Ремонт колокола методом гидростатической переплавки Российский патент 2024 года по МПК B23P6/04 G10K1/28 B22D23/06 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам ремонта трещин в церковных колоколах методом переплавки.

Способ заварки трещин в колоколе методом гидростатической переплавки предложен впервые и аналогов в современной технике не имеет. Этот способ был специально разработан для ремонта Царь-колокола и впервые был описан в общей заявке 2022109759, в которой было рассмотрено несколько вариантов его ремонта, а также способы его подвески.

В предыдущих заявках автором было рассмотрено 2 способа ремонта трещин в Царь-колоколе методом его нагрева с последующим обжатием на внутреннюю болванку. По первому способу это происходило в инертной атмосфере газостата с незначительным уменьшением диаметра, а по второму способу обжатие происходило внутри бетонного саркофага, где источником давления выступала энергия взрывчатого вещества. К сожалению оба способа, кроме плюсов, имеют также свои минусы, что на практике ограничивает их применение. Поэтому был разработан третий вариант ремонта Царь-колокола без использования высокого давления.

Его идея состоит в том, чтобы подвергнуть колокол гидростатической переплавке, при которой его форма и поверхность остаются без видимых изменений.

Для этого колокол заключают в герметичную капсулу, состоящую из двух основных частей: внутренней и наружной оболочек, плотно прилегающих к поверхности колокола, которые, для повышения своей жесткости, могут иметь дополнительный каркас. Поскольку при плавлении бронзы ее объем увеличивается, то внутри колокола, между его поверхностью и внутренней оболочкой, необходимо разместить промежуточный слой из демпфирующего материала, который, обладая упругими свойствами, будет сжиматься, давая возможность расплаву занять свободное место. При этом расплавленная бронза будет оставаться практически на месте, что является достоинством такого варианта компенсации объема. А его недостатком является сложность в проектировании упругого слоя переменной толщины и подборе материала с необходимыми свойствами.

Можно обойтись без этого демпфирующего слоя, но тогда необходимо предусмотреть возможность стекания расплава в дополнительную емкость (находящуюся под давлением) и обратное его возвращение, когда он начнет твердеть и уменьшаться в объеме. Недостатком такого варианта будет перемещение небольшой части расплава колокола по внутреннему объему, что отдаляет его от идеала гидростатического метода обработки и усложняет конструкцию.

Процесс предварительной подготовки колокола к переплавке, кроме стандартной процедуры, должен включать в себя обязательное нанесение защитного покрытия тонким слоем на его наружную поверхность, а если нужно, то и на внутреннюю, которая защитит от прилипания оболочек к колокольной бронзе. Также с головы колокола должны быть временно демонтированы корона вместе с державой.

Насколько успешным окажется такой метод обработки (переплавки) колокола зависит от выполнения ряда условий, в частности от материала оболочек, который должен отвечать следующим требованиям:

- иметь более высокую температуру плавления, чем колокольная бронза,

- при этом иметь одинаковый с ней коэффициент теплового расширения,

- быть термостойким, т.е. оказывать повышенное сопротивление механической нагрузке при высокой температуре.

Кроме сложности в подборе материала оболочек, особую трудность вызывает создание ее наружной части, которая контактирует с барельефом колокола и поэтому должна с высокой точностью повторять все изменения его рельефа. Если внутреннюю оболочку можно без труда изготовить, сняв с внутренней поверхности колокола необходимые размеры, а затем обточить ее на трехкоординатном станке с ЧПУ, то изготовить наружную оболочку возможно только методом литья непосредственно на поверхность самого колокола (предварительно разогретую для этой цели). Если так и сделать, то при остывании с последующим отвержением она, из-за усадки, потрескается, что является недопустимым браком. При этом часть своего тепла оболочка передаст колоколу, из-за чего его поверхность может начать плавиться, что тоже нежелательно, поскольку является преждевременным. Поэтому придется искать другой способ формообразования, свободного от указанных недостатков.

Еще лет десять назад такого способа просто не существовало в технике, но в последнее время, с развитием аддитивных технологий послойного наращивания материала, все изменилось, и с помощью 3D принтеров, оснащенных лазерными головками, можно печатать металлические детали больших размеров и любой формы сложности.

Сам процесс переплавки колокола будет выглядеть так. После формирования снаружи и внутри колокола оболочки-капсулы его помещают в электропечь, при этом нагревательные элементы располагают снаружи внутренней оболочки, а охлаждающие - поверх наружной оболочки колокола. После этого нагреватель включают на полную мощность и изнутри прогревают колокол, добиваясь начала плавления бронзы, при этом постоянно контролируя и регулируя температуру в разных его частях, согласно техническому регламенту. Когда расплавление полностью завершится, подогрев отключают и включают наружное охлаждение, при котором начнется обратный процесс отвердевания расплава, начиная с наружной поверхности и заканчивая внутренней.

Когда переплавка закончится и колокол остынет, его извлекают из печи, аккуратно, чтобы не повредить барельеф, удаляют защитную капсулу и приступают к его обследованию на предмет выявления различных дефектов. Убедившись что трещины в колоколе все заварились, а количество дефектов в нем не превышает допустимый уровень, на колокол возвращают корону с державой и приступают к финишной обработке.

Перелитый по такой схеме Царь-колокол будет выглядеть как новым, только что отлитым колоколом, но при этом не будет являться новоделом, поскольку, находясь в жидком состоянии, большая часть его расплава оставалась на своем месте, никуда не перемещалась, и поэтому его внутренняя и наружная форма с барельефом полностью останутся прежними, без изменений, сохранив свой исторический облик для будущих поколений наших и иностранных туристов.

Техническим результатом изобретения является возможность отремонтировать Царь-колокол без использования дорогостоящего газостата, что приведет к сокращению расходов на его ремонт и сохранит внешний облик колокола без изменений.

Какой из трех описанных способов ремонта Царь-колокола лучше подходит для его восстановления, - решать инженерам и реставраторам, а также руководству страны. Поскольку предложенные способы ремонта являются новыми, еще неосвоенными технологами, то перед их применением необходимо будет провести комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на колоколах меньших размеров. И только при достижении стопроцентного положительного результата, один из способов можно взять на вооружение, применив его на практике.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам ремонта трещин в церковных колоколах методом переплавки. Колокол заключают в герметичную капсулу, состоящую из двух частей: внутренней и наружной оболочек, плотно прилегающих к его поверхности. Внутри колокола, между его поверхностью и внутренней оболочкой, размещают слой из демпфирующего материала, который при нагреве будет сжиматься, давая возможность расплаву занять свободное место. Переплавку производят в электропечи, в которой в процессе нагрева тепло подводят изнутри колокола, а после его расплавления - отводят снаружи. По окончании переплавки с него аккуратно удаляют капсулу и обследуют на наличие дефектов, после чего приступают к финишной обработке. Изобретение позволяет отремонтировать колокол без использования дорогостоящего газостата и при этом сохранить внешний вид колокола без изменений. 1 пр.

Способ ремонта колокола методом переплавки в гидростатическом режиме, при котором колокол помещают в герметичную капсулу, состоящую из двух основных частей: внутренней и наружной оболочек, плотно прилегающих к поверхности колокола, между внутренней оболочкой и колоколом размещают промежуточный слой из демпфирующего материала с упругими свойствами или обходятся без него, предусмотрев возможность расплаву стекать в дополнительную емкость при плавлении бронзы и возвращаться обратно при ее отвердевании, на наружной поверхности внутренней оболочки устанавливают нагревательные, а на внешней поверхности наружной оболочки охлаждающие элементы, после этого колокол помещают в электропечь и начинают процесс нагрева и переплавки, в ходе которого постоянно контролируют температуру и состояние расплава в различных его частях в соответствии с техническим регламентом, после завершения расплавления отключают подогрев и приступают к охлаждению колокола, которое ведут снаружи внутрь, добиваясь его полного отвердевания, по завершении которого остывший колокол извлекают из печи, удаляют с него защитную капсулу и отправляют на дальнейшую обработку.