверхвысокого давления до 3,5-4 кбар и высокой температуры.
Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат при нагреве с одновременным упрощением устройства и повышения его надежности.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве для создания высокого давления и высокой температуры в многопуансонном блоке, включающем разъемный в горизонтальной плоскости сферический сосуд, состоящий из нижнего и верхнего полукорпусов, снабженных автономными эластичными камерами, скрепляющий полукорпуса затвор, многопуансонный блок, заключенный в эластичную герметизирующую оболочку, рабочее тело с нагревательным элементом, размещенное в центре многопуансонного блока, гибкие токовые шины, размещенные в автономных эластичных камерах, силовые электровводы, установленные в нижнем полукорпусе сосуда и закрепленные снаружи полукорпуса, причем один из электровводов расположен по вертикальной оси корпуса, имеет внутреннюю полость для подачи охлаждающей среды и соединен с нижним пуансоном по плоской поверхности, а второй электроввод соединен с верхним пуансоном гибкими токовыми шинами, согласно изобретению электровводы выполнены в виде отбортованной со сквозными окнами медной гильзы и стержня грибовидной формы плотно вставленных один в другой с возможностью продольного смещения, и подпружиненных к наружной поверхности нижнего полукорпуса, при этом электровводы установлены со смещением относительно друг друга, у установленного по оси корпуса электроввода отбортованная часть гильзы выполнена в виде плоского фланца с кольцевым углублением торца по внутренней поверхности, а грибовидная часть стержня, выполненная в виде заплечиков, погружена в кольцевое углубление во фланце заподлицо с торцом, у электроввода, соединенного с верхним пуансоном, отбортованная часть гильзы выполнена в виде плоского фланца с кольцевым выступом торца по наружной поверхности, а грибовидная часть стержня, выполненная в виде плоского диска, свободно погружена в углубление во фланце, образованное кольцевым выступом торца.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен продольный разрез устройства, на фиг.2 показан узел 1 (продольный разрез силовых электровводов).
Устройство для создания высокого давления и высокой температуры в многопуансонном блоке (фиг.1) содержит разъемный в горизонтальной плоскости сферический сосуд, состоящий из нижнего и верхнего полукорпусов 1 и 2, снабженных автономными эластичными камерами 3 и 4, затвор 5, скрепляющий полукорпуса 1 и 2 сосуда, и многопуансонный блок 6, заключенный в сферическую эластичную герметизирующую оболочку 7. В центре многопуансонного блока расположено рабочее тело с нагревательным элементом 8. Для подачи тока на нагревательный элемент в нижнем полукорпусе 1 выполнено два отверстия (одно по оси симметрии сосуда), в которых установлены электровводы 9 и 10. Электроввод 9 соединен с верхним пуансоном 11 гибкими токовыми шинами 12 и 13, размещенными в автономных эластичных камерах 3 и 4, а электроввод 10 соединен непосредственно с нижним пуансоном 14 по плоской поверхности. Электровводы 9 и 10 с трансформатором тока (на чертеже не показан) соединены шинами 15 и 16. Силовые электровводы (фиг.2) выполнены в виде отбортованной гильзы 17 из меди, внутри которой расположен цилиндрический стержень грибовидной формы 18 из высокопрочного материала, например из легированной стали 40Х13. На цилиндрической поверхности гильзы с внешней стороны сосуда установлена тарельчатая пружина 19, а на конической поверхности хвостовика гильзы установлен электроконтакт 20. Последний закреплен гайкой 21, размещенной на стержне грибовидной формы 18. Необходимое усилие поджатия тарельчатой пружины, например из легированной стали с пределом прочности не менее 1500 МПа, обеспечивается подбором толщины прокладки 22. Отличие электроввода 10, установленного по оси полукорпуса сосуда, в том, что отбортованная часть 23 гильзы выполнена в виде плоского фланца с кольцевым углублением торца по внутренней поверхности, а грибовидная часть стержня 24 выполнена в виде заплечиков 25, погруженных в кольцевое углубление во фланце заподлицо с торцом и плотно пригнанных к опорной поверхности пуансона 14.
2
2
Работает силовой электороввод следующим образом. Изначально плотное прилегание электроввода к днищу полукорпуса сосуда и его герметичность обеспечиваются усилием тарельчатой пружины 19. По мере роста давления в сосуде растут и контактные давления на опорной поверхности стержня 18 и гильзы 17, причем с превышением примерно на 10-15%. Опытным путем установлено, что этой разницы давлений достаточно для обеспечения герметизации электроввода, и в дальнейшем она автоматически поддерживается все время, пока рабочее давление в сосуде не будет достигнуто максимальной величины примерно 3,5-4 кбар. При этих давлениях напряжения на опорной части гильзы 17 достигают величины, примерно в 2-3 раза превышающей прочность медной гильзы на растяжение. Однако на работоспособности электроввода это не сказывается, так как происходит наклеп опорных частей гильзы и ее прочность на сжатие возрастает как минимум в семь раз, (то есть с 22 кг/мм до 157 кг/мм) [Краткий справочник металлиста, под. ред. проф. А.Н.Маслова, изд. Машиностроение, Москва, 1965. С.211]. Следует отметить, что в процессе наклепа гильзы стержень испытывает большие локальные напряжения сжатия вокруг шейки грибка. Однако предел текучести материала стержня много выше и его перекусывание исключается. Что касается электроввода, установленного по оси полукорпуса, то напряжения в опорной части гильзы достигают тех же величин, что и вышеописанные. Однако стержень по торцу поддержан нижним пуансоном и его разрушение так же исключено.
Предложенные конструктивные особенности электровводов, выполненные составными в виде отбортованной со сквозными окнами медной гильзы и стержня грибовидной формы, плотно вставленных один в другой с возможностью продольного смещения, и подпружиненных к наружной поверхности нижнего полукорпуса, обеспечивают возможность использования наиболее высоко электропроводного из известных материалов - меди, что позволяет более чем в 30 раз уменьшить энергозатраты на нагрев токоведущей части электровводов, а также отказаться от их принудительного охлаждения. К тому же при установке электровводов не один в другой, как в прототипе, а со смещением относительно друг друга, у заявляемых электоровводов обеспечивается примерно в 5 раз меньше площадь отверстия их обхватывающего, благодаря чему механические нагрузки на опорных поверхностях у них так же меньше, причем, как минимум, в два раза. Тем самым они позволяют не в ущерб надежности устройства повысить рабочее давление в автономных камерах сосуда, как минимум, до 3,5-4,0 кбар.
Выполнение у установленного по оси полукорпуса электроввода отбортованной части гильзы в виде плоского фланца с кольцевым углублением торца по внутренней поверхности, а грибовидной части стержня в виде заплечиков, погруженных в кольцевое углубление во фланце, заподлицо с торцом, позволяет нижний пуансон непосредственно соединить с центральным электровводом по плоской поверхности и примерно в два раза снизить механические нагрузки на опорных поверхностях последнего, что привело к упрощению конструкции узла и повышению его надежности. Выполнение у соединенного с верхним пуансоном электроввода отбортованной части гильзы в виде плоского фланца с кольцевым выступом торца по наружной поверхности позволяет, во-первых, повысить жесткость фланца и тем самым исключить возможность его коробления, а во-вторых, упростить спайку гильзы с гибкими токовыми шинами. Наличие зазора между кольцевым выступом торца фланца и плоским диском стержня исключает заклинивание грибка стержня в гильзе и тем самым предотвращает разгерметизацию электроввода. Плотно вставленные один в другом стержень и гильза позволяют обеспечить жесткую посадку электроконтакта на хвостовике гильзы, избежав коробление последней. Возможность продольного смещения стержня в гильзе исключает обрыв фланца, что имеет место, например, в случае жесткого скрепления стержня с гильзой.