СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗА В ДЕТОНАЦИОННОЙ ВОЛНЕ Российский патент 1997 года по МПК B01J3/08 B01J3/06 C01B31/06 

Изобретение относится к взрывному синтезу алмазов и может быть использовано для синтеза алмаза непосредственно в процессе детонации углеродсодержащего взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом (BB) и дальнейшего разлета продуктов взрыва.

Уровень техники
Известен способ синтеза искусственных алмазов (Титов В.М. Анисичкин В.Ф. Мальков К.Ю. "Исследование процесса синтеза ультрадисперсного алмаза в детонационных волнах" ФГВ, -1989 г. N 3, с. 117 126), состоящий в том, что заряд из углеродсодержащего взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом помещают в инертной газовой среде во взрывной камере и инициируют детонацию. Благодаря тому, что на фронте детонационной волны термодинамические параметры отвечают области устойчивости алмаза на фазовой диаграмме углерода, химически свободный углерод, содержащийся в продуктах детонации, находится в алмазной фазе. Волна разгрузки, сопровождающая детонационную волну, снижает термодинамические параметры углерода до области фазовой диаграммы углерода, в которой устойчива графитная фаза, поэтому при недостаточной скорости охлаждения продуктов детонации, обусловленного их газодинамическим разлетом и перемешиванием с инертным газом часть алмаза графитизируется. Относительно низкий выход алмаза, связанный с недостаточной скоростью охлаждения продуктов детонации является основным недостатком аналога [1]
Наиболее близким по технической сущности предлагаемому изобретению является способ получения алмаза (Б.А. Выскубенко, В.В. Даниленко, Э.Э. Лин, В. А. Мазанов, Т. В. Серова, В.И. Сухаренко, А.П. Толочко "Влияние масштабных факторов на размеры и выход алмазов при детонационном синтезе" ФГВ 1992 г. N 2, с. 108 109), который заключается в том, что заряд BB из состава тротил-гексаген помещают в полость сферической взрывной камеры и окружают инертной газожидкостной охлаждающей средой водяной оболочкой в водонепроницаемом резервуаре, который окружают инертным газом. Примем аналог [2] за прототип. Наличие водяной оболочки и инертного газа вокруг заряда BB при разлете продуктов детонации способствует улучшению охлаждения синтезированного алмаза и повышению его выхода от единичного заряда BB. Недостатком прототипа является его сложность, связанная с необходимостью установки в камере водонепроницаемой оболочки для удержания воды вокруг заряда BB перед подрывом. Кроме того, наличие фрагментов водонепроницаемой оболочки в конденсированных продуктах детонации усложняет их эвакуацию из камеры и выделение из них алмаза, что в конечном итоге снижает производительность данного способа получения алмаза. Дополнительным недостатком прототипа является относительно высокая нагрузка на стенки камеры при подрыве, что ограничивает массу заряда BB в единичном опыте.

Сущность изобретения
Техническая задача изобретения состоит в повышении производительности способа получения алмаза за счет упрощения процессов подготовки к взрывному синтезу, эвакуации конденсированных продуктов детонации из камеры, выделения алмаза из алмазной шихты и увеличения массы заряда BB и выхода алмазов в опыте.

Технический результат увеличение производительности способа получения алмаза за счет упрощения процессов подготовки к взрыву BB, эвакуации конденсированных продуктов детонации из камеры, выделение алмаза из алмазной шихты и увеличение массы заряда BB и выхода алмазов в опыте достигается тем, что в известном способе получения алмаза в детонационной волне, заключающемся в приготовлении заряда BB с отрицательным кислородным балансом, детонировании его во взрывной камере высокого давления в газо-жидкой охлаждающей среде, отличительным является то, что окружающую заряд BB газожидкостную среду в камере создают перед подрывом и после подрыва заряда BB путем распыливания в газообразных продуктах взрыва охлаждающей жидкости. В качестве охлаждающей жидкости используют воду, исходя из соотношения:

где m_B масса воды в окружающей заряд среде;
m_BB масса заряда BB;
L, q удельные теплоты взрыва и испарения воды.

Воду перед распыливанием нагревают до температуры кипения.

Создание в камере газожидкостной среды перед подрывом и после подрыва заряда BB путем распыливания жидкости в инертной газовой среде обеспечивает эффективное охлаждение продуктов взрыва и не вносит в объем камеры по сравнению с прототипом никаких вспомогательных материалов, что существенно упрощает процесс подготовки к взрывному синтезу алмаза, а также эвакуацию твердых продуктов детонации из камеры.

Кроме того, подрыв заряда в подготовленной равномерно по объему газокапельной среде улучшает процесс охлаждения продуктов детонации, что увеличивает выход алмазов, а также снижает нагрузку на стенку камеры, что позволяет увеличить массу заряда BB в опыте.

Упрощение способа, увеличение выхода алмазов в единичном опыте с возможностью увеличения заряда BB позволяет увеличить производительность способа в целом.

Масса охлаждающей жидкости, распыливаемой в объеме камеры, должна быть достаточной для того, чтобы выделяющееся при взрыве BB тепло было затрачено на ее испарение, что достигается при условии m_B≥m_BB L/q. Нагрев воды перед распыливанием приводит к уменьшению ее вязкости, уменьшению размера единичной капли, а следовательно, к увеличению поверхности раздела жидкость-газ и увеличению скорости охлаждения продуктов детонации, что способствует повышению выхода алмазов от единичного заряда BB.

Таким образом, применение заявленного изобретения приводит к существенному увеличению производительности технологии получения алмазов за счет упрощения процессов подготовки к подрыву заряда BB, эвакуации продуктов детонации из объема камеры, снижению загрязнения полученной алмазной шихты, увеличению выхода алмазов и возможности увеличения массы заряда BB в единичном опыте.

Заявляемый способ поясняется чертежом, где цифрами обозначены: 1 взрывная камера; 2 заряд BB с капсюлем-детонатором 3; 4 блок форсунок для распыливания жидкости; 5 ввод охлаждающей жидкости; 6 вывод алмазной шихты; 7 нагреватель жидкости.

Заявляемый способ работает следующим образом. Приготавливают заряд BB, устанавливают его в центре взрывной камеры высокого давления, заполненной продуктами предыдущего взрыва заряда BB. Создают в объеме камеры газожидкостную охлаждающую среду путем распыливания через форсунки жидкости, например воды, в газообразные продукты взрыва. Секундный расход распыливаемой воды выбирают таким, что в момент подрыва BB в объеме камеры в газожидкостной среде масса жидкости составляет m_B≥m_BB L/q. Инициируют в заряде BB детонацию. После затухания в камере ударных волн и охлаждения продуктов взрыва прекращают распыливание охлаждающей жидкости. Эвакуируют из камеры конденсированные продукты детонации и извлекают из них алмазы.

Для улучшения процесса распыливания жидкость нагревают до температуры кипения.

На предприятии экспериментально показана возможность осуществления предлагаемого способа. В сферическую камеру с внутренним объемом 17 м³, заполненную продуктами предварительного взрыва заряда BB, помещался заряд BB из тротил-гексагенового сплава ГГ 50/50 массой 5,1 кг. Через центробежные форсунки с перепадом давления около 5 атм. в камеру подавалась вода при расходе 35 кг/с. В каждый момент времени в объеме камеры в газожидкостной среде находилось около 10 кг воды. В опытах, в которых расход воды был меньше, наблюдалось снижение выхода алмазов в единичном опыте. После подрыва заряда BB подача воды продолжалась в течение 2,5 с для дальнейшего охлаждения продуктов взрыва. После серии из 3-х идентичных подрывов BB из камеры было эвакуировано 1,9 кг алмазной шихты с содержанием алмаза 75% (размер частиц 40^oC200 ангстрем). Выход алмазов составил 9,3% от массы BB, что превышает максимальный выход алмазов, достигнутый в аналогах. Проведенные расчеты и эксперименты показали, что применение способа уменьшает нагрузку на стенку камеры и улучшает условия охлаждения продуктов детонации, что позволяет увеличить массу заряда BB в единичном опыте примерно на 20% Для нагрева воды перед распыливанием необходима обычная герметичная емкость с электрическим либо другим обогревом. Известно, что нагрев жидкости способствует процессу распыливания, а следовательно, и более эффективному охлаждению продуктов детонации.

Проведенная экспериментальная проверка предлагаемого способа показала, что его применение позволяет сократить время проведения синтеза и увеличить выход алмазов, а следовательно, увеличить производительность способа примерно в 2 раза. Дополнительное преимущество предлагаемого способа связано с получением более чистой алмазной шихты и состоит в удешевлении технологии в целом за счет уменьшения стоимости кислотной очистки исходной алмазной шихты.

Способ получения алмаза в детонационной волне. Использование: взрывной синтез алмазов может быть применен для синтеза ультрадисперсных алмазов непосредственно в процессе детонации углеродсодержащего взрывчатого вещества во взрывной камере. Сущность: способ получения алмаза в детонационной волне, основанный на детонировании во взрывной камере высокого давления в газожидкостной охлаждающей среде заряда углеродсодержащего ВВ с отрицательным кислородным балансом, заключается в том, что окружающую заряд ВВ среду в камере создают перед подрывом и после подрыва ВВ путем распыливания в газообразных продуктах взрыва охлаждающей жидкости. В качестве охлаждающей жидкости используют воду в количестве , где m_B - масса воды в окружающей заряд среде, m_BB - масса заряда BB, L,q - удельные теплоты взрыва и теплота испарения воды. Воду перед распыливанием нагревают до температуры кипения. Технический результат: увеличение производительности и упрощение технологии получения алмазов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения алмаза в детонационной волне, заключающийся в приготовлении заряда взрывчатого вещества (ВВ) с отрицательным кислородным балансом, детонировании его во взрывной камере высокого давления в газожидкостной охлаждающей среде, отличающийся тем, что окружающую заряд ВВ среду в камере создают перед подрывом и после подрыва заряда ВВ путем распыливания в газообразных продуктах взрыва охлаждающей жидкости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей жидкости используют воду, исходя из соотношения

где m_в масса воды в окружающей заряд ВВ среде;
m_В В масса заряда ВВ;
L, q удельные теплота взрыва и теплота испарения воды. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что воду перед распыливанием нагревают до температуры кипения.