Спосіб видобування синтетичних алмазів

Реферат: Спосіб видобування синтетичних алмазів включає подрібнення вихідного продукту синтезу, розчинення металевої складової, дезінтеграцію, гравітаційне збагачення, хімічну обробку концентрату з отриманням синтетичних алмазів. Дезінтеграцію матеріалу у рідинному середовищі проводять ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 60,0-770,0 кДж/л виділеної у одиниці об'єму середовища. UA 99217 U (12) UA 99217 U UA 99217 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі видобування синтетичних алмазів, переважно з продуктів статичного синтезу. Вона може бути використана в хімічній, гірничій промисловості, в технології виробництва надтвердих матеріалів та ін. Широко відомий спосіб видобування синтетичних алмазів, який включає лише хімічну обробку продукту синтезу (ПС): розчинення металевої складової ПС, окислення неперекристалізованого графіту, глибинне очищування синтетичних алмазів. Для розчинення металів та карбідів із епіків застосовують мінеральні кислоти та їх суміші. Для окислення графіту застосовують суспензії хромового ангідриду у сірчаній кислоті або хлорну кислоту та iн. [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. - К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля. ИПЦ "АЛКОН" НАНУ, 2003. - С. 298-309]. Різноманітність хімічних реагентів, які застосовують у цих способах, та ручна обробка ПС створюють 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. Витрати хімічних реагентів для видобування синтетичних алмазів здебільшого пов'язані з масовою долею не перекристалізованого графіту в матеріалі, який обробляють. Тому найголовнішою проблемою способів створення синтетичних алмазів з високою екологічною безпекою (мінімальними витратами хімічних реагентів та часу контакту з ними людини) є максимальне виділення при гравітаційному збагаченні неперекристалізованого графіту з ПС після розчинення металевої складової (зменшення маси концентрату матеріалу, який підлягає хімічній обробці, та зменшення в ній масової частки неперекристалізованого графіту). Цю проблему вирішують завдяки подрібненню вихідного ПС, та використанню ПС після розчинення металевої складової. При подрібненні здійснюється дезінтеграція, тобто розкриття матеріалу ПС перетворюється у дисперсну суміш компонентів ПС, яка складається з вільних (не зв'язані між собою) алмазу, металевої складової, графіту, тобто дисперсну суміш компонентів ПС з високим ступенем розкриття. Мірою ступеня розкриття для ПС вважають критерій Фоменко, який розраховують па підставі результатів гравітаційного розподілу суміші. Критерій може змінюватись від 0 при нерозкритому матеріалі до 1 при повному розкритті, тобто високому ступені розкриття. Відомий найбільш близький за технічною суттю до пропонованого способу видобування синтетичних алмазів, який включає подрібнення 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 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 НАН України (частота оберту ротора 2000 об/хв., розвантажна градка з 5 прорізів розміром 2×50 мм), 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, призначених для отримання алмазів марок АС 15 - АС 160 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 3 3 3 (щільність алмазу 3,5 г/см , графіту - 2,0 г/см , зростків - 9-3,6 г/см ). 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. 1 UA 99217 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Легкі і малі частинки графіту та алмазу (розміром -40+5 мкм), 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 його 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 поставлена задача такого вдосконалення способу видобування синтетичних алмазів, при якому за рахунок дезінтеграції матеріалу, що проводять у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 60,0-770,0 кДж/л виділеної у одиниці об'єму середовища, при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:2 до 1:30, забезпечуються такі ефекти: - покращання технологічності обробки (без руйнування крупних частинок алмазу (при незмінному їх вмісті) зменшуються час видобування та втрати алмазу), - підвищення показників екологічної безпеки способу (зменшуються витрати хімічних реагентів, часу контакту людини з хімічними речовинами). Поставлена задача вирішується тим, що у способі видобування синтетичних алмазів, який передбачає подрібнення вихідного ПС, розчинення металевої складової, дезінтеграцію, гравітаційне збагачення, хімічну обробку концентрату з отриманням синтетичних алмазів, згідно пропонованого способу, дезінтеграцію матеріалу проводять ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 60,0-770,0 кДж/л виділеної у одиниці об'єму середовища, при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:2 до 1:30. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, і технічним результатом полягає у наступному. Дезінтеграція ПС, що дозволяє найбільш повно розкрити матеріал завдяки вибірковому руйнуванню, яке забезпечує руйнування алмаз-алмаз, зростків алмаз-металева складоваграфіт, алмаз-графіт та зерен алмазів із металевими включеннями може бути здійснена при обробці матеріалу у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 60,0-770,0 кДж/л виділеної у одиниці об'єму середовища. Під впливом ультразвукових коливань в рідині виникає явище кавітації. Виникають локальні області стиску та розширення речовини, які швидко чергуються. Рідина в локальних зонах підпадає під тиск вище порогового значення (напруги розтягання), тобто вище тиску насичення пари при даній температурі. Її цілісність руйнується, виникають кавітаційні пухирці - пароподібні порожнини з газами, які виділяються із рідини в середину пухирців. Пухирці ростуть і під виливом зовнішнього тиску миттєво руйнуються. У частинках матеріалу, що знаходиться у зоні кавітації, формується запруджений стан. Напруги, які розтягують частинки, викликають розвиток мікрощілин на поверхні, що призводить до адсорбційного ефекту зниження міцності і полегшення деформації (на утвореній поверхні адсорбуються молекули рідини та не дозволяють змикатися краям мікрощілин (виконують розклинюючу дію)). Під дією ультразвукових хвиль, тобто миттєвої локальної зміни місцевого тиску, в рідині пухирці можуть різко стискатись і розширюватись, а температура газу в середині пухирців може коливатися у широких межах та досягати кількох сотень градусів за Цельсієм. В розчинених в рідині газах міститься більше кисню у відсотковому відношенні, ніж в повітрі, тому гази в пухирцях при кавітації хімічно більш агресивні, ніж атмосферне повітря, і викликають процеси окислення твердої фази. Усі вищеназвані процеси руйнують тверду фазу, тобто диспергують та дезінтегрують її. Величину напруг, які виникають у ПС, можна регулювати, змінюючи сумарну енергію, виділену в одиниці об'єму суспензії завдяки зміні інтенсивності ультразвукової дії. У випадку, коли сумарна енергія, виділена в одиниці об'єму суспензії, складає від 60,0 до 770,0 кДж/л, сформовані напруги не перевищують міцності матеріалу, відбувається накопичування напруг. В остаточному рахунку це призводить до руйнування матеріалу з високим ступенем розкриття. При цьому не руйнуються алмази і тому їх втрати в процесі видобування лишаються стабільно невеликими. Якщо виділена в одиниці об'єму суспензії сумарна енергія нижче за 60,0 кДж/л, накопичування напруг здійснюється надто довго та руйнування ПС не призводить до розкриття матеріалу. Як наслідок, необхідно хімічно обробляти всю масу матеріалу, видобування алмазу проходить при високих витратах хімічних реагентів, значному часі контакту людини з ними, 2 UA 99217 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 значному часі видобування. Якщо виділена в одиниці об'єму суспензії сумарна енергія вище за 770,0 кДж/л, напруги, перевищують міцність матеріалу, руйнування проходить за короткий час без накопичування напруг. Така обробка ПС призводить до руйнування алмазу. Як наслідок, необхідно хімічно обробляти 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. Ультразвукові хвилі генерують у рідинному середовищі, тому співвідношення маси матеріалу до маси рідинного середовища - важливий фактор обробки матеріалу. В зоні кавітації може бути розташована лише дуже мала маса матеріалу. Тому при співвідношенні маси матеріалу до маси рідинного середовища нижче за 1:2, або вище за 1:30, завдяки тому, що в першому випадку маса матеріалу не має змоги вільного переміщення, а в другому випадку, завдяки тому, що матеріал дуже рідкий, при будь яких значеннях сумарної енергії, виділеної в одиниці об'єму суспензії, обробка матеріалу призводить до низького ступеня 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 в рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 60,0-770,0 кДж/л виділеної у одиниці об'єму середовища, екологічні показники та продуктивність видобування алмазів лишаються стабільно високими. Дезінтеграція не впливає на гранулометричний склад видобутих алмазів вміст частинок алмазу крупніших за 250 мкм лишається стабільним. 2. При дезінтеграції матеріалу у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою нижче за 20,0 кГц при сумарній енергії нижче за 60,0 кДж/л виділені в одиниці об'єму середовища, видобування алмазів пов'язано з великими витратами хімічних реагентів за рахунок малої поверхні контакту дисперсного матеріалу з хімічними реагентами та високими втратами алмазів завдяки багатостадійності окислення графітової складової. Екологічні показники і продуктивність видобування алмазів погіршуються. 3. При дезінтеграції матеріалу у рідинному середовищі ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою нижче за 35,0 кГц при сумарній енергії нижче за 770,0 кДж/л виділені в одиниці об'єму середовища, зросте ймовірність виникнення мікрощілин на частинках алмазів, руйнуються алмази. Це відображається на гранулометричному складі видобутих алмазів зменшується вміст частинок алмазу крупніших за 250 мкм. При видобуванні алмазів з такого ПС витрачається додатковий час на хімічну обробку та відстій дрібного матеріалу при промивках. Екологічні показники і продуктивність видобування алмазів погіршуються. 4. Дотримання співвідношення маси матеріалу до рідинного середовища від 1:2 до 1:30 при дезінтеграції матеріалу ультразвуковими хвилями додатково сприяє досягненню стабільно високих екологічних показників, продуктивності видобування алмазів та не впливає на вміст частинокалмазу крупніших за 250 мкм. 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 250 мкм. Партія спіків ПС масою 10000 г була подрібнена у щоковій дробарці (ДЩ 160 × 80 при гарантованому зазорі 1 мм між щоками в місці розвантаження) до крупності - 1 мм. Подрібнений ПС був завантажений по 0,3 кг до хімічних стаканів об'ємом 2 л. У стакани було додано по 200 мл водного розчину хлорводневої кислоти (1:1 по об'єму). Матеріал був оброблений впродовж 50 хв. Після закінчення реакції осад у стаканах було промито водою до нейтральної реакції промивних вод (рН = 7) та повторно оброблено водним розчином хлорводневої кислоти при температурі кипіння реагуючих мас впродовж 30 хв. до повного закінчення реакції розчинення металевої складової ПС. Осад було промито водою до нейтральної реакції промивних вод (рH=7), висушено та зважено (4980 г). Після цього матеріал було дезінтегровано ультразвуковими хвилями з частотою 22,0 кГц при сумарній енергії 415 кДж/л виділеної в одиниці об'єму середовища при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища 1:16. Ультразвукові хвилі створювали за допомогою ультразвукового генератора УЗГ 1,6/22. Після дезінтеграції матеріал було направлено на гравітаційне збагачення на концентраційному столі. Концентрат збагачення (2030 г) було хімічно оброблено розчином концентрованих хромової і сірчаної кислот (1:1 по об'єму) впродовж 60 хв. Окислення проводили до повного окислення графіту. Після закінчення обробки видобуті алмази (осад) були промиті до рН = 7 промивних вод, висушені. Вага склала 4825 карат. При розсіві видобутих алмазів зафіксовано, що вміст 3 UA 99217 U 5 10 15 20 25 30 частинок алмазу, крупніше за 250 мкм становить 30 % маси видобутих алмазів. Результати зведено у таблицю. 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 250 мкм становить 30 %); - витрати хімічних реагентів становлять: сірчана кислота - 1,2 кг; ангідрид хромовий 0,4 кг; - час контакту людини з хімічними реагентами - 1,5 год.; - час видобування алмазів - 2,5 год. Спосіб було реалізовано також при граничних (приклади 2-5) та при виході за границі (приклади 8-15) пропонованих режимних параметрів у п. 1 формули корисної моделі; спосіб було реалізовано також при граничних (приклади 6-7) та при виході за границі (приклади 16-17) пропонованих режимних параметрів у п. 2 формули корисної моделі, а також за прототипом (приклад 18). Результати зведено у таблицю (додається). Як видно з таблиці, при запропонованих у способі режимних параметрах одержано стабільно високі екологічні показники (низькі витрати хімічних реагентів, малий час контакту людини з реагентами) та висока продуктивність видобування алмазів (малий 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, який взято в якості прототипу. А саме, відносно показників прототипу: екологічні показники процесу при застосуванні запропонованого способу зростають: витрати сірчаної кислоти зменшуються на 31,8-45,5 %, хромового ангідриду - на 92,3-93,8 %; час контакту людини з хімічними реактивами зменшується на 55,0-65,0 %; продуктивність процесу зростає: зменшуються втрати алмазів на 17,8-37,7 %, зменшується час обробки на 61,3-66,7 %; гарантовано зберігається крупність синтезованих частинок алмазів: гранулометричний склад видобутих алмазів лишається постійним при виході частинок, крупніших за 250 мкм, на рівні 30 %. Таблиця Показники ефективності Сумар на Співвід Витрати Час енергія ношен хімічних контакт Вміст Ступін Час Випр виділе ні маси реагентів*, у частин Об'єкт ь Втра видо обув на у Част матері кг/1000 карат людин ок випро розкри ти бува ання одиниц ота, алу до алмазу из алмазу буван ття алма ння № і кГц рідинн хімічни крупні ь матері Сірчан Хромо зів, алма пп. об'єму ого ми ших за алу а % зів, вий суспен середо реаген 250 год. кислот ангідр зії, вища тами, мкм а ид кДж/л год. 1 2 3 Проп 4 онов 5 аний 6 спосі б 7 415 60 60 770 770 415 22 20 35 20 35 22 1:16 1:30 1:1,5 1:30 1:1,5 1:2,0 98,0 95,0 97,0 97,0 98,0 99,0 1,2 1,5 1,5 1,5 1,2 1,2 0,4 0,5 0,5 0,5 0,4 0,4 1,5 1,8 1,8 1,8 1,5 1,4 3,0 3,5 3,7 3,7 3,0 2,8 2,5 2,9 2,9 2,9 2,5 2,5 30 30 30 30 30 30 415 22 1:30 99,0 1,2 0,4 1,4 2,8 2,5 30 4 Примітки Найкращі показники екологічної безпеки (низькі витрати хімічних реагентів, малий час контакту людини з реагентами), висока технологічність (забезпечення крупності синтезованих алмазів, низькі втрати алмазів, малий час їх видобування). UA 99217 U 8 9 10 11 12 13 14 15 16 50 50 800 800 60 770 770 60 415 20 35 20 35 18 40 18 40 22 1:40 1:1,5 1:1,5 1:40 1:1,5 1:40 1:1,5 1:40 1:1,5 80,0 80,0 97,0 98,0 80,0 97,0 85,0 97,0 85,0 4,0 4,0 1,5 1,2 4,0 1,5 2,7 1,5 2,7 1,3 1,3 0,5 0,4 1,3 0,5 0,9 0,5 0,9 5,0 5,0 1,8 1,5 5,0 1,8 6,0 1,8 6,0 5,0 5,0 3,7 3,0 5,0 3,7 5,0 3,7 5,0 9,0 9,0 2,9 2,5 9,0 2,9 8,5 2,9 8,5 30 30 25 20 30 10 30 20 30 17 415 22 1:35 90,0 2,5 0,8 5,0 5,0 8,0 30 91,0 2,2 6,5 4,0 4,5 7,5 30 Спосі б за прот 18 отип ом Погіршується технологічність видобування - великий час обробки, значні втрати алмазу (експерименти № 8, 9, 12, 14, 16, 17), зменшений вихід крупних частинок алмазу. (експерименти № 10, 11, 13, 15) Погіршені екологічні показники (експерименти № 8, 9, 12, 14, 16, 17). Показники екологічної безпеки та технологічності гірші, ніж за способом, який пропонується * Наведено витрати лише сірчаної кислоти та хромового ангідриду, тому що на них впливає маса матеріалу, що оброблюють, яка в скою чергу залежить від результату дезінтеграції (ступеню розкриття матеріалу), витрати хлорводневої кислоти лишаються постійними. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 1. Спосіб видобування синтетичних алмазів, який включає подрібнення вихідного продукту синтезу, розчинення металевої складової, дезінтеграцію, гравітаційне збагачення, хімічну обробку концентрату з отриманням синтетичних алмазів, який відрізняється тим, що дезінтеграцію матеріалу у рідинному середовищі проводять ультразвуковими хвилями, які генерують з частотою 20,0-35,0 кГц при сумарній енергії 60,0-770,0 кДж/л виділеної у одиниці об'єму середовища. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що дезінтеграцію матеріалу ультразвуковими хвилями проводять у рідинному середовищі, при співвідношенні маси матеріалу до рідинного середовища від 1:2 до 1:30. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5