ГАЗОСТАТ
GAS-STATIC EXTRUDER

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к оборудованию для обработки изделий промышленного назначения из дискретных и сплошных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких давлений и температур, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата.
К основным компонентам газостата относят собственно газостат, содержащий силовую станину, контейнер с верхней и нижней пробками; газовую и вакуумную системы, обеспечивающие необходимые технологические параметры газовой среды в рабочей камере; системы нагрева, охлаждения и управления. Эффективность работы газостата зависит, главным образом, от надежности и производительности его главной газовой системы. В свою очередь, качественный уровень ее работы определяется проходными сечениями трубопровода, по которым газ из баллонной станции поступает самотеком в контейнер и сбрасывается из него в баллоны, а также сечением запорной аппаратуры, установленной на трубопроводе, и производительностью используемых газовых компрессоров, создающих в контейнере газостата необходимое давление и откачивающих газ из контейнера в баллоны по окончании рабочего цикла с целью его многократного использования.
Аналогом изобретения является газостат, описанный в книге «Процессы и оборудование для газостатической обработки», Москва,  «Металлургия», 1994 г., стр.110. Газостат (аналог) содержит газовую и вакуумные системы, собственно газостат с системами нагрева, охлаждения и управления, а также гидропривод.
Газовая система аналога включает газобаллонную станцию, компрессор, контрольно-измерительную аппаратуру, трубопроводы и запорно-регулирующую аппаратуру высокого давления (запорные вентили с ручным управлением). Выполнение стандартных технологических операций газостатического спрессовывания, таких как:
- вакуумирование рабочей камеры,
- заполнение ее рабочим газом из баллонов самотеком,
- подъем давления в камере с помощью компрессора,
- сброс газа из контейнера в баллоны самотеком по окончании рабочего цикла с последующим откачиванием газа компрессором,
- сообщение внутреннего пространства рабочей камеры с атмосферой, требует использования от 15 до 20 запорных клапанов, устанавливаемых на газовом трубопроводе высокого давления.
Недостатком аналога является наличие в газовой системе машины трубопровода и соединений высокого давления, а также нескольких (от 4 до 6) ручных вентилей или запорных клапанов с пневматическим управлением, отсекающих рабочую камеру от остальной разветвленной газовой системы, подверженных в процессе длительной выдержки изделия при заданных технологических параметрах максимальному давлению газа. Другой недостаток газостата-аналога заключается в том, что упомянутый трубопровод, выполненный из выпускаемых промышленностью толстостенных стальных труб малого диаметра, и установленная на нем запорная аппаратура высокого давления имеют небольшое условное сечение с диаметром от 2 до 5 мм, создающее значительное сопротивление транспортированию по нему рабочей среды при выполнении технологических операций рабочего цикла. Указанные факторы снижают надежность и производительность газостата, увеличивают время технологического цикла и приводят к удорожанию выпускаемой продукции.
Прототипом заявляемого изобретения является газостат, описанный в проспекте фирмы CERAMIC, RUSSIA, «Isostatic Presses and System of XXI Century», выпуск 2004 г. Газостат содержит контейнер, закрытый по торцам верхней и нижней пробками, силовую станину, газобалонную систему, системы нагрева и охлаждения, систему управления и гидропривод.
Газовая система прототипа содержит баллонную станцию, последовательно соединенные мембранный компрессор низкого давления (СМ) и газовый мультипликатор высокого давлений (IN), вакуумную установку (VP 1), контрольно-измерительную аппаратуру и индивидуальные газовые запорные клапаны (HV1…HV10), установленные на трубопроводе газовой системы. Газостат-прототип обладает тем же недостатком, что и аналог, связанным с использованием запорных клапанов с небольшим условным проходом (Ду5 мм), установленных на трубопроводе высокого давления с аналогичным условным проходом и оказывающих негативное влияние на производительность газостата. Использование в качестве источника высокого давления двух последовательно работающих компрессоров различной производительности усложняет конструкцию машины и снижает ее надежность. Максимальное давление нагнетания компрессора низкого давления с эластичными мембранами составляет 30 МПа. Двухступенчатый компрессор высокого давления выполнен в виде поршневого газового мультипликатора с давлением нагнетания первой ступени 100 МПа и второй - 200 МПа. Отсутствие устройства синхронизации производительности компрессоров при их последовательном включении приводит к перегрузке и досрочному выходу из строя эластичных (резиновых) мембран, а также всасывающего и нагнетательного клапанов мембранного блока.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительных, надежных промышленных газостатов с большим объемом рабочей камеры для обработки изделий промышленного назначения из дискретных и сплошных материалов.
Технический результат достигается:
- увеличением условных сечений трубопровода газовой системы и установленной на нем запорной аппаратуры;
- исключением газового трубопровода высокого давления и его соединений из газовой системы машины;
- использованием в составе газовой системы одного газового компрессора низкого давления и одного запорного клапана, нагружаемого максимальным давлением газа;
- уменьшением времени выполнения стандартных операций газовой системы;
- созданием эффективной газовой системы промышленного газостата;
- повышением производительности промышленного газостата;
- снижением стоимости выпускаемой продукции.
Получение технического результата обеспечивается тем, что трубопровод газовой системы имеет увеличенный условный проход; входной запорный клапан газовой системы с увеличенным условным проходом (до Ду 15) и газовым цилиндром разгрузки установлен на верхней пробке, при этом высокое давление локализуется в пределах газового ввода массивной верхней пробки контейнера и подклапанной полости входного клапана; разветвленный газовый трубопровод, не нагруженный высоким давлением и соединяющий все компоненты газовой системы между собой и с надклапанной полостью входного клапана, выполнен с увеличенным условным сечением; для создания необходимого начального давления в контейнере газостата используется только один компрессор низкого давления.
Конструкция предлагаемого газостата приведена на фиг.1, где показан фрагмент газовой системы с разрезом рабочей камеры.
На фиг.2, в качестве информационного материала, приведены газовая система, системы вакуумирования и охлаждения газостата, выбранного в качестве прототипа.
Газостат (фиг.1) содержит силовую станину 1, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 2, контейнер 3, закрытый по торцам верхней 4 и нижней 5 пробками, и газовую систему 6. На фиг.1 представлен фрагмент газовой системы промышленного газостата, достаточный для разъяснения сущности изобретения. Внутри контейнера 3 располагается термоизоляционный колпак 7 и нагреватель 8, закрепленные на верхней пробке 4, а также обрабатываемая заготовка 9, установленная на нижней пробке 5. Газовая система 6 состоит из газобаллонной станции 10, компрессора 11, унифицированных нормально-закрытых клапанов с увеличенным условным сечением 12, 13, 14, 15, 16 и 17, соединенных между собой и с другими компонентами системы газовым трубопроводом низкого давления 18. Газовые клапаны - прямого действия, т.е. их закрытие осуществляется с помощью пружин сжатия. Создание клапанов такой конструкции, также как и трубопроводов с увеличенным условным проходом (до Ду 15), не является сложной проблемой. Максимальное давление нагнетания компрессора низкого давления 11 в данном случае значительно меньше рабочего давления цикла и равно «начальному давлению», определяемому расчетным путем. За величину «начального» принимают давление, которое необходимо создать в контейнере перед началом разогрева рабочего пространства с заготовкой. В процессе разогрева заготовки до технологически необходимой температуры давление в контейнере растет, достигая заданного давления рабочего цикла. Практика эксплуатации промышленных газостатов, подтверждая корректность методики расчета, показывает, что для достижения рабочих давлений цикла 180-200 МПа при разогреве рабочего пространства камеры до 1300 - 1500°С величина «начального давления» составляет 45-55 МПа. Следовательно, максимальное рабочее давление компрессора 11, трубопровода 18 и клапанов 12, 13, 14, 15, 16 и 17 не превышает величины указанного давления.
Входной запорный клапан газовой системы с увеличенным условным сечением 19 установлен на верхней пробке 4. Его подклапанная полость 20 соединена посредством газового ввода 21 верхней пробки с рабочим пространством камеры, а с помощью капилляра 22 с газовым цилиндром разгрузки 23. На этой же линии установлен манометр 24, фиксирующий величину фактического давления в контейнере. Надклапанная полость 25 клапана 19 соединена с другими компонентами газовой системы с увеличенным условным сечением, работающими при низком давлении рабочей среды.
Газостат работает следующим образом. В исходном положении силовая станина 1 сдвинута (влево) с оси контейнера 3. На нижнюю пробку 5, находящуюся в положении загрузки, устанавливают заготовку 9 и вводят ее в контейнер. Силовая станина устанавливается на оси контейнера. Через открытые клапаны 12, 16 и 19 газ из газобаллонной станции 10 поступает самотеком в контейнер 3 до выравнивания в них давления. Клапан 12 закрывается, а через открытые клапаны 13, 16, 17 и 19 компрессор 11 закачивает газ из газобаллонной станции 10 в контейнер до величины «начального давления». Включается система нагрева, разогревая заготовку до заданной температуры рабочего цикла, при этом давление достигает технологически необходимой величины. При заданных температуре и давлении заготовка выдерживается в течение определенного времени. Далее рабочее пространство с газовой средой и заготовкой охлаждаются. Открываются клапаны 12, 16 и 19, и газ самотеком перетекает из контейнера в баллоны. Открываются клапаны 12, 13, 14 и 19, включается компрессор 11, откачивая газ из контейнера в газобаллонную станцию. Затем оставшийся в контейнере газ выпускается в газобаллонную станцию низкого давления (не показана) или в атмосферу через открытые клапаны 15, 17 и 19. Силовая станина сдвигается с оси контейнера, нижняя пробка извлекается из контейнера, спрессованная заготовка снимается с нее, и цикл повторяется.
Таким образом, установка запорного клапана высокого давления с увеличенным условным сечением на верхней пробке, подклапанная полость которого соединена с газовым вводом верхней пробки и связана с остальными элементами газовой системы, а также выполнение газового входа верхней пробки и трубопровода газовой системы с увеличенным условным сечением и соединение компрессора низкого давления трубопроводами низкого давления с надклапанной полостью входного запорного клапана газовой системы и газобалонной станцией позволяет:
- уменьшить время выполнения стандартных операций газовой системы и общее время рабочего цикла за счет увеличения условного сечения запорной аппаратуры и газового трубопровода системы;
- исключить газовый трубопровод высокого давления и его соединений за счет установки входного запорного клапана газовой системы с увеличенным условным сечением непосредственно на верхней пробке;
- использовать для создания начального давления в контейнере один компрессор низкого давления;
- повысить производительность газостата за счет сокращения времени цикла;
- повысить надежность работы газостата за счет использования компрессора низкого давления.