УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗОВ
DEVICE TO PRODUCE DIAMONDS

Изобретение относится к области взрывных технологий синтеза материалов, в частности, алмазов.
Известны различные конструкции взрывных устройств для синтеза сверхтвердых материалов (см. В.В. Даниленко «Синтез и спекание алмазов взрывом», М., Энергоатомиздат, 2003, 272 с). Устройства представляют собой прочные стальные емкости, внутри которых размещают заряд взрывчатого вещества и обрабатываемый материал. При взрыве заряда внутри камеры нагрузки на стенки устройства 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 используемого материала устройства, а импульс нейтрализуется массой стенок устройства. В зависимости от материалов и конструкции камеры на каждый килограмм взрываемого заряда необходимо от 2 до 80 м внутреннего объема устройства. Давление продуктов взрыва на поверхности заряда примерно на два порядка превышает предел текучести лучших марок стали. Поэтому любые детали или части устройства, расположенные вблизи взрываемого заряда, будут быстро разрушаться.
Для исследовательских и технологических целей используются устройства цилиндрической формы, у которых при взрыве наибольшие нагрузки испытывают центральное сечение (в котором взрывается заряд), центры днищ и стыки днищ со стенками устройства.
Известно устройство для получения алмазов по техническому решению, защищенному патентом на изобретение РФ №2211083 от 27.08.2003 г., включающее прочный сосуд с герметичной крышкой, смесь графита и взрывчатого вещества с высокой удельной энергией, устройство инициирования, размещенные внутри сосуда.
Последнее техническое решение, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату, принято за прототип.
Основным недостатком прототипа является необходимость существенного увеличения габаритов сосуда и толщины его стенок для обеспечения сохранности сосуда при подрывах в нем единичных зарядов с увеличенной массой. Это обстоятельство в значительной степени ограничивает производительность технологического процесса синтеза, которая напрямую связана с массой подрываемого в сосуде заряда. Технической задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является создание для использования в действующих производствах технического решения, позволяющего увеличить массу подрываемого единичного заряда, не увеличивая при этом габаритных размеров сосуда и толщину его стенок.
Для решения поставленной задачи в заявляемом устройстве для получения алмазов, содержащем прочный сосуд с герметичной крышкой, внутрь сосуда соосно ему помещают неразрушаемую цилиндрическую преграду в виде трубы, внутри которой по центру располагают смесь заряда взрывчатого вещества с графитом и устройство инициирования. При подрыве заряда в устройстве предлагаемой конструкции основная нагрузка от действия разлетающихся продуктов взрыва воспринимается неразрушаемой цилиндрической преградой, за счет чего снижается нагрузка на стенки сосуда, и тем самым они предохраняются от разрушения.
По результатам анализа уровня техники не выявлено аналогов, имеющих признаки, сходные с заявляемым решением. Следовательно, можно считать, что заявляемое устройство является новым и обладает достаточным изобретательским уровнем. Каждый из вышеуказанных существенных признаков необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества нового эффекта не присущего признакам в их разобщенности.
Вышесказанное позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.
Сущность предложенного технического решение поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично изображен продольный разрез устройства для получения алмазов, причем на правой половине эскиза - с неразрушаемой преградой в виде трубы, и без преграды - на левой половине.
Устройство состоит из прочного сосуда 1 с дном 2, крышкой 3 и пробкой 4. Внутри сосуда соосно ему размещена неразрушаемая цилиндрическая преграда 6, в виде трубы, в центре преграды на подвесе размещены смесь графита с зарядом ВВ и устройство инициирования 5.
При подрыве смеси заряда ВВ с графитом наибольшие нагрузки претерпевают стенки сосуда в момент отражения фронта воздушной ударной волны, формирующейся при движении разлетающихся продуктов взрыва. Одним из критериев прочности сосуда, ограничивающим допустимую подрываемую в нем массу взрывчатого вещества, является условие:
доп
отр
P≤P
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mo>∗</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mi>n</mi></mfrac><mo>∗</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mo>+</mo><mi>R</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>∗</mo><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mtext>       (1)</mtext></mrow>
т
σ - предел текучести материала стенок сосуда;
n - коэффициент запаса прочности (n=2);
Δ - толщина стенки сосуда;
R - внутренний радиус сосуда;
доп
P - допустимое напряжение в стенках сосуда;
отр
P - давление во фронте отраженной от стенки сосуда воздушной ударной волны от разлетающихся продуктов взрыва, определяется по формуле Крюссара-Измайлова
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>P</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>6</mn><msub><mi>P</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>7</mn><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfrac><mtext>          (2)</mtext></mrow>
0
P - начальное давление в сосуде
пад
P - давление во фронте падающей на стенку сосуда воздушной ударной волны, определяется по модифицированной формуле Садовского М.А
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1,539</mn><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext>  при 1</mtext><mtext>,03 МПа</mtext><mo><</mo><msub><mtext>P</mtext><mrow><mtext>пад</mtext></mrow></msub><mo><</mo><mtext>3</mtext><mtext>,43 МПа          (3)</mtext></mrow>
<mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mroot><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>B</mi><mi>B</mi></mrow></msub></mrow><mn>3</mn></mroot></mrow><mi>R</mi></mfrac><mtext>                 (4)</mtext></mrow>
пад
P - МПа
BB
m - масса заряда BB, кг
R - внутренний радиус сосуда, м.
т
доп
BB
Из этих соотношений следует, что при постоянных параметрах σ, Δ, R, допустимое напряжение σ сильно зависит от m - массы подрываемого заряда взрывчатого вещества. Физически это означает, что с ростом массы подрываемого заряда ВВ при постоянном радиусе сосуда растут импульс и кинетическая энергия, передаваемые стенкам сосуда, от разлетающихся продуктов взрыва. Если на пути разлетающихся продуктов взрыва установлена преграда в виде высокопрочной, толстостенной, неразрушаемой, цилиндрической трубы, то она воспринимает значительную долю импульса и кинетической энергии продуктов взрыва.
Отличительные признаки в устойчивой взаимосвязи всей совокупности существенных признаков, при использовании предполагаемого изобретения позволяют:
- снизить максимальную нагрузку на стенку сосуда;
- увеличить массу подрываемого заряда взрывчатого вещества.
Для того чтобы преграда выполняла задачу защиты стенок, при действии на нее воздушной ударной волны (ВУВ) и разлетающихся продуктов взрыва (ПВ), ни преграда в целом, ни ее отдельные фрагменты не должны двигаться в направлении стенок сосуда со скоростью, при которой возможно разрушение или повреждение стенок при соударении с преградой или ее фрагментами. Следовательно, преграда должна обладать следующими признаками и быть:
- цилиндрической формы, чтобы скорости ее отдельных фрагментов при действии на нее ВУВ и ПВ уравновешивались, и преграда оставалась на одном месте;
- неразрушаемой, чтобы при действии на нее ВУВ и ПВ она не разрушалась на фрагменты, а возможная незначительная несимметричность нагрузки при действии на нее ВУВ и ПВ не оказывала на нее значительного влияния, но при этом она должна быть достаточно прочной.
Выполнение этих условий позволяет решать поставленную задачу т.е. использовать вышеописанную преграду в виде трубы по прямому назначению, а именно для защиты стенок сосуда с ростом массы заряда взрывчатого вещества.
тр
Введение в конструкцию устройства для получения алмазов цилиндрической неразрушаемой преграды в виде трубы существенно изменяет картину разлета продуктов взрыва и их взаимодействие со стенками сосуда, что затрудняет получение точных аналитических зависимостей, связывающих допустимые параметры заряда взрывчатого вещества с параметрами сосуда (R, Δ) и параметрами цилиндрической трубы (к, σ, σ). В связи с этим выбор допустимых параметров заряда ВВ, сосуда и цилиндрической преграды осуществляется либо путем численного анализа с использованием соответствующих численных программ, либо экспериментальным путем.
ост
Давление продуктов взрыва, которое устанавливается в герметичном сосуде по истечении времени порядка 1-2 сек. после подрыва P зависит от массы подрываемого заряда, но это давление на 1-2 порядка ниже давления в момент отражения от стенок сосуда первой воздушной ударной волны. Поэтому, если решается задача защиты стенок сосуда от действия фронта первой воздушной ударной волны при данной массе заряда, то автоматически обеспечивается сохранность сосуда при действии на него остаточного давления продуктов взрыва.
Таким образом, установка в центре устройства для получения алмазов неразрушаемой цилиндрической преграды в виде трубы позволяет защитить стенки устройства от наибольших нагрузок, действующих на них в начальный момент времени после подрыва, и увеличить массу подрываемого заряда взрывчатого вещества, не увеличивая объем и массу устройства.
Предлагаемое техническое решение, как следует из его описания, является промышленно применимым. Условия, запрещающие его применение, авторам не известны.
Примером реализации предполагаемого изобретения может служить конструктивно-компоновочная схема устройства, в которой неразрушаемая цилиндрическая преграда в виде трубы была выполнена неразрушаемой и изготовлена из стальной трубы с толщиной стенки 10-50 мм, на которую была намотана рулонная листовая сталь толщиной более 10 мм, после чего намотанный слой был зафиксирован и закреплен по наружному контуру стальной трубой с толщиной стенки 5-10 мм. Далее неразрушаемая преграда была размещена внутри сосуда, а по центру внутренней полости преграды помещены смесь BB с графитом и устройство инициирования. Использование предлагаемого устройства позволило в значительной степени повысить производительность технологического процесса получения детонационных алмазов, а также снизить производственные затраты на ремонт и изготовление.