ДВУХКАМЕРНЫЙ ГАЗОСТАТ
TWO-CHAMBER GASOSTATIC EXTRUDER

Изобретение относится к оборудованию для обработки материалов в реакционной газовой среде при одновременном воздействии на них высоких до 500 МПа давлении и температуры до 500°С, создаваемых в рабочей камере газостата.
Традиционная газостатическая обработка дискретных и монолитных материалов проводится при давлениях, не превышающих 200 МПа и температурах 2000°С.
Развитие нанотехнологий потребовало увеличения рабочих давлений газостатов до 500 МПа, а в некоторых случаях до значительно более высоких. Сегодня газостатическое спрессовывание металлических, керамических и композиционных нанопорошков является наиболее эффективным и перспективным технологическим процессом получения из них изделий промышленного потребления 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. Вначале в качестве рабочей среды при газостатической обработке традиционно использовались только инертные газы, такие как аргон, азот и гелий. Однако при бескапсульной обработке некоторых материалов возникла необходимость применения газовых рабочих сред, оказывающих на заготовку химическое (реакционное) влияние.
В качестве реакционной среды используются газы, например кислород, водород и другие, добавляющие химически активное воздействие на изделие к традиционным факторам процесса: давлению, температуре и времени компактирования заготовки в среде нейтральных газов.
Применение кислородной атмосферы в качестве рабочей среды при температуре 1000°С и давлении 70 МПа позволяет получить высококачественные кремневые изделия, успешно применяемые в интегральных схемах электронной техники. Увеличение давления до 500 МПа обеспечивает повышение скорости образования окислов кремния при более низких температурах по сравнению с технологией получения таких изделий при указанных выше параметрах, улучшает их качество и делает технологический процесс более производительным. Снижение температуры технологического процесса также облегчает создание надежной конструкции рабочей камеры газостата.
Водород в газостате применяется в качестве восстановительной среды при обработке изделий из металлических и композиционных порошков. Развитие высоких технологий сегодня требует создания газостатов с рабочим давлением водорода до 500 МПа, применяемых для насыщения различных материалов водородом и использования его в качестве источника энергии при освобождении в дальнейшем, глубокого азотирования материалов азотоводородной смесью, приготовления образцов конденсированного водорода необходимой чистоты с заданными термодинамическими параметрами (давлением и температурой) и т.д.
Аналогом изобретения является газостат, описанный в проспекте фирмы ASEA (Швеция) AQ 20-100R «Изостатические прессы и порошковая металлургия», 1983 г., стр.3-4 (прилагаются). Рабочая камера газостата-аналога содержит контейнер, закрытый по торцам верхней и нижней крышками. 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. Все полости рабочей камеры сообщены друг с другом, т.е. их рабочая среда однородна, а давление в них в процессе выполнения рабочего цикла одинаково.
В качестве рабочей среды таких газостатов используются нейтральные газы (аргон, азот или гелий), не оказывающие негативного разрушающего воздействия на компоненты рабочей камеры. Недостатком газостата-аналога является невозможность его использования для обработки материалов в реакционной рабочей среде, поскольку во время рабочего цикла она будет воздействовать не только на заготовку, но и на компоненты рабочей камеры: контейнер, пробки, нагреватель и термоизоляцию, разрушая их в результате возникновения водородной хрупкости или интенсивного окисления материалов в кислородной среде.
Прототипом заявляемого изобретения является двухкамерный газостат, описанный в книге «Процессы и оборудование для газостатической обработки», изд. Москва, «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1994, стр.288. Газостат содержит однослойный контейнер, втулка которого скреплена бандажом проволоки. По торцам контейнер закрыт верхней и нижними пробками, образующими внутреннее пространство рабочей камеры и передающими осевое усилие рабочей среды на силовую станину машины. Охлаждающая жидкость в данном случае подается непосредственно в намотку (бандаж) контейнера, что приводит к коррозии проволоки бандажа и втулки, а следовательно, к выходу контейнера из строя. Фирма ASEA изготавливает контейнеры такой конструкции, как правило, для газостатов с рабочим давлением, не превышающим 200 МПа.
Оболочка, отделяющая внутреннюю камеру от наружной, установлена на промежуточной нижней пробке. Внутри разделяющей оболочки располагается обрабатываемая заготовка. Вне оболочки, в объеме наружной камеры, установлены нагреватель и термоизоляционный колпак. Наружная камера соединена с источником инертной, а внутренняя - с источником реакционной газовых сред. В системе сравнения давлений наружной и внутренней камер применены металлические мембраны (диафрагмы) и микровыключатели, в результате чего система обладает низкими чувствительностью и точностью.
Недостатком газостата-прототипа является использование однослойного контейнера с подачей охлаждающей жидкости непосредственно в его намотку, что может привести к коррозии и осколочному разрушению элементов контейнера, содержащего значительный запас энергии сжатого газа. Такая конструкция контейнера становится еще менее надежной при использовании рабочих давлений, близких к 500 МПа.
Описанная система поддержания разности давлений построена на элементах, не обладающих характеристиками, необходимыми для обеспечения непрерывного гибкого регулирования технологических параметров рабочего цикла с заданной точностью, не позволяет контролировать заданный перепад давлений на стадии подъема температуры во внутренней камере, выдержке обрабатываемого изделия на стационарном режиме (при постоянных давлении и температуре) и сбросе давления в контейнере.
Задачей настоящего изобретения является устранение упомянутых недостатков аналога и прототипа и создание надежного двухкамерного газостата с повышенным (до 500 МПа) рабочим давлением и температурой до 500°С при использовании газообразного водорода в качестве реакционной рабочей среды внутренней камеры, а среды наружной камеры - газообразного азота.
Технический результат достигается возможностью обработки материалов при повышенных давления в атмосфере водорода, исключением воздействия водорода на силовые детали контейнера (втулки, обмотку, пробки и др.), вызывающего их охрупчивание и разрушение с мгновенным высвобождением энергии сжатого водорода, и образованием взрывоопасной гремучей смеси, снижением металлоемкости контейнера и силовой станины.
Выполнение поставленной задачи и достигаемый при этом технический результат обеспечивается тем, что в полостях рабочей камеры установлена тонкостенная герметичная перегородка, при этом давление нейтральной среды наружной камеры больше давления реакционной рабочей среды внутренней камеры, а также система управления оснащена устройством синхронизации давления в полостях рабочей камеры, выполненным в виде трех датчиков, соединенных между собой и с процессором системы управления, взаимодействующих со средами полостей рабочей камеры газостата, тонкостенная разделительная перегородка выполнена из нержавеющей стали, а на поверхность внутренней втулки и торцевые поверхности верхней и нижней пробок нанесены медные покрытия.
В предлагаемой конструкции газостата его внутренняя камера надежно отделена от наружной разделяющей оболочкой, а необходимый перепад давления между ними поддерживается системой автоматического управления, оснащенной современными измерительными средствами и программным обеспечением, позволяющими осуществлять непрерывный контроль и регулирование давления газов в обеих камерах.
Предложенная конструкция рабочей камеры газостата позволяет использовать в качестве материала его втулок, не подверженных воздействию водорода, поковки из традиционный высокопрочных легированных сталей, а не из нержавеющих марок сталей аустенитного класса, которые не боятся водородного охрупчивания, но обладают значительно более низкой прочностью.
Конструкция двухкамерного газостата приведена на чертеже, где предлагаемый газостат показан в разрезе.
Двухкамерный газостат содержит собственно газостат 1, газовую систему инертной среды 2, газовую систему реакционной среды 3 и систему управления 4, обеспечивающую поддержание заданного перепада давлений между наружной и внутренней камерами газостата.
Собственно газостат состоит из силовой станины 5, воспринимающей осевое усилие рабочей среды, передаваемое пробками. Станина выполнена в виде верхнего 6 и нижнего 7 полуцилиндрических ригелей, а также расположенных между ними двух стоек 8. Контейнер 9 газостата 1 состоит из трех посаженных друг на друга с расчетным натягом втулок 10, 11, 12 перед намоткой бандажа высокопрочной ленты 13, дополнительно сжимающего блок предварительно собранных втулок 10, 11, 12 в процессе намотки, верхнего 14 и нижнего 15 фланцев, ограничивающих смещение бандажа в осевом направлении, и кожуха 16, прикрепленного к фланцам 14 и 15 и закрывающего снаружи элементы контейнера 9. На наружной поверхности средней втулки 11 выполнены многозаходные каналы 17 для охлаждающей жидкости.
По торцам контейнер 9 закрыт верхней 18 и нижней 19 водоохлаждаемыми пробками, оснащенными уплотнениями 20, с помощью которых герметизируется рабочая камера газостата, образованная поверхностью внутренней втулки 10 и внутренними торцевыми поверхностями обеих пробок 18, 19. На упомянутые поверхности нанесено медное покрытие, защищающее втулку 10 и пробки 18, 19 контейнера от охрупчивания, в случае аварийного выхода водорода в объем наружной камеры. Известно, что медное покрытие эффективно препятствует возникновению водородного охрупчивания материалов, работающих при температурах, не превышающих 400°С. Температура на поверхностях внутренней втулки и пробок контейнера по расчету и условиям эксплуатации машины не превышает 80-100°С.
Границей между внутренней и наружной камерами служит разделительная герметичная перегородка 21, изготовленная, в случае использования в качестве реакционной среды водорода, из нержавеющей стали и герметизирующая внутреннюю камеру с помощью уплотнения 22, установленного на нижней пробке 19. Во внутренней камере на термоизоляционной подставке 23 устанавливается обрабатываемая заготовка 24. В наружной камере расположены термоизоляция 25 с токоподводами 26 и нагревателем 27, закрепленными на верхней пробке 18.
Нейтральная среда, в данном случае азот, подается в наружную камеру по каналу 28, а реакционная среда - во внутреннюю камеру по каналу 29, выполненных в нижней пробке 19.
Газовая система инертной среды содержит компрессорную установку 30, как правило, состоящую из двух последовательно включенных компрессоров. Первый поднимает давление до 100 МПа, второй от 100 МПа до максимальной величины рабочего давления газостата 500 МПа. Необходимые для осуществления рабочего цикла потоки инертной газовой среды, заключенной в баллонной станции 31, осуществляются с помощью задорно-регулирующих управляемых клапанов 32, 33, 34, 35, 36 и дросселя 37.
Газовая система реакционной среды, выполняющая аналогичные функции, состоит из компрессорной установки 38, водородной баллонной станции 39, запорно-регулирующих управляемых клапанов 40, 41, 42, 43, 44 и дросселя 45.
В систему управления, создающую и контролирующую величину заданного перепада давлений между наружной и внутренней камерами, входят микропроцессорные датчики избыточного давления 46 и 47, дифференциальный датчик 48 и система автоматизированного управления 49, включающая процессор и программное обеспечение. Используемая комбинация датчиков избыточного давления ДИ1(46) и ДИ2(47) с дифференциальным датчиком ДД(48) позволяет существенно повысить безопасность и надежность работы газостата, расширив и обеспечив возможность управления технологическими параметрами рабочего цикла даже при выходе из строя любого из них. Так, при отказе датчика ДИ1 управление давлением в наружной камере осуществляется по вычисленному значению ДИ1=ДИ2+ДД. Аналогично при выходе из строя датчика ДИ2 контроль давления во внутренней камере выполняется по вычисленному значению ДИ2=ДИ1-ДД. В случае поломки дифференциального датчика ДД синхронное управление давлением в обеих камерах газостата выполняется по вычисленному значению ДД=ДИ1-ДИ2. Поскольку разница ДИ1-ДИ2 всегда вычисляется и сравнивается со значением ДД дифференциального датчика, то статическая ошибка известна, а точность измерения при его поломке не теряется. Применение современных датчиков давления повышенной точности позволяется контролировать перепад давлений в камерах в пределах 1 МПа, при этом появляется возможность создания разделительной перегородки меньшей металлоемкости и упрощенной конструкции, надежно работающей при таком (минимальном) перепаде давлений.
Работа газостата осуществляется следующим образом.
Силовая станина 5 с помощью вспомогательного гидроцилиндра сдвинута с оси контейнера 9, освободив таким образом доступ к верхней пробке 18. Пробка 18 вместе с термоизоляцией 25 и нагревателем 27 извлекаются из контейнера 9 вверх. Затем с нижней пробки 19 снимается разделительная перегородка 21. На термоизоляционную подставку 23 устанавливается заготовка 24, затем в рабочее положение возвращается перегородка 21, верхняя пробка 18 со смонтированными на ней термоизоляцией 25 и нагревателем 27. Силовая станина 5 надвигается и фиксируется на оси контейнера 9 для выполнения основных операций рабочего цикла.
Далее открывается клапан 33, и через регулируемый дроссель 37 инертный газ (азот) из баллонной станции 31 самотеком поступает в наружную камеру. Предлагаемая схема работы газовой системы газостата предусмаривает превышение давления инертного газа в наружной камере над давлением реакционной среды во внутренней в течение всего времени проведения рабочего цикла. При превышении заданной величины разности давлений в камерах газостата ΔРз (1 МПа) на величину порога Δ (0,5 МПа), т.е. ΔР>ΔРз+Δ по сигналу дифференциального датчика давления ДД откроется клапан 41 и реакционная среда (водород) будет самотеком поступать из баллонной станции 39 через дроссель 45 во внутреннюю камеру. Если разность давлений снизится до величины ΔР<ΔРз-Δ, клапан 41 закроется, а подача инертного газа в наружную камеру будет продолжаться. Описанная последовательность работы газовой системы и системы управления будет продолжаться до выравнивания давлений в баллонной станции 31 и наружной камере газостата, после чего клапаны 33 и 41 закрываются.
В дальнейшем подъем давления в контейнере выполняется компрессорами 30 и 38. Открываются клапаны 32 и 36, включается компрессор 30, и инертный газ из баллонной станции 31 закачивается в наружную камеру. При достижении соотношения давлений в камерах, описываемого выражением ΔР>ΔРз+Δ, открываются клапаны 43 и 44, включается компрессор 38 и реакционная среда подается компрессором во внутреннюю камеру. При совместной работе компрессоров достигается состояние, описываемое выражением ΔР<ΔРз-Δ, при котором компрессор 38 останавливается, а клапаны 43 и 44 закрываются. Изложенная последовательность работы системы продолжается до подъема давления во внутренней камере до величины исходного, при этом компрессоры 30 и 38 останавливаются, а клапаны 32, 36 и 43, 44 закрываются.
Затем во внутренней камере создается заданная температура с помощью системы нагрева. Поскольку нагреватель 27 расположен в наружной камере, то рост давления инертной среды будет опережать рост давления реакционной среды во внутренней камере. В связи с этим заданный перепад давления ΔРз будет обеспечиваться за счет периодического включения компрессора 38 и открытия клапанов 43 и 44 при ΔР>ΔРз+Δ или отключения компрессора 38 и закрытия клапанов 43 и 44 при ΔР<ΔРз-Δ. Если с помощью компрессора 38 не удается обеспечить заданный перепад давлений, система управления автоматически уменьшает скорость нагрева при продолжающем работать компрессоре или открывается клапан 33 и нейтральный газ небольшими порциями сбрасывается через дроссель 37 в баллонную станцию 31.
После достижения технологически необходимых давления и температуры во внутренней камере газостата заготовка 24 выдерживается при этих параметрах в течение заданного времени. Далее рабочая камера охлаждается путем снижения мощности системы нагрева. Нейтральный газ наружной камеры охлаждается быстрее, чем реакционная среда внутренней камера, поскольку он соприкасается с водоохлаждаемыми стенками втулок 10, 11, 12 контейнера 9 и торцами пробок 18, 19. Для поддержания заданного перепада давлений реакционная среда сбрасывается из контейнера в баллонную станцию 39 через дроссель 45 и периодически открывающийся клапан 41. После полного отключения системы нагрева синхронный сброс давления из обеих камер с заданным перепадом давления в них осуществляется периодическим дросселированным сбросом обеих сред в соответствующую баллонную станцию через дроссели 37 и 45 при открывании клапанов 33 и 41 соответственно.
После выравнивания давлений во внутренней камере и баллонной станции 39 синхронное откачивание обеих сред из контейнера 9 в соответствующие баллонные станции с заданным перепадом давлений осуществляется компрессорами 30 и 38 при открывании клапанов 34, 35 и 40, 42 соответственно по алгоритму, используемому в операции подъема давления в контейнере компрессорами, описанному выше. Остатки газа из обеих камер сбрасываются в атмосферу. Силовая станина 5 смещается с оси контейнера 9 гидроцилиндром, верхняя пробка 18 вместе с термоизоляцией 25 и нагревателем 27 извлекаются из контейнера 9, а затем с уплотнения 22 нижней пробки 19 снимается разделительная перегородка 21 и из контейнера удаляется обработанное изделие (24). После чего рабочий цикл повторяется.
Установка в полостях рабочей камеры тонкостенной герметичной перегородки при давлении нейтральной среды наружной камеры больше давления реакционной рабочей среды внутренней камеры, а также оснащение системы управления устройством синхронизации давления в полостях рабочей камеры, выполненным в виде трех датчиков, соединенных между собой и с процессором системы управления, взаимодействующих со средами полостей рабочей камеры газостата, и выполнение тонкостенной разделительной перегородки из нержавеющей стали при нанесении на поверхность внутренней втулки и торцевые поверхности верхней и нижней пробок медных покрытий позволяют повысить надежность работы двухкамерного газостата:
- путем создания необходимого перепада давления между полостями рабочей камеры;
- в результате отсутствия водородного охрупчивания поверхностей элементов газостата, контактирующих с реакционной средой;
- за счет обеспечения заданной программы рабочего цикла системой автоматического управления с современными измерительными приборами и процессором;
- в результате разделения полостей рабочей камеры тонкостенной герметичной перегородкой;
- в результате отсутствия коррозии на элементах рабочей камеры газостата,
а также расширить технологические возможности путем создания рабочих циклов с давлением до 500 МПа.