Устройство для горячего изостатического прессования - RU2245221C2

Чертежи

Описание

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к устройству для горячего изостатического прессования и в особенности к устройству, содержащему сосуд высокого давления, теплоизоляционный кожух, расположенный внутри указанного сосуда, печную камеру, ограниченную кожухом, с расположенным в ней загрузочным отделением, в которое помещаются изделия, предназначенные для прессования, и управляющее средство, расположенное между загрузочным отделением и внутренним сводом кожуха и ограничивающее пространство между самим этим средством и указанным сводом, причем управляющее средство расположено с обеспечением управления потоком рабочей среды под давлением из загрузочного отделения в указанное пространство и оттуда в зону вблизи боковой стенки кожуха и имеет по меньшей мере одно отверстие для пропуска указанного потока среды из загрузочного отделения в указанное пространство.

Уровень техники

Горячее изостатическое прессование представляет собой технологию, которая используется все больше и больше благодаря получаемым великолепным результатам. Например, оно используется с применением нагревания в сочетании с высоким давлением газа в печной камере для распрессовки "усадок" в отливках, например турбинных лопаток для авиационных двигателей, по существу для увеличения их прочности и срока службы. Другой областью применения является производство изделий из чрезвычайно плотного, не содержащего пор материала путем прессования порошка и одновременного нагревания этого материала.

Типичное давление, при котором производят горячее изостатическое прессование, составляет от 30 до 500 МПа (от 300 до 5000 бар), а температура обычно изменяется между 500 и 2200°С. Как правило, выбирают температуру, составляющую около 75% от температуры плавления материала. Обычно в качестве рабочей среды используют инертный газ, например, аргон.

В устройствах для горячего изостатического прессования в зоне внутреннего свода кожуха обычно отсутствуют нагревательные элементы, так как такие технические решения являются дорогостоящими и создают проблемы, связанные с надежной работой устройства. Нагревательные элементы поэтому обычно расположены только на внутренней стороне стенок кожуха и/или в нижней части устройства под загрузочным отделением.

Даже если свод печи очень хорошо изолирован, тепловой поток через него вызывает охлаждение газа, находящегося близко к поверхности внутреннего свода. Это создает нестабильность, так как более холодный газ, имеющий более высокую плотность, опускается вниз в разных местах в загрузочном коробе. Это вызывает неприемлемые расхождения по температуре верхней части загрузки. Для решения этой проблемы были предложены устройства описанного во введении типа.

Согласно существующей технологии управляющее средство для управления потоком рабочей среды под давлением из пространства между самим этим средством и внутренним сводом кожуха предпочтительно имеет форму по существу горизонтального экрана.

Однако такие конструкции имеют недостаток, заключающийся в том, что газ, охлажденный внутренним сводом кожуха, имеет тенденцию оставаться в пространстве между экраном и внутренним сводом или вытекать в направлении периферии экрана, то есть в направлении боковой стенки кожуха, лишь в малых количествах. В результате этого газ в указанном пространстве относительно интенсивно охлаждается и таким образом также охлаждает экран. Результатом охлаждения экрана является то, что газ в загрузочном отделении, находящийся в контакте с нижней стороной экрана, охлаждается и, следовательно, могут образоваться холодные скопления газа, которые опускаются в загрузочное отделение и неблагоприятно воздействуют там на температурные условия.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего предотвращение прямого или косвенного создания условий для попадания охлажденных скоплений рабочей среды под давлением, охлаждаемой через внутренний свод кожуха, в загрузочное отделение и неблагоприятного влияния тем самым на температурные условия в этом отделении. Устройство должно обеспечивать надежное горячее изостатическое прессование при как можно меньших неблагоприятных изменениях температуры в загрузочном отделении.

Эта цель достигается с помощью устройства описанного во введении типа, которое отличается тем, что отверстие выходит в указанное пространство на уровне, более высоком, чем уровень, на котором расположена периферийная часть управляющего средства в зоне вблизи боковой стенки кожуха. Такая разница уровней обеспечивает перемещение потока более холодной рабочей среды под давлением из указанного пространства по направлению к боковым стенкам кожуха и вдоль них. Непрерывный и достаточный поток предотвращает такое интенсивное охлаждение управляющего средства, при котором указанная среда, предпочтительно газ, в загрузочном отделении непосредственно под управляющим средством охлаждается и образует холодные скопления, которые затем опускаются в загрузочное отделение. Риск опускания холодных скоплений рабочей среды под давлением, имеющихся в пространстве между управляющим средством и внутренним сводом, в загрузочное отделение через отверстие в управляющем средстве также уменьшен или устранен.

Понятно, что периферийная часть управляющего средства находится вблизи боковой стенки кожуха, а между этой частью и стенкой кожуха существует зазор, так что может быть обеспечена возможность продолжения опускания рабочей среды под давлением вдоль стенки кожуха до места в печной камере, в котором она может снова нагреваться и затем возвращаться в загрузочное отделение. Граница между загрузочным отделением и зоной, расположенной вблизи стенки кожуха, откуда пропускается охлажденная рабочая среда под давлением, может быть отчасти расплывчатой, так как нет необходимости в стенке или в чем-нибудь подобном для разделения этих зон в печной камере. Особая важность для изобретения, однако, состоит в том, что зона, в которую подводится охлажденная среда, настолько смещена в поперечном направлении от загрузочного отделения, что опускающаяся холодная рабочая среда под давлением не может попасть в это отделение и создать там локальные холодные зоны, тем самым воздействуя на результат прессования.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения управляющее средство содержит экран, который по существу является газонепроницаемым и экранирует загрузочное отделение от пространства между управляющим средством и внутренним сводом кожуха. Экран предпочтительно выполнен из жаростойкого материала, например, из жаростойкого металла или металлического сплава, а форма его внешней периферии предпочтительно по существу соответствует внутреннему контуру кожуха в зоне, где указанные внешняя периферия и внутренний контур находятся близко друг от друга. Так как кожух предпочтительно представляет собой цилиндр, периферия экрана предпочтительно является круглой.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения изобретения отверстие расположено в управляющем средстве по существу в центре. Управляющее средство предпочтительно расположено так, что отверстие расположено по существу по центру над загрузочным отделением. Стабильный непрерывный поток рабочей среды под давлением, таким образом, перемещается из загрузочного отделения в пространство между управляющим средством и внутренним сводом и по направлению к боковой стенке кожуха. Управляющее средство, выполненное в виде экрана, может иметь разнообразные формы. Экран может быть выполнен, например, в виде усеченного конуса, с отверстием в центре конуса.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения изобретения управляющее средство имеет такую протяженность в горизонтальном направлении, что оно по существу покрывает загрузочное отделение и предотвращает опускание рабочей среды под давлением, охлаждаемой внутренним сводом кожуха, из указанного пространства в загрузочное отделение. Управляющее средство или экран, имеющее (имеющий) слишком малую протяженность в горизонтальном направлении, сильно уменьшит или полностью уничтожит эффект изобретения.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения изобретения экран, представляющий собой управляющее средство, является теплоизолированным. Это способствует сохранению разности температур над экраном и под ним, а также течению рабочей среды под давлением из указанного пространства в зону вблизи боковой стенки кожуха.

Устройство предпочтительно содержит нагревательные элементы для нагревания рабочей среды под давлением, расположенные вдоль боковых сторон кожуха или в его нижней части. Управляющее средство при этом расположено с обеспечением управления потоком рабочей среды под давлением, охлаждаемой внутренним сводом кожуха, из пространства между управляющим средством и внутренним сводом к нагревательным элементам с предотвращением протекания охлажденной рабочей среды под давлением через загрузочное отделение. Если нагревательные элементы расположены вдоль боковых стенок кожуха, управляющее средство предпочтительно расположено с обеспечением управления потоком рабочей среды под давлением в зазор между стенкой кожуха и указанными нагревательными элементами. Когда указанная среда достаточно нагрета нагревательными элементами, может быть обеспечено ее протекание в загрузочное отделение. Если печная камера выполнена открытой, без разделительной стенки между загрузочным отделением и зоной вблизи стенки кожуха, это происходит автоматически в результате распределения потоков, возникающих в печной камере.

Дополнительные свойства и преимущества предлагаемого устройства очевидны из подробного описания и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Изобретение ниже описано в качестве примера со ссылками на приложенные чертежи, на которых

фиг.1 изображает вид сбоку в разрезе первого варианта выполнения предлагаемого устройства и

фиг.2 изображает вид сбоку в разрезе второго варианта выполнения предлагаемого устройства.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения

Фиг.1 изображает первый вариант выполнения предлагаемого устройства, которое является устройством для горячего изостатического прессования, и понятно, что его различные части имеют размеры, соответствующие его назначению. Устройство содержит сосуд 1 высокого давления, который показан штриховыми линиями и стенки которого предпочтительно содержат обмотку из струнной проволоки для противостояния высокому давлению, создаваемому внутри сосуда. Также схематически прямоугольником 2 показан компрессор, предназначенный для нагнетания газа, предпочтительно инертного газа, такого как аргон, в печную камеру 3, при одновременном сжатии его в этой камере до чрезвычайно высокого давления, например, порядка 30-500 МПа (300-5000 бар). Устройство также снабжено теплоизоляционным кожухом 4, окружающим печную камеру 3 и предназначенным для уменьшения передачи тепла к окружающему его сосуду 1 высокого давления.

Печная камера 3 содержит загрузочное отделение 5, в котором на решетках 7 на ряде полок размещены заготовки в виде предназначенных для прессования изделий 6. Решетки 7 и изделия 6 расположены с обеспечением обтекания их рабочей средой под давлением, то есть горячим газом, в верхнем направлении через загрузочное отделение 5.

Кожух 4 по существу имеет цилиндрическую форму, и его боковая стенка ограничивает по существу круглый внутренний контур. Вдоль боковой стенки кожуха 4 расположен ряд нагревательных элементов 8, которые предпочтительно содержат металлическую проволоку, расположенную известным образом. Устройство предпочтительно также содержит нагревательные элементы 9, расположенные в нижней части печной камеры 3 под загрузочным отделением 5.

Загрузочное отделение 5 проходит вверх в направлении внутреннего свода 10 кожуха 4. По известным причинам в зоне внутреннего свода 10 нагревательные элементы отсутствуют. Горячий газ, текущий из загрузочного отделения 5 вверх в направлении внутреннего свода 10, следовательно, передает тепло внутреннему своду 10 и охлаждается. Чтобы избежать скоплений охлажденного газа, остающихся в этой зоне, и последующего понижения температуры и влияния на температурные условия в загрузочном отделении 5, устройство содержит первое управляющее средство 11, проходящее подобно экрану в зоне вблизи внутреннего свода 10. Экран 11 ограничивает пространство 12 между самим этим экраном 11 и внутренним сводом 10, которое в зоне вблизи внешней периферии экрана 11 сообщается с зоной печной камеры 3 вблизи боковой стенки 19 кожуха 4. Экран 11 имеет расположенное в центре отверстие 13 предпочтительно круглой формы. Отверстие 13 расположено по существу непосредственно над центром или осевой линией загрузочного отделения 5. Экран 11 расположен с обеспечением управления потоком горячего газа из загрузочного отделения 5 через отверстие 13 в пространство 12 и в зону, смежную с боковой стенкой 19 кожуха 4. Экран 11 расположен с обеспечением предотвращения попадания обратно в загрузочное отделение 5 скоплений газа, охлажденного внутренним сводом 10. Вместо этого экран 11 направляет газ под наклоном вниз к боковой стенке 19 кожуха 4. Так как холодный газ плотнее горячего газа, указанный выше газ опускается вдоль боковой стенки 19 кожуха 4. Однако газ нагревается нагревательными элементами 8 и/или 9, так что, в конце концов, он будет иметь ту же температуру, что и остальной газ, и может втекать в загрузочное отделение 5 и смешиваться там с ним в без вредного воздействия на температурные условия в этом отделении.

Для достижения равномерно распределенного и непрерывного потока газа через пространство 12 в направлении боковой стенки 19 кожуха 4 отверстие 13 выходит в пространство 12 в печной камере 3 на уровне, более высоком, чем уровень, на котором расположена внешняя периферия 14 экрана 11 в зоне, где пространство 12 сообщается с печной камерой 3 у боковой стенки 19 кожуха 4. Эта разность уровней использует факт, что охлажденный газ имеет более высокую плотность, чем горячий газ. Таким образом, создается самоконвекция, при которой поток направляется через пространство 12 и которая благодаря этому препятствует задержке холодного газа в пространстве 12.

Экран 11 предпочтительно является теплоизолированным. Таким образом, может быть получена разность температур между нижней и верхней сторонами экрана, что, в свою очередь, обеспечивает поток через пространство 12.

Устройство, показанное на фиг.1 и 2, содержит также второе управляющее средство 15, которое выполнено в виде цилиндра, расположенного в печной камере 3 и проходящего в ней по существу в вертикальном направлении, окружая загрузочное отделение 5 и ограничивая промежуточное пространство 16 между самим этим средством и боковой стенкой 19 кожуха 4, и которое расположено с обеспечением управления потоком рабочей среды под давлением, то есть газа, вверх в загрузочном отделении 5. Первое управляющее средство, то есть экран 11, управляет потоком газа из пространства 12 в промежуточное пространство 16. Второе управляющее средство, то есть цилиндр 15, ограничивает отверстие в направлении первого управляющего средства, то есть экрана 11, причем первое управляющее средство 11 имеет такую протяженность в горизонтальном направлении, что оно покрывает это отверстие в этом направлении. В противном случае присутствовал бы риск отсутствия отвода скоплений холодного газа достаточно далеко в сторону относительно загрузочного отделения 5 и вместо этого опускания их в это отделение 5 по внутренней стороне цилиндра 15.

Фиг.2 изображает альтернативный вариант выполнения предлагаемого устройства. Здесь первое управляющее средство 11 также перекрывает второе управляющее средство 15 в вертикальном направлении, что еще более уменьшает, а практически устраняет, риск опускания скоплений холодного газа из пространства 12 в загрузочное отделение 5.

Первое управляющее средство 11, показанное на этом чертеже, имеет форму, несколько отличающуюся от формы этого средства в первом варианте выполнения. Однако выход отверстия 13 в пространство 12 также расположен на уровне, более высоком, чем периферия 14 первого управляющего средства, то есть экрана 11, которая ограничивает самую низкую по вертикали часть первого управляющего средства 11. В этом случае периферийная часть 14 образует край по существу круглого выступа, который образует часть экрана 11 и проходит на некоторое расстояние вниз в печную камеру 3 вдоль боковой стенки 19 кожуха 4. Периферийная часть 14, таким образом, находится на уровне, более низком, чем в варианте выполнения, показанном на фиг.1. Подобным же образом в отверстии 13 установлен по существу цилиндрический выступ или трубчатая часть 17, которая образует удлинение стенки вокруг отверстия 13 в экране 11, и в результате выход отверстия 13 расположен в пространстве 12 на более высоком уровне.

И устройство, показанное на фиг.1, и устройство, показанное на фиг.2, имеют по меньшей мере один канал или зазор 18, расположенный между первым управляющим устройством 11 и вторым управляющим устройством 15, причем этот канал или зазор 18 осуществляет непосредственное сообщение между промежуточным пространством 16 и загрузочным отделением 5. Холодный газ из пространства 12, нагретый нагревательными элементами 8, может быть, следовательно, возвращен в загрузочное отделение 5 через указанный зазор или канал 18. Это показано стрелками на фиг.1. В альтернативном случае зазор/канал 18 может отсутствовать, а экран 11 может опираться на верхний край цилиндра 15. В результате схема прохождения потока будет отличаться от схемы, полученной при наличии зазора или канала 18.

Понятно, что для специалистов очевиден ряд альтернативных вариантов предлагаемого устройства, не выходящих за пределы объема изобретения, представленного в формуле изобретения, подкрепленной описанием и чертежами.

Следует заметить, что в пределах объема изобретения, несомненно, возможно множество различных вариантов выполнения первого управляющего средства 11, насколько это касается основной идеи изобретения, то есть использования разности уровней входа в пространство 12 и выхода из него.

Выражение "зона вблизи боковой стенки 19 кожуха 4" относится главным образом ко всем зонам, находящимся сбоку вблизи загрузочного отделения 5, но в особенности, к зоне, очень близкой к боковой стенке 19. Возможно также выполнение экрана или канала, препятствующего вхождению охлажденного газа в непосредственный контакт с боковой стенкой 19, без выхода за пределы объема изобретения.

Реферат

Изобретение относится к устройствам для горячего изостатического прессования. Предложено устройство для горячего изостатического прессования, содержащее сосуд (1) высокого давления, теплоизоляционный кожух, расположенный внутри сосуда (1) высокого давления, печную камеру (3), окруженную кожухом (4), и расположенное в ней загрузочное отделение (5). Управляющее средство (11) расположено между загрузочным отделением (5) и внутренним сводом (10) кожуха (4) и ограничивает пространство (12). Управляющее средство (11) обеспечивает управление потоком рабочей среды под давлением из загрузочного отделения (5) в пространство (12) и оттуда в зону вблизи боковой стенки (19) кожуха (4). Управляющее средство имеет по меньшей мере одно отверстие (13) для пропуска потока рабочей среды. Отверстие (13) выходит в пространство (12) на более высоком уровне, чем тот, на котором расположена периферийная часть (14) управляющего средства (11) вблизи стенки (19) кожуха (4). Техническим результатом является снижение вероятности изменений температуры в загрузочном отделении. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула