ГАЗОСТАТ
GAS-STATIC EXTRUDER

Изобретение относится к области создания оборудования для горячего изостатического прессования (ГИП) 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.
Цикл ГИП относительно других способов формования длительный, и в зависимости от технологии и применения время цикла составляет до 24 часов, а в ряде случаев и более.
Это время нужно для выполнения таких шагов, как вакуумирование и заполнение камеры газом, нагрев, фаза выдержки, 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, существенное время цикла ГИП занимает охлаждение рабочей камеры и заготовок. При этом теплоизоляция печной вставки должна быть выполнена так, чтобы обеспечить максимально равномерное распределение температуры в загрузочной камере. С другой стороны, она не должна быть слишком плотной, иначе охлаждение займет очень много времени, а это приведет к снижению производительности процесса ГИП. 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, а именно 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 ускоренного охлаждения, описанный в книге «Процессы и оборудование для газостатической обработки», Г.А. Кривонос, А.Д. Зверев, Л.Ю. Максимов, Москва, «Металлургия», 1994 г., стр.266. Газостат-аналог содержит устройство ускоренного охлаждения за счет естественной конвекции газа через встроенный в верхнюю пробку теплообменник и управляемые клапаны, расположенные в камере газостата.
Устройство для ускоренного 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, открывают которые 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 ускоренного 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 является газостат с устройством управляемого равномерного охлаждения фирмы «Pressure technology inc» (США), описанный в книге «Процессы и оборудование для газостатической обработки», Г.А.Кривонос, А.Д.Зверев, Л.Ю.Максимов, Москва, «Металлургия», 1994 г., стр.268, оснащенный клапанами, расположенными внутри камеры газостата, встроенным теплообменником и принудительной конвекцией газа.
Термоизоляционный колпак этого устройства установлен на опорной плите на нижней пробке газостата с верхней загрузкой. Верхняя пробка контейнера оснащена водоохлаждаемой плитой, в центре которой выполнена расточка. В расточке установлен теплоизолированный стакан. Рабочая нагревательная камера выполнена в виде стакана с двойными стенками и фланцем. Съемная крышка термоизоляционного колпака с помощью болтов крепится к фланцу стакана. В центральной части съемной крышки колпака выполнено отверстие, в котором установлен патрубок. Этот патрубок с зазором входит внутрь стакана водоохлаждаемой плиты верхней пробки контейнера.
Между нагревательной камерой и термоизоляционным колпаком установлен нагреватель, имеющий несколько зон по высоте. Снизу нагревательной камеры установлен донный нагреватель. На дне наружной стенки нагревательной камеры имеется патрубок, закрепленный в водоохлаждаемой плите донной термоизоляции. Во внутренней стенке нагревательной камеры предусмотрены отверстия. Пространство внутри нагревательной камеры через эти отверстия соединяется с пространством между ее стенками и далее через патрубок - с нагнетательной камерой центробежного насоса с регулируемым числом оборотов, установленного в нижней пробке контейнера.
В опорной плите нижней пробки предусмотрен газовый ввод, который через каналы в этой плите соединен с пространством между термоизоляционным колпаком и стенками контейнера. Через эти каналы в камеру газостата подается рабочий газ. В опорной плите нижней пробки установлены поршни с уплотнениями. Поршни закреплены в запорной кольцевой подпружиненной снизу плите. Подпоршневые полости в опорной плите соединены с отдельным газовым вводом. При отсутствии давления газа в подпоршневых полостях поршни под давлением газа в камере газостата перемещаются вниз вместе с запорной кольцевой плитой. В нижнем положении запорная кольцевая плита прижимается к медной кольцевой прокладке и перекрывает сообщение между газовым вводом камеры газостата и камерой всасывания центробежного насоса. Перед началом цикла охлаждения газовый ввод поршней соединяют с камерой газостата, и, когда давления сверху и снизу поршней выравниваются, запорная плита под действием пружин поднимается над кольцевой прокладкой и соединяет камеру всасывания центробежного насоса с пространством между термоизоляционным колпаком и стенками контейнера.
Напряжение к электродвигателю центробежного насоса подводится через токовводы нижней пробки. При включении электродвигателя центробежный насос нагнетает холодный газ из пространства между термоизоляционным колпаком и стенками контейнера через патрубок в пространство между стенками нагревательной камеры. Через отверстия во внутренней стенке холодный газ поступает в камеру и охлаждает заготовки. Форма, количество и расположение отверстий во внутренней стенке нагревательной камеры предотвращают переохлаждение заготовок, расположенных в нижней части камеры, и обеспечивают их равномерное охлаждение. Нагретый газ поступает в патрубок термоизоляционной крышки колпака и далее - в полость термоизолированного стакана водоохлаждаемой плиты верхней пробки. Далее газ через зазоры между патрубком и стаканом поступает в зазор между водоохлаждаемой плитой и крышкой термоизоляционного колпака, охлаждаясь, перемещается к стенкам контейнера и опускается вниз, поступая в камеру всасывания центробежного насоса.
При разогреве и выдержке заготовки, когда запорная плита прижата к медной прокладке, газовая ловушка в области термоизолированного стакана водоохлаждаемой плиты верхней пробки предотвращает попадание охлажденного газа в нагревательную камеру. Движение вверх газа, нагретого о наружные стенки колпака, предотвращается за счет газовой ловушки, выполненной в виде юбки на крышке колпака.
Преимуществами рассмотренной конструкции устройства для ускоренного охлаждения являются: возможность движения газа с достаточно высокой скоростью, несмотря на значительные сопротивления, а также возможность широкого регулирования скорости охлаждения за счет использования центробежного насоса с регулируемым числом оборотов. Недостатком устройства являются некоторые конструктивные трудности, связанные с размещением этого насоса внутри камеры газостата, а также уменьшение ее полезного объема.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительных, надежных газостатов для обработки изделий промышленного назначения из дискретных, сплошных материалов высоким (до 500 МПа) давлением газовой среды.
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, управляя работой соответствующей зоной нагревателя.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе равномерного ускоренного охлаждения в конце фазы выдержки начинается принудительная внутренняя циркуляция газа за счет стимулирования циркуляции эжекторами, расположенными в нижней части теплоизоляционного колпака. Для работы эжектора не нужны подвижные детали. Он приводится в действие газом под высоким давлением, создаваемым внешним компрессором. При этом компрессор работает по круговой схеме, т.е. отсасывает газ из контейнера и возвращает его обратно для привода эжектора. Внутри рабочего пространства эжектор всасывает газ за пределами теплоизоляции и перекачивает его в верхнюю часть контейнера. За счет высокой кинетической энергии газа возникает конвективный теплообмен. При этом холодный газ обладает большей плотностью, чем горячий, и впущенный газ остается преимущественно за теплоизоляционным колпаком.
Поток холодного газа постепенно опускается и все больше смешивается с горячим газом в загрузочной камере. Сверху теплоизоляция закрыта герметично, а снизу в ней находятся боковые щели, образующие эжекторы, которые способствуют смешиванию горячего газа из рабочей зоны и холодного газа нижней части контейнера.
Поскольку сверху подается газ, снизу принудительно должно отходить такое же количество газа. Однако этот горячий газ не попадает прямо на стенку контейнера, а смешивается в промежуточной полости теплоизоляционного колпака сначала с холодным газом, а затем дальше охлаждается при перемещении по этой полости в верхнюю часть теплоизоляционного колпака, прежде чем выйти к охлаждаемой стенке контейнера. В донной зоне контейнера охлажденный таким методом газ снова всасывается эжектором, и вследствие этого поддерживается циркуляция. Описанную систему быстрого 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.
Рабочая 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.
Конструкция предлагаемого газостата представлена следующими чертежами, где
- на фигуре 1 показан собственно газостат с разрезом рабочей камеры и системой ускоренного охлаждения;
- на фигуре 2 представлена печная вставка в разрезе;
- на фигуре 3 представлено место А по печной вставке;
- на фигуре 4 в качестве информационного материала показана система ускоренного охлаждения газостата, выбранного в качестве прототипа.
Газостат (фиг.1) содержит силовую станину 1, контейнер 2, закрытый по торцам верхней 3 и нижней 4 пробками, печную вставку с системой ускоренного охлаждения 5, а также газовую систему 6. Газовая система позволяет компрессору высокого давления 7 работать как в режиме нагнетания в контейнер, так и в режиме всасывания из контейнера газостата.
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. Силовая рама устанавливается на ось контейнера. Затем контейнер заполняется рабочим газом, поступающим из баллонной станции газовой системы (не показано), до выравнивания давления в них. После чего газ подается компрессором с регулируемой производительностью в контейнер 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 рабочая камера с заготовкой охлаждаются. Для равномерного ускоренного охлаждения рабочей камеры включается компрессор по круговой системе, для нагнетания холодного газа непосредственно в рабочую камеру. Поскольку сверху подается газ, снизу принудительно должно отходить такое же количество газа. Однако этот горячий газ не попадает прямо на стенку резервуара, а смешивается в промежуточной полости теплоизоляционного колпака сначала с холодным газом, а затем дальше охлаждается при перемещении по этой полости в верхнюю часть теплоизоляционного колпака, прежде чем выйти к охлаждаемой стенке контейнера. В донной зоне контейнера охлажденный таким методом газ снова всасывается эжекторами 8, подается в промежуточную полость, и вследствие этого поддерживается принудительная циркуляция газа.
Охлажденный газ, через систему запорных клапанов газовой системы, сбрасывается самотеком, а затем откачивается компрессором в баллонную станцию (не показаны). Контейнер 2 соединяется с атмосферой, силовая рама 1 сдвигается с оси контейнера, 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:
- за счет использования в системе быстрого охлаждения полости с эжекторами, расположенными в нижней цилиндрической части теплоизоляционного колпака;
- в результате подачи холодного газа в верхней части рабочей камеры;
- путем выполнения эжекторов по всему периметру полости охлаждения;
- улучшить ремонтопригодность и условия обслуживания газостата за счет отсутствия подвижных частей в системе быстрого охлаждения;
- повысить производительность газостата (в 5…6 раз), в результате сокращения времени рабочего цикла при равномерном быстром охлаждении рабочего пространства и обрабатываемых изделий со скоростью до 100°С/мин.