Спосіб видобування синтетичних алмазів

Спосіб видобування синтетичних алмазів, який передбачає подрібнення вихідного продукту синтезу, розчинення металевої складової, дезінтеграцію, гравітаційне збагачення, хімічну обробку концентрату з отриманням синтетичних алмазів, який відрізняється тим, що дезінтеграцію матеріалу проводять ударними хвилями, які генерують в робочому рідинному середовищі електророзрядними імпульсами з сумарною енергією 100,0-550,0 кДж/л, виділеною у одиниці об'єму суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:2 до 1:25. (19) (21) u200907756 (22) 23.07.2009 (24) 25.02.2010 (46) 25.02.2010, Бюл.№ 4, 2010 р. (72) БОГАТИРЬОВА ГАЛИНА ПАВЛІВНА, МАЙСТРЕНКО АНАТОЛІЙ ЛЬВОВИЧ, СИЗОНЕНКО ОЛЬГА МИКОЛАЇВНА, ОЛІЙНИК НОННА ОЛЕКСАНДРІВНА, ІЛЬНИЦЬКА ГАЛИНА ДМИТРІВНА, ПЕТАСЮК ГРИГОРІЙ АНДРІЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ІМ. В.М. БАКУЛЯ НАН УКРАЇНИ, БОГАТИРЬОВА ГАЛИНА ПАВЛІВНА, МАЙСТРЕНКО АНАТОЛІЙ ЛЬВОВИЧ, СИЗОНЕНКО ОЛЬГА МИКОЛАЇВНА, ОЛІЙНИК НОННА ОЛЕКСАНДРІВНА, ІЛЬНИЦЬКА 3 методом, а перед збагаченням проводять розсів ПС на ситі з отворами розміром 80-120мкм, а збагачення ПС, який пройшов крізь сито, та ПС який залишився на ньому, проводять окремо (див. Деклараційний патент України №58199 МПК 7 С01В 31/06. опубл. 15.07.2003. - Бюл. 7, 2003). Недоліком даного способу є те, що при дезінтеграції ПС, яку виконують механічним подрібненням у роторній дробарці конструкції ІНМ ПАН України (частота оберту ротора 2000об/хв., розвантажна градка з 5 прорізів розміром 2х50мм), після розчинення металевої складової у роторній дробарці частинки матеріалу попадають у камеру дроблення та за рахунок удару та тертя подрібнюються билами і розвантажуються крізь розвантажувальну градку. При здійсненні дезінтеграції різних груп ПС механічним подрібненням у роторній дробарці при однакових умовах, особливо групи ПС, призначених для отримання алмазів марок АС4, АС6, АС2, найвищий розмір синтезованих частинок алмазів котрих значно менший ніж у групі ПС, неможливо досягнути повного розкриття матеріалу. Ступінь розкриття після дезінтеграції ПС АС15-АС160 становить 0,95; ПС АС4, АС6 - 0,90; ПС АС2 - 0,80. Це призводить до труднощів при гравітаційному збагаченні та наступній хімічній обробці концентрату. Застосування гравітаційного методу збагачення дисперсного ПС на концентраційному столі засноване на використанні різниці характеристик щільності компонентів ПС та їх зростків (щільність алмазу 3,5г/см3, графіту - 2,0г/см3, зростків - 9 - 3,6г/см3). При гравітаційному збагаченні на концентраційному столі розділення мінералів проводиться за крупністю та щільністю в шарі води, що тече по вібруючій похилій площині завдяки тому, що легкі і малі, тяжкі і великі частинки рухаються по різним траєкторіям. Великі частинки синтезованих алмазів, зростки алмаз-металева складова-графіт, що не розкриті і мають щільність близьку до алмазу, рухаються по поверхні деки і попадають до концентрату. Легкі і малі частинки графіту та алмазу (розміром -40+5мкм), у яких швидкість осадження у воді однакова змиваються водою у першу чергу та попадають до графітового продукту. Завдяки цьому гравітаційним методом збагачення можливо здобути відвальний графітовий продукт з низькою масовою долею алмазу (до 1% маси синтезованих алмазів). Якщо ПС погано розкрито, то нижче ступень розкриття, внаслідок цього маса графітового продукту менша і на хімічну обробку попадає більша маса матеріалу, причому масова доля графіту в цьому матеріалі вища. Тому для видобування алмазу необхідно більше хімічних реактивів, а час обробки і контакту людини з хімічними реактивами стає більш тривалим. Як наслідок перерахованих недоліків - недостатньо високі продуктивність, екологічна безпека та технологічність видобування алмазу. В основу корисної моделі покладено завдання такого вдосконалення способу видобування синтетичних алмазів, при якому за рахунок дезінтеграції матеріалу, що проводять ударними хвилями, які генерують в робочому рідинному середовищі елек 47738 4 тророзрядними імпульсами з сумарною енергією 100,0-550,0кДж/л, виділеною у одиниці об'єму суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:2 до 1:25, додатково забезпечуються такі ефекти - забезпечується зменшення витрат хімічних реагентів, часу контакту людини з хімічними речовинами і, як наслідок, підвищуються показники екологічної безпеки способу, - зменшення часу видобування та втрат алмазів і, як наслідок підвищення продуктивності способу. Означене завдання вирішується тим, що у способі видобування синтетичних алмазів, який передбачає подрібнення вихідного продукту синтезу, розчинення металевої складової, дезінтеграцію, гравітаційне збагачення, хімічну обробку концентрату з отриманням синтетичних алмазів, згідно корисної моделі дезінтеграцію матеріалу проводять ударними хвилями, які генерують в робочому рідинному середовищі електророзрядними імпульсами з сумарною енергією 100,0-550,0кДж/л виділеною у одиниці об'єму суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:2 до 1:25. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється і технічними результатами, які досягають при її реалізації, полягає у наступному. Дезінтеграція ПС, що дозволяє найбільш повно розкрити матеріал завдяки вибірковому руйнуванню, яке забезпечує руйнування друз алмаз-алмаз, зростків алмаз металева складова-графіт, алмазграфіт та зерен алмазів із металевими включеннями може бути здійснена при обробці матеріалу ударними хвилями, що генерують в робочому рідинному середовищі електророзрядними (ЕР) імпульсами високої потужності, зокрема, сформованими розрядами плазми, що поширюються у формі циліндричної осесиметричної хвилі стиску. Ударна хвиля при взаємодії з поверхнею матеріалу (спека), формує в об'ємі матеріалу напружений стан, головні напруги якого r - стискаючі та - розтягуючі. Розтягуючі напруги викликають розвиток мікрощілин, на утвореній поверхні адсорбуються молекули рідини, що не дозволяють змикатися краям мікрощілин (виконують розклинюючу дію). Величину напруг, які виникають у ПС, можна регулювати змінюючи сумарну енергію виділену у одиниці об'єму суспензії завдяки зміні потужності імпульсу, що генерується. У випадку, коли сумарна енергія виділена у одиниці об'єму суспензії від 100,0 до 550,0кДж/л сформовані напруги не перевищують міцності матеріалу, відбувається, накопичування втомлювальнісних напруг, які в остаточному рахунку, призводять до руйнування матеріалу з високим ступенем розкриття. При цьому не руйнуються алмази і тому їх втрати в процесі видобування лишаються стабільними. Якщо сумарна енергія виділена у одиниці об'єму суспензії нижче за 100,0кДж/л, накопичування втомлювальнісних напруг здійснюється надто довго, руйнування ПС не призводить до розкриття матеріалу. Як наслідок, необхідно хімічно оброблювати всю масу матеріалу, видобування алмазу проходить при високих витратах хімічних реагентів, значному часі контакту людини з ними, значному часі видобування. Якщо сумарна енергія 5 виділена у одиниці об'єму суспензії вище за 550,0кДж/л, напруги сформовані в момент взаємодії ударної хвилі з поверхнею матеріалу перевищують міцність матеріалу, руйнування проходить за короткий час без накопичування втомлювальнісних напруг. Така обробка ПС, призводить до невисокого ступеню розкриття матеріалу, в той же час руйнуються алмази. Як наслідок, необхідно хімічно оброблювати всю масу дуже дрібного матеріалу, видобування алмазу проходить дуже довго при високих тратах хімічних реагентів, значному часі контакту людини з ними, та призводить до збільшення втрат алмазу. Ударні хвилі генерують в робочому рідинному середовищі, тому співвідношення маси матеріалу до маси рідинного середовища важливий фактор обробки матеріалу. В центрі фронту хвилі стиску може бути розташовано лише дуже мала маса матеріалу, тому, при співвідношенні маси матеріалу до маси рідинного середовища нижче за 1:2, або вище за 1:25, завдяки тому, що в першому випадку маса матеріалу немає змоги вільного переміщення, а в другому випадку, завдяки тому, що матеріал дуже рідкий при будь яких значеннях сумарної енергії виділеної у одиниці об'єму суспензії, обробка матеріалу призводить до низького ступеню розкриття. Як наслідок, час видобування, час контакту людини з реагентами, витрати реагентів та втрати алмазу значні. З урахуванням описаних вище роз'яснень можна зробити такі висновки: 1. При дезінтеграції матеріалу ударними хвилями, які генерують в робочому рідинному середовищі електророзрядними імпульсами з сумарною енергією 100,0-550,0кДж/л виділеною у одиниці об'єму суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:2 до 1:25, екологічні показники та продуктивність видобування алмазів лишаються стабільно високими. Дезінтеграція не вплине на гранулометричний склад видобутих алмазів. 2. При дезінтеграції матеріалу ударними хвилями, які генерують в робочому рідинному середовищі електророзрядними імпульсами з сумарною енергією нижче за 100,0кДж/л виділеною у одиниці об'єму суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища нижче за 1:2, або вище за 1:25, видобування алмазів пов'язано з високими витратами хімічних реагентів за рахунок низької поверхні контакту дисперсного матеріалу з хімічними реагентами та високими втратами алмазів завдяки багатостадійності окислення графітової складової; екологічні показники і продуктивність видобування алмазів погіршаться. 3. При дезінтеграції матеріалу ударними хвилями, які генерують в робочому рідинному середовищі електророзрядними імпульсами з сумарною енергією вище за 550,0кДж/л виділеною у одиниці об'єму суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища нижче за 1:2, або вище за 1:25 зросте ймовірність виникнення мікрощілин на частинках алмазів, будуть руйнуватись алмази, це відобразиться на гранулометричному складі видобутих алмазів - зменшиться вихід крупних частинок. При видобуванні алмазів з такого ПС буде витраче 47738 6 но додатковий час на хімічну обробку та відстій дрібного матеріалу при промивках. Видобування алмазів буде пов'язано з втратами алмазів, екологічні показники і продуктивність видобування алмазів погіршаться. Приклад конкретної реалізації пропонованого способу №1. Видобування синтетичних алмазів здійснювали з ПС алмазів марок АС4, АС6, який було отримано в Ni-Mn-C ростовій системі. У цьому ПС найвищий розмір синтезованих частинок алмазів 250мкм. Партія cпіків ПС масою 10000г була подрібнена у щоковій дробарці (ДЩ 160х80 при гарантованому зазорі 1мм між щоками в місці розвантаження) до крупності -1мм. Подрібнений ПС був завантажений по 0,3кг до хімічних стаканів об'ємом 2л. У стакани було додано по 200мл водяного розчину хлорводневої кислоти (1:1 по об'єму). Матеріал був оброблений на холоді (впродовж 20хв.) та при температурі кипіння реагуючих мас (впродовж 30хв.). Після закінчення реакції осадок у стаканах був промитий водою до нейтральної реакції промивних вод (рН=7) та повторно оброблений водяним розчином хлорводневої кислоти при температурі кипіння реагуючих мас (впродовж 30хв.) до повного закінчення реакції розчинення металевої складової ПС. Осад у стаканах був промитий водою до нейтральної реакції промивних вод (рН=7). Осад було висушено та зважено (4980г). Потім матеріал було дезінтегровано ударними хвилями, які генерують в робочому рідинному середовищі електророзрядними імпульсами з сумарною енергією 320,0кДж/л виділеною у одиниці об'єму суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:10. Ударні хвилі створювали генератором імпульсних струмів типу ГІС 50. Після дезінтеграції матеріал було направлено на гравітаційне збагачення на концентраційному столі. Концентрат збагачення (2030г) було хімічно оброблено розчином концентрованих хромової і сірчаної кислот (1:1 по об'єму) на холоді (впродовж 20хв.) та при кипінні реагуючих мас (впродовж 40хв.) Після охолодження осад було промито водою. Операція проводилася до повного окислення графіту. Після закінчення обробки видобуті алмази були ретельно промиті до рН=7 промивних вод, висушені, зважені (4825 карат). При розсіві видобутих алмазів зафіксовано вихід алмазів, крупніше за 250мкм становить 30%. Результати зведено у таблицю 1. При видобуванні синтетичних алмазів в перерахунку на 1000 карат алмазів досягнуті такі показники: ступінь розкриття ПС становить 98,0; втрати алмазів становлять 3,0%, у тому числі з відвальним графітовим продуктом гравітаційного збагачення -2,0%, при хімічній обробці 1,0%; зберігається крупність синтезованих алмазів (вихід алмазів, крупніше за 250мкм становить 30%); витрати хімічних реагентів становлять: кислоти: сірчана - 1,2кг; ангідрид хромовий 0,4кг; час контакту людини з хімічними реагентами 1,5 год.; час видобування алмазів - 2,5 год. 7 47738 Спосіб було реалізовано також при граничних (приклади 2-5), при виході за границі (приклади 6-9) пропонованих режимних параметрів, а також за прототипом (приклад 10). Результати зведено у таблицю 1 (додається). Як видно з таблиці, при запропонованих у способі режимних параметрах одержано стабільно високі екологічні показники (низькі трати хімічних реагентів, низький час контакту людини з реагентами) та висока продуктивність видобування алмазів (низький час видобування та низькі втрати алмазу), що перевищують показники, отримані при виході за граничні значення режимних параметрів, а також 8 перевищують значення показників, що одержано за способом, який взято в якості прототипу, а саме: екологічні показники процесу при застосуванні запропонованого способу зростають: витрати сірчаної кислоти зменшуються на 27,3-45,5%, хромового ангідриду - на 92,3-93,8%; час контакту людини з хімічними реактивами зменшується на 52,5-62,5%; продуктивність процесу зростає: зменшуються втрати алмазів на 1-1,5%, зменшується час обробки на 60,0-66,7%; гарантовано зберігається крупність синтезованих частинок алмазів: гранулометричний склад видобутих алмазів лишається постійним при виході частинок, крупніших за 250мкм, на рівні 30%. Додаток. Таблиця Сумарна енергія виділена Об’єкт випро- Випробування у одиниці бувань № пп об’єму суспензії, кДж/л 1 320,0 2 100 3 100 4 550 5 550 Пропонований спосіб 6 100 8 600 9 Спосіб за прототипом 50 7 550 10 Показники ефективності Витрати хімічних Вихід Співвідношенні Час контакСтупінь реагентів, кг частинок маси матеріату людини з Витрати Час видобурозкриття алмазів лу до рідинноПримітки матеріалу Сірчана Хромовий хімічними алмазів, вання алма- крупніших го середовища реактивами, % зів, год за кислота ангідрид год 250мкм Найкращі 1:10 98,0 1,2 0,4 1,5 3,0 2,5 30 показники 1:2 95,5 1,5 0.5 1,8 3,5 2.9 30 екологічної безпеки (низькі 1:25 94,0 1,6 0,5 1,9 3,5 3,0 30 витрати хіміч1:2 96,0 1,5 0,5 1,8 3,5 2,9 30 них реагентів, малий час контакту людини з реагентами), висока технологічність (забезпечення 1:25 94,0 1,6 0,5 1,9 3,5 3,0 30 крупності синтезованих алмазів, низькі втрати алмазів, малий час їх видобування). Погіршується 1:2 80,0 4,0 12,0 5,0 5,0 9,0 30 технологічність 1:27 90,0 2,3 7,0 4,9 4,5 8,5 30 та екологічні показники 1:2 80,0 4,0 12,0 5,0 5,0 9.0 15 видобування експериментах №8, 9 додатково зменшу1:27 75,0 30 5,1 5,0 9,0 15 ється вихід крупних частинок алмазу. Показники екологічної безпеки та 91,0 2,2 6,5 4,0 4,5 7,5 30 технологічності гірші, ніж за способом, який пропонується * Наведено витрати лише сірчаної кислоти та хромового ангідриду, тому що на них впливає маса матеріала, що оброблюють, яка св. Свою чергу залежить від результату дезінтеграції (ступеню розкриття матеріалу), витрати хлорводневої кислоти лишаються постійними. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601