ГАЗОСТАТ Российский патент 2010 года по МПК B22F3/15 

Изобретение относится к оборудованию для обработки изделий в реакционной газовой среде при одновременном воздействии на них высоких давления и температуры, создаваемых в рабочей камере газостата.

Традиционная газостатическая обработка дискретных и монолитных материалов проводится при давлениях, не превышающих 200 МПа, и температурах 2000°С. В этом случае в качестве рабочей среды используют нейтральные газы, такие как аргон, азот и реже гелий, не вступающие в реакцию с материалом обрабатываемых изделий, а также с деталями запорно-регулирующей аппаратуры и трубопровода газовой системы, контактирующими с рабочим газом в процессе выполнения рабочего цикла.

Расширение области применения газостатической обработки потребовало использования в качестве рабочей среды реакционных газов, таких как кислород, водород и других, добавляющих химически активное воздействие на изделие наряду с традиционными факторами технологического процесса: давлением, температурой и временем выдержки изделия в рабочей камере газостата при упомянутых параметрах.

Например, использование кислородной атмосферы в качестве рабочей среды при температуре 1000°С и давлении 70 МПа позволяет получать высококачественные кремневые изделия, применяемые в интегральных схемах электронной техники. Водород эффективно применяется в качестве восстановительной среды при обработке изделий из металлических и композиционных порошков.

Реакционная рабочая среда в данном случае будет воздействовать не только на обрабатываемое изделие, но и на компоненты газовой системы, контактирующие с ней в процессе выполнения рабочего цикла, приводя их к разрушению в результате возникновения водородного охрупчивания или интенсивного окисления в кислородной среде. Надежность работы газостата, обладающего огромным запасом энергии сжатого газа (а в случае использования водорода - и возможностью его самовоспламенения с образованием гремучей смеси), в значительной степени зависит от надежности запорной аппаратуры газовой системы машины.

Аналогом изобретения является газостат по документации фирмы HOFER модели QIH- 250, ASEA, Швеция, 1983 г., включающий запорные клапаны управления и выпуска с седлом и иглой, выполненными из обычной конструкционной стали, подклапанной и надклапанной полостями, прижимной пружиной и сервоприводом.

К недостаткам газостата-аналога следует отнести значительные габариты и металлоемкость запорных газовых клапанов управления и выпуска при больших условных проходах, используемых в промышленных газостатах с большим объемом рабочей камеры, а также невозможность унификации их конструкции. При увеличении условного прохода клапанов традиционной конструкции возрастают: усилие рабочего газа, воздействующее на иглу в подклапанной полости; усилие пружины, запирающей клапан; а также усилие сервопривода, необходимое для открытия клапана. При этом увеличиваются габариты и масса собственно клапана и его сервопривода, что приводит к росту стоимости газовой системы машины и газостата в целом.

Прототипом заявляемого изобретения является газостат, по а.с. SU №1748940, 1990 г. Газостат-прототип содержит контейнер, закрытый по торцам пробками с герметизирующими уплотнениями. В верхней и нижней пробках выполнены газовые вводы в контейнер, соединенные через систему запорных клапанов с источником давления (компрессором), баллонной станцией, контрольно-измерительной аппаратурой и атмосферой. Для выполнения необходимых технологических операций рабочего цикла газовая система укомплектована унифицированными нормально закрытыми клапанами с увеличенным условным проходом. Запорный клапан прототипа содержит корпус, седло и иглу, изготовленные из обычных конструкционных сталей, а также блок уплотнений иглы. Клапан оснащен газовым цилиндром разгрузки, шток которого через шток сервопривода опирается на иглу клапана. На поршень сервопривода действуют прижимные пружины, расположенные на периферии поршня за пределами наружного диаметра газового цилиндра, установленного с помощью резьбового соединения на верхнем фланце сервопривода.

Несмотря на то что применение газового цилиндра разгрузки позволило уменьшить габариты и металлоемкость клапана газостата-прототипа по сравнению с аналогичными параметрами клапана газостата-аналога, недостатком клапана прототипа является то, что его диаметральный габарит определяется расположением прижимных пружин на периферии поршня сервопривода за пределами наружного диаметра газового цилиндра и далее - шпилек, соединяющих цилиндр сервопривода с его верхним фланцем. К недостаткам клапана прототипа следует отнести также установку газового цилиндра над верхним фланцем сервопривода, увеличивающую общую высоту клапана, а также использование резьбового соединения цилиндра с фланцем, деформирующегося в процессе эксплуатации газостата и затрудняющего удаление газового цилиндра, необходимого, например, для замены уплотнений его штока. Другим недостатком газостата-прототипа является использование газового ввода через нижнюю пробку, которая при загрузке-выгрузке заготовки в каждом рабочем цикле удаляется из контейнера, при этом от нее необходимо отсоединять, затем присоединять газовый трубопровод высокого давления. Главным недостатком газостата-прототипа является невозможность использования при работе с реакционной средой запорных клапанов в его газовой системе, корпус и игла которых изготовлены из обычных конструкционных сталей, подвергающихся при использовании реакционных рабочих сред межкристаллитному охрупчиванию или интенсивной коррозии, вызывающих их разрушение с высвобождением огромного запаса энергии сжатого газа.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение перечисленных недостатков и использование новых конструктивных решений при создании надежного, производительного промышленного газостата с большим объемом рабочей камеры для обработки крупногабаритных изделий в реакционной газовой среде.

Достигаемый при этом технический эффект:

- создание промышленного газостата, работающего с реакционными средами;

- унификация, уменьшение габаритов и металлоемкости запорных клапанов газостата;

- увеличение условных диаметров трубопроводов газостата;

- минимальное использование в конструкции газостата дорогостоящих материалов, не взаимодействующих с реакционной рабочей средой;

- улучшение условий обслуживания и ремонтопригодности клапанов;

- повышение производительности газастатов, работающих с реакционной рабочей средой;

- улучшение условий эксплуатации газостатов, работающих с реакционной рабочей средой;

- повышение надежности газостатов.

Выполнение поставленной задачи и получаемый при этом технический эффект обеспечивается тем, что в корпусе каждого запорного клапана выполнена расточка с установленной в ней цилиндрической вставкой, соединенной с трубопроводом газовой системы и изготовленной из материала, нейтрального к воздействию реакционной газовой среды, при этом седло клапана выполнено во вставке, цилиндр разгрузки установлен внутри пружины и соединен с сервоприводом быстроразъемным байонетным замком, сервопривод соединен с корпусом клапана двумя шпильками, установленными с возможностью регулирования усилия воздействия иглы на седло клапана, вставка фиксируется от поворота внутри расточки с помощью поперечины, установленной в пазе корпуса клапана, а газовый ввод в контейнер выполнен в верхней пробке.

Конструкция газостата приведена на следующих фигурах:

фиг.1 - газостат с фрагментом газовой системы;

фиг.2 - унифицированный запорный клапан со вставкой и цилиндром разгрузки;

фиг.3 - сечение А-А клапана по фиг.2;

фиг.4 - сечение Б-Б клапана по фиг.2;

фиг.5 - сечение В-В клапана по фиг.2.

Газостат содержит силовую станину 1, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 2, контейнер 3, закрытый по торцам верхней 4 и нижней 5 пробками, унифицированные нормально закрытые клапаны 6, 7, 8, 9, газовый компрессор 10 и баллонную станцию 11 с реакционной газовой средой. Для управления потоками рабочей среды, необходимыми при выполнении технологических операций рабочего цикла, клапаны 6, 7, 8, 9 соединены между собой и с другими компонентами газовой системы трубопроводами 12, при этом газовый ввод 13 в контейнер 3 выполнен в верхней пробке 4. Клапан 6 содержит корпус 14, изготовленный из обычной конструкционной стали. В расточке 15 корпуса 14 установлена цилиндрическая вставка 16, изготовленная из материала, не подверженного разрушающему воздействию реакционной рабочей среды. В случае использования в качестве рабочего газа водорода успешно применяются нержавеющие стали, в которых не возникает водородное охрупчивание при эксплуатации оборудования. Вставка 16 опирается буртиком 17 на ступенчатый выступ 18 расточки 15 корпуса 14. В сечении, перпендикулярном показанному на фиг.2, на буртике 17 вставки 16 выполнены две параллельные лыски 19, на которые своим пазом 20 устанавливается поперечина 21. Поперечина 21, в свою очередь, размещается в пазе 22 корпуса 14 и крепится к нему двумя винтами 23, фиксируя, таким образом, вставку 16 от поворота в расточке корпуса. Седло клапана 24 выполнено непосредственно в самой вставке 16. Места соединений 25 подводящих трубопроводов 26 с клапаном 6 (конической или иной формы) выполнены также во вставке 16, исключая разрушающее воздействие реакционной газовой среды на корпус клапана.

Сервопривод 27 соединен с корпусом 14 клапана 6 двумя шпильками 28 с помощью гаек 29 и контргаек 30. Между головкой 31 шпильки 28 и торцом 32 расточки 33 образован торцевой зазор 34. Освободив контргайки 30 и вращая гайки 29, возможно выполнять незначительное перемещение сервопривода 27 с иглой 35, изменяя контактные напряжения между иглой и седлом 24 клапана. Такая регулировка позволяет восстановить работоспособность клапана без его разборки и перенастройки исходного усилия прижатия иглы к седлу пружиной 36. Эта операция выполняется для устранения результатов обжатия рабочих поверхностей иглы 35 и седла 24 клапана, возникающих в процессе длительной эксплуатации газостата. Газовый цилиндр разгрузки 37 соединен со стаканом 38 сервопривода байонетным замком 39, обеспечивающим легкое и быстрое отсоединение цилиндра от клапана для замены уплотнений 40 его штока 41, а также газопроводы 12 соединены с подклапанной полостью газового цилиндра 37. В случае использования резьбового соединения цилиндра разгрузки с сервоприводом выполнение этой операции затруднено из-за деформации витков резьбы, происходящей в процессе нагружения клапана рабочим давлением.

Газостат работает следующим образом. В исходном положении силовая станина 1 сдвинута с оси контейнера 3. На нижнюю пробку 5, находящуюся в положении загрузки/выгрузки, устанавливают заготовку и вводят ее в контейнер. Силовая станина фиксируется на оси контейнера 3. В сервопривод клапана 8 подается давление управления для его открытия. Через открытый клапан 8 реакционная рабочая среда подается самотеком из баллонной станции 11 в контейнер 3. После выравнивания давления в контейнере и баллонной станции клапан 8 закрывается. Затем открываются клапаны 7 и 9 и с помощью компрессора 10 давление в контейнере поднимается до заданной величины. После этого компрессор останавливается, а клапаны 7 и 9 закрываются. Включается система нагрева, разогревая заготовку до необходимой температуры. При заданных давлении и температуре заготовка выдерживается в течение технологически необходимого времени. Далее рабочее пространство с газовой средой и заготовкой охлаждается. Открывается клапан 8, и газ самотеком перетекает из контейнера в баллоны. Затем оставшийся в контейнере газ через открытый клапан 6 выпускается в баллонную станцию низкого давления, систему дожига (не показаны) или атмосферу. После снижения давления в контейнере до величины атмосферного силовая станина 3 сдвигается с оси контейнера, освобождая нижнюю пробку 5, которая вместе с обработанным изделием извлекается из него. Изделие снимается с пробки и цикл повторяется.

Таким образом, установка в расточке каждого корпуса вставки, соединенной с газовым трубопроводом и выполненной из материала, нейтрального к взаимодействию с реакционной газовой средой, выполнение седла клапана во вставке, фиксация вставки от поворота внутри расточки с помощью поперечины, установленной в пазе корпуса клапана, соединение цилиндра разгрузки с сервоприводом быстроразъемным байонетным замком, соединение сервопривода с корпусом клапана, выполненное в виде двух шпилек, установленных с возможностью регулирования воздействия иглы с седлом клапана, выполнение газового ввода в контейнер только через верхнюю пробку позволяет:

- повысить надежность работы газостата с реакционными рабочими средами за счет осуществления контакта среды только с материалами, не подверженными разрушению реакционной средой;

- уменьшить габариты и металлоемкость запорных клапанов газостата за счет размещения основных элементов клапанов внутри пружины;

- уменьшить применение дорогостоящих материалов за счет размещения вставок, так как стоимость нержавеющей стали, например, в 4-5 раз превышает стоимость обычных марок конструкционных сталей;

- создать промышленный газостат, работающий с реакционными средами в результате наличия магистралей, выполненных из материалов, не взаимодействующих со средой;

- улучшить обслуживание и ремонтопригодность клапанов при помощи элементов регулирования;

- повысить производительность газостата, работающего с реакционной средой, за счет уменьшения времени настройки и ремонта;

- унифицировать запорные клапаны газостата с увеличением проходного сечения.

Изобретение относится к оборудованию для обработки изделий в реакционной газовой среде при одновременном воздействии на них высоких давления и температуры, создаваемых в рабочей камере газостата. Предложенный газостат содержит силовую станину, контейнер для реакционной газовой среды, закрытый по торцам верхней и нижней пробками, газовые клапаны управления, соединенные газовыми трубопроводами, выполненные в виде корпуса с седлом, иглой, сервоприводом с поршнем, прижимной пружиной и цилиндром разгрузки, шток которого установлен на игле клапана. При этом в корпусе каждого клапана выполнена расточка с установленной в ней цилиндрической вставкой, соединенной с газовыми трубопроводами. Вставка выполнена из материала, нейтрального к воздействию реакционной газовой среды. При этом седло клапана выполнено во вставке. Цилиндр разгрузки установлен внутри пружины и соединен с сервоприводом быстроразъемным байонетным замком. Сервопривод соединен с корпусом клапана двумя шпильками, установленными с возможностью регулирования воздействия иглы на седло клапана. При этом клапан снабжен поперечиной для фиксации вставки от поворота внутри расточки, установленной в выполненном в корпусе клапана пазе. Верхняя пробка контейнера выполнена с газовым вводом. Обеспечивается уменьшение габаритов и металлоемкости запорных клапанов газостата, улучшение условий обслуживания и ремонтопригодности клапанов, повышение производительности, улучшение условий эксплуатации, повышение надежности. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газостат, содержащий силовую станину, контейнер для реакционной газовой среды, закрытый по торцам верхней и нижней пробками, газовые клапаны управления, соединенные газовыми трубопроводами, выполненные в виде корпуса с седлом, иглой, сервоприводом с поршнем, прижимной пружиной и цилиндром разгрузки, шток которого установлен на игле клапана, отличающийся тем, что в корпусе каждого клапана выполнена расточка с установленной в ней цилиндрической вставкой, соединенной с газовыми трубопроводами и выполненной из материала, нейтрального к воздействию реакционной газовой среды, при этом седло клапана выполнено во вставке, цилиндр разгрузки установлен внутри пружины и соединен с сервоприводом быстроразъемным байонетным замком, а сервопривод соединен с корпусом клапана двумя шпильками, установленными с возможностью регулирования воздействия иглы на седло клапана.

2. Газостат по п.1, отличающийся тем, что клапан снабжен поперечиной для фиксации вставки от поворота внутри расточки, установленной в выполненном в корпусе клапана пазе.

3. Газостат по п.1, отличающийся тем, что верхняя пробка контейнера выполнена с газовым вводом.