СПОСОБ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ДРОБЛЕНИЯ АЛМАЗОВ
METHOD OF DIAMOND SELECTIVE GRINDING

Изобретение относится к области дробления алмазов при изготовлении алмазного породоразрушающего инструмента. Оно может быть использовано при производстве металлообрабатывающего инструмента.
Известен механический способ избирательного дробления алмазов, при котором на алмазные зерна воздействует определенная механическая нагрузка, разрушающая наименее прочные из них (см. В.И. Власюк, Ю.Е. Будюков, В.И. Спирин и др. «Новые технологии в создании и использовании алмазного породоразрушающего инструмента» М: ЗАО «Геоинформмарк», 2002, 140 с.)
Недостаток данного способа заключается в том, что разрушающая нагрузка действует только на определенные участки, не распределяясь равномерно по всей поверхности зерна. Поэтому в материале прошедшем механическое избирательное дробление, может сохраняться некоторое количество слабых зерен. Также этот способ имеет малую производительность процесса дробления.
Наиболее близким по технической сущности является способ использования интенсивных магнитных полей, создаваемых индукционным вращателем, когда в цилиндрической емкости (реакторе) ферромагнитные частицы разноосной формы приводятся в хаотичное движение, увлекая за собой навеску алмазных зерен. В результате многократных ударений алмазных зерен и ферромагнитных частиц между собой и о стенки реактора происходит разрушение слабых алмазных зерен и овализация более прочных (см. Третьяков И.П., Пивоваров М.С. Особенности овализации синтетических алмазов в вихревом слое магнитных полей. Сб. Алмазы, НИИМАШ, 1973, №7).
Недостатком этого способа является нерациональное: заполнение цилиндрической емкости по объему, соотношение масс алмазных зерен и ферромагнитных частиц, не рациональное значение магнитной восприимчивости алмазов, малая производительность по избирательному дроблению.
Техническое решение направлено на установление оптимального коэффициента заполнения цилиндрической емкости смесью, состоящей из алмазных зерен и ферромагнитых частиц, определения рационального соотношения масс этих материалов, определение рационального значения магнитной восприимчивости алмазных зерен.
Предлагаемый способ избирательного дробления алмазов, заключающейся в обработке в цилиндрической емкости алмазов в вихревом слое магнитных полей совместно с ферромагнитными частицами, отличающейся тем, что смесь, состоящая из ферромагнитных частиц и алмазных зерен заполняет цилиндрическую емкость на 0,25-0,35 ее объема, а магнитная восприимчивость алмазов определяется по зависимости
<mrow><msub><mi>X</mi><mn>1</mn></msub><mo>≥</mo><mfrac><mrow><mi>g</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>24</mn><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><msup><mi>H</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>X</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
1
2
3
где Х, Х - магнитная восприимчивость алмазов и ферромагнитных частиц соответственно, м/кг;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
1
2
R, R - радиусы алмазного зерна и ферромагнитной частицы соответственно, м;
0
0
Н
-7
µ - магнитная проницаемость вакуума, (µ=4π·10 Г/м);
2
3
ρ - плотность ферромагнитной частицы, кг/м;
H - напряженность магнитного поля, А/м;
при этом отношение массы алмазных зерен к массе ферромагнитных частиц составляет 0,51÷0,61.
Благодаря тому, что смесь, состоящая из ферромагнитных частиц и алмазных зерен заполняет цилиндрическую емкость на 0,25÷0,35 ее объема возникают благоприятные условия для многократного соударения алмазных зерен между собой, ферромагнитными частицами и о стенки емкости, что интенсифицирует процесс избирательного дробления алмазных зерен и их овализации. Причем при заполнении емкости менее чем на 0,25 ее объема, интенсификация процесса не происходит, а при заполнении емкости более 0,35 ее объема рост интенсификации процесса дробления больше не происходит.
Вследствие того, что магнитная восприимчивость алмазов определяется по зависимости
<mrow><msub><mi>X</mi><mn>1</mn></msub><mo>≥</mo><mfrac><mrow><mi>g</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>24</mn><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><msup><mi>H</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>X</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
1
2
3
где Х, Х - магнитная восприимчивость алмазов и ферромагнитных частиц соответственно, м/кг;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
1
2
R, R - радиусы алмазного зерна и ферромагнитной частицы соответственно, м;
0
0
Н
-7
µ - магнитная проницаемость вакуума, (µ=4π·10 Г/м);
2
3
ρ - плотность ферромагнитной частицы, кг/м;
Н - напряженность магнитного поля, А/м.
Ферромагнитые частицы смеси станут притягивать к себе намагниченные зерна алмазов и увеличивать многократность соударений.
В соответствии с теорией магнетизма (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, изд. Науки, М., 1968, 940 с.).
для обеспечения магнитного притяжения алмазных зерен к ферромагнитным частицам смеси необходимо выполнить условие
<mrow><mi>f</mi><mo>/</mo><mi>p</mi><mo>≥</mo><mn>1,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где f - магнитные силы, действующие на алмазное зерно Н;
Р - гравитационные силы, действующие на алмазное зерно, Н,
для оценки (1) воспользуемся формальной теорией магнетизма и определим величину магнитных сил (Телескин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики: Электричество - М.: Просвещение, 1970, 488 с). Сила притяжения двух частиц может быть выражена формулой
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><msup><mi>H</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>X</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>X</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
0
Н
-7
где µ - магнитная проницаемость вакуума, (µ=4π·10 Г/м);
Н - напряженность магнитного поля, А/м;
1
2
3
Х, Х - магнитная восприимчивость алмазов и ферромагнитных частиц соответственно, м/кг;
1
2
3
ρ, ρ - плотность ферромагнитной частицы, кг/м;
1
2
R, R - радиусы алмазного зерна и ферромагнитной частицы соответственно, м.
Силу Р можно определить с помощью выражения
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>m</mi><mi>g</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>6</mn></mfrac><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>3</mn></msubsup><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mi>g</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
m - масса алмазного зерна, кг.
Из выражений (2-3) вытекает, что
<mrow><mfrac><mi>f</mi><mi>P</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>24</mn><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><msup><mi>H</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mi>g</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Из последнего неравенства следует, что
<mrow><msub><mi>X</mi><mn>1</mn></msub><mo>≥</mo><mfrac><mrow><mi>g</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>24</mn><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><msup><mi>H</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>X</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
3
где Х, Х - магнитная восприимчивость алмазов и ферромагнитных частиц соответственно, м/кг;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
1
2
R, R - радиусы алмазного зерна и ферромагнитной частицы соответственно;
0
0
Н
-7
µ - магнитная проницаемость вакуума, (µ=4π·10 Г/м);
2
3
ρ - плотность ферромагнитной частицы, кг/м;
Н - напряженность магнитного поля, А/м.
1
Условие (1) выполняется при намагничивании алмазных зерен до значения X, удовлетворяющему неравенству (5). Следовательно, условие (1) позволяет определять время избирательного дробления алмазных зерен в магнитном поле.
Благодаря тому, что отношение массы алмазных зерен к массе ферромагнитных частиц составляет 0,51÷0,61, увеличивается скорость перемещения ферромагнитных частиц и алмазных зерен и повышается многократность соударений алмазных зерен между собой, ферромагнитными частицами и стенками емкости. Это приводит к ускоренному разрушению слабых дефектных зерен и обкалыванию тонких выступающих частей прочных зерен.
Причем при отношении массы алмазных зерен к массе ферромагнитных частиц менее чем 0,51 увеличение скорости перемещения ферромагнитных частиц и алмазных зерен не происходит, а при этом отношении более 0,61 дальнейшего заметного роста скорости перемещения ферромагнитных частиц и алмазных зерен не наблюдается.
Пример.
В аппарате вихревого слоя АВСП была проведена обработка природных алмазов (которые по прочности не могут быть использованы в инструменте) исходного ситового класса -4+3 по системе «Si TY» (см. Власюк В.И., Будюков Ю.Е., Спирин В.И. и др. «Новые технологии в создании и использовании алмазного породоразрушающего инструмента» - М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2002, 140 с.). Обработка (избирательное дробление) алмазов производилось по новому способу (предлагаемому техническому решению) и с применением способа аналога.
В табл.1 приведено распределение природных алмазов по размерности (штук/карат) до и после обработки их в вихревом слое магнитных полей.
Таблица 1
Условный ситовой класс
Распределение алмазов по размерности, штук/карат в %
50-30
60-40
150-90
600-200
до обработки
-4+3
68,0
26,0
3,0
3,0
после обработки по новому способу
-4+3
25,0
58,0
9,0
8,0
после обработки по способу-аналогу
-4+3
48,0
43,0
5,0
4,0
Из данных таблицы 1 видно, что после обработки алмазов в вихревом слое магнитных полей количество алмазов крупной размерности значительно уменьшилось, а количество алмазов мелких размерностей увеличилось по новому способу и по способу-аналогу.
Однако по новому способу дробления (предлагаемому техническому решению) выход мелких размерностей (60-40) более прочных алмазов увеличился на 35%. При новом способе обработке также возросла степень овализации алмазов.
Данные, характеризующие среднюю прочность природных алмазных зерен разных размерностей до и после обработки в вихревом слое магнитных полей, приведены в табл.2.
Таблица 2
Размерность (штук/карат)
Прочность до обработки в магнитных полях, кгс
Прочность после обработки в магнитных полях, кгс
50-30
1,25
2,12
60-40
1,39
2,05
150-90
1,18
1,43
600-200
1,09
1,31
Анализ данных табл.2 показывает, что прочность зерен природных алмазов, обработанных в вихревом слое магнитных полей, превышает прочность не обработанных зерен природных алмазов.
Таким образом, обработка природных алмазов, которые по своей прочности не могут быть использованы для изготовления алмазного инструмента, в вихревых магнитных полях по предлагаемому техническому решению позволяет существенно повысить их качество, интенсифицировать процесс избирательного дробления алмазов и повысить его производительность по сравнению с применением способа аналога.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении производительности процесса дробления и качества алмазов.
Производительность установки для избирательного дробления алмазов может достигать 2000 карат в час, а с применением способа аналога она составляет 900 карат/час.
Применение нового способа избирательного дробления алмазов особых трудностей не вызывает, его осуществление возможно на серийном оборудовании.