ВЗРЫВНАЯ КАМЕРА ДЛЯ СИНТЕЗА ДЕТОНАЦИОННЫХ НАНОАЛМАЗОВ Российский патент 2008 года по МПК B01J3/08 C01B31/06 B21D26/06 B82B3/00 

Область техники

Изобретение относится к обработке материалов давлением, а именно к взрывным камерам, предназначенным для локализации взрывов при переработке взрывчатых материалов с целью промышленного производства детонационных наноалмазов.

Предшествующий уровень техники

Известны различные конструкции взрывных камер для синтеза сверхтвердых материалов (см. книгу В.В. Даниленко «Синтез и спекание алмазов взрывом», М.: Энергоатомиздат, 2003, 272 с.). Они представляют собой прочные стальные емкости, внутри которых размещают заряд взрывчатого вещества и обрабатываемый материал. При взрыве заряда внутри камеры нагрузки на стенки камеры определяются амплитудой давления и импульсом ударной волны на стенках. Для обеспечения запаса прочности стенок при многократных взрывах амплитуда давления должна быть в 4 -5 раз меньше предела текучести используемой стали, а импульс нейтрализуется массой стенок камеры. В зависимости от материалов и конструкции камеры на каждый килограмм взрываемого заряда необходимо от 2 до 10 м³ внутреннего объема камеры. Давление продуктов взрыва на поверхности заряда примерно на два порядка превышает предел текучести лучших марок стали. Поэтому любые детали или части камеры, расположенные вблизи взрываемого заряда, будут быстро разрушаться.

Обычно для исследовательских и технологических целей используются более простые в изготовлении цилиндрические взрывные камеры, у которых при взрыве наибольшие нагрузки испытывают центральное сечение (в котором взрывается заряд), центры днищ и стыки днищ с стенками камеры.

Для промышленного производства детонационных наноалмазов необходимо взрывать в камере заряды взрывчатого вещества большой массы (20 кг и более). Для надежной локализации многократных взрывов таких зарядов стальная камера должна иметь большой объем (более 100 м³) и вес (более 100 тонн), что удорожает камеру, и иметь большой объем (более 100 м³) и вес (более 100 тонн), что удорожает камеру и затрудняет ее транспортировку и монтаж.

Для быстрого охлаждения наноалмазов, образующихся в детонационной волне при температурах 3500-4000 K, заряды в камере взрывают в охлаждающих оболочках из воды или льда с оптимальной массой, равной десяти масс заряда.

Известна камера для взрывной обработки металлов (см. авт. свид. СССР №875706, кл. В21D 26/06, 1985), содержащая корпус, состоящий из центральной части, выполненной в виде концентрично установленных с зазором цилиндров и примыкающих к ним днища и крышки, фиксируемой замком, причем внутренний цилиндр установлен свободно и с зазором относительно крышки, а на торцах наружного цилиндра выполнены охватывающие торцы внутреннего цилиндра выступы, центрирующие последний вдоль оси. В днище укреплен предметный стол для размещения на нем обрабатываемого взрывом изделия. Это техническое решение принимаем за аналог заявляемого изобретения. К недостаткам аналога относятся ограниченные эксплуатационные возможности, так как камеры такого типа необходимо вскрывать после каждого взрыва для извлечения обрабатываемого материала и чистки ее внутренней полости.

Известна камера для взрывной обработки материалов по патенту Российской федерации RU 2078661, кл. В21D 26/06, 1997, выбранная в качестве прототипа, поскольку она также предназначена для синтеза детонационных наноалмазов.

Камера-прототип содержит корпус, крышку и днище с центральными соосными отверстиями. Заряд в ледяной оболочке устанавливается в открытой верхней части крышки, выполненной в виде толстостенной трубы, частично расположенной в центральной части корпуса. Днище имеет конусообразный рассекатель продуктов взрыва и наклонные радиальные отверстия, через которые продукты взрыва попадают в контейнеры-сборники, расположенные рядом с камерой. Таким образом, конденсированные продукты взрыва (углеродная шихта) извлекаются из камеры без ее вскрытия.

Недостатки прототипа:

- требуется изготовление деталей из льда, разрушаемых при каждом взрыве;

- взрываемый заряд через лед вплотную прилегает к крышке, что приводит к ее быстрому разрушению;

- продукты взрыва с наноалмазами частично выбрасываются в атмосферу, что приводит к потере наноалмазов;

- камера не приспособлена для взрывов зарядов большой массы, что определяет производительность производства наноалмазов.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является создание конструкции взрывной камеры для синтеза детонационных наноалмазов с широкими эксплуатационными возможностями, обусловленными повышением производительности камеры, безопасности и удобства ее эксплуатации. Предлагаемая взрывная камера обеспечивает проведение многократных взрывов зарядов взрывчатого вещества большой массы (20 кг и более) без изготовления массивных охлаждающих оболочек и без входа персонала внутрь камеры для установки зарядов в камере и выгрузки из камеры получаемых наноалмазов, а также снижение взрывных нагрузок на конструкцию камеры.

Это достигается за счет того, что во взрывной камере для синтеза детонационных наноалмазов, содержащей цилиндрический корпус, плоские днище и крышку и средства крепления внутри камеры заряда взрывчатого вещества, помещенного в охлаждающую оболочку, вертикальный корпус и днище камеры изготовлены из облицованного сталью железобетона, в качестве охлаждающей оболочки используют воду, частично заполняющую внутренний объем камеры, на днище камеры закреплены перфорированные трубки, соединенные с газовой системой или с водяным насосом, на внутренней поверхности корпуса установлены вертикальные рассекатели ударной волны треугольного сечения, соединенные несколькими стальными кольцами, корпус снабжен люком, открывающимся внутрь камеры, патрубками для откачки газов и воды из камеры и патрубками для подачи газа в перфорированные трубки, крышка представляет собой стальной герметичный бак с водой, имеющий патрубки для подвода воды и газа, а также патрубки для подачи воды из бака внутрь камеры, которые выполнены в виде изогнутых труб, причем изгиб труб находится выше уровня воды в баке, в центре днища под водой расположен облицованный сталью железобетонный конус, а на стыках днища и крышки с корпусом между рассекателями установлены облицованные сталью железобетонные упрочняющие вставки треугольного сечения, средства крепление заряда взрывчатого вещества в воде выполнены в виде проходящего диаметрально через стенку корпуса и верхнюю кромку люка стального троса, установленного на двух роликах, укрепленных на внешней поверхности корпуса, и имеющего возможность горизонтального перемещения и провисания при вращении роликов.

Сопоставительный анализ изобретения с прототипом показывает, что заявленная камера имеет новые признаки, обеспечивающие повышение производительности камеры для производства детонационных алмазов, безопасность и удобство ее эксплуатации.

Заявленные задачи данного изобретения достигаются следующим образом. Повышение производительности синтеза наноалмазов в камере обеспечивается использованием зарядов большой массы, исключением применения отдельно изготавливаемых массивных водяных или ледяных оболочек вокруг взрываемых зарядов, механизацией технологических операций, в частности транспортировки зарядов в камеру и выгрузки наноалмазов из камеры.

Безопасность и удобство эксплуатации камеры обеспечивается механизацией технологических операций, не требующих вхождения персонала внутрь камеры с вредной атмосферой, применением устройств, уменьшающих взрывные нагрузки на камеру.

Для уменьшения нагрузок на камеру и упрочнения предлагаемой конструкции камеры применяются следующие способы: создаваемое в воде перед взрывом множество газовых пузырьков, падающий поток воды в камере, нейтрализующий энергию потока воды и газа, образующегося в результате взрыва под водой и поднимающегося с поверхности воды, рассекатели ударной волны на корпусе камеры, их соединение стальными кольцами, установка в центре днища массивного облицованного сталью железобетонного конуса, установка между рассекателями на стыках днища и крышки со стенками массивных облицованных сталью железобетонных вставок.

Долговременность эксплуатации камеры также определяется тем, что камера не имеет частей, близко расположенных к заряду и поэтому быстро разрушающихся.

Заявленные задачи решены. Камеру можно использовать многократно для промышленного производства детонационных наноалмазов с механизацией основных технологических операций без входа персонала внутрь камеры.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлено продольное сечение взрывной камеры, а на фиг.2 - фрагмент ее поперечного сечения.

Взрывная камера состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с плоским днищем 2, изготовленных из облицованного сталью железобетона, и плоской стальной крышки 3. На внутренней поверхности корпуса 1 по всей его высоте установлены вертикальные рассекатели ударной волны 4 треугольного сечения, выполненные из облицованного сталью железобетона и соединенные несколькими стальными кольцами 5. На боковой поверхности корпуса 1 расположен люк 6, открывающийся внутрь камеры. Крышка 3 представляет собой герметичный бак 7 для воды, имеющий патрубки для подвода воды 8 и сжатого газа 9, а также патрубки 10 для подачи воды из бака 7 внутрь камеры в виде изогнутых труб, причем изгиб труб находится выше уровня воды в баке 7. На уровне верхней кромки люка в диаметральном сечении камеры установлен трос 11, способный перемещаться горизонтально по диаметру камеры или провисать при вращении двух роликов 12, укрепленных на внешней поверхности корпуса 1 и имеющих отдельные электроприводы (на чертеже не показаны). К тросу 11 на проволоке 13 подвешен заряд взрывчатого вещества 14.

На днище камеры в его центре установлен облицованный сталью железобетонный конус 15. На стыках крышки 3 и днища 2 с корпусом 1 внутри рассекателей 4 расположены облицованные сталью железобетонные упрочняющие вставки 16 треугольного сечения.

На днище 2 установлены перфорированные трубки 17, соединенные через коллектор электромагнитными клапанами с системой сжатого газа и с водяным насосом перекачки из камеры суспензии с наноалмазами (на чертеже не показаны). Корпус 1 имеет патрубок 18, соединенный через электромагнитный клапан с компрессором откачки газов из камеры (на чертеже не показаны), патрубок 19, соединенный через электромагнитный клапан с насосом для перекачки воды из камеры в бак 7 (на чертеже не показаны), а также патрубки 20 для подачи газа в перфорированные трубки 17.

Взрывная камера работает следующим образом.

Бак 7 заполняется водой.

Камера частично заполняется водой до уровня ниже нижней кромки люка 6.

Вне камеры около люка на трос 11 с помощью проволоки 13 подвешивается заряд взрывчатого вещества 14. Открывается люк 6. Вращением роликов 12 трос 11 с зарядом 14 перемещается от внешней стенки корпуса 1 до оси камеры. Затем противоположным вращением роликов 12 создается провисание троса 11 на величину, обеспечивающую погружение заряда 14 в воду на требуемую глубину. Люк 6 закрывается.

Открываются клапаны в магистрали сжатого газа, который подается в бак 7 через патрубок 9. Сжатый газ через патрубки 10 вытесняет воду из бака 7 в камеру, где создается вертикально падающий поток воды. Одновременно открываются клапаны, соединяющие трубки 17 через патрубки 20 с ресивером со сжатым газом, и через отверстия в трубках 17 сжатый газ выходит в воду, где возникает множество пузырьков, поднимающихся к поверхности воды. В момент, когда пузырьки и падающий из патрубков 10 поток достигнут поверхности воды в камере, производится подрыв заряда 14. Сразу после подрыва закрываются клапаны в магистрали сжатого газа. Включается компрессор, и газы из камеры через патрубок 18 частично перекачиваются в ресивер, а частично выходят в атмосферу (газы не содержат наноалмазы, которые остаются в воде в камере). Снова открывается люк 6, и рабочий цикл повторяется.

После проведения нескольких взрывов (например, за рабочий день) взрывные работы прекращаются на время, необходимое для оседания на дно камеры суспензии 21, содержащей наноалмазы. Часть воды над суспензией насосом перекачивается из камеры через патрубок 19 обратно в бак 7. Открывается клапан, соединяющий трубки 17 с насосом, включается насос, который перекачивает суспензию из камеры, например, в центрифугу или в вакуумный фильтр, где из нее отжимается вода и получается углеродная шихта, содержащая наноалмазы.

После перекачки суспензии камера вновь готова к проведению взрывных работ.

Промышленная применимость

Данное изобретение найдет применение в производстве детонационных наноалмазов. Для производства до 5 тонн в год детонационных наноалмазов взрывом зарядов из сплава тротил - гексоген ТГ40/60 массой 30 кг заявляемая взрывная камера из облицованного сталью железобетона должна иметь внутренние диаметр по ребрам рассекателей - 10 м, высоту сечения рассекателей - 1 м, высоту между днищем и крышкой внутри камеры - 14 м, наружный диаметр корпуса камеры - 13 м, толщину стального листа облицовки железобетона - 10 мм, толщину стальной крышки в виде бака для воды -1 м, толщину днища - 1,5 м, длину катета вставок треугольного сечения на стыках корпуса с крышкой и днищем между рассекателями - 1 м, высоту и радиус основания конуса в центре днища - 1,5 м.

Изобретение относится к обработке материалов давлением, в частности к взрывным камерам, предназначенным для локализации взрывов при переработке взрывчатых веществ с целью промышленного производства детонационных наноалмазов. Взрывная камера содержит цилиндрический корпус, плоские днище и крышку и средства крепления внутри камеры заряда взрывчатого вещества, помещенного в охлаждающую оболочку. Вертикальный корпус и днище камеры изготовлены из облицованного сталью железобетона, в качестве охлаждающей оболочки используют воду, частично заполняющую внутренний объем камеры, на днище камеры закреплены перфорированные трубки, соединенные с газовой системой или с водяным насосом, на внутренней поверхности корпуса установлены вертикальные рассекатели ударной волны треугольного сечения, соединенные несколькими стальными кольцами, корпус снабжен люком, открывающимся внутрь камеры, патрубками для откачки газов и воды из камеры и патрубками для подачи газов в перфорированные трубки, крышка представляет собой стальной герметичный бак с водой, имеющий патрубки для подвода воды и газа, а также патрубки для подачи воды из бака внутрь камеры, которые выполнены в виде изогнутых труб, причем изгиб труб находится выше уровня воды в баке. Технический результат заключается в повышении производительности камеры, безопасности и удобства ее эксплуатации без вхождения персонала внутрь камеры. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Взрывная камера для синтеза детонационных наноалмазов, содержащая цилиндрический корпус, плоские днище и крышку и средства крепления внутри камеры заряда взрывчатого вещества, помещенного в охлаждающую оболочку, отличающаяся тем, что вертикальный корпус и днище камеры изготовлены из облицованного сталью железобетона, в качестве охлаждающей оболочки используют воду, частично заполняющую внутренний объем камеры, на днище камеры закреплены перфорированные трубки, соединенные с газовой системой или с водяным насосом, на внутренней поверхности корпуса установлены вертикальные рассекатели ударной волны треугольного сечения, соединенные несколькими стальными кольцами, корпус снабжен люком, открывающимся внутрь камеры, патрубками для откачки газов и воды из камеры и патрубками для подачи газов в перфорированные трубки, крышка представляет собой стальной герметичный бак с водой, имеющий патрубки для подвода воды и газа, а также патрубки для подачи воды из бака внутрь камеры, которые выполнены в виде изогнутых труб, причем изгиб труб находится выше уровня воды в баке.2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что в центре днища под водой расположен облицованный сталью железобетонный конус.3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что на стыках днища и крышки с корпусом между рассекателями установлены облицованные сталью железобетонные упрочняющие вставки треугольного сечения.4. Камера по п.1, отличающаяся тем, что средства крепления заряда взрывчатого вещества в воде выполнены в виде проходящего по диаметру камеры через стенку корпуса и верхнюю кромку люка стального троса, установленного на двух роликах, укрепленных на внешней поверхности корпуса, с возможностью горизонтального перемещения и провисания при вращении роликов.