ГАЗОСТАТ
GASOSTATIC EXTRUDER

Изобретение относится к оборудованию для изостатической обработки материалов и наиболее эффективно может быть использовано для уплотнения отливок и диффузионной сварки деталей из алюминиевых, магниевых сплавов и латуни.
Аналогом заявляемого технического решения является газостат (пат. №2350429 C1 (B22F 3/14, В29С 43/10) от 09.06.2007 г). Газостат содержит рабочую камеру, станину, газовую систему с компрессорами низкого и высокого давления, соединенную с рабочей камерой и оснащенную запорно-регулирующей аппаратурой, системы нагрева, охлаждения и управления.
Основным недостатком аналога является длительность рабочего цикла обработки, связанная с длительностью подъема давления, охлаждения и откачки инертного газа.
Для сокращения цикла обработки в статье F.X.Zimmerman HIP equipment for industrial application, опубликованной в Metal Powder Report, 1980 г., №7, p.p.300-304 предлагается использовать сжиженный аргон, применение которого значительно сокращает время подъема давления в камере газостата.
Этот газостат принят в качестве прототипа.
Газостат состоит из рабочей камеры, в которую газ подается из емкости с жидким аргоном с помощью насосов низкого и высокого давлений через электрический испаритель аргона. Испаряясь, 1 литр жидкого аргона дает 835 литров газа при 15°С и давлении 0,1 МПа. По окончании рабочего цикла газ, выпускаемый из газостата, поступает в ожижитель, где с помощью жидкого азота конденсируется и вновь поступает в емкость с жидким аргоном.
Основным недостатком прототипа является необходимость использования криогенного оборудования для хранения и перекачки сжиженных азота и аргона. Охлаждение аргона с температур обработки до температуры сжижения требует значительных энергозатрат и сказывается на стоимости обработки, существенно удорожая ее.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является замена криогенного оборудования на холодильное, сокращение эксплуатационных затрат на обработку, повышение производительности газостатической обработки.
Технический результат достигается за счет оснащения газостата баллоном сжиженного углекислого газа, соединенным с приводом высокого давления и баллонной станцией инертного газа, давление в которой превышает давление в баллоне сжиженного углекислого газа; соединения сбросного трубопровода предохранительного клапана с баллоном сжиженного углекислого газа и установки на его напорном трубопроводе дроссельной шайбы, а также оснащение газостата резервным баллоном.
Принципиальная схема заявляемого газостата представлена на чертеже.
В газостат входят рабочая камера 1, соединенная с баллоном 2 сжиженного углекислого газа трубопроводом через привод высокого давления 3. Газовая полость баллона 2 соединена с баллонной станцией 4 инертного газа (аргона или азота). Баллонная станция состоит из нескольких стандартных 40 литровых баллонов. Полость рабочей камеры 1 соединена через предохранительный клапан 5 с баллоном 2 через дроссельную шайбу 6. Кроме того, газостат оснащен компрессором 7, на входе и выходе которого установлены теплообменники - холодильники 8 и 9. На линии трубопровода с холодильником 8 установлен дроссель 10 с регулируемой производительностью. Между холодильниками в линии трубопровода, установленной параллельно линии компрессора 7, смонтирован обратный клапан 11. На трубопроводах установлены вентили 12, 13, 14, 15, 16, 17 и резервный баллон 18 низкого давления.
3
3
Работа газостата осуществляется следующим образом. В исходном положении обрабатываемые заготовки загружают в рабочую камеру 1. Камеру закрывают. Сжиженный углекислый газ находится в баллоне 2 при температуре ниже 30°С, при которой давление газа в баллоне не превышает 7,4 МПа. Для облегчения подачи сжиженного углекислого газа в привод высокого давления 3, газовая полость баллона 2 соединена с баллонной станцией инертного газа 4, давление в которой превышает 7,4 МПа. Часть газа из баллонной станции 4 запускают в баллон 2 сжиженного углекислого газа, давление в газовой полости баллона 2 возрастает и сжиженный углекислый газ поступает в привод высокого давления 3, а из него через вентиль 12 в рабочую камеру. Для повышения производительности оборудования осуществляют горячую загрузку и выгрузку обрабатываемых заготовок. Перед подачей углекислого газа в рабочую камеру 1 вентили 13 и 17 закрывают. В результате нагрева в рабочей камере давление углекислого газа многократно возрастает. Так при подаче сжиженного углекислого газа при температуре 20°С и исходном давлении 10 МПа его плотность составляет 857 кг/м, а при температуре 500°С при том же давлении - 67,78 кг/м, т.е. объем газа по сравнению с жидкостью возрастает в 12,6 раза. Привод высокого давления обеспечивает повышение давления газа в рабочей камере газостата до 200 МПа. При достижении рабочего давления, датчик давления (на схеме не показан) дает команду на отключение привода высокого давления 3 и закрытие вентиля 12. В случае повышения давления свыше 200 МПа из-за нагрева газа, происходит сброс газа из рабочей камеры 1 в баллон 2 сжиженного углекислого газа через предохранительный клапан 5. Плавному сбросу давления способствует дроссельная шайба 6, установленная в линии сброса. Для предотвращения подачи нагретого газа в баллон 2 сжиженного углекислого газа, рабочий газ охлаждают в холодильнике 8. После закачки газа в рабочую камеру и завершения выдержки осуществляют сброс газа из рабочей камеры 1 газостата. Для этого открывают вентиль 13 и осуществляют транспорт газа через управляемый дроссель 10, обратный клапан 11 и холодильник 9 в баллон 2 сжиженного углекислого газа.
Дроссель 10 позволяет регулировать подачу углекислого газа и обеспечивает его охлаждение до температуры ~20°С. После выравнивания давлений в рабочей камере 1 и баллоне 2, открывают вентиль 14, включают компрессор 7 и производят откачку углекислого газа из рабочей камеры 1 в баллон 2. В конце откачки открывают вентиль 15, установленный перед резервным баллоном 18 и осуществляют дополнительный сброс газа из рабочей камеры 1 в резервный баллон 18. Вентиль 13 закрывают и остатки газа из рабочей камеры 1 сбрасывают в атмосферу через вентиль 17, а из резервного баллона 18 продолжают откачку газа компрессором 7 в баллон 2. После сброса газа рабочую камеру открывают и из нее извлекают обработанные изделия.
Как показывает практика газостатической обработки отливок из алюминиевого сплава АЛ 9 при температуре 460…500°С, давлении до 200 МПа и времени выдержки ~5 минут, удается получить из отливок с начальным размером пор до 1 мм отливки с размером пор до 0,1 мм, существенно повысить их пластичность и служебные характеристики. Благодаря горячей загрузке и выгрузке отливок, сокращению времени выдержки удается значительно сократить время газостатической обработки.
Предлагаемое изобретение снижает энергозатраты при эксплуатации и капитальные затраты при установке благодаря замене дорогостоящего криогенного оборудования на холодильное, повышает производительность газостатической обработки, за счет
- оснащения газостата баллоном сжиженного углекислого газа, соединенным с приводом высокого давления и баллонной станцией инертного газа, давление в которой выше давления в баллоне сжиженного углекислого газа;
- соединения сбросного трубопровода предохранительного клапана с баллоном сжиженного углекислого газа и установки дроссельной шайбы на его напорном трубопроводе;
- оснащения газостата резервным баллоном.