Машина для центробежного литья Советский патент 1981 года по МПК B22D13/02 

Изобретение относится к литейному производству для получения изделий из тугоплавких неорганических материалов, например карбидов, боридов, силицидов, нитридов металлов IV - VI групп и твердых сплавов на их основе, в частности к оборудованию для центробежного формования, и может быть использовано при изготовлении изделий заданной формы, например коррозионноетойких высокотвердых и и носостойких валов, стержней, колец, втулок и пр. для широкого применения в станкоинструментальной, химической и огнеупорной, абразивной промышленности и машиностроении. Известна машина для центробежног литья, содержащая станину, кокиль, привод вращения и электроды для зажигаю1Я и расплавления экзотермической смеси исходных компонентов 1}. Данная конструкция не позволяет получать качественных издeJИй из тугоплавких материалов путем локальноГО воспламенения смеси исходных компонентов под давлением газообразной среды, поскольку кокиль сообщается с атмосферой и отходявще газы не используются для проведения процессов синтеза и формообразования. Известен автоклав для центробежной заливки литей 1х форм под избыточ1шм пульсируюощм давлением, содержащей герметичный корпус, размещенные в нем ротор с тиглем и формой, и cucT&ty подачи сжатого газа постоянного давлен|1Я 2. Однако данная конструкция не моат быть использована для изготовления roTooiix изделий путем синтеза тугоплавких веорганичесюнх соединений, получаегшх при воспламенении смеси исходных компонентов с использова нием теплахшшческой реакции, протекакщей в.режиме горения при высоком давле1ши (выше 100 атм). Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение для производства изделий из тугоплавких ; материалов, использующее машину для центробежного литья, содержшцую станину, ротор и осью вращеиия и реакционными формами, привод, cиcтe ш пода чи продувки газа и теплового инициирования реакции с элемеита ш зажигания З , Подготовленную смесь компонентов засыпают в тугоплавкую реакционную форму, имеющую вид цилиндра, : уплотняют и устанавливают на роторе центрифуги. Подключают систему подачи-продузки газа, например, аргона и устанавливают заданное давление (до 100 атм), Включают привод враще-п ния, и, при достижении заданной перегрузки (1000 д), посредством вольфрамовой спирали, являющейся элементом системы теплового инициирования ре акции производят -воспламенение смеси компонентов.Поверхностный слЬйсмеси воспламеняется иреагирует с вьщелением большого количества тепла, часть которого передается прилегакщему холодному слою, который в свою очередь прогревается, воспламеняется, реагирует и передает часть тепла соседнему слою. Реакция протекает в тонком слое смеси в зоне горения, где температура достигает 2000-АООО°К. По окончании горения и охлаждения форьш производят сброс давления из реакционной формы, демонтаж ее с ротора центрифуги и извлечение готового изделия. Однако данному техническому решени присущ ряд недостатков. Во-перйых, конструктивно сложно решено крепление реакционных ферм на роторе центрифуги а установка и демонтаж реакционных форм усложняет обслуживание центрифуги, так как по существу необходимо порле каждого процесса формования произв дить балансировку ротора с установленными реакционными формами, имею(циь значительный вес. Исключение дебалаиса ротора, имекнцего при работе более 1000 оборотов в минуту, является трудоемким процессом при обслуживаиии . центрифуги, требующим высокой квалификации обслуживающего персонала. Вовторых, наличие отдельных, не связанных между собой ре исционных форм, не исключает возникновение дебаланса ротора в результате того, что в одной Из реакционных форм не происходит вос пламенение исходных компонентов, например; в результате выхода из строя системы.теплового инициирования реакции.. Поэтому возможность возникновения дебаланса снижает надежность работы устройства и повьавает опасность обслуживания. Поскольку технологический процесс проводят при высоком давлении и высоких оборотах ротора, то реакционные форкы выполняют с минимальными внутренними объемами, равными сумме объемов исходной смеси и формуемого, изделия. Это позволяет исключить кипение легкоплавких фракций и получать высококачественные изделия. Однакоj,в процессе горения в реакционных формах давление возрастает в сотни раз. Экспериментально определено, что при синтезе 1 см смеси исходных компонентов выделяется порядка 600 см газов, т.е. давление возрастает в 600 раз. В связи с этим приходится выполнять укаэантле формы на максимально возможное давление, что значительно сказывается на металлоемкости и весе высокооборотной конструкции. Цель изобрете я - упрощение конструкции, повышение надежности и безопасности работы..-Поставленная цель достигается тем, что ротор снабжен герметичной балластной камерой, установленной на оси вращения, и каналами, выполненными в оси вращения и соединяющими балластную камеру, жестко связанную и сообщающуюся с реакционными формами, с системой подачи-продувки газа, при этом объем герметичной балластной камеры в 5-10 раз больше общего объема реакционных форм, а элементы зажигания шлполне в виде радиальifliix электродов-разрядников. Кроме того, реакцнон1ше формы могут быть футерованы графитом. На фиг.. I изображена MairaiHa, общий вид; на фиг, 2 - разрез А-А на г. I.. Машина содержит станину , установленж1(й в подшипниковых узлах 2 ротор, включающий ось 3 вращения, герметичную балластную камеру 4 и реакционные формы 5, выполненные в виде труб жестко соединенных, например, сварешаос с балластной камерой 4. В оси 3 вращения шлполнены кйяаНал б, посредством которых реакционнее формы 5 и балластная камера 4 сообщаются с системой подачи-продувки газа (не показана) через переходник 7, сиабженшлй предохранительным клапаном 8 н трубопроводной арматурой 9. Ось 3 вращения через муфту 10 соединена с электродвигателем П. Посредством скользящих.контактов 12, установленных на оси 3 вращегшя, электрощеток 13.и соединенных с ними электродов 14, электрод-разрядник 15 зажигания, установлен1я 1й внутри реак ционной формы I5 в электродержателе 16, соеданен с системой теплового ини циирования реакции (не показана). &лсокооборотная балластная камера 4 с реакционными формами 5 заключёны в защитный кожух 17 с монтажными проемами (не показаны). Внутри реакционных форм 5 на крышках 8 установлены корпуса 19, футированные внутри гра4м товым стаканом 20 и закрытие с торцов графитовыми крышками 21 и 22. Кръшка 21 выполнена с отверстием 23 для ввода радиального электрода-разрядника I5 зажигания и совместно с корпусом 19 посредством электродов 14 смонтиро ваны на крышке 18. Электроды 14 изоли рованы в местах контактов с крышками 18 и 21, при этом Крышка 18 снабж на уплотняющим кольцом 24, а крышка 22 установлена на изолирующем основа нии 25, Внутри корпуса 19, на крышке 22 смонтирован формодержатель 26 с разъемными формами 27. Пространство корпуса 19 между крьшкой 21 и формрдержателем26, служащее для засыпки смеси ИСХОД1В.1Х компонентов н проведе ния реакции синтеза, ограничено легкоплавкими мембранами 28 и 29. Машина работает следующим обраНа крышке 18 устанавливают корпу 19 со стаканом 20 и формодержатель 26 с формами .27. На формодержатель 26 помещают мембрану 28 и засыпают дозу приготовленной исходной смеси, сверху которой укладывают мембрану 29 и крышку 21. Крышку 18 устанавливают в реакционнуто форму 5. Аналогич но собирают и устанавливают исходную смесь и в другие реакционные формы. Подсоединяют посредством проводов (не показаны) скользящие контакты 12 к электродам 14. Затем пооизводят продувку и заполнение газом балласт ной камеры 4 до заданного давления, закрывают монтажные проемы защитного кожуха 17 и включают электродвигатель П. При достижении заданного центробежного ускорения электродом. 15 системы теплового инициирования реакций I производят зажигания исходных компонентов одновременно в двух реакционных формах 5. После сброса избыточного давления через предохранительный клапан производят зажигание в следующей паре реакционных форм 5. По окончании процесса горения, в процессе центрифугирования производят разделение целевого продукта и шлака, жидких при температуре синтеза н затвердевающих в разделенном СОСТОЯ1В1И при остывании. После остановки ротора производят продувку балластной камеры 4 инертным газом и при достижении допусти1« 1х температур производят съем к нышек 18 и извлечение готовых изделий. Экспериментально определено, что при горегаси реакционной смеси выделяется до 1000 ккап/гр. Е еление тепла в г(роцессе синтеза приводит к разогреву металлоконструкции реакционных форм и, как следствие, к снижению прочности ее. Так, например, для нержавеющей стали номинальные допусKaeboite напряжения (бдоп кг/мм ) в зависимости от температуры соответст ственно равны ,6; ,5; ,0; ,6; 580°-9,0; 650°4,8; (Справочник по объектам котлонадзора, М., Энергия, 1974, с. 393), т.е. допускаемые напряжения материала при нагреве выше бОО снижаются более чем в четыре раза Принимая массу реакционной равной массе реакционной смеси, а температуру фор1« 1 близкой температуре процесса, уравнею1е теплового баланса для случаев:выполнения ротора с балластной камерой и без нее выглядит (Пр-Тр-с(тр+М). Т, где q - количество тепла, выделяемого при горении реакционной смеси;С-- теплоемкость металлоконструкции реакционной формы и балластной камеры; тр- масса реакционной формы; Тр - масса балластной камеры; М - масса балластной камеры; Тц - температура всей конструкщш ротора. Из 3з.авлениа, « « 1Ир. т вТ | II г I . к Р что масса реакционной формы в предпагдемом решении значи7тельно меньше массы балластной каме ры, то ВЕЛИЧИНОЙ ее -в знаменателе можно пренебречь и, преобразовав .значения масс в зависимости от размеров их исполнения 1гeI:(r-) . -г т TeI:(r-) 1 р 11:1 )-R 1 где If- постоянная величина 3,14} ) - длина реакционной формы; г - внутренний радиус реакционн формы; h - толщина реакционной формы; у - удельный вес материала конструкций;L - длина балластной камеры; R - внутренний диаметр балластн камеры; Н - толщина балластной камеры. Поскольку обЬем реакционной форм I , а объем балластной камеры J °1t:Rtt, и принимая, что , (R+H) уравнение теплового баланса, после подстановк значений так как в данном случае то Т„ -хТ, к Р NK Учитывая, что Тр в процессе горе ния реакционной смеси приближается к температуре горения и 3000 ,, необходимым и достаточным условием яв ляется выполнение объема балластной камеры в 5-10 раз больше объема реа ционнвых форм, что позволяет обеспечить распределение выделяющегося те пла в конструкции ротора и иметь ма ксимальную его температуру при -g равную 600 при которой обеспечивается (приведенные допускаемые напряжения в зависимости от температу ры) прочность Бысокооборотной конс трукции. Выполнение роторас объемом балластной камёрт более чем в 10 раз превышающей объем реакционной формы нецелесообразно, поскольку повышени допусти вз1х напряжений ниже 300 незначительно, увеличение объема приводит только к увеличению массы выс кообразного ротора. Выполнение ротора с балластной камерой, жестко соединенной с реакционными формами, и предлагаемыми соотношением их объемов позволяет обеспечить нормальные условия проведения синтеза, выбрать минимальный вес высокооборотного ротора, поскольку конструкция позволяет требовать в пределе избыточного давления до 100 кгс/см, в то время как в известном решении реакционные формы изготавливаются из расчета работы 600 кгс/см и вьшё. По формуле Клейперона известно, что давление изменяется обратно пропорционально объему где Р - давление газа; V - объем;. Т - температура; R - газовая постоянная. Как отмечалось, в известном решении расчетное давление в реакционном объеме (Рреак) составляет 600 кгс/смУ Предлагаемая конструкция устройства с балластной камерой позволяет увеличить объем системы и тем самым уменьшить рабочее давление. При этом верхяий предел соотношет я балластной камеры и реакционного объема выбран 10 из условия того, что при суммарном объеме ротора 11 давдение минимальное (P niti) Р РГПШ металлоемкостью высокооборотного узЛа ротора. Нижний предел соотношения объемов равен 5, что обеспечивает при работу устройства при т. Рредк бОО .„ , г а - ИOOкrclc и обусловлено прочностью устройства и зависимости от температуры узла ротора. Жесткая связь балластной камеры с реакционными формами позволяет упростить обслуживание мапЕИНы, поскольку балансировка ротора при изготовлении исключает дополнительные балансировки и монтаж реакционных форм. Надежность и безопасность работы обеспечена и выполнением элементов зажигания в виде радиального электрода-разрядника -электрически соединенного поарно реакционные формы, так как вместо двух отдельных спиралей для зажигания смеси используют один электрод. Это позволяет исключить возможность загорания смеси только в одной реакциomicrft форме (в случае выхода из строя спиралей известное решение) и дебаланс ротора за счет смещения центра масс, в реакционных формах.

Формула изобретения

. Машина для центробежного литья, содержащая станину, ротор с осью вращеиня и реакционными формами, систеteii подачи-продувки газа и теплового инициирования реакций с элементами зажигания и привод, отличающаяся тем, что, с целью упрощения коиструкцин, повышения надежности и безопасности работы, ротор снабжен герметичной балластной камерой, устано пеииой на- оси вращения, в которой вылолиеиы-.ясаиалы соединяющие балластную камеру с реакциньши формами и с системой подачипродувки газа, причем объем герметичной балластной камеры в 5-tO pas больше общего объема регисциоиных 4юрм, а элементы зажигания выполнены в виде радиалышх электродовразрядников.

2.Машина по п. 1, отличающаяся тем, что реакрюяные формы футерованы графитом.

Источники информации, прннятые во вйимавяе при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 523754, кл. В 22 О 13/00, 1971.

2 Авторское свидетельство СССР 468702, кп. В 22 О 13/06, 1972.

3.Авторское свидетельство СССР № 617485, кл. С 22 С 29/00, 1975.