close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент РФ 2335455

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
RU
(19)
(11)
2 335 455
(13)
C2
(51) МПК
C01B 31/06
(2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
(21), (22) За вка: 2003117248/15, 09.06.2003
(72) Автор(ы):
Волков Анатолий Евгеньевич (RU)
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
09.06.2003
(73) Патентообладатель(и):
Волков Анатолий Евгеньевич (RU)
(43) Дата публикации за вки: 10.12.2004
Адрес дл переписки:
624740, Свердловска обл., г. Нижн Салда,
ул. Уральска , 7-12, А.Е.Волкову
2 3 3 5 4 5 5
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: RU 2199380 С2, 27.02.2003. RU 2051093
C1, 27.12.1995. RU 2135327 C1, 27.08.1999. US
4767608 A, 30.08.1988. RU 2041164 C1,
09.08.1995. RU 2069650 C1, 27.11.1996. RU
2074114 C1, 27.02.1997. RU 2001105079 A,
20.02.2003.
R U
(45) Опубликовано: 10.10.2008 Бюл. № 28
2 3 3 5 4 5 5
R U
(57) Реферат:
Изобретение может быть использовано при
изготовлении
сверхтвердых
и
абразивных
материалов. Исходное вещество 2 нагревают за
счет экзотермической реакции горени термитной
смеси 3, содержащей катализатор, воздействуют
на него ударным давлением, создаваемым зар дом
взрывчатого вещества 5, и охлаждают на
отдельной металлической поверхности, которую
выполн ют в виде трубы 1. Вокруг трубы 1
размещен зар д взрывчатого вещества 5.
Исходное вещество 2 используют в виде
геометрического отображени трубной полости и
вокруг него размещают термитную смесь 3.
Воздействие ударного давлени провод т после
нагрева исходного вещества, его перемещени в
трубную полость и ее заполнени . Увеличиваетс выход алмазов, снижаютс энергозатраты и расход
взрывчатого вещества. 2 ил.
Страница: 1
RU
C 2
C 2
(54) СПОСОБ СИНТЕЗА И КОМПАКТИРОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА
RUSSIAN FEDERATION
(19)
RU
(11)
2 335 455
(13)
C2
(51) Int. Cl.
C01B 31/06
(2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
(21), (22) Application: 2003117248/15, 09.06.2003
(72) Inventor(s):
Volkov Anatolij Evgen'evich (RU)
(24) Effective date for property rights: 09.06.2003
(73) Proprietor(s):
Volkov Anatolij Evgen'evich (RU)
(43) Application published: 10.12.2004
R U
(45) Date of publication: 10.10.2008 Bull. 28
Mail address:
624740, Sverdlovskaja obl., g. Nizhnjaja
Salda, ul. Ural'skaja, 7-12, A.E.Volkovu
C 2
2 3 3 5 4 5 5
R U
Страница: 2
EN
2 dwg
C 2
(57) Abstract:
FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: initial substance 2 is heated by
exothermal
reaction
of
termite
mixture
3
combustion, which contains catalyst, exposed to
shock pressure created with blasting charge 5,
and cooled on separate metal surface, which is
made in the form of tube 1. Blasting charge 5 is
installed around tube 1. Initial substance 2 is
used in the form of geometric reflection of
tubular cavity, and thermite mixture 3 is placed
around it. Impact of shock pressure is carried
out
after
heating
of
initial
substance,
its
displacement into tubular cavity and its filling.
EFFECT: increase of diamonds output and
reduction of power inputs and blasting charge
consumption.
2 3 3 5 4 5 5
(54) METHOD OF SUBSTANCE SYNTHESIS AND COMPACTING
RU 2 335 455 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Предлагаемое изобретение относитс к области высокотемпературного синтеза и может
быть использовано при получении сверхтвердых и абразивных материалов. Аналогом
технического решени вл етс способ синтеза алмаза или кубического нитрида бора
(Волков А.Е. Патент РФ №2199380 "Способ синтеза алмаза или кубического нитрида бора".
С2 7В01J 3/00, 2000 г.), где под действием давлени в веществе с одновременным его
нагревом могут происходить фазовые переходы и химические реакции, вещество
охлаждаетс дл сохранени полученной фазы, при этом обрабатываемое вещество
нагревают за счет экзотермической реакции в присутствии катализатора, а охлаждение
конечного продукта провод т на отдельной охлаждаемой металлической поверхности.
Данным способом получают искусственные алмазы, кубический нитрид бора, карбиды
титана и т.п. вещества.
Наиболее близким техническим решением вл етс способ синтеза алмаза взрывным
прессованием пористого графита (Прюммер Р. Обработка порошкообразных материалов
взрывом. М.: Мир, 1990 г., стр.98-99), где на фронте ударной волны образуетс высока температура. Дл быстрого выравнивани температуры к порошку графита подмешиваетс порошок меди, имеющий небольшую температуру ударного сжати . Таким способом
достигаетс выход искусственного алмаза около 20%. В случае применени очень
большого зар да диаметром 1300 мм и высотой в несколько метров, в который
установлена по центру труба, содержаща смесь порошков и диаметр которой составл ет
150 мм, выход алмаза достигает 80%. Изготовленный таким способом алмаз состоит из
частиц размером 1ч100 мкм.
Целью изобретени вл етс повышение эффективности использовани и расширение
технических возможностей, т.е. увеличение выхода целевого вещества и уменьшение
энергозатрат более чем в два раза.
Поставленна цель достигаетс тем, что известный способ синтеза алмаза, включающий
нагрев исходного вещества за счет экзотермической реакции горени термитной смеси,
содержащей катализатор, воздействие на него ударного давлени , создаваемого
детонацией зар да взрывчатого вещества, и его охлаждение на отдельной металлической
поверхности, отличаетс тем, что охлаждаемую металлическую поверхность выполн ют в
виде трубы, зар д взрывчатого вещества размещают вокруг него, исходное вещество
используют в виде геометрического отображени трубной полости и вокруг него размещают
термитную смесь, причем воздействие ударного давлени провод т после нагрева
исходного вещества, его перемещени в трубную полость и ее заполнени .
Предложенный способ реализует установка, представленна на фиг.1. Установка
включает охлаждаемую подложку 1, выполненную в виде трубы, обрабатываемое
вещество 2, нагревательную смесь 3, изол тор 4 и взрывчатое вещество 5.
Отдельные модификации установок могут содержать отражательные экраны, которые
позвол ют поддерживать большой градиент температур между охлаждаемой подложкой 1
и нагретым веществом 2. Тем самым уменьшаютс габариты устройства, повышаетс КПД
процесса, увеличиваетс скорость теплоотвода из новой фазы на подложке, при защите ее
от теплового излучени за счет экрана.
Кроме того, определенные модификации установок могут включать систему
дополнительного охлаждени дл подложки 1, это может быть вода, жидкий азот, кислород
и т.д. За счет этого скорость теплоотвода из обрабатываемого вещества дополнительно
повышаетс . При использовании меди в качестве охлаждаемой подложки 1 (медь имеет
максимальную теплоотвод щую способность, так как произведение ее плотности,
теплоемкости и теплопроводности наибольшее, чем у других материалов), охлаждаемой
жидкостью, толщину медной трубы можно резко уменьшить.
Нагреваемое вещество 2 и нагревательна порошкова смесь 3 могут представл ть
собой единое целое [3], т.е. в качестве нагревательной смеси 3 и обрабатываемого
вещества 2 может быть продукт самораспростран ющегос высокотемпературного синтеза
(СВС). Метод СВС основан на том, что при взаимодействии исходных веществ
экзотермической реакции происходит образование нового вещества, термодинамический
Страница: 3
DE
RU 2 335 455 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
потенциал которого меньше такового у исходных реагирующих веществ. В процессе
реакции выдел етс теплота, котора при быстром протекании процесса приводит к
образованию очень высоких температур, резко ускор диффузионные процессы,
протекающие при взаимодействии исходных веществ.
Конструкци устройства, изображенного на фиг.1, предложенного дл реализации
способа, позвол ет отводить тепловую энергию из модифицированного вещества, сжатого
повышенным давлением, настолько, что после сн ти давлени это способствует
сохранению полученной новой более плотной модификации вещества. Дл максимального
получени новой модификации вещества при осуществлении способа с наименьшими
энергозатратами целесообразно поддерживать наибольший градиент температур между
нагретым веществом и охлаждаемой подложкой, т.е. перед обработкой вещества
давлением следует, как можно больше нагреть вещество или довести его до температуры
плавлени , при поддержании на охлаждаемой подложке как можно более низкой
температуры.
Как известно из работы [2], (стр.65-67) во многих случа х нагрев вещества перед
прессованием оказываетс полезным, снижает твердость вещества и дает возможность
использовать более низкие давлени дл его прессовани . Оптимальное прессование
благодар нагреву достигаетс при меньшем количестве взрывчатого вещества с низкой
скоростью детонации. К тому же максимальна плотность получаетс выше, чем без
нагрева. Крива Гюгонио нагретого порошка уже при небольших давлени х сближаетс с
кривой дл твердого тела. К тому же увеличение внутренней энергии при гор чем
прессовании меньше, чем при холодном. Вопреки хорошей перспективе развити , как
сказано в работе [2], прессование нагретых порошков, к сожалению, до сих пор не нашло
широкого использовани в исследовани х по материаловедению.
Так, например, если использовать предлагаемое изобретение дл производства алмаза,
то нагревательна смесь 3 может дополнительно использоватьс как катализатор процесса
синтеза, так как в ее состав вход т вещества-катализаторы. Среди 24 исследованных
элементов самым эффективным катализатором графитации вл етс никель, затем другие
металлы группы железа - железо, кобальт, затем молибден, хром, а также платина, бор.
Эти элементы в расплавленном состо нии хорошо раствор ли углерод. Отмечаетс , что
возможность переходных металлов быть катализаторами графитации коррелирует с их
способностью катализировать синтез алмаза, каталитические добавки увеличивают выход
алмаза в 3ч6 раз. Кроме того, алмаз без присутстви катализаторов образуетс при
давлени х не ниже 6,5 ГПа и температурах не ниже 1750°С. В присутствии же
катализатора дл синтеза алмаза необходима температура не ниже 1150°С и
соответствующее давление 4,2 ГПа.
Примен дл синтеза теплоту, выдел ющуюс при экзотермической реакции
специальных порошков, по вл ютс огромные преимущества метода перед классическим
нагревом, когда отпадает необходимость в печном и т.п. оборудовании. Так как дл осуществлени способа взрывчатое вещество должно находитьс в непосредственной
близости с нагретым веществом, это представл ет большие технологические трудности
при использовании классических видов нагрева. В предлагаемом способе это
противоречие решаетс за счет применени дл нагрева вещества термитных смесей.
Более того, за счет этого по вл етс возможность автоматизировать процесс. Горение
"термитной смеси" 3, одновременно нагрева обрабатываемое вещество 2 до
максимальной температуры, приводит механизм запуска продвижени вещества в полость
подложки 1, с таким расчетом, чтобы не произвести возгорани взрывчатого сло раньше
времени, т.е. когда обрабатываемое вещество еще не достигло полного заполнени полости охлаждаемой трубы. Детонаци взрывчатого вещества 5 происходит от созданного
дл этого запала, который срабатывает сразу же, в момент полного поступлени вещества
в полость трубы.
В отличие от аналога, установка, показанна на фиг.1, позвол ет осуществл ть способ
со следующими преимуществами: получение готового вещества, при использовании
Страница: 4
RU 2 335 455 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
равного количества взрывчатого вещества, происходит под воздействием больших
детонационных сил, так как ударна волна, обжима подложку и обрабатываемое
вещество, усиливаетс . В аналоге волна, проход сквозь слой термита, изол тор и
вещество, ослабл етс . Кроме того, обжатое вещество в трубе, после сн ти давлени ,
находитс под некоторым остаточным давлением сжати , что позвол ет в большей мере
сохран ть произведенную фазу, чем в аналоге. С точки зрени технологичности
произведенное вещество находитс в единой капсуле, а в случае аналога его требуетс улавливать в специальных устройствах. Основное же отличие предлагаемого способа над
аналогом - это возможность получени более крупной фракции синтезируемого вещества,
за счет комплекса принципиальных отличий, а именно большого давлени , времени сжати и скорости охлаждени .
В отличие от прототипа схема предлагаемого процесса раздел ет место нагрева
вещества от места его обработки давлением. За счет этого нагрев вещества можно
довести до очень высоких температур, а подложка, напротив, может очень сильно
охлаждатьс , что позвол ет резко увеличить скорость формировани новой фазы,
одновременно увеличива скорость теплоотвода из обрабатываемого материала.
Предлагаемый процесс, в отличие от прототипа, позвол ет значительно снизить
количество взрывчатого вещества, так как принципиальна схема прототипа предполагает
проведение разогрева вещества за счет его обработки давлением, что приводит к
значительным энергозатратам. Нагрева вещество взрывным прессованием,
одновременно происходит нагрев подмешиваемого медного порошка, который выполн ет
роль охлаждаемой подложки, что в дальнейшем снижает скорость теплоотвода. Как уже
было сказано выше, основна дол ударной волны расходуетс на нагрев
обрабатываемого вещества. Если изобразить предлагаемый способ и прототип в виде
"линии времени" на диаграмме состо ни углерода (фиг.2), то мы увидим принципиальные
отличи в протекании двух процессов.
Как известно, чем больше давление или температура, тем раньше начинаетс реакци фазового превращени , поэтому реакци в прототипе начнетс в точке 1, а в
предлагаемом способе, при более низком давлении, в точке 2, при этом разность величин
давлени ?P1 может достигать значительных величин. Обратна реакци распада
полученной фазы в области ее нестабильности начнетс также раньше в прототипе, т.е. в
области более высокого давлени за счет более высокой температуры, а следовательно,
это будет точка 3, в предлагаемом способе это будет точка 4, которые также будут
отличатьс на величину давлени ?Р2. Как видно из приведенных графиков, длина "линии
времени" прототипа на отрезке 1-3, где происходит фазовый переход в алмаз, намного
короче участка 2-4 предлагаемого способа, причем участок прототипа находитс в зоне
более низких температур, а следовательно, алмаза по способу прототипа будет
синтезировано в несколько раз меньше. Длина же участка "линии времени" прототипа, где
происходит распад полученной алмазной фазы, напротив, значительно больше, и она
находитс в зоне более высоких температур, что соответственно приводит к значительным
потер м образованного алмаза по сравнению с предлагаемым способом. То есть данна схема (фиг.2) нагл дно показывает, что прототип не слишком интенсивно накаплива синтезируемую фракцию алмаза, достаточно интенсивно ее тер ет в сравнении с
предлагаемым способом. При этом прототип, в отличие от предлагаемого способа, требует
использовани значительного объема взрывчатого материала, а главное - в прототипе изза технологических трудностей не примен етс предварительный нагрев вещества, что
резко снижает выход годного. Следовательно, при равных зар дах, используемых в данных
способах, будет получено различное количество синтетического алмаза. В соответствии с
графиком новый способ минимум в три-четыре раза способен больше произвести
синтетического алмаза, чем прототип, причем образованна фракци также в 2ч5 раз
будет крупнее.
Установка, изображенна на фиг.1, позвол ет за счет своей простоты конструкции
воздействовать на вещество с максимально возможными давлени ми и с максимально
Страница: 5
RU 2 335 455 C2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
возможной скоростью производить отвод тепла из модифицированного вещества, причем
на большой площади поверхности, что позвол ет получать большой объем продукции при
относительно малых затратах.
Поэтому применение предлагаемого способа дл получени искусственного алмаза и
подобных веществ, а также дл их компактировани в относительно больших объемах,
может считатьс перспективным и полезным дл производства.
Как в этом случае, так и в аналоге нагрев обрабатываемого вещества происходит за
счет контактной теплопередачи, т.е. термитна смесь за счет контакта с веществом
передает ему свое тепло. В случае с патентом 2199380, если рассмотреть чертеж, нагрев
происходит со стороны, противоположной стороне, котора в дальнейшем будет
соприкасатьс с охлаждаемой подложкой. В за вл емом изобретении нагрев происходит со
стороны, котора в дальнейшем будет соприкасатьс с охлаждаемой подложкой.
Согласно формуле, где тепловой поток, определ емый количеством теплоты ?Q,
проход щим через поперечное сечение тела площадью А за промежуток времени ?t,
определ етс выражением:
?Q/?t=k?A?T2-T1/l;
где l - рассто ние, на которое передаетс тепло, с температурами на концах этого
рассто ни Т2 и T1 соответственно, a k - коэффициент теплопроводности вещества.
Исход из этой формулы и схемы нагрева, что во втором случае, нагрев вещества
происходит значительно быстрее, так как передача теплоты осуществл етс со стороны,
котора в дальнейшем и будет охлаждатьс , т.е. энергетически процесс во втором случае
более экономичный.
Кроме того, из сравнени чертежей за вленного способа и аналога видно, что в
патенте 2199380 воздействие на вещество давлени происходит, с одной стороны, через
толщу самого вещества, термитную смесь и изол тор, тогда как в за вл емом изобретении
воздействие давлени всестороннее, при этом обрабатываемое вещество от взрывчатого
вещества отдел ет только слой охлаждаемой подложки. Следовательно, рассто ние от ВВ
в первом случае до обрабатываемого вещества будет всегда больше, чем во втором
случае. Согласно работе [2] энергетически более выгодна схема при втором случае, где
зар дом, меньшим в 2ч4 раза, можно добитьс того же эффекта, что и в первом случае.
Литература
1. Волков А.Е. Патент РФ №2199380 "Способ синтеза алмаза или кубического нитрида
бора". С2 7В01J 3/00, 2000 г.
2. Прюммер Р. Обработка порошкообразных материалов взрывом. М.: Мир, 1990 г.,
стр.98-99.
3. Левашов Е.А. и др. Физико-химические и технологические основы
самораспростран ющегос высокотемпературного синтеза. М.: ЗАО "Из-во БИНОМ", 1999 г.
Формула изобретени Способ синтеза алмаза, включающий нагрев исходного вещества за счет
экзотермической реакции горени термитной смеси, содержащей катализатор, воздействие
на него ударного давлени , создаваемого детонацией зар да взрывчатого вещества, и его
охлаждение на отдельной металлической поверхности, отличающийс тем, что
охлаждаемую металлическую поверхность выполн ют в виде трубы, зар д взрывчатого
вещества размещают вокруг нее, исходное вещество используют в виде геометрического
отображени трубной полости и вокруг него размещают термитную смесь, причем
воздействие ударного давлени провод т после нагрева исходного вещества, его
перемещени в трубную полость и ее заполнени .
50
Страница: 6
CL
RU 2 335 455 C2
Страница: 7
DR
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
189 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа