挑战杯作品 4资料.docx

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挑战杯作品4资料

附作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标

发明目的：

1、通过制造工艺上的改进,为解决传统球形压力容器制造中工序复杂、成本高、工期长、效率低、材料利用率低、需大型冲压设备安、安全性不高、难以实现自动化等问题，提出一种新的球罐制造方法---球形容器的铸胀成形方法。

以达到球罐制造的简单化、安全化，提高球壳的性能和制造效率，降低成本，降低泄露、爆炸等不安全事故的发生而造成财产损失、人身伤亡。

2、球形容器由于具备高的承载能力、自重小且占地面积小等优点，应用越来越广泛，要求能够实现球罐制造的自动化、高效化，现在制造技术已经逐渐不能满足要求。

3、球罐应用场合要求提高、压力越来越大、容量越来越大、使用环境恶化、对球罐使用性能和寿命有更高的要求、高温高压易燃易爆环境下安全可靠性要求更高，而目前制造大型球罐还存在很大的难度，材料也难以满足要求，势必要求新的制造工艺等方法来解决这些问题，铸胀成形技术应运而生。

基本思路：

为了得到高质量的球壳，我需要用特种铸造④----真空铸造和压力铸造。

为了减小铸造模具尺寸进一步提高球壳质量，我使用了内压胀型的方法。

于是铸胀成形方法由此而生。

铸胀成形方法简单的说就是：

先用特种铸造手段铸出高质量球壳，然后在金属热塑性下向球壳内通压力气体把球壳胀大⑩。

具体操作过程是：

将合金按照设计要求比例配置并融化，使加热至浇注温度的金属熔体浇注于由具有垂直分型面的金属模与具有透气性的球形型芯构成的浇注系统中。

如下图：

在浇铸过程中，关闭与压力气源联通的压力阀、放空阀，打开真空泵及其联接的真空阀，经过型芯内部设置的主气管将铸型中的气体抽出，使浇注型腔内部处于负压状态。

浇注完成后，当与金属模接触的金属熔体凝固，并且温度低于结晶温度10～160℃时，关闭真空泵及与其相连的接的真空阀，打开与压力气源相连接的压力阀，通过设置于型芯中的主气管向球壳内充入0.1～30MPa空气或惰性气体，球壳在压力气体的作用下继续凝固，直至完全凝固。

当球壳铸坯的温度进入热塑性变形范围内关闭与压力气源联通的压力阀，打开放空阀，将球壳铸坯内腔的压力降至0.1～0.6MPa后关闭放空阀，拆除金属模，再次打开压力气源连接的压力阀，给球壳铸坯内逐渐注入压力空气或惰性气体，球壳在压力气体的胀型作用下直径增大。

壁厚减小，直至达到预定的形状和尺寸。

如图：

12成型球罐13铸件毛坯

最后，在球罐上开设接管孔和人孔等，取出型砂。

创新点：

1、利用了真空铸造、压力铸造和无模内压胀形三方法的结合，集三者之长。

代替了传统球瓣旋压、组对、焊接的复杂工序，不用一片一片的焊接而铸出整体球罐。

2、利用铸造金属液自身热量和冷凝放热以及高温下金属塑性无模内压胀型，环保节能，无需大型设备。

技术关键：

本作品所采用的关键技术有特种铸造与内压胀型。

真空铸造：

1、控制好型腔内部压力。

2、支撑架大小。

由于金属液与支撑架的热融合作用而把与金属液同种材料的支撑架融化，支撑架不宜过大和过小。

支撑架过大，不能完全融化；过小，支撑架会过早融化，使型芯在型腔内漂浮移动。

压力铸造：

1、控制好加压的温度。

2、控制好所加压力的大小和持压时间。

无模内压胀型：

一、胀型温度。

二、内压胀型压力大小。

三、持压时间

总之，在整个过程中，严格控制和监测压力和温度。

主要技术指标：

1.浇铸前，将铸型腔内压力抽到负压。

一般真空浇注在133Pa。

2.浇铸后温度低于结晶温度10-160℃时，充入0.1至30MPa气体。

3.铸坯温度进入热塑性⑦变形范围，将其内腔压力降至0.1-0.6MPa。

4.球壳铸坯外形尺寸小于球形容器直径的二分之一，壁厚是球形容器的三倍以上，并按照胀型前后体积相等的原则确定球壳铸坯的浇铸体积。

作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。

请提供技术性分析说明和参考文献资料）

铸胀成型的球形容器的科学性与先进性：

当前制造球罐常用的方法是：

先将球形容器划分成许多瓣片，再依球瓣的尺寸用板材下料、冲压，每块板料成型为球瓣的形状，再进行组对、焊接成型。

其流程图为：

下料——加热（或不加热）——模压球瓣——冷校——精密下料切坡口——组装——焊接——焊后热处——打压试验。

然而这种方法材料利用率低、需要大型冲压设备、组对焊接的工作量大、工序多工期长、焊缝形位精度差、焊接质量不易保证、难以实现自动化、成本高、安全性不高。

此外，爆炸法，在球内接锥台中心注水，在壳体中心引爆炸药包，水中产生的冲击波冲击各锥台的侧板及上下极板，而冲击波的能量密度与球面的距离R按平方关系衰减，冲击波峰值压力随着距离的增大而减小，由此造成壳体板料质点运动速度的矢量差，从而使壳体变形，最终成形为目标球。

其特点实在球形容器的成型中不需要专用模具和压力设备，生产过程简便，密闭壳内的炸药能量对环境不产生污染。

并且可以改善一定的球罐焊接应力，但是其安全性不易控制，容易引起安全事故。

无模液压胀型法，是向多面体内通入高压液体胀型，其成型系统的复杂性和一系列的辊制、组对、焊接、加压、检测、探伤等工序，难以推广。

可见，大型球罐瓣片成型复杂、组队复杂、空间曲线焊接复杂、无损检测复杂，主要原因是：

把直径好几十米的大型球罐分成多小块，在进行拼接、焊接就很麻烦。

球罐的铸胀成形方法科学性与先进性在于

一、产品质量好。

真空吸注②和加压凝固⑤使金属在冷却过程得到良好晶粒组织，使球壳有良好的机械加工及使用性能。

真空浇注：

浇注过程中对型腔抽真空，使型腔保持在负压状态⑧，金属液不会出现卷气或吸气现象，也避免了型腔中气体对充型的阻碍作用，提高了充型能力；同时，在真空条件下气体在金属液中的溶解度减小，一部分气体会析出，通过真空泵排出，减少了气孔或气泡的产生，也减少了铸件中气体的含量，能够保证铸件在长期使用过程中的精度。

加压凝固：

在均布内压作用下凝固，气体对凝固中的金属挤压，可以防止缩松和缩孔的产生使铸件晶粒细化，提高致密度。

由于金属溶液各部分所承受的压力相同，凝固顺序基本上不会对铸件毛坯的质量产生影响，同时也减小了热裂纹产生的倾向。

在无模胀型⑩过程中，相当于对金属的锻造，更优化了金属组织，使球罐质量大大高于现有制造技术所制造的球形容器，有效地降低了事故发生率。

节能降低成本为我国制造出更大型化、高质量的球形容器提供了可能。

相比于传统制造方法，质量好了、工序简单了、安全程度高了、成本低了。

二、制造方法简单。

相比于传统制造方法，本制造方法大为简化，球形壳体一次成型，再也不用大型冲压机的冲压、组对焊接、检测、探伤等工序。

质量更好、可靠性更高。

铸胀成形能够获得整体的、质量更好的球壳，没有焊缝和焊接应力，整体应力分布均匀，机械性能、加工性能、使用性能更好。

三、生产效率高、工序少、工期短。

与现有的成型方法相比，由于技术工艺上的改进，省去了许多不必要的工序，，大大缩短了工期，提高了生产效率。

四、材料利用率高、成本低。

利用胀型前后体积相等的原则，可精确算出成型球罐的浇铸体积。

与现有方法相比，，避免了材料在机械加工中的浪费。

五、易于实现自动化生产。

由于制造方法的简化、工序的减少，温度压力的自动控制，相比于现有的球形容器制造技术，更易于实现自动化。

六、实现无切削或少切削，提高了材料的利用率；更易于实现自动化。

七、对材料的要求有所降低。

铸胀方法得到的球罐晶粒组织致密、细小，有良好的机械性能、加工性能及使用性能,抗疲劳强度高，应力均匀，因而降低材料要求。

参考文献：

【1】《热加工工艺》钱继峰2006北京大学出版社；

【2】《实用铸件外力辅助成型技术》耿浩然、李长龙2004化学工业出版社；

【3】《金属液态成型原理》张金山2010化学工业出版社；

【4】《铸造工艺学》曲卫涛1995西北工业大学出版社；

【5】《压力铸造技术》李仁杰2008国防工业出版社；

【6】《半固态成型技术》毛卫民2004机械工业出版社。

【7】《工程材料》戴志荣，张远明高等教育出版社，2006.

【8】《内压胀型铸造技术》陈海峰，李瑞虎，乔丽洁，等中国专利：

200710018317．8，2003．03．05

【9】《薄壁半球件无模液压胀形的实验研究》王仲仁，滕步刚，王长文.[J].压力容器,2003.

【10】《近足球形封闭壳体无模液压胀形的实验研究》刘强，张琦,滕步刚,苗启斌,王仲仁2006.

【11】《压力容器无损检测——超声检测技术》.无损检测[M]，潘荣宝等.2004.

【12】《球形容器的铸胀成形》陈海峰陈兴松中国专利

专利号：

CN102642010A

作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果

无

作品所处

阶段

（A）A实验室阶段B中试阶段C生产阶段

D（自填）

技术转让方式

作品可展示的

形式

□实物、产品模型图纸□磁盘

□现场演示图片□录像□样品

使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测

技术特点和优势：

本技术以其制造方法的简单、工序少、工期短、成型的质量好，易于实现自动化、可降低容器的泄露爆炸等事故的发生率等优点，是目前球形容器制造方法难以达到的，必将成为日后球形容器制造的主要方法。

本技术主要是制造小型、中型、大型及超大型球形容器，也制造球形封头（只需把制造出的球壳从赤道割开即可）。

市场前景：

球罐是一个大型的、复杂的焊接壳体结构。

它涉及到结构设计理论、材料科学、塑性加工技术、焊接技术、热处理技术、无损检测技术、断裂力学等多个学科理论和技术领域。

同时，球罐大多用于储存易燃、易爆和有毒的液体和气体介质。

一旦发生事故，就会带来灾难性后果，造成大范围的爆炸和燃烧，酿成生命财产的巨大损失并严重污染环境。

因此球罐的建造、使用管理（球罐的安全性）、特别是焊后热处理已经引起各国科技界和制造业的高度重视，同时也引起各国政府的极大关注。

为了解决大型球型容器制造过程中需要大型成型设备、大型模具，费用高，且制造质量难以保证的难题，以及克服爆炸成形的安全性问题，对球罐热塑性成型进行实验性研究。

球形容器由于具有高的承载能力、自重小及其占地面积小等优势，已经在石油、化工燃气、造纸等诸多行业中得到了广泛的应用，如果应用本技术制造出质量更好、价格更低的球罐，应用必将更加广泛，应用和市场前景必将良好。

经济效益预测：

本技术的应用，使得材料的利用率提高大大节省了成本，更解决了中国制造不出超大型球罐难题。

更重要的是安全可靠性提高了，节省的无形资本将是成千上亿。

众所周知化工行业无论是国内还是国外安全事故频发，损失财产动辄几千万、死伤人数动辄二三十，由于化学药品的泄露对环境造成的污染更是难以估量。

而且，制造方法简单、工序少、易于控制，更易于实现自动化生产。

该技术的利用一定会有较好的经济利润。

专利申报情况

□提出专利申报

申报号201210148211.0

申报日期2013年5月14日

□已获专利权批准

批准号

批准日期年月日

□未提出专利申请

科研管理部门

签章

年月日

C.当前国内外同类课题研究水平概述

说明：

1.申报者可根据作品类别和情况填写；

2.填写此栏有助于评审。

球形储罐（简称球罐）是一种储存气体、液体或液化气体的球形压力容器。

由于它具有其他形式的储罐无法比拟的优点，因而被石油、化工、石化、城镇燃气、冶金等工业领域和其他行业广泛应用。

国外球形容器的发展历史：

低压状态储存气体物料的大型容器（立式圆筒形储罐）始于19世纪末期，用于储存工业气体的球罐，最早出现在20世纪初。