Спосіб видобування синтетичних алмазів

1. 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 подрібнення вихідного продукту синтезу проводять обробкою високовольтними розрядами при таких параметрах розрядного контуру: напрузі 35-40кВ та індуктивності розрядного контуру 2-4мкГн, цю обробку проводять в робочому рідинному середовищі у вигляді суспензії при співвідношенні маси матеріалу та рідинного середовища від 1:4 до 1:10. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як робоче рідинне середовище використовують воду або дистильовану воду. Корисна модель відноситься до галузі видобування синтетичних алмазів, переважно з продуктів статичного синтезу. Він може бути використаний в хімічній, гірничій промисловості, в технології виробництва надтвердих матеріалів та ін. Широко відомі способи видобування синтетичних алмазів, які передбачають лише хімічну обробку продукту синтезу (ПС): розчинення металевої складової ПС, окислення неперекристалізованого графіту, глибинне очищування синтетичних алмазів. Для розчинення металів та карбідів, що зраходяться у металевій складовій ПС застосовують мінеральні кислоти та їх суміші. Для окислення графіту застосовують суспензії хромового ангідриду у сірчаній кислоті або хлорну кислоту та ін.(див. Г. П. Богатырева, Н. А. Олейник, Г. А. Базалий и др. Извлечение алмазов из продуктов синтеза // Сверхтвердые материалы. Получение и применение. Монография в 6 томах / Под общей редакцией Н.В.Новикова. Том 1: Синтез алмаза и подобных материалов /Отв. ред. А.А.Шульженко. - Киев: ИСМ им. В.Н.Бакуля. ИГЩ «АЛКОН» НАНУ, 2003.С. 298 -309). Різноманітність хімічних реагентів, які застосовують у цих способах та ручна обробка ПС ство рюють тяжкі умови праці, призводять до низької продуктивності, великих витрат хімічних реагентів, викидів в атмосферу парів токсичних сполук, тривалого часу обробки ПС та контакту людини з хімічними реагентами, втрат синтезованих алмазів. Як відомо, збільшення площі поверхні контактуючих речовин призводить до інтенсифікації хімічних реакцій, тому процеси хімічної обробки дрібного матеріалу потребують меншого часу, але можуть призводити до втрат цінного компоненту при обробці та наступних промивках матеріалу до нейтральної реакції промивних вод. Інтенсифікація процесу хімічної обробки потребує підвищення заходів з безпеки праці та навколишнього середовища. Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі є спосіб видобування синтетичних алмазів, який передбачає подрібнення вихідного ПС, збагачення, розчинення металевої складової, дезінтеграцію, гравітаційне збагачення, хімічну обробку концентрату з отриманням синтетичних алмазів, при цьому збагачення ПС проводять гравітаційним методом, а перед збагаченням проводять розсів ПС на ситі з отворами розміром 80-120 мкм, а збагачення ПС, який пройшов крізь сито, та (19) UA (11) 49908 (13) U (21) u200913965 (22) 30.12.2009 (24) 11.05.2010 (46) 11.05.2010, Бюл.№ 9, 2010 р. (72) БОГАТИРЬОВА ГАЛИНА ПАВЛІВНА, МАЙСТРЕНКО АНАТОЛІЙ ЛЬВОВИЧ, СИЗОНЕНКО ОЛЬГА МИКОЛАЇВНА, ОЛІЙНИК НОННА ОЛЕКСАНДРІВНА, ІЛЬНИЦЬКА ГАЛИНА ДМИТРІЇВНА, ПЕТАСЮК ГРИГОРІЙ АНДРІЙОВИЧ, НЕСТЕРЕНКО ЮРІЙ ВАЛЕРІЙОВИЧ, ТАФТАЙ ЕДУАРД ІВАНОВИЧ, ТОРПАКОВ АНДРІЙ СЕРГІЙОВИЧ, ЛИПЯН ЄВГЕН ВАСИЛЬОВИЧ (73) ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ІМ. В.М. БАКУЛЯ НАН УКРАЇНИ, ІНСТИТУТ ІМПУЛЬСНИХ ПРОЦЕСІВ І ТЕХНОЛОГІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, БОГАТИРЬОВА ГАЛИНА ПАВЛІВНА, МАЙСТРЕНКО АНАТОЛІЙ ЛЬВОВИЧ, СИЗОНЕНКО ОЛЬГА МИКОЛАЇВНА, ОЛІЙНИК НОННА ОЛЕКСАНДРІВНА, ІЛЬНИЦЬКА ГАЛИНА ДМИТРІЇВНА, ПЕТАСЮК ГРИГОРІЙ АН 3 ПС який залишився на ньому, проводять окремо (див. Деклараційний патент України № 58199 МПК 7 С01В31/06. - опубл. 15.07.2003. - Бюл. 7,2003). Основним недоліком способу за прототипом є те, що при його реалізації подрібнення вихідного ПС проводять до крупності 2 - 4мм незалежно від найбільшого розміру синтезованих частинок алмазів. Для продуктивного видобування синтетичних алмазів при високих показниках екологічної безпеки необхідно отримати із епіків ПС (спік частинок алмазу, металевої складової, графіту у вигляді циліндрів діаметром до 35мм та висотою до 20мм) механічну суміш вільних компонентів ПС (алмаз, метал, графіт), тобто дисперсну суміш компонентів ПС з розвинутою площиною поверхні. Мірою ступеню розкриття для ПС вважають критерій Фоменко, який розраховують на підставі результатів гравітаційного розподілу суміші. Критерій може змінюватись від 0 при нерозкритому матеріалі до 1 при повному розкритті, тобто високому ступеню розкриття. Дисперсна суміш компонентів ПС може бути піддана збагаченню з отриманням відходів та концентрату. Завдяки відводу з технологічного процесу відходів знижується маса матеріалу для хімічної обробки, що сприяє зниженню витрат хімічних реактивів та підвищенню безпеки праці та навколишнього середовища. При подрібненні епіків різних груп вихідного ПС у щоковій дробарці при однакових умовах, особливо групи ПС, призначених для отримання алмазів марок АС4, АС6, АС2, найвищий розмір синтезованих частинок алмазів котрих (250мкм) значно менший ніж у групі ПС, призначеній для отримання алмазів марок АС15-АС160, неможливо досягнути повного розкриття матеріалу. Ступінь розкриття після подрібнення ПС АС15-АС160 становить 0,20; ПС АС4, АС6 - 0,15; ПС АС2 - 0,12. При низькому ступеню розкриття ПС, збагачення матеріалу проходить неефективно, внаслідок цього маса відходів незначна і на хімічну обробку попадає практично вся маса вихідного матеріалу після подрібнення. Масова доля графіту та металу в цьому матеріалі близька до показників вихідного матеріалу. Це призводить до труднощів при збагаченні та наступній хімічній обробці концентрату. При такому подрібненні вихідного продукту синтезу при видобуванні алмазу витрати хімічних реактивів та час обробки і контакту людини з хімічними реактивами стають близькими до показників, що досягають при видобуванні алмазу лише хімічними обробками. Як наслідок перерахованих недоліків - недостатньо високі продуктивність, екологічна небезпека та низька технологічність видобування алмазу. В основу корисної моделі покладено завдання такого вдосконалення способу видобування синтетичних алмазів, при якому за рахунок подрібнення вихідного продукту синтезу обробкою високовольтними розрядами при пропонованих параметрах розрядного контуру забезпечуються такі технічні ефекти: зменшення витрат хімічних реактивів, зменшення часу контакту людини з хімічними речовинами і, як наслідок, підвищуються показники екологічної безпеки процесу - зменшен 49908 4 ня часу видобування та втрат алмазів і, як наслідок, підвищення продуктивності способу в цілому. 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 подрібнення вихідного продукту синтезу проводять обробкою високовольтними розрядами при таких параметрах розрядного контуру: напрузі 35-40кВ та індуктивності розрядного контуру 2-4мкГ, цю обробку проводять в робочому рідинному середовищі у вигляді суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:4 до 1:10. При цьому як робоче рідинне середовище використовують воду або дистильовану воду. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється і технічними результатами, які досягають при її реалізації, полягає у наступному. Подрібнення вихідного продукту синтезу дозволяє розкрити матеріал завдяки вибірковому руйнуванню, яке забезпечує руйнування друз алмаз-алмаз, зростків алмаз металева складоваграфіт, алмаз-графіт та зерен алмазів із металевими включеннями, що може бути здійснено при обробці матеріалу високовольтними розрядами при параметрах розрядного контуру: напрузі 3540кВ та індуктивності розрядного контуру 2-4мкГн, обробку проводять в робочому рідинному середовищі у вигляді суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:4 до 1:10. В процесі обробки в робочому рідинному середовищі завдяки електророзрядним (ЕР) імпульсам високої потужності сформованим розрядами плазми, утворюються ударні хвилі, які поширюються у формі циліндричної осесиметричної хвилі стиску, гідропотік та частково здійснюється електроліз рідинного середовища. Ударна хвиля при взаємодії з поверхнею матеріалу (спека), формує в об'ємі матеріалу напружений стан, головні напруги якого Qr - стискаючі та Q - розтягуючі. Розтягуючі напруги викликають розвиток мікрощілин. Завдяки дії рідинного середовища на утвореній поверхні адсорбуються молекули рідини, які не дозволяють змикатися краям мікрощілин (виконують розклинюючу дію). В якості робочого рідинного середовища використовують воду або дистильовану воду, тому здійснення пропонованої обробки не призводить до забруднення ПС ніякими хімічними речовинами. В центрі фронту хвилі стиску може бути розташовано лише дуже мала маса матеріалу, тому, при співвідношенні маси матеріалу до маси рідинного середовища нижче за 1:4, або вище за 1:10, завдяки тому, що в першому випадку маса матеріалу немає змоги вільного переміщення під впливом гідропотоку, а в другому випадку, завдяки тому, що матеріал дуже рідкий при будь яких значеннях параметрів розрядного контуру, обробка матеріалу дуже тривала та призводить до низького ступеню розкриття. Як наслідок, час видобу 5 вання, час контакту людини з реагентами, витрати реагентів та втрати алмазу значні. Величину напруг, які виникають у ПС, можна регулювати змінюючи характеристики рідинного середовища (співвідношення маси твердого матеріалу до рідинного середовища) та параметри розрядного контуру: напругу та індуктивність. У випадку, коли рівень напруги розрядного контуру становить 35-40кВ, індуктивность дорівнює 2-4мкГц співвідношення маси матеріалу до рідинного середовища від 1:4 до 1:10 сформовані напруги не перевищують міцності матеріалу, відбувається накопичування втомлювальнісних напруг, які в остаточному рахунку, призводять до руйнування матеріалу з максимальним ступенем розкриття. При цьому не руйнуються алмази і тому їх втрати в процесі видобування лишаються стабільними. Якщо, що найменше один з параметрів нижче за такі: напруга розрядного контуру 35кВ, індуктивність 2мкГн, співвідношення маси матеріалу до рідинного середовища 1:4, 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, що найменше один з параметрів вище за такі: напруга розрядного контуру 40кВ, індуктивность 4мкГн, співвідношення маси матеріалу до рідинного середовища 1:10 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. З урахуванням описаних вище роз'яснень можна зробити такі висновки: 1. При подрібнення вихідного продукту синтезу обробкою високовольтними розрядами при параметрах розрядного контуру: напрузі 35-40кВ та індуктивності розрядного контуру 2-4мкГн, обробку проводять в робочому рідинному середовищі у вигляді суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:4 до 1:10 екологічні показники та продуктивність видобування алмазів лишаються стабільно високими. Дезінтеграція не вплине на гранулометричний склад видобутих алмазів. 2. При подрібнення вихідного продукту синтезу обробкою високовольтними розрядами при параметрах розрядного контуру: напрузі нижче за 35кВ та індуктивності у нижче за 2мкГн, та співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища нижче за 1:4 видобування алмазів пов'язано з високими витратами хімічних реагентів за рахунок низької поверхні контакту дисперсного матеріалу з 49908 6 хімічними реагентами та високими втратами алмазів завдяки багатостадійності розчинення металевої складової екологічні показники і продуктивність видобування алмазів погіршаться. 3. При подрібненні вихідного продукту синтезу обробкою високовольтними розрядами при параметрах розрядного контуру: напрузі вище за 40кВ та індуктивності розрядного контуру вище за 4мкГн, та співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища вище за 1:10 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 витрачено 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 вихідного ПС (епіків) масою 10000г була подрібнена високовольтними розрядами, які були створені за допомогою генератора імпульсних струмів типу ГІС 50 при параметрах розрядного контуру: напрузі 37кВ та індуктивності розрядного контуру 3мкГн, в робочому рідинному середовищі у вигляді суспензії при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища (води дистильованої) 1:7, що знаходилась у ємкості з матеріалу, що не проводить струм. 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 20 хв.) 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 подрібненням у роторній дробарці конструкції ІНМ ПАН України (частота оберту ротора 2000об/хв, розвантажувальна градка з 5 прорізів 2х50мм). 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 ви 7 49908 добуті алмази були ретельно промиті до рН = 7 промивних вод, висушені, зважені (4825 карат). При розсіві видобутих алмазів зафіксовано вихід алмазів зернистості 250/200мкм становить 30%. Результати зведено у таблицю (додається). При видобуванні синтетичних алмазів в перерахунку на 1000 карат алмазів досягнуті такі показники: - ступінь розкриття ПС становить 0,30; - 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 зернистістю 250/200мкм становить 30%); - витрати хімічних реагентів алмазу становлять: кислоти: хлорводнева -5,0кг, сірчана - 1,2кг; ангідрид хромовий 0,4кг; - час контакту людини з хімічними реагентами - 1,5год.; - час видобування алмазів - 2,5год. При заміні робочого середовища на відомі в цій області техніки інші робочі рідини, наприклад, на воду результати процесу суттєво не змінюються. Комп’ютерна верстка Л. Купенко 8 Спосіб було реалізовано також при граничних (приклади 2-3), при виході за границі (приклади 49) пропонованих режимних параметрів, а також за прототипом (приклад 10). Як видно з таблиці, при запропонованих у способі режимних параметрах одержано стабільно високі екологічні показники (низькі витрати хімічних реактивів, низький час контакту людини з реактивами) 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 перевищують значення показників, що одержано за способом-прототипом, 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 алмазу зернистістю 250/200мкм, на рівні 30%. 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