ГАЗОСТАТ Российский патент 2024 года по МПК B30B12/00 B22F3/15 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к оборудованию для обработки дискретных или сплошных материалов воздействием высоких давлений и температур.

Предлагаемое изобретение, в котором стальные части газостата (станина+камера) полностью или частично заменены на каменный материал естественного или искусственного происхождения, является новым техническим решением, не имеющем аналогов в мировой практике машиностроения. Данное описание впервые использовалось в другом изобретении автора под названием "Газостат гравитационного типа" и повторно публикуется с незначительными доработками.

В современной технике используется пресс-газостат, конструкция которого состоит из станины прямоугольной формы, внутри которой размещается герметичный сосуд (камера), в котором производят обработку деталей методом холодного или горячего изостатического прессования (ГИП), путем создания в нем сверхвысокого давления (вплоть до 5000 атм) инертного газа или жидкости, приложенного либо непосредственно к обрабатываемому объекту, либо к поверхностям капсулы, наполненной порошком.

Изобретенный в середине 20 века, сначала небольшой по размерам газостат, сегодня уже достиг внушительных габаритов и массы, что позволяет, в самых крупных его версиях, обрабатывать заготовки диаметром до 2 и длиной до 4 метров. Поскольку технический прогресс не стоит на месте, порождая все новые машины-гиганты с большими размерами частей, нуждающихся в газостатической обработке деталей, то можно предположить, что в ближайшие десятилетия возникнет потребность в газостате, размеры которого будут в разы больше уже существующих. Если предположить, что внутренний диаметр такого гиганта достигнет 10 метров, то увеличение его массы составит стократного значения, поскольку она находится в кубической зависимости от его размеров. А поскольку камера газостата, вместе со станиной, изготавливается из высокопрочной дорогостоящей стали, все это очень сильно увеличит его стоимость, которая может достигнуть сотни миллионов, и даже миллиардов долларов. Вот поэтому, очень важно заменить сталь на другой, более дешевый материал, например на натуральный или искусственный камень.

Такой, "каменный", газостат может быть двух типов: с вертикально расположенной камерой в скальном основании или с горизонтально расположенной камерой в туннеле горного массива.

Конструкция камеры вертикального газостата будет представлять из себя шахту или тоннель круглого сечения, состоящую из двух участков: верхнего с резьбой, в который будет вкручиваться крышка, и нижнего - собственно камеры газостата. Для изоляции внутреннего пространства камеры от каменных пород всю ее поверхность, вместе с резьбовой частью, покрывают слоем металла толщиной в несколько сантиметров. Если газостат планируют использовать при высоких температурах, то на стенки камеры еще дополнительно наносят слой теплоизоляции и устанавливают нагревательные элементы. Для увеличения прочности резьбы на сдвиг, ее витки усиливают металлическими штифтами, которые располагают перпендикулярно к оси шахты. На дно камеры устанавливают загрузочную платформу, предназначенную для размещения на ней заготовки. Конец резьбовой части шахты, по всей окружности, должен иметь кольцевую полость, предназначенную для установки в ней прокладки из мягкого материала, желательно клиновидного сечения. Для герметизации камеры потребуется цилиндрическая крышка с винтовой резьбой, изготовленная из высокопрочной стали, которая должна вворачиваться в каменные стенки шахты (со стальной облицовкой) и нижней кромкой упираться в кольцевую прокладку.

Глубина резьбовой части шахты, витки которой будут воспринимать на себя всю нагрузку со стороны крышки камеры высокого давления (ВД), зависит от ее диаметра и от качества окружающих ее горных пород, которое определяется количеством и видом пронизывающих скалу трещин, значительно влияющих на ее прочность. Поэтому, в лучшем случае, глубина шахты составит десятки метров, в худшем - перевалит за сотни.

Одной из сложных технических проблем, которую потребуется решить проектировщикам "каменного" газостата, будет отворачивание-заворачивание и подъем-опускание ее очень тяжелой винтовой крышки, масса которой может достигать несколько тысяч тонн. Из-за этого, при ее вращении, в резьбовом соединении, будет возникать очень большая сила трения, для преодоления которой к крышке придется приложить сверхбольшой крутящий момент. Чтобы этого избежать, необходимо разгрузить крышку, перенеся ее массу, или на подъемное устройство, расположенное вверху на площадке, или на нижнюю часть камеры, создав в ней избыточное давление воздуха. Именно воздуха, поскольку использовать для этого остаточное давление инертного газа (после обработки заготовки ВД) будет нецелесообразным, из-за большой его утечки через щели в резьбовом соединении. Это, в свою очередь, приведет к увеличению времени на весь рабочий процесс и дополнительным энергетическим затратам на сжатие воздуха.

Сократить потери воздуха, при вращении крышки, можно, если избыточное давление создавать не под ней самой, а под загрузочной платформой, использовав ее как поршень, который, через промежуточные опорные стойки, будет толкать вверх крышку, при этом вращаясь вместе с ней. Но в этом случае, чтобы крышка полностью выкрутилась, глубина камеры должна быть не меньше длины резьбовой части тоннеля, т.е. быть достаточно глубокой.

Есть еще один вариант для сокращения времени и потерь энергии, при откручивании и закручивании крышки. Для этого необходимо создавать избыточное давление газа одновременно в обоих частях шахты: воздуха в ее резьбовой част и, под крышкой, и инертного газа в камере газостата. А чтобы газы между собой не перемешивались, между его частями необходимо предусмотреть разделительную мембрану в форме диска, которая будет устанавливаться на границе резьбового участка перед закручиванием крышки.

Решить проблему сверхтяжелой крышки также можно одним простым способом: это разделить ее на несколько частей и закручивать их по отдельности, что возможно приведет к снижению энергетических потерь, но при этом увеличит время на ее установку.

Конструкция верхнего подъемного устройства может быть двух разных типов.

За основу можно взять классический мостовой кран, в форме буквы П, создающий подъемную силу при помощи тросов с лебедкой, и использовать его для подъема как заготовки, так и тяжелой крышки. Но, в последнем случае, лебедки должны обязательно вращаться вместе с ней, и, учитывая очень большую массу винтовой крышки, все это сильно усложнит конструкцию мостового крана.

Кроме него, для подъема заготовки, можно применить специально сконструированную передвижную платформу, в форме прямоугольника или круга, с отверстием в центре, диаметр которого должен соответствовать размерам загрузочной платформы, и наверху которой должны располагаться силовые лебедки. Эту же платформу можно приспособить и для подъема крышки, для чего в ее отверстии необходимо нарезать резьбу, по которой, вворачиваясь в платформу, крышка будет подниматься вверх, пока полностью не окажется над поверхностью. При этом сама платформа может одновременно вращаться вместе с крышкой, опираясь на колеса, или на воздушную подушку, создаваемую под ее днищем (с целью разгрузки колес). А необходимое усилие для подъема крышки будут создавать уже не лебедки, а избыточное давление воздуха под ней, поскольку платформа не способна самостоятельно, из-за своей небольшой высоты, полностью извлечь высокую крышку на поверхность. Это недостаток можно исправить, если местом подсоединения тросов выбрать не верх, а низ крышки. В этом случае в ее резьбе необходимо будет проделать вертикальные пазы, куда будут складываться тросы при ее заворачивании.

Подъем или опускание винтовой крышки должно обязательно сопровождаться ее вращением, которое можно производить с помощью, как внешнего устройства, установленного вверху на подъемнике, так и внутреннего, закрепленного на поверхности крышки. В этом случае, для купирования вращающегося момента, в резьбовой части шахты, необходимо проделать вертикальные пазы, в которые будет входить и скользить по ним, выступы на корпусе вращающегося устройства (ВУ). А когда резьба закончится, эти выступы должны скользить дальше, но уже по вертикальным направляющим, установленным на мостовом кране.

Еще крышку газостата можно открутить с помощью гигантского гайковерта, расположенного на мостовом кране, с телескопической раздвия-зюй штангой, выполняющей функцию торцового ключа. Минусом такого способа будет большая высота крана вместе со штангой и сложность ее конструкции.

Существует еще один экзотический способ для откручивания крышки камеры газостата. Для создания вращающегося момента можно применить мощный гидрореактивный двигатель (водомет), состоящий из электропривода и насосов, а также резервуара с водой, монтируемых во внутренних полостях винтовой крышки, с соплами на ее поверхности. Вот только низкий пропульсивный КПД водомета и всей системы в целом, оставляет мало шансов на ее практическое применение.

Функционировать вертикальный газостат будет так: загрузочную платформу вместе с заготовкой опускают на дно камеры, потом закручивают стальную крышку, добиваясь ее полной герметизации. Далее в камеру закачивают инертный газ под ВД (при необходимости его нагревают) и заготовку подвергают обработке по технологии ГИЛ или ХИЛ, в соответствии с техническим регламентом. По окончании процесса обработки процедуру извлечения заготовки проводят в обратной последовательности.

Другая разновидность "каменного" газостата, с горизонтально расположенной камерой, будет иметь такую же конструкцию, что и вертикальная, но со своими отличительными особенностями.

Прежде всего изменится конструкция загрузочной платформы: она будет иметь прямоугольную форму и станет передвигаться на колесах по рельсам, проложенным в пазах резьбовой части тоннеля и далее по плоскому полу камеры, который будет находиться выше витков резьбы. Поэтому ее колеса должны крепиться к платформе не напрямую, а на складывающихся опорах: каждая из них, перед заездом в камеру, должна поворачиваться на 90°, уменьшая свою высоту до уровня пола.

Небольшие изменения затронут и резьбовую часть тоннеля. Поскольку вес тяжелой крышки уже нельзя будет уравновесить избыточным давлением газа или подъемной силой мостового крана, то, для ликвидации трения в резьбе, придется использовать воздушную или водяную смазку, подаваемую в нижнюю часть резьбового соединения, расположенную между пазами с рельсами. Причем к каждому витку резьбы должен подходить свой трубопровод с запорной арматурой, управляемый автоматической системой подачи смазки, которая будет отслеживать местоположение крышки и подключать те части витков, над которыми она находится в данный момент времени. По понятным причинам резьба не должна заканчиваться на входе тоннеля, а ее нижняя часть (с системой смазки), должна идти дальше по площадке, образуя перед входом небольшое углубление в фундаменте.

Конструкция отворачивающего устройства или гайковерта также претерпит изменения. Он больше не будет монтироваться на мостовом кране, а станет отдельной машиной на колесах, и будет перемещаться по рельсам, одновременно с вращением крышки, заезжая внутрь тоннеля. А чтобы уже отвернутую крышку можно было бы выкатить из углубления и откатить в сторону (от входа в тоннель), гайковерт должен обладать способностью двигаться боком, прилагая при этом значительное усилие - до 30% от веса крышки. Для выполнения этой задачи обычные колеса не годятся, и поэтому гайковерт придется оснастить дополнительным мощным движителем, в роли которого может выступить шнекороторный его тип, выдвигаемый в нужный момент времени.

Обработка заготовки в горизонтальном газостате принципиально не будет отличаться от ее обработки в вертикальной версии газостата, описанного выше.

Преимущества "каменного" газостата, с горизонтально расположенной камерой, по сравнению с вертикальной версией, будут такими:

1. Расположение заготовки большой длины в горизонтальном положении, приведет к снижению внутренних напряжений, возникающих от сжатия ее корпуса под собственным весом, что позволит избежать ее деформации во время нагрева.

2. Отпадет необходимость в мощном подъемном кране для подъема и перемещения тяжелой крышки, которую теперь можно просто перекатывать по площадке.

3. Уменьшится высота мостового крана и сократятся габариты гайковерта, за счет отказа от телескопической раздвижной штанги.

А к недостаткам такой конструкции следует отнести трудности, связанные с поиском горы необходимого профиля, по возможности с более крутыми склонами, а при отсутствии таковой - это необходимость сильно увеличить длину резьбовой части тоннеля - вплоть до нескольких километров.

Техническим результатом изобретения является замена дорогостоящей стали на более дешевый и доступный каменный материал, что создаст перспективу для строительства гигантских по размеру газостатов с возможностью обработки в них крупногабаритных деталей машин.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в конструкциях газостатов. Газостат содержит станину из натурального или искусственного камня, которая имеет вертикальную шахту круглого сечения. Внутренняя поверхность шахты покрыта слоем металла. Верхняя часть шахты имеет резьбу, усиленную металлическими штифтами. Нижняя часть образует камеру высокого давления. Поверх слоя металла в нижней части шахты расположено теплоизоляционное покрытие, на котором установлены нагревательные элементы. Резьбовая часть шахты имеет расположенную на ее конце по окружности кольцевую полость, в которой установлена прокладка из мягкого материала. Крышка выполнена из стали, имеет наружную резьбу и вкручена в резьбовую часть шахты до упора в кольцевую прокладку. В результате обеспечивается возможность обработки дискретных или сплошных материалов воздействием высоких давлений и температур.

Газостат, содержащий станину с камерой высокого давления, выполненной с возможностью размещения в ней заготовки и имеющей теплоизоляционное покрытие, цилиндрическую крышку и нагревательные элементы, отличающийся тем, что станина выполнена из натурального или искусственного камня и имеет вертикальную шахту круглого сечения, внутренняя поверхность которой покрыта слоем металла, верхняя часть шахты выполнена с резьбой, усиленной металлическими штифтами, а нижняя часть образует камеру высокого давления, при этом теплоизоляционное покрытие расположено поверх слоя металла в нижней части шахты, нагревательные элементы установлены на упомянутом теплоизоляционном покрытии, резьбовая часть шахты выполнена с расположенной на ее конце по окружности кольцевой полостью, в которой установлена прокладка из мягкого материала, а крышка выполнена из стали, имеет наружную резьбу и вкручена в резьбовую часть шахты до упора в кольцевую прокладку с обеспечением герметизации газостата.