СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ КРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА ОСОБО КРУПНЫХ РАЗМЕРОВ Российский патент 1998 года по МПК B01J3/06 C30B29/04 C30B31/06 

Изобретение относится к технологическим приемам получения искусственных кристаллов алмаза из углеродсодержащего сырья, при высокой температуре и в атмосфере сжатого газа, относительно низкого давления. Может быть внедрено в металлургической промышленности для получения побочного продукта промышленных масштабов высокого качества, используя трансформаторы большой единичной мощности электросталеплавильных цехов, во время технологических простоев электропечей между очередными плавками.

В настоящее время нет ни одного химического элемента, твердого при обычных условиях, который не мог бы быть обращен в жидкость. Даже углерод, переходящий при нормальном давлении с повышением температуры из твердого состояния сразу в парообразное, был в 1915 г. получен в жидком состоянии при давлении 22 атм и при температуре около 8000^oC.

При этих условиях уголь плавился, а не переходил сразу в парообразное состояние, благодаря давлению сжатого водорода и температуре в электрической дуге между угольными электродами. Но дальше дело не пошло. Дело оказалось за малым. Изъять как можно быстрей жидкий расплав углерода из электрической дуги и резко охладить его в жидкой углеводородной среде, т.е. ударить по жидкости холодом, т.к. больно уж велика разность температур охлаждаемой жидкости и расплава углерода. Однако этого оказалось мало.

Известен процесс, при котором самопроизвольно получается побочный продукт в виде микроскопических кристаллов алмаза, образующихся при сжигании углеводородных газов в плазмотронах, с целью получения технической сажи.

Известен ряд способов получения искусственных кристаллов алмаза из углеродсодержащего сырья, при давлении свыше 50000 атм, и температуре выше 1200^oC, в присутствии катализаторов.

Эти и ряд других известных способов получения искусственных алмазов являются малопроизводительными и дорогостоящими производствами, а конечный продукт в виде кристаллов с размером от микроскопического до 0,2 мм может быть использован только для нужд инструментального хозяйства.

Известен способ получения крупных алмазов в установке для получения искусственных кристаллов алмаза из расплава углерода в электрической дуге, содержащей газоплотную камеру и электроды, состоящие из углеродсодержащего материала. Расплавленный углерод кристаллизуется в алмаз.

Однако кристаллы алмаза получаются мелких фракций, т.к. объем расплава углерода извлекают из электрической дуги, распыляя его на мелкие капли, во время транспортировки его вихрем рвущегося на свободу, за пределы камеры, сжатого водородного газа. Этот способ может быть принят в качестве ближайшего аналога.

Задачей данного предложения является получение искусственных алмазов особо крупных размеров.

Поставленная задача состоит в том, что известный способ получения искусственных кристаллов алмаза, содержащий наработку расплава жидкого углерода в электрической дуге, между вертикально и горизонтально установленными углеродсодержащими электродами, помещенными в сжатую газоводородную среду газоплотной камеры и транспортировку расплава жидкого углерода в жидкий охладитель с последующей кристаллизацией его в жидком охладителе в кристаллы алмаза, согласно изобретению при образовании определенного объема ванны расплава жидкого углерода в теле горизонтально расположенного электрода, сохраняя целостность объема расплава жидкого углерода, выдавливают его в жидкий охладитель путем обрушивания подины ванны расплава жидкого углерода с помощью импульса разности давлений сжатого водорода; высокого - в зоне "зеркала" расплава углерода и низкого - в зоне "зеркала" жидкого охладителя, достигаемого сбросом давления в замкнутом объеме зоны 11 жидкого охладителя, которая связана через клапан-шибер с атмосферной средой. Тогда зона высокого давления 1 остается граничить с низким давлением только через хрупкую подину ванны расплава жидкого углерода, расположенную у нижней кромки в горизонтально расположенном электроде.

Существенное отличие предложенного способа от известного состоит в том, что в известном способе наработанный некоторый объем расплава углерода извлекают из образовавшейся ванны расплава напором вихревого потока сжатого водородного газа и транспортируют, рассредоточивая его на мелкие капли по пути в жидкий охладитель, где капли кристаллизуются в отдельные кристаллы алмаза.

Предложенный способ существенно отличается от известного способа тем, что при стравлении давления из зоны 11 нахождения зеркала жидкого охладителя, обрушивается подина ванны расплава углерода, расположенная в теле горизонтально установленного электрода, и весь объем расплава целиком выталкивается в объем жидкого охладителя. Способствуют этому прекращение стравливания давления и прямолинейное направление силы в сторону охладителя, на заполнение низкого давления, а также ограждение потока объема расплава в жидкий охладитель спецсеткой. Скорость транспортировки объема расплава в жидкий охладитель сохраняется, а рассредоточение объема расплава, в том виде как оно есть в известном способе, исключается.

Предложенный способ поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена установка для получения искусственных кристаллов алмаза, показанная в продольном разрезе. На фиг. 2 показан продольный разрез этой же установки, при повороте установки на 90^o. Газоплотная камера, в которой монтируется установка, не показана. Не показан и клапан-шибер, который устанавливается на магистрали сброса давления из зоны 2, зеркала жидкого охладителя, за пределами газоплотной камеры.

Установка состоит из ограниченного объема сжатого газа, заполняющего газоплотную камеру 1, которая полностью не показана. В камере установлены регулируемые на сближение электроды: 2 - нижний, и 3 - верхний. Зона электрической дуги 1 закрыта теплоизоляционными углеродными блоками 4 и 5 и электроизоляционными блоками из древесины 6. Зона жидкого охладителя 2 состоит из ванны 7 для охлаждаемой жидкости и накопления готового продукта, направляющей сетки 8, радиационного пирометра 9, древесной электроизоляционной подставки 10, магистрали и клапан-шибера 11, для сброса давления в зоне 2. Зона 1 снабжена гляделкой со светопоглощающими стеклами и механизмом для очистки этих стекол со стороны электродуги. Электроды 2 - 3 снабжены механизмами на их сближение и контактными клеммами для подключения электрокабеля. В камеру подается сжатый водород регулируемого давления. Газоплотная камера 1 снабжена монтажными окнами и дверями. Установка обеспечивается приборами контроля технологических параметров: электрических, давления газа, температуры и визуального наблюдения. Состав газов может быть принят из ряда углеводородов и водорода, предварительно очищенных от свободного кислорода. В качестве жидкого охладителя приняты растительное масло и масло из нефтепродуктов с высокой температурой их воспламенения.

Материалом для изготовления электродов приняты древесный уголь, предпочтительно из древесины хвойных пород Теплогорского месторождения Урала, очищенный графит и очищенная техническая сажа, которые используются с добавкой к ним древесной золы, 2 - 10%, Теплогорского месторождения Урала в качестве катализатора. Древесный уголь получают путем возгонки летучих при температуре 600 - 1000^oC и в атмосфере защитного газа. Водород 4 - 6%, остальное азот.

Связующим материалом для изготовления определенной формы и длины электродов приняты: натуральная олифа, клеевые соединения из органических веществ и различных смол, применяемых в огнеупорном производстве в качестве крепителей. Для изготовления электродов с оптимальным электрическим сопротивлением в массу углеводородсодержащего порошка добавляют порошок меди, но не в качестве катализатора, т.к. при температуре горения дуги медь полностью испаряется до появления в дуге расплава углерода.

Стоит отметить, что упомянутые выше некоторые технологические условия, в том числе и температуру возгонки летучих из древесины хвойных пород Теплогорского месторождения Урала, выбраны неслучайно, т.к. при этих температурах возгонки летучих почти полностью сохраняются зольные примеси в древесном угле, которые затем работают в качестве катализатора, способствующего получению в электрической дуге жидкого углерода, более стойкого к испарению и превращению его в графит.

После монтажа новой партии электродов 2 и 3 камера 1 продувается защитным газом для удаления наличия в ней свободного кислорода. При плотно закрытом клапан-шибере камера заполняется водородом. Давление в камере 1 желательно держать в пределах 20 - 80 атм. При подъеме давления выше 20 атм и действующей в это время электрической дуге рабочий оператор установки наблюдает через оптический инструмент за электрической дугой, в которой через определенное время появляется очаг жидкого расплава углерода. В то же самое время оператор установки наблюдает, а при необходимости регулирует электронагрузку, давление водорода в камере 1 и температуру в электрической дуге путем сравнивания яркости дуги с яркостью известной температурной дуги, которая может возрасти в 18 раз и соответствовать температуре 7500 - 8000^oC.

Оперируя рядом определенных параметров, оператор выбирает оптимальные варианты электронагрузки на электродах, температуру в электрической дуге, давление газа в газоплотной камере, размеры электрической дуги и наличие в ванне расплава максимально возможной массы жидкого углерода. Когда оптимальный вариант наличия массы расплава углерода в ванне достигнет определенного объема, оператор установки определенным образом открывает клапан-шибер 11 на газовой магистрали для сброса давления в зоне 2. На момент открытия клапан-шибера радиационный пирометр 8 должен сигнализировать, что подина ванны расплава так тонка, что в любой момент может быть расплавлена и произойдет нежелательный прорыв жидкого углерода. Определяется по световому излучению с видимой стороны подины. Не допуская этого, заранее сбрасывают давление в зоне жидкого охладителя 2, тогда давлением в зоне 1 подина жидкой ванны, расположенная в нижнем электроде, просто обрушивается вместе с жидким расплавом углерода в жидкий охладитель для кристаллизации его в достаточно крупный кристалл искусственного алмаза. С началом обрушения подины ванны жидкого углерода тут же восстанавливается нормальное давление в зоне 2 для поддержания нормального процесса кристаллизации жидкого углерода в кристалл алмаза.

Цикл получения определенной порции жидкого расплава углерода повторяется путем восстановления нового места для жидкой ванны на горизонтально установленном нижнем электроде и всех необходимых для этого технологических параметров.

Работа оператора установки сводится к обычным приемам работы опытного электросварщика. В том же порядке нарабатывается опыт оператора установки.

Установка рассчитана на получение особо крупных кристаллов алмаза промышленных масштабов, по качеству и размерам не уступающих природным алмазам и превосходящих их при определенной мощности установки. В то же время с минимальными затратами на их производство.

На металлургических предприятиях, имеющих электросталеплавильное производство, внедрение и эксплуатация предложенной установки, или ряд установок, не представит особых трудностей для их внедрения, т.к. для этого есть все возможности и, в том числе, где все необходимые материалы есть, кроме древесного угля Теплогорского месторождения. В перспективе нужны будут только зольные примеси этого угля. Работы по изготовлению предлагаемой установки могут быть выполнены силами служб этого предприятия или даже цеха, т.к. они родственны по своему исполнению обычных для металлургов работ.

Использование: получение искусственного алмаза. Поставленная задача выполняется с помощью наработки жидкого расплава углерода между углеродсодержащими электродами, один из которых расположен в горизонтальном положении, а другой установлен вертикально. Наработанный в горизонтально расположенном электроде определенный объем жидкой ванны расплава углерода транспортируют в жидкий углеводородный охладитель, расположенный ниже ванны расплава, путем обрушивания в темпе утонченной расплавлением подины ванны расплава, с помощью импульса разности давлений, сжатого водорода, высокого - в зоне зеркала расплава углерода, и низкого - в зоне жидкого охладителя, из замкнутой зоны которого импульсом сбрасывается давление водорода в атмосферу. Технический результат - получение алмазов крупных размеров. 2 ил.

Способ получения искусственных кристаллов алмаза особо крупных размеров, включающий получение искусственных монокристаллов алмаза особо крупных размеров, включающий получение расплава углерода в электрической дуге между электродами, состоящими из углеродсодержащего материала, помещенными в газоплотную камеру, и кристаллизацию его в алмаз, отличающийся тем, что электроды установлены вертикально и горизонтально и помещены в сжатую газоводородную среду камеры, расплав углерода транспортируют в жидкий охладитель из образовавшейся в горизонтальном электроде жидкой ванны с помощью импульса разности давлений сжатого газа водорода, высокого, в зоне нахождения зеркала расплава углерода, и низкого, за счет сброса водорода в окружающую атмосферу, в зоне ниже расположенного жидкого охладителя.