КАМЕРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ КАМЕРЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК B30B11/00 B22F3/15 F27B17/00 

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится к устройству для обработки изделий горячим прессованием и, предпочтительно, горячим изостатическим прессованием. В частности, настоящее изобретение относится к прессовому устройству для обработки изделий горячим прессованием и, предпочтительно, горячим изостатическим прессованием, выполненному с возможностью обеспечения регулируемой высокой скорости охлаждения, не требующему какой-либо запорной арматуры специального назначения для охлаждения.

Предпосылки создания изобретения

Горячее изостатическое прессование является технологией, находящей все более широкое применение. Горячее изостатическое прессование, например, используется для достижения исключения пористости в отливках, например, таких как лопатки турбин, для существенного увеличения их срока службы и прочности, в частности, усталостной прочности. Другой областью применения является изготовление изделий, требующих отсутствия пор и имеющих беспористые поверхности, с помощью порошковой металлургии.

При горячем изостатическом прессовании изделие, подлежащее обработке прессованием, устанавливается в загрузочное отделение изолированной камеры высокого давления. Цикл, или цикл обработки, содержит следующие этапы: загрузка, обработка и выгрузка изделий, и полная продолжительность цикла в данном документе именуется временем цикла. Обработка может, в свою очередь, разделяться на несколько частей, или состояний, таких как состояние прессования, состояние нагрева и состояние охлаждения.

После загрузки камера герметизируется и рабочая среда под давлением вводится в камеру высокого давления и ее загрузочное отделение. Давление и температура рабочей среды под давлением затем увеличиваются так, что изделие подвергается воздействию увеличенного давления и увеличенной температуры в течение заданного периода времени. Увеличение температуры рабочей среды под давлением и посредством этого температуры изделий создается с помощью нагревательного элемента или печи, расположенной в топочной камере камеры высокого давления. Давления, температуры и время обработки, естественно, зависят от многих факторов, таких как свойства материала обрабатываемого изделия, область применения и требуемое качество обрабатываемого изделия. Давления и температуры в горячем изостатическом прессовании могут обычно находиться в диапазоне от 200 до 5000 бар (20-500 МПа), предпочтительно от 800 до 2000 бар (80-200 МПа) и от 300°C до 3000°C, предпочтительно от 800°C до 2000°C соответственно.

Когда прессование изделий заканчивается, изделия часто требуют охлаждения перед удалением или выгрузкой из камеры высокого давления. Во многих видах металлургической обработки скорость охлаждения должна влиять на металлургические свойства. Например, термическое напряжение (или температурное напряжение) и рост зерен должны минимизировать для получения высококачественного материала. Поэтому необходимо охлаждать материал равномерно и, если возможно, регулировать скорость охлаждения. Многие известные в технике прессы страдают от медленного охлаждения изделий, и поэтому предпринимаются усилия для уменьшения времени охлаждения изделий. Несмотря на то что уменьшение времени охлаждения является важным фактором, который следует учитывать, постоянство высокой температуры во время, например, состояния установившегося режима и состояния прессования также весьма важно. Таким образом, кроме возможности быстрого охлаждения необходима возможность достижения постоянства высокой температуры во время, например, состояния установившегося режима.

Механическое средство для усиления конвективной циркуляции может применяться для получения увеличенной скорости охлаждения. Это дает способ достижения быстрого охлаждения обрабатываемых изделий, хотя они содержатся в хорошо изолированной топочной камере. Заявка РСТ/EP2007/10997, находящаяся на одновременном рассмотрении, раскрывает устройство горячего изостатического прессования с данными характеристиками. Вместе с тем устройства усиления конвекции в системах с высоким давлением и/или высокой температурой часто подвергаются быстрому износу или поломкам механической части. Это, в частности, касается механических воздуходувок или вентиляторов с движущимися частями. Соответственно, такие прессовые устройства могут требовать относительно частого текущего ремонта, дающего в результате нежелательные перерывы и остановки производства.

Кроме того, имеющееся пространство для загрузки изделий в прессовое устройство является часто ограниченным, и механические средства, такие как воздуходувки или вентиляторы, уменьшают данное имеющееся пространство, проблема дополнительно обостряется в небольших прессовых устройствах.

Использование механического средства также влечет за собой создание сравнительно сложной и дорогой конструкции прессового устройства.

Таким образом, в технике существует необходимость создания прессовых устройств, выполненных с возможностью регулируемого быстрого охлаждения во время состояния охлаждения и однородности высокой температуры во время, например, установившегося режима и прессования.

Сущность изобретения

Общей задачей настоящего изобретения является создание улучшенного прессового устройства для горячего прессования и, предпочтительно, горячего изостатического прессования, выполненного с возможностью точной регулировки температуры и скорости изменения температуры рабочей среды под давлением и изделий, обрабатываемых в прессовом устройстве.

Конкретнее, задачей настоящего изобретения является создание улучшенного прессового устройства для горячего прессования и, предпочтительно, горячего изостатического прессования с возможностью регулируемого высокоскоростного охлаждения во время состояния охлаждения и поддержания постоянства высокой температуры во время, например, состояния установившегося режима и прессования.

Другой задачей настоящего изобретения является создание улучшенного прессового устройства для горячего прессования и, предпочтительно, горячего изостатического прессования, имеющего конструкцию уменьшенной сложности и с уменьшенными требованиями по техобслуживанию.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание улучшенного прессового устройства для горячего прессования и, предпочтительно, горячего изостатического прессования, выполненного с возможностью получения циркуляции рабочей среды под давлением в топочной камере без охлаждения для создания постоянства высокой температуры во время, например, состояния установившегося режима и прессования.

Другой задачей настоящего изобретения является создание улучшенного прессового устройства для горячего прессования и, предпочтительно, горячего изостатического прессования, выполненного с возможностью получения регулируемой и высокой скорости охлаждения изделий и/или рабочей среды под давлением, не требующего какой-либо запорной арматуры специального назначения для охлаждения оборудования.

Данные и другие задачи настоящего изобретения решаются с помощью камеры высокого давления и способа для такой камеры, имеющих признаки, определенные в независимых пунктах формулы изобретения. Варианты осуществления настоящего изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.

В контексте настоящего изобретения термины "холодный" и "горячий" или "нагретый" (например, холодная и нагретая или горячая рабочая среда под давлением или температура холодного и нагретого или горячего тела) должны интерпретироваться как средняя температура в камере высокого давления. Аналогично, термин "низкая" и "высокая" температура должен также интерпретироваться как средняя температура в камере высокого давления.

Согласно первому аспекту изобретения создано прессовое устройство для горячего прессования, содержащее камеру высокого давления, включающую в себя топочную камеру, выполненную с возможностью удерживания изделий. Теплоизолированный кожух выполнен окружающим топочную камеру. Дополнительно, нижний изолирующий участок располагается под топочной камерой. Вентилятор с регулируемым числом оборотов (об/мин) выполнен с возможностью создания потока рабочей среды под давлением в топочной камере и циркуляции рабочей среды под давлением в топочной камере при работе. По меньшей мере один питающий канал выполнен с возможностью создания соединения между зоной, которая холоднее зоны в топочной камере, и впуском вентилятора для обеспечения подачи рабочей среды под давлением из холодной зоны на впуск для смешивания холодного потока с потоком нагретой рабочей среды под давлением в топочной камере, при этом количество холодной рабочей среды под давлением, подаваемой на впуск вентилятора, можно регулировать с помощью корректировки числа оборотов вентилятора.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения создан способ для прессового устройства для горячего прессования. Прессовое устройство содержит камеру высокого давления, включающую в себя топочную камеру, выполненную с возможностью удерживания изделий, данная топочная камера создана внутри камеры высокого давления, теплоизолированный кожух выполнен окружающим топочную камеру, нижний изолирующий участок расположен под топочной камерой, и вентилятор с регулируемым числом оборотов, выполненный с возможностью создания потока рабочей среды под давлением в топочной камере и циркуляции рабочей среды под давлением в топочной камере при работе. По меньшей мере один питающий канал выполнен с возможностью создания соединения между зоной, которая холоднее зоны в топочной камере, и впуском вентилятора. Способ содержит корректировку числа оборотов вентилятора для регулирования притока рабочей среды под давлением из холодной зоны на впуск вентилятора, где холодный поток перемешивается с потоком нагретой рабочей среды под давлением, и данный смешанный поток затем подается в топочную камеру.

Таким образом, производительность вентилятора для создания эффекта циркуляции нагретой рабочей среды под давлением или для создания эффекта охлаждения в топочной камере можно корректировать. С помощью регулировки или управления вентилятором поток холодной рабочей среды под давлением через питающий канал из холодной зоны под нижним изолирующим участком к впуску вентилятора можно регулировать, т.е. всасывающее действие на впуске вентилятора и подачу рабочей среды под давлением в топочной камере можно регулировать. Следовательно, состояние охлаждения можно регулировать и, если необходимо, подачу рабочей среды под давлением можно по существу блокировать для достижения состояния установившегося режима, при этом циркуляция рабочей среды под давлением поддерживается в топочной камере для получения постоянной температуры в горячей зоне.

Настоящее изобретение, таким образом, основано на открытии, что большие и значительные разности плотностей рабочей среды под давлением, которые возникают в камере прессования для горячего прессования и, в частности, для горячего изостатического прессования, можно использовать для получения точного регулирования скорости охлаждения прессуемых изделий. Данные большие разности плотностей создаются благодаря высоким перепадам давления и температуры в камере высокого давления в таком устройстве. Часто такое прессовое устройство работает под давлениями в диапазоне от 200 до 5000 бар (20-500 МПа) и, предпочтительно, между 800 и 2000 бар (80-200 МПа) и при температурах в диапазоне от 300°C до 3000°C и, предпочтительно, между 800 и 2000°C.

Дополнительно, настоящее изобретение основано на открытии, что вентилятор можно использовать для точного регулирования скорости охлаждения для, например, получения необходимой скорости охлаждения благодаря использованию данных больших разностей плотности. Настоящее изобретение можно также использовать для управления состоянием, т.е. в случае, если установившийся режим или охлаждение применяется, с помощью использования разностей плотности при работе вентилятора. Данное можно получить без использования какой-либо запорной арматуры специального назначения для охлаждения. Более конкретно, по меньшей мере один питающий канал выполнен с возможностью обеспечения подачи рабочей среды под давлением из холодной зоны под нижним изолирующим участком к впуску вентилятора, причем данный вентилятор, предпочтительно, расположен в нижнем конце топочной камеры, где рабочая среда под давлением значительно горячее, чем в холодной зоне. Часто разница температур между холодной зоной под нижним изолирующим участком и топочной камерой может составлять 1000°C или даже больше. Таким образом, существует большая разность плотности между данными двумя зонами, которая согласно настоящему изобретению используется для получения прессового устройства, выполненного с возможностью точной регулировки или управления состоянием охлаждения, при этом необходимую скорость охлаждения или поддержание условий установившегося режима можно получить регулированием числа оборотов вентилятора. При установившемся режиме вентилятор работает с таким числом оборотов, что осуществляется циркуляция потока нагретой рабочей среды под давлением в топочной камере без добавления потока холодной рабочей среды под давлением через питающий канал из холодной зоны под нижним изолирующим участком. При некотором числе оборотов вентилятора холодная рабочая среда под давлением начинает выходить из питающего канала с заданными температурой и давлением по условиям в камере под давлением, например, при заданной разности температур между нагретой зоной в топочной камере и холодной зоной под нижним изолирующим участком и заданном давлении в камере высокого давления. Холодная рабочая среда под давлением смешивается с потоком нагретой рабочей среды под давлением и подается в топочную камеру вентилятором, при этом можно получать регулируемое и изменяемое охлаждение.

Если вентилятор работает с числом оборотов ниже некоторого предельного числа, питающий канал по существу закрывается для подачи и, соответственно, поток холодной рабочей среды под давлением из холодной зоны под нижним изолирующим участком перекрывается. То есть перепад давления между зоной под нижним изолирующим участком и каналом над нижним изолирующим участком слишком мал для создания достаточного всасывающего действия, при котором рабочая среда под давлением должна подаваться через питающий канал. При данных условиях поддерживается установившийся режим и осуществляется циркуляция потока нагретой рабочей среды под давлением через топочную камеру без добавления потока холодной рабочей среды под давлением.

С другой стороны, если вентилятор работает с оборотами выше данного некоторого предельного числа, создается более высокий перепад давления, который, в свою очередь, усиливает поток рабочей среды под давлением через питающий канал. Соответственно, поток холодной рабочей среды под давлением создается в дополнение к потоку нагретой рабочей среды под давлением. Следовательно, при эксплуатации вентилятора с различным числом оборотов выше некоторого предельного числа оборотов возможно регулирование количества холодной рабочей среды под давлением, подаваемой на впуск вентилятора во время состояния охлаждения, и при этом регулирование скорости охлаждения. Дополнительно, если установившееся состояние является необходимым, возможно прерывать или закрывать подачу рабочей среды под давлением, что получают, эксплуатируя вентилятор с числом оборотов ниже некоторого предельного числа оборотов.

Некоторое предельное число оборотов, где состояние установившегося режима переходит в состояние охлаждения, определяется несколькими параметрами. Исчерпывающий перечень включает в себя:

- Разность плотностей между рабочей средой под давлением над нижним изолирующим участком и рабочей средой под давлением в зоне под нижним изолирующим участком.

- Расположение питающего канала и его выпуска в радиальном и вертикальном направлении относительно

- вентилятора;

- канала между нижним изолирующим участком и топочной камерой;

- впуска направляющего канала между теплоизолирующим участком и корпусом теплоизолирующего кожуха; и/или

- верхней поверхности нижнего изолирующего участка.

- Размеры питающего канала, в частности диаметр питающего канала.

- Число питающих каналов.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, вентилятор выполнен так, что работа при числе оборотов ниже некоторого предельного числа оборотов приводит к перекрыванию потока холодной рабочей среды под давлением.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, вентилятор выполнен так, что работа при изменяемом числе оборотов выше некоторого предельного числа оборотов дает в результате изменяемый поток холодной рабочей среды под давлением к впуску вентилятора.

В вариантах осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, по меньшей мере один питающий канал выполнен с такими размерами, что по существу вентилятор и указанный по меньшей мере один питающий канал работают совместно для получения по существу перекрывания потока рабочей среды под давлением и изменяемого потока холодной рабочей среды под давлением.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, указанный по меньшей мере один питающий канал выполнен с выпуском, расположенным радиально и вертикально на расстоянии относительно вентилятора так, что вентилятор и указанный по меньшей мере один питающий канал работают совместно для получения по существу перекрывания потока холодной рабочей среды под давлением и изменяемого потока холодной рабочей среды под давлением.

В вариантах осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, выпуск указанного по меньшей мере одного питающего канала располагается радиально и вертикально на расстоянии от впуска направляющего канала в теплоизолированном кожухе так, что указанный по меньшей мере один питающий канал и впуск направляющего канала работают совместно для получения по существу перекрывания потока холодной рабочей среды под давлением и изменяемого потока холодной рабочей среды под давлением.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, указанный по меньшей мере один питающий канал является по меньшей мере одной трубой, расположенной в нижнем изолирующем участке радиально на расстоянии от вентилятор, и при этом выпуск трубы располагается в соединении с каналом над нижним изолирующим участком.

В вариантах осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, указанная по меньшей мере одна труба выполнена с возможностью прохода в канал так, что выпуск располагается на расстоянии от нижнего изолирующего участка.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, указанный по меньшей мере один питающий канал расположен так, что выпуск располагается в соединении с центральным каналом для подачи рабочей среды под давлением на вентилятор.

В вариантах осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, выполнено опорное средство для несения грузового отделение в топочной камере так, что рабочей среде под давлением обеспечен приток в канал над нижним изолирующим участком.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, опорное средство снабжено сквозными отверстиями, выполненными с возможностью обеспечения прохода рабочей среды под давлением в канал над нижним изолирующим участком.

В вариантах осуществления настоящего изобретения, которые можно комбинировать с одним или несколькими другими вариантами осуществления, описанными в данном документе, питающий канал снабжен клапаном.

Другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения должны стать понятными из следующего подробного описания с прилагаемыми зависимыми пунктами формулы изобретения и из прилагаемых чертежей.

Краткое описание чертежей

Различные аспекты изобретения, включающие в себя его конкретные признаки и преимущества, станут более понятными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей. На всех фигурах одинаковыми ссылочными позициями указаны одинаковые элементы или признаки вариантов осуществления настоящего изобретения. Дополнительно, ссылочные позиции для симметрично расположенных частей, элементов или признаков указаны на фигурах только один раз. На чертежах:

На фиг.1 схематично показан вид сбоку прессового устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2 схематично показан вид сбоку прессового устройства согласно фиг.1 во время установившегося режима.

На фиг.3 схематично показан вид сбоку прессового устройства согласно фиг.1 во время состояния охлаждения.

На фиг.4 схематично показана деталь прессового устройства согласно настоящему изобретению.

На фиг.5 схематично показан вид сбоку прессового устройства согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.6 схематично показан вид сбоку прессового устройства согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.7 схематично показан вид сбоку прессового устройства согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг.8 схематично показан вид сбоку прессового устройства согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления

Ниже дано описание приведенных в качестве примеров вариантов осуществления настоящего изобретения. Данное описание предназначено только для объяснения и не является ограничивающим. Следует отметить, что чертежи являются схематичными и что прессовые устройства описываемых вариантов осуществления могут содержать признаки и элементы, для упрощения не указанные на чертежах.

Варианты осуществления прессового устройства согласно настоящему изобретению можно использовать для обработки изделий, выполняемых из различных возможных материалов, прессованием, в частности горячим изостатическим прессованием.

На фиг.1 показано прессовое устройство 100 согласно варианту осуществления изобретения. Прессовое устройство 100, предназначенное для прессования изделий, содержит камеру 1 высокого давления, со средством (не показано), таким как одно или несколько портов, впусков и выпусков для подачи и выпуска рабочей среды под давлением. Рабочая среда под давлением может являться жидкой или газообразной средой с низким химическим сродством в отношении изделий, подлежащих обработке. Камера 1 высокого давления включает в себя топочную камеру 18, которая содержит печь (или нагреватель) 36, или нагревательные элементы для нагрева рабочей среды под давлением во время состояния прессования цикла обработки. Печь 36 может, как показано, например, на фиг.1, располагаться в нижней части топочной камеры 18 или может располагаться с боковых сторон топочной камеры 18. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что также возможно комбинирование нагревательных элементов на сторонах с нагревательными элементами в нижней части для получения печи, расположенной на боковых сторонах и в нижней части топочной камеры. Ясно, что любой вариант реализации печи по установке нагревательных элементов, известный в технике, может применяться в вариантах осуществления, показанных в данном документе. Следует отметить, что термин "печь" относится к средству для нагрева, а термин "топочная камера" относится к объему, в котором загрузка и печь располагаются. Топочная камера 18 не занимает всей камеры 1 высокого давления, но остается направляющий канал 10 вокруг нее. Во время нормальной работы прессового устройства 100 направляющий канал 10 обычно холоднее топочной камеры 18, но имеет равное с ней давление.

Топочная камера 18 дополнительно включает в себя загрузочное отделение 19 для приема и удержания изделий 5, подлежащих обработке. Загрузочное отделение 19 опирается на опорное средство 44, причем данное опорное средство, например, является несколькими элементами в виде блоков или кольцевым элементом, снабженным сквозными отверстиями 45 для обеспечения прохода горячей рабочей среды под давлением для циркуляции в топочной камере 18.

Топочная камера 18 окружена теплоизолированным кожухом 3. Теплоизолированный кожух 3 содержит теплоизолирующий участок 7 и кожух 2, выполненный окружающим теплоизолирующий участок 7, которые термически изолируют внутренний объем камеры 1 высокого давления для уменьшения потери тепла. Первый направляющий канал 10 выполнен между наружными стенками камеры 1 высокого давления и кожухом 2. Первый направляющий канал 10 используется для направления рабочей среды под давлением от верха камеры 1 высокого давления к ее нижней части.

Кроме того, второй направляющий канал 11 выполнен между кожухом 2 топочной камеры 18 и теплоизолирующим участком 7 топочной камеры 18. Второй направляющий канал 11 используется для направления рабочей среды под давлением к верху камеры высокого давления. Второй направляющий канал 11 снабжен одним или несколькими впусками 14 для подачи рабочей среды под давлением в канал, а также отверстием 13 сверху камеры высокого давления для обеспечения прохода рабочей среды под давлением в первый направляющий канал 10.

Впуски 14 предпочтительно располагаются ниже верхней кромки нижнего теплоизолирующего участка 6. При этом наружный контур конвекции образуется первым и вторым направляющими каналами 10, 11, а также в нижней части под нижним изолирующим участком 6 камеры 1 высокого давления.

Вентилятор 30, имеющий регулируемое число оборотов, установлен на нижнем конце топочной камеры 18 для создания циркуляции рабочей среды под давлением в топочной камере 18. С помощью эксплуатации вентилятора 30 внутренний контур конвекции может быть улучшен, при этом поток рабочей среды под давлением внутреннего контура конвекции проходит через канал 16 вверх через грузовое отделение 19 и вниз вдоль периферийного участка 12 топочной камеры 18. Как описано подробно ниже, дополнительную подачу холодной рабочей среды под давлением в топочную камеру 18 из зоны под нижней частью кожуха 3 можно получить с помощью работы вентилятора 30 с числом оборотов выше некоторого предельного числа.

Нижняя часть кожуха 3 содержит нижний изолирующий участок 6. Нижний изолирующий участок 6 может быть снабжен центральным каналом 37 для подачи рабочей среды под давлением на вентилятор 30 и далее в топочную камеру 18.

Кроме того, наружная стенка камеры 1 высокого давления может быть снабжена каналами или трубами (не показано), в которые может подаваться хладагент для охлаждения. Таким способом стенка камеры может охлаждаться для защиты от вредного нагрева. Хладагентом предпочтительно является вода, но другие хладагенты также предполагаются. Поток хладагента указан на фиг.1 стрелками снаружи камеры высокого давления.

Хотя это не показано на фигурах, камера 1 высокого давления может открываться, так что изделия в камере 1 высокого давления могут быть убраны. Это можно реализовать несколькими различными способами, известными специалисту в данной области техники.

Кроме того, по меньшей мере одна питающая труба или канал 40 выполнен для обеспечения подачи холодной рабочей среды под давлением к впуску или вводу 39 вентилятора 30 из холодной зоны 42 под нижним изолирующим участком 6 с использованием разности плотностей между рабочей средой под давлением в холодной зоне 42 и рабочей средой под давлением канала 16. Количество холодной рабочей среды под давлением, подаваемой из холодной зоны 42 на вентилятор 30, может регулироваться с помощью корректировки числа оборотов вентилятора 30. При малом числе оборотов, ниже некоторого предельного числа оборотов, поток холодной рабочей среды под давлением через питающий канал 40 перекрывается, и, следовательно, холодная рабочая среда под давлением не подается на вентилятор 30 из холодной зоны 42 через канал 40. Это происходит вследствие относительно низкого избыточного разрежения на выпуске 41 трубы 40. То есть разрежение является слишком низким для создания достаточного всасывающего действия, которое должно заставлять выходить или вытягивать рабочую среду под давлением из холодной зоны 42 вверх через трубу 40 и далее к вентилятору 30. При некотором числе оборотов вентилятора 30 рабочая среда под давлением из холодной зоны 42 начинает поступать из трубы к впуску 39 вентилятора 30. Данное некоторое число оборотов зависит, кроме прочего, от разности плотностей между рабочей средой под давлением, проходящей в канале 16, и рабочей средой под давлением в зоне 42, конкретного радиального местоположения трубы 40 относительно вентилятора 30 (данный вентилятор 30 предпочтительно располагается на центральной оси CA камеры 1 высокого давления), когда труба 40 расположена в нижнем изолирующем участке 6, и конструктивного исполнения трубы 40, включающего в себя, например, диаметр трубы и положение выпуска 41 трубы 40 относительно нижнего изолирующего участка 6 и относительно выпуска 14. Данное некоторое число оборотов определяется как предельное число оборотов вентилятора 30.

Следовательно, если вентилятор 30 работает при некотором предельном или большем числе оборотов, охлаждение может получаться с помощью дополнительной подачи холодной рабочей среды под давлением, которая подается или втягивается через трубу 40 и далее на вентилятор 30 из холодной зоны 42, при которой, в свою очередь, достигается смешивание холодной рабочей среды под давлением и потока горячей рабочей среды под давлением. Смешанный поток подается в топочную камеру 18 (это описано ниже и показано на фиг.3) и производит охлаждение.

В варианте осуществления, показанном на фиг.1, питающая труба 40 расположена в нижнем изолирующем участке 6 для подачи или направления холодной рабочей среды под давлением из холодной зоны 42, где рабочая среда под давлением может иметь приблизительную температуру 60-180°C, к впуску или вводу вентилятора 30, который расположен в топочной камере 18, где рабочая среда под давлением может иметь приблизительную температуру 1200°C. На фиг.5-8 показаны дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения, имеющие различные местоположения и устройства питающей трубы. Данные варианты осуществления рассмотрены ниже.

Работа приведенного в качестве примера прессового устройства согласно настоящему изобретению описана ниже, в общем, со ссылками на фиг.2 и 3.

Как описано ниже, цикл обработки может содержать несколько состояний, таких как состояние загрузки, состояние прессования и/или нагрева, состояние охлаждения, в которых согласно настоящему изобретению скорость охлаждения можно регулировать, корректируя число оборотов вентилятора 30 для изменения расхода холодной рабочей среды под давлением в топочной камере 18, и состояние выгрузки.

Вначале камера 1 высокого давления открывается так, что обеспечивается доступ в топочную камеру 18 и загрузочное отделение 19. Это можно выполнять несколькими различными способами, известными в уровне техники, дополнительное описание которых не требуется для понимания принципов изобретения.

Затем изделия, подлежащие прессованию, устанавливают в загрузочное отделение 19 и камеру 1 высокого давления закрывают.

Когда изделия установлены в загрузочном отделении 19 камеры 1 высокого давления, рабочую среду под давлением подают в камеру 1 высокого давления, например, с помощью компрессора, аккумуляторного бака высокого давления (подводки давления), криогенного насоса или т.п. Подача рабочей среды под давлением в камеру 1 высокого давления продолжается до получения нужного давления внутри камеры 1 высокого давления.

В процессе или после подачи рабочей среды под давлением в камеру 1 высокого давления печь (нагревательные элементы) 36 топочной камеры 18 включается (включаются) и температура внутри грузового отделения увеличивается. Если необходимо, подача рабочей среды под давлением продолжается и давление увеличивается до получения давления ниже давления, необходимого для процесса прессования, и температуры ниже необходимой температуры для прессования. Затем, давление увеличивается до конечного с помощью увеличения температуры в топочной камере 18, так что достигается необходимый уровень давления. Альтернативно, необходимая температура и уровень давления достигаются одновременно, или необходимое давление достигается после достижения необходимой температуры. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что любой подходящий способ, известный в уровне техники, можно использовать для достижения необходимого давления и температуры прессования. Например, возможно выравнивание давления в камере высокого давления и давления подачи и затем дополнительное нагнетание давления в камере высокого давления с помощью компрессоров, и одновременный дополнительный нагрев рабочей среды под давлением. Внутренний контур конвекции можно активировать с помощью вентилятора 30, установленного в топочной камере 18, для получения равномерного распределения температуры.

Согласно вариантам осуществления, описанным в данном документе, необходимо давление выше приблизительно 200 бар (20 МПа), и необходима температура выше приблизительно 400°C, например около 1200°C.

По истечении заданного периода времени, в котором температура и давление поддерживаются, т.е. фактического состояния прессования, температура рабочей среды под давлением должна уменьшаться, т.е. инициируется охлаждение, описанное ниже.

Рабочая среда под давлением, используемая во время состояния прессования, может, когда температура достаточно уменьшена в состоянии охлаждения, выпускаться из камеры 1 высокого давления. Для некоторых рабочих сред под давлением может являться целесообразным выпуск рабочей среды под давлением в резервуар или т.п. для повторного использования.

После декомпрессии камера 1 высокого давления открывается так, что прессованные изделия 5 можно выгружать из загрузочного отделения 19.

На фиг.2 и 3 показано и более подробно описано ниже состояние установившегося режима и состояние охлаждения. Приведенное ниже рассмотрение относится к варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг.1. Также термины "горячий" или "нагретый" и "холодный" следует интерпретировать в отношении средней температуры рабочей среды под давлением в камере высокого давления. Дополнительно, стрелки указывают направление потока рабочей среды под давлением.

На фиг.2 с помощью стрелок показаны направления потока рабочей среды под давлением во время установившегося режима. Как можно видеть, рабочая среда под давлением, прошедшая вниз через периферийный участок 12 топочной камеры 18 и через канал 10, входит в канал 16 над нижним изолирующим участком 6 и получает дополнительную циркуляцию в топочной камере 18 с помощью вентилятора 30 или проходит через впуск 14 в канал 11. Рабочая среда под давлением в зоне 42 является холодной и может иметь приблизительную температуру 60-180°C, а рабочая среда под давлением, проходящая в канале 16, является нагретой и может иметь приблизительную температуру 1200°C, что дает значительную разность плотностей между рабочей средой под давлением в данных двух зонах. Во время состояния установившегося режима вентилятор 30 работает с числом оборотов ниже предельного числа оборотов, рассмотренного выше, и, соответственно, дополнительно холодная рабочая среда под давлением не подается на вентилятор 30 через питающий канал 40 из холодной зоны 42. При этом может достигаться постоянство высокой температуры в печи 18.

На фиг.3 показано состояние охлаждения, где холодная рабочая среда под давлением подается из холодной зоны 42 для смешивания с потоком нагретой рабочей среды под давлением для получения охлаждения. С помощью регулирования числа оборотов вентилятора 30 или числа оборотов выше некоторого предельного числа оборотов подачу холодной рабочей среды под давлением можно точно регулировать. При этом возможно получение необходимой скорости охлаждения, например, изделия 5. При условии некоторого набора параметров, рассмотренных выше, которые влияют на некоторое предельное число оборотов, скорость охлаждения можно точно регулировать, изменяя число оборотов вентилятора и, в свою очередь, количество холодной рабочей среды под давлением, подаваемой в топочную камеру 18.

Как показано на фиг.3, рабочая среда под давлением, прошедшая вниз через периферийный участок 12 топочной камеры 18 и через канал 10, входит в канал 16 над нижним изолирующим участком 6, и дополнительно осуществляется ее циркуляция в топочной камере 18 с помощью вентилятора 30 или проход через впуск 14 в канал 11. Рабочая среда под давлением в зоне 42 имеет низкую температуру, например приблизительную температуру 60-180°C, а рабочая среда под давлением, проходящая в канале 16, является нагретой, например, имеющей приблизительную температуру 1200°C. Рабочая среда под давлением в зоне 42 под нижним изолирующим участком 6 имеет значительно более высокую плотность, чем рабочая среда под давлением в канале 16 над нижним изолирующим участком 6, например приблизительно в 3 раза более высокую. Требуется достаточный перепад давления между зоной 42 и каналом 16 на выпуске 41 для создания потока рабочей среды под давлением через трубу 40 в канал 16 и дополнительно на вентилятор 30. Ниже рассмотрен пример требуемого разрежения на выпуске 41 со ссылками на фиг.4, на которой показан с увеличением вид детали прессового устройства 100 согласно фиг.1-3. Если статическое давление в топочной камере составляет около 1000 бар (100 МПа) и рабочая среда под давлением в канале 16 имеет температуру около 1100°C, рабочая среда под давлением, проходящая в канале 16, должна иметь плотность около 282 кг/м³. Дополнительно, если рабочая среда под давлением в холодной зоне 42 имеет температуру около 150°, плотность должна составлять около 742 кг/м³. В данном примере варианта осуществления расстояние x между выпуском 41 трубы 40 и впуском 14 составляет 250 мм. Поэтому перепад давления, требуемый для инициирования потока рабочей среды под давлением через трубу 40, должен составлять около 11 мбар или 1128 Па. На перепад давления может влиять увеличение расстояния между выпуском 41 трубы 40 и впуском 16, т.е. увеличение расстояния x. То есть некоторое предельное число оборотов должно быть выше, обуславливая то, что вентилятор 30 может работать при более высоком числе оборотов без инициирования действия улучшенного охлаждения, создаваемого холодной рабочей средой под давлением, проходящей через трубу 40 и смешивающейся с нагретой рабочей средой под давлением, проходящей в канале 16.

На фиг.5-8 показаны дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения, рассмотренные ниже. Одинаковые ссылочные позиции используются на фиг.5-8 для соответствующих признаков или участков камеры высокого давления, показанных на фиг.1. Дополнительно, описание данных признаков или участков ниже не приводится.

Вначале рассматривается показанный на фиг.5 вариант исполнения прессового устройства 110, где питающая труба 50 располагается в стенке центрального канала 37' вместо нижнего изолирующего участка 116. Питающая труба 50 расположена в центральном канале 37' в секции под нижним изолирующим участком 116 так, что выпуск 51 питающей трубы 50 располагается в центральном канале 37'. Холодная рабочая среда под давлением может при этом подаваться из холодной зоны 42 на вентилятор 30 для смешивания с потоком рабочей среды под давлением из канала 16 через центральный канал 37' с помощью корректировки числа оборотов вентилятора 30 соответствующим способом, описанным выше. Аналогично, как описано выше, при работе вентилятора 30 с числом оборотов ниже некоторого предельного числа оборотов для данного конкретного варианта осуществления в условиях заданной температуры и давления может поддерживаться состояние установившегося режима.

Ниже рассматривается показанный на фиг.6 еще один вариант осуществления настоящего изобретения. В данном варианте исполнения прессового устройства 120 камера 1 высокого давления включает в себя нижний изолирующий участок, снабженный двумя питающими трубами 60a и 60b. Питающие трубы 60a и 60b располагаются в нижнем изолирующем участке 126 так, что их соответствующие выпуски 61а и 61b располагаются в канале 16. С помощью корректировки числа оборотов вентилятора 30 приток холодной рабочей среды под давлением из холодной зоны 42 в канал 16 через трубы 60a и 60b и далее на вентилятор 30 для смешивания с потоком нагретой рабочей среды под давлением из канала 16 можно регулировать соответствующим способом, описанным выше.

На фиг.7 показан дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения, рассматриваемый ниже. В данном варианте исполнения прессового устройства 130 камера 1 высокого давления включает в себя нижний изолирующий участок 136, снабженный одной питающей трубой 70. Питающая труба 70 расположена в нижнем изолирующем участке 136 так, что выпуск 71 располагается в канале 16. Вместе с тем в данном варианте осуществления труба 70 выдвинута в канал 16, и выпуск 71 должен, следовательно, располагаться на расстоянии от нижнего изолирующего участка 136. С помощью корректировки числа оборотов вентилятора 30 приток холодной рабочей среды под давлением из холодной зоны 42 в канал 16 через трубы 60a и 60b и дополнительно на вентилятор 30 для смешивания с потоком нагретой рабочей среды под давлением из канала 16 можно регулировать соответствующим способом, описанным выше.

На фиг.8 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения, рассматриваемый ниже. В данном варианте исполнения прессового устройства 140 камера 1 высокого давления включает в себя нижний изолирующий участок 146, снабженный одной питающей трубой 80, расположенной в нижнем изолирующем участке 146 так, что выпуск 81 располагается в канале 16. Питающая труба 80 снабжена клапаном 85 на впуске 84. Когда клапан 85 открыт, данный вариант осуществления настоящего изобретения должен функционировать, как вариант осуществления, описанный выше и показанный на фиг.1. Вместе с тем клапан 85 обеспечивает мгновенное дросселирование питающей трубы 80 во время состояния охлаждения, т.е. во время состояния, где вентилятор 30 работает с числом оборотов выше некоторого предельного числа оборотов, так что холодная рабочая среда под давлением проходит через питающую трубу 80 и смешивается с рабочей средой под давлением, проходящей через канал 16 над нижним изолирующим участком 146. При этом возможно, например, регулирование соотношения компонентов смеси холодной и нагретой рабочей среды под давлением весьма точно с помощью открытия/закрытия клапана 85.

Хотя настоящее описание и чертежи раскрывают варианты осуществления и примеры, включающие в себя выбор компонентов, материалов, температурных диапазонов, диапазонов давления и т.д., изобретение не ограничивается данными конкретными примерами. Многочисленные модификации и изменения можно выполнять без отхода от объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Настоящее изобретение относится к обработке изделий горячим прессованием, предпочтительно горячим изостатическим прессованием. Прессовое устройство содержит топочную камеру, расположенную внутри камеры высокого давления устройства и окруженную теплоизолированным кожухом. Под топочной камерой размещен нижний изолирующий участок. Для циркуляции рабочей среды под давлением в топочной камере предназначен вентилятор с регулируемым числом оборотов. В устройстве предусмотрен по меньшей мере один питающий канал с выпуском. Указанный канал обеспечивает соединение между зоной под нижним изолирующим участком и впуском вентилятора для смешивания потока из указанной зоны с потоком в канале над нижним изолирующим участком и ниже топочной камеры. При этом обеспечена возможность регулирования указанного смешанного потока путем корректировки числа оборотов вентилятора. В результате обеспечивается возможность точной регулировки температуры рабочей среды под давлением и скорости ее изменения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Прессовое устройство (100; 110; 120; 130; 140) для горячего прессования, содержащее:
камеру (1) высокого давления, включающую топочную камеру (18), выполненную внутри камеры (1) высокого давления с возможностью удерживания изделий;
теплоизолированный кожух (3), выполненный окружающим топочную камеру (18);
нижний изолирующий участок (6; 116; 126; 136; 146), расположенный под топочной камерой (18);
вентилятор (30) с регулируемым числом оборотов, выполненный с возможностью создания потока рабочей среды под давлением в топочной камере (18) и циркуляции упомянутой рабочей среды под давлением в топочной камере (18) в процессе прессования; и
по меньшей мере один питающий канал (40; 50; 60a, 60b; 70; 80) с выпуском (41; 51; 61a, 61b; 71; 81), расположенный радиально и вертикально на расстоянии относительно вентилятора (30), причем указанный по меньшей мере один питающий канал выполнен с возможностью создания соединения между зоной (42) под нижним изолирующим участком (6; 116; 126; 136; 146) и впуском (39) вентилятора (30) для обеспечения прохода рабочей среды под давлением из указанной зоны (42) на впуск (39) вентилятора (30) для смешивания потока из зоны (42) с потоком рабочей среды под давлением в канале (16) над нижним изолирующим участком (6) и ниже топочной камеры (18), при этом обеспечена возможность регулирования указанного смешанного потока регулированием числа оборотов вентилятора (30).

2. Прессовое устройство по п.1, в котором вентилятор (30) выполнен так, что работа при числе оборотов ниже предельного числа оборотов обеспечивает по существу прекращение подачи холодной рабочей среды под давлением.

3. Прессовое устройство по п.2, в котором вентилятор (30) выполнен с обеспечением при работе с изменяемым числом оборотов, превышающим предельное число оборотов, прохождения изменяемого потока холодной рабочей среды под давлением через указанный по меньшей мере один питающий канал (40; 50; 60a, 60b; 70; 80) к впуску (39) вентилятора (30), при этом обеспечена возможность изменения количества холодной рабочей среды под давлением, подаваемой в топочную камеру (18.

4. Прессовое устройство по п.1, в котором по меньшей мере один питающий канал (40; 50; 60a, 60b; 70; 80) выполнен с такими размерами, что вентилятор (30) и указанный по меньшей мере один питающий канал (40; 50; 60a, 60b; 70; 80) совместно обеспечивают получение по существу блокированного потока холодной рабочей среды под давлением и изменяемого потока холодной рабочей среды под давлением.

5. Прессовое устройство по п.1, в котором соответствующий выпуск (41; 51; 61a, 61b; 71; 81) по меньшей мере одного питающего канала (40; 50; 60a, 60b; 70; 80) расположен радиально и вертикально на расстоянии от впуска (14) направляющего канала (11) в теплоизолированном кожухе (3) так, что указанный по меньшей мере один питающий канал (40; 50; 60a, 60b; 70; 80) и впуск (14) направляющего канала совместно обеспечивают получение по существу блокированного потока холодной рабочей среды под давлением и изменяемого потока холодной рабочей среды под давлением.

6. Прессовое устройство по п.1, в котором указанный по меньшей мере один питающий канал (40; 60a, 60b; 70; 80) является по меньшей мере одной трубой (40; 60a, 60b; 70; 80), расположенной в нижнем изолирующем участке (6; 126; 136; 146) радиально на расстоянии от центральной оси вентилятора (30), при этом соответствующий выпуск (41; 61a, 61b; 71; 81) трубы (40; 60a, 60b; 70; 80) расположен в соединении с каналом (16) над нижним изолирующим участком (6; 126; 136; 146).

7. Прессовое устройство по п.6, в котором указанная по меньшей мере одна труба (70) выполнена с возможностью прохода в канал (16) так, что соответствующий выпуск (71) расположен на расстоянии от нижнего изолирующего участка (136).

8. Прессовое устройство по п.1, в котором по меньшей мере один питающий канал (50) расположен так, что его соответствующий выпуск (51) соединен с центральным каналом (37').

9. Прессовое устройство по п.1, в котором выполнено опорное средство (44) для поддерживания загрузочного отделения (19) в топочной камере (18) так, что обеспечен проход рабочей среды под давлением в канал (16) под нижним изолирующим участком (6; 11; 126; 136; 146).

10. Прессовое устройство по п.9, в котором опорное средство (44) снабжено сквозными отверстиями, выполненными с возможностью обеспечения прохода рабочей среды под давлением в канал (16) над нижним изолирующим участком (6; 11; 126; 136; 146).

11. Прессовое устройство по п.1, в котором питающий канал (80) снабжен клапаном (85).

12. Способ горячего прессования изделий с использованием прессового устройства (100; 110; 120; 130; 140; 150) для горячего прессования, содержащего:
камеру (1) высокого давления, включающую топочную камеру (18), выполненную внутри камеры высокого давления с возможностью удерживания изделий;
теплоизолированный кожух (3), выполненный окружающим топочную камеру (18);
нижний изолирующий участок (6; 116; 126; 136; 146), расположенный под топочной камерой (18);
вентилятор (30) с регулируемым числом оборотов, выполненный с возможностью создания потока рабочей среды под давлением в топочной камере (18) и циркуляции упомянутой рабочей среды под давлением в топочной камере (18) в процессе прессования; и
по меньшей мере один питающий канал (40; 50; 60a, 60b; 70; 80; 90) с выпуском (41; 51; 61a, 61b; 71; 81), расположенным радиально и вертикально на расстоянии относительно вентилятора (30), причем указанный по меньшей мере один питающий канал выполнен с возможностью создания соединения между зоной (42) под нижним изолирующим участком (6; 116; 126; 136; 146) и впуском (39) вентилятора (30), при этом способ включает:
смешивание потока из указанной зоны (42) к впуску (39) вентилятора (30) с потоком рабочей среды под давлением в канале (16) над нижним изолирующим участком (6) и ниже топочной камеры (18) путем регулирования числа оборотов вентилятора (30).