ДВУХКАМЕРНЫЙ ГАЗОСТАТ
TWO-CHAMBER GASOSTATIC EXTRUDER

Изобретение относится к области создания оборудования для обработки изделий промышленного назначения из дискретных и сплошных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 2500 МПа давлений и температур до 2300°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата.
Работоспособность и металлоемкость газостатов в большой степени определяется конструкцией узлов высокого давления - контейнеров. При создании узлов высокого давления используют различные конструкции: работающие в упругой области, монолитные автофретированные, многослойные, скрепленные обмоткой и скрепленные с разрезными втулками.
мах
Узлы высокого давления, выполненные в виде монолитных цилиндров, работающих в упругой области, наиболее просты по конструкции. Однако наибольшее давление Р, допустимое для такого цилиндра, не может превышать половины предела текучести. При реально встречающихся на практике соотношениях размеров
т
где σ - предел текучести материала.
При создании газостатов во избежание аварийных ситуаций узел высокого давления должен обладать достаточным запасом прочности, что исключает работу с напряжениями, близкими к пределу текучести. Малая эффективность использования монолитного контейнера связана с резкой неравномерностью распределения напряжений от рабочего давления, внутренние слои нагружаются сильно, наружные практически не включаются в работу. Эту проблему можно решать с помощью автофретирования или используя многослойные и скрепленные конструкции. В этих случаях максимальное рабочее давление в контейнере может составлять
т
Современные высокопрочные легированные стали имеют предел текучести σ=2000 МПа, поэтому максимальное рабочее давление в контейнерах, выполненных многослойными, автофретированными или скрепленными высокопрочной лентой, может достигать не более 4000МПа. Учитывая запас прочности, на практике максимальное давление в контейнере должно быть ограничено значениями 2000…2500 МПа.
Для решения этих задач предлагается двухкамерный газостат, в котором контейнер содержит две независимые полости с независимо создаваемым высоким давлением, а суммарное усилие от этих давлений передается на безрезьбовые пробки, которые удерживаются силовой рамой.
Аналогом изобретения является двухкамерный газостат, описанный в книге «Процессы и оборудование для газостатической обработки», М.: «Металлургия», 1994 г., стр.288. Газостат-аналог содержит контейнер, станину (силовую раму), на которую опираются гладкие верхняя и нижняя пробки, печную вставку с нагревателем и теплоизоляционным колпаком, разделительную герметичную оболочку, образующую внутреннюю камеру газостата, в которую помещается заготовка. Два газовых подвода соединяют два источника давления с внутренней камерой и контейнером газостата. Устройство сравнения давления обеспечивает контроль давлений в камерах газостата. Разделительная оболочка выполнена тонкостенной и ее прочностные свойства позволяют выдерживать перепад давления ±1…2 МПа.
Недостатком аналога является то, что разделительная оболочка предназначена только для разделения газовых сред, не несет силовую нагрузку и требует точного поддержания минимальной разности давлений по обе стороны от оболочки.
Прототипом изобретения является двухкамерный газостат, описанный в патенте RU 2393058 С2 (заявка 2008134203, приоритет 22 августа 2008 г., зарегистрирован 27 июля 2010 г.).
Газостат-прототип содержит силовую станину, контейнер с верхней и нижней пробками, образующими рабочую камеру, перегородку, разделяющую рабочую камеру на наружную камеру с нейтральной средой и внутреннюю камеру с реакционной рабочей средой, системы источников инертной и рабочей реакционной сред с запорными клапанами, соединенными с источниками давления, системы нагрева и управления. При этом контейнер выполнен в виде блока из трех втулок с каналами для охлаждающей жидкости, выполненными на наружной поверхности средней втулки, установленных с натягом, скрепленных бандажом из высокопрочной ленты, размещенной на наружной поверхности блока втулок. На поверхность внутренней втулки и торцевые поверхности верхней и нижней пробок нанесено медное покрытие. Перегородка выполнена тонкостенной и герметичной. Система управления выполнена с возможностью обеспечения давления нейтральной среды в наружной камере больше давления реакционной рабочей среды во внутренней камере, а также оснащена устройством синхронизации давления в наружной и внутренней камерах, выполненным в виде трех датчиков, соединенных между собой и с процессором системы управления.
Преимуществами такой конструкции являются ее простота, возможность работы с широким спектром реакционных газов.
Недостатками конструкции являются:
- ограничение рабочего давления в обеих камерах газостата;
- необходимость точного контроля давления в камерах и обеспечение конструктивно заданной разности давлений, чтобы не разрушить тонкостенную перегородку.
Задачей предлагаемого изобретения является создание надежного двухкамерного газостата для обработки изделий промышленного назначения из дискретных и сплошных материалов высоким (до 3000 МПа) давлением газовой среды.
Задача решается тем, что двухкамерный газостат содержит силовую станину и контейнер, закрытый по торцам верхней и нижней пробками и соединенный с газовой системой, содержащий источники давления. Контейнер снабжен перегородкой, разделяющей его на внешнюю и внутреннюю рабочую камеру с образованием отдельных герметичных полостей, закрытых верхней и нижней пробками. Во внутренней рабочей камере размещены нагреватель и теплоизоляционный колпак, перегородка выполнена с возможностью охлаждения, а каждая из внешних и внутренних рабочих камер соединена со своим источником давления.
Перегородка может быть выполнена многовтулочной для возможности компенсации напряжений от воздействия на нее давления, создаваемого во внешней камере.
Перегородка может быть выполнена многовтулочной, при этом втулки установлены с предварительным напряжением по прессовой посадке.
Технический результат заключается в возможности создания оборудования, способного надежно работать с давлением до 3000 МПа, в улучшении ремонтопригодности и условий обслуживания газостата, в повышении надежности работы газовой системы газостата из-за использования в ряде случаев доступных высоколегированных сталей и как следствие не высокая стоимость оборудования, в повышении безопасности газостата в случае разгерметизации внутренней камеры. При этом произойдет выравнивание и снижение давления газа, т.к. внешняя камера имеет больший объем и меньшее давление газовой среды.
Конструкция предлагаемого газостата представлена на фигуре 1, где показаны собственно газостат с разрезом рабочей камеры.
Газостат (фиг.1) содержит силовую станину 1, контейнер 2, закрытый по торцам верхней 3 и нижней 4 пробками с уплотнениями 5 и 6, внутреннюю водоохлаждаемую перегородку в виде контейнера 7, закрытого верхней 8 и нижней 9 пробками с уплотнениями 10 и 11. Внутренний контейнер выполнен многовтулочным с установкой втулок по прессовой посадке, имеет печную вставку с нагревателем 12 и теплоизоляционным колпаком 13. Для контроля температуры в рабочей зоне используются термопары 15 и 16. Нагреватель имеет токоподводы 17 и 18. Компрессоры 19 и 20 газовой системы из газобаллонной станции (ГБС) 21 через блоки управляемых клапанов 22 и 23 по герметичным трубопроводам 24 и 25 создают в полостях 26 и 27 контейнеров газостата требуемое рабочее давление. Для охлаждения внутреннего контейнера выполнены магистрали с подводом воды 28 и отводом воды 29.
Газостат работает следующим образом. После загрузки заготовки в рабочую зону внутреннего контейнера 7, наружный контейнер 2 закрывается и фиксируется силовой рамой 1. Открываются клапаны газовой системы и заполняются полости внутреннего 26 и внешнего 27 контейнеров до выравнивания давления с ГБС. Включаются компрессоры 19 и 20 для создания начального давления. Включение нагревателя 12 обеспечивает поднятие рабочего давления до рабочего в полости 26 внутреннего контейнера 7. Давление, создаваемое в полости 27 компрессором 19, приводит к снижению напряжений во втулках контейнера 7, которые находятся во всестороннем сжатии от давления. Этим достигается возможность использования контейнера 7 газостата на давление порядка 2000...2500 МПа, т.к. при этом допускается использование доступных по свойствам легированных сталей как для контейнера 7, так и для контейнера 2.
Таким образом, использование в предлагаемой конструкции газостата с многовтулочной прочной перегородкой, образующей отдельную герметичную рабочую камеру со своим отдельным газовым подводом и печной вставкой с нагревателем и теплоизоляционным колпаком, позволяет:
- создать надежный газостат за счет оптимизации конструкции и газового привода газостата;
- повысить надежность газовой системы;
- использовать доступные по цене высоколегированные стали;
- повысить безопасность работы газостата, в котором при разгерметизации внутренней полости с высоким давлением произойдет снижение и выравнивание давления в обеих камерах;
- создать надежный газостат за счет оптимизации конструкции и газового привода газостата;
- повысить надежность газовой системы;
- использовать доступные по цене высоколегированные стали;
- повысить безопасность работы газостата, в котором при разгерметизации внутренней полости с высоким давлением произойдет снижение и выравнивание давления в обеих камерах;
- улучшить ремонтопригодность и обслуживание газостата;
- расширить технологические возможности гаммы газостатов, работающих на повышенных давлениях и позволяющих обрабатывать широкий спектр изделий из нанопорошков, сплавов, кристаллических и композиционных материалов.