Техника и технологии производства графита и алмазов

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

по  курсу «Техника и  технологии отраслей народного хозяйства» 

На  тему

«Техника  и технологии производства графита и алмазов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ижевск 2010

Содержание:

1. Введение  .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .  стр.3-4

2. Техника и технологии  производства графита  и алмазов:

     2.1. Добыча и обработка алмазов .   .   .   .   .   .   .   .  .   . стр.5-7

  2.2. Добыча графита   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   . .  стр.8-9

    2.3. Производство искусственных  алмазов   .   .   .  . стр.10-12

     2.4. Превращение графита в алмаз. Наноалмазы  .  . стр.13-15   

    2.5. Производство искусственного графита .   .   .   .   стр.16-17 

3. Заключение   .   .   .  .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .  стр.18-19

4. Список литературы  .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .  .  .   . стр.20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

    Трудно найти химический элемент, который в виде простого вещества был бы столь же многолик, как углерод. Алмаз и графит- совершенно непохожие друг на друга вещества, состоящие из одних и тех же атомов углерода, по-разному соединенных друг с другом. Аллотропные модификации углерода давно и успешно применяют в технике. Кристаллы алмаза используют для изготовления режущего инструмента, алмазный порошок – в шлифовальных составах. Графит применяют в качестве смазочного материала и для изготовления плавильных тиглей для металлургии. Графит и сажу применяют как наполнители пластмасс и резины.

    Алмаз, несомненно, является самым привлекательным материалом на Земле. Алмаз - самый твердый материал, существующий на Земле, и идеально подходит для резанья минеральных материалов. Он был известен в далеком прошлом, широко применяется в настоящем, велики перспективы его использования в будущем. С развитием техники, когда возникла необходимость в новых видах минерального сырья, в частности для обработки камня, металлов, а в последующем различных твердых синтетических материалов, алмаз приобрел как бы вторую жизнь. Были выявлены и изучены его высокие абразивные свойства, с которыми связаны возможности использования алмазов в промышленности. В настоящее время существование всей обрабатывающей промышленности  и машиностроения (от создания мощных агрегатов до изготовления тончайших механизмов и приборов) практически немыслимо без применения алмазов в той или иной части технологического процесса. Вместе с тем и сейчас алмаз, как и раньше, остается одним из самых красивых и дорогих драгоценных камней, идущих на создание различных ювелирных изделий и украшений, многие из которых являются настоящими произведениями искусства.

    Если  в последние годы в промышленности  все больше и шире используются  алмазы как абразивный материал (абразивные порошки, пасты, шлифовальные круги, алмазные пилы, стеклорезы и т.д.), что основано прежде всего на их чрезвычайно высокой твердости, то в будущем с дальнейшим ростом научно-технического прогресса несомненно найдут применение и другие исключительные свойства такого вещества, как алмаз.

   По химической активности более реакционен чем алмаз. Получают нагреванием смеси пека и кокса при нагреве до 2800 °C; из газообразных углеводородов при 1400—1500 °C при пониженных давлениях с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода при 2500 −3000С и давлении около 50 Мпа с образованием пирографита. В отличие от алмаза, графит обладает электропроводностью и широко применяется в электротехнике. Графит является самой устойчивой формой углерода при стандартных условиях. Применяется для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит, электродов, нагревательных элементов, твердых смазочных материалов, наполнителя пластмасс, замедлителя нейтронов в ядерных реакторах, стержней карандашей, при высоких температурах и давлениях (более 2000 °C и 5 GPa) для получения синтетического алмаза.

    Широкое применение исключительных свойств алмазов и графита подтверждает актуальность темы, которой посвящена данная работа.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Добыча и обработка алмазов.

    Проблема удовлетворения все возрастающих потребностей в алмазах в многих странах разрешается в двух направлениях.

    Первое направление, имеющее длительную историю, связано с поисками алмазных месторождений и созданием алмазодобывающей промышленности.

    Алмазы образуются в геологически стабильных районах континентов, на глубинах 100-200 километров, где температура достигает 1100-1300^оС, а давление 35-50 килобар. Такие условия способствуют переходу углерода из графита в другую модификацию - алмаз, имеющую плотно упакованную атомами кубическую структуру. Пробыв миллиарды лет на больших глубинах, алмазы выносятся на поверхность кимберлитовой магмой во время вулканических взрывов, образуя при этом коренные месторождения

Алмазов - кимберлитовые трубки. Алмазы добываются на промышленной основе, т. к. представляют интерес и как сырье для производства украшений, и как материал для отраслей помышленности. "Кимберлитовые трубки" могут достигать диаметра от нескольких метров до 1.5км и иметь глубину до 3 км. До глубины 300 м "трубка" разрабатывается карьерным методом, затем по специальной горной технологии. На 100 т руды "кимберлитовые трубки" могут содержать лишь 25 карат (5 г) алмазов, из которых только 5 карат могут иметь качества бриллианта. На побережье Намибии алмазы добываются открытым способом. Здесь на каждые 150 т переработанной породы приходится всего 5 карат алмазов - но все алмазы имеют качества бриллианта. В общем технология добычи алмазов выглядит следующим образом.

   Руда измельчается, тяжелые алмазы отделяются. Тяжелые алмазы помещаются на транспортерную ленту, на которую нанесен специальный жировой состав. Сильным напором воды порода смывается, а алмазы остаются на ленте, т. к. смазка в них не впитывается и они прилипают к поверхности ленты. Другой метод сепарирования - облучение породы с алмазами рентгеновскими лучами. Алмазы начинают сверкать и направляются в отдельный контейнер. "Сырые" алмазы по их качеству сначала сортируются на алмазы для производства бриллиантов и на промышленные алмазы. Затем алмазы для производства бриллиантов классифицируются по размерности, очертаниям, степени и положению трещин, их цвету.

    Современные технологические схемы обработки алмазов включают следующие операции: раскалывание, резку, предварительную обдирку, огранку и полировку кристаллов. Все алмазы, поступающие для обработки на бриллианты, предварительно просматриваются для определения способа обработки и вида огранки. Для раскалывания, распиловки и огранки алмазов очень большое значение имеет точная ориентировка кристаллов. Для такой ориентировки широко применяются рентгеновские лучи.

    Если алмаз имеет какой-либо дефект, то по этому месту и ведут распиловку. После распиловки алмазы подвергаются обдирке (обточке). Эта операция осуществляется на специальных токарных обдирочных станках. Обдирка применяется для обтачивания граней, ребер и углов кристаллов. Потери при данной операции составляют 15-25%; отходы используются для изготовления алмазных порошков.

    После обдирки приступают к огранке камней. Чаще всего алмаз гранится в форме круглого бриллианта, позволяющего наиболее тонко выявить блеск и игру светового   луча. Для обработки крупных алмазов неприменимы стандартные формы огранки. Мастер должен проявить все свое профессиональное  умение для обработки такого драгоценного камня, чтобы максимально сохранить его природную величину. Стоимость бриллиантов зависит от массы камня, его цвета и качества.

    ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УСТАНОВОК OPTOSORT В ПРОЦЕССЕ ДОБЫЧИ АЛМАЗОВ:

  Первичное размельчение и просеивание Применяются мобильные установки, размещенные непосредственно на руднике . В случае добычи алмазов приемлемая размерность 150 мм . При первичном просеивании руда диаметром более 150 мм направляется на повторное дробление, а менее 50 мм – на сортировку.

  Первичная оптическая сортировка На этом этапе руда с частицами диаметром от 50 до 150 мм разделяется на кимберлит и сопутствующую породу. Этот процесс существенно сокращает объем транспортируемой с рудника до фабрики руды. В тоже время существенно повышается эффективность всей дальнейшей технологической цепочки за счет высокой степени обогащенности исходного материала.

  Повторное размельчение и просеивание Повторное размельчение и просеивание проходит на фабрике. Оно обеспечивает размерность менее 32 мм . Дополнительно материал делится на 5 различных по размерности категорий . Частицы с размером более 32 мм направляются на повторное размельчение, а остальной поток разделяется на четыре категории: 1 - 4 мм., 4 - 8 мм., 8 - 16 мм. и 16 - 32 мм.

  Вторичная оптическая сортировка Каждая из четырех размерностей повторно сортируется установками Optosort. Эта сортировка приводит к окончательному отделению сопутствующих пород и позволяет все дальнейшие технологические процессы вести на чистом кимберлите .

  Разделение по плотности (DMS) и окончательное размельчение DMS осуществляется с использованием ферросиликона на двух размерностях породы . Количество расходуемого при сепарации ферросиликона зависит от количества сопутствующих пород в материале . При использовании оптической сортировки существенно сокращается количество сопутствующих пород и отходов, что позволяет с максимальной эффективностью расходовать ферросиликон . После DMS феррсиликон очищается для повторного использования. Этот процесс также становится более эффективным, так как содержание отходов существенно сокращается за счет первичной и вторичной оптической сортировки. После сушки материал размельчается до среднего размера 8 мм

  Окончательное просеивание Применяется для разделения общего потока на два – с частицами более 8мм и менее 8 мм .

  Окончательный отбор Один из наиболее важных процессов в технологии добычи алмазов – окончательный отбор . При этом происходит выделение из кимберлита и разделение различных видов сырых алмазов. Установки Optosort обеспечивают высокую точность и скорость отбора . Один сортировщик используется для породы с диаметром более 8 мм , другой - менее 8 мм. Оптические сортировщики Optosort способны обнаружить существенно большее количество алмазов чем например рентгеновские сортировщики. При этом обнаруживаются все виды алмазов – ювелирные и технические. Помимо этого отбор происходит намного быстрее.

    В алмазодобывающей отрасли России себестоимость добываемых алмазов высока из-за того, что практически все месторождения расположены в необжитых приполярных районах с суровым климатом. Горно-геологические условия их отработки - самые сложные в мире. Кроме того, отрасль вынуждена поддерживать громоздкую и дорогую инфраструктуру. Значительная часть оставшихся разведанных запасов находится на глубоких горизонтах давно эксплуатирующихся трубок Удачная, Мир, Интернациональная, Айхал. Увеличение глубины отработки месторождений и переход на подземный способ эксплуатации приведет к снижению производительности рудников и повышению себестоимости алмазов. А вновь вводимые в эксплуатацию коренные месторождения алмазов не смогут в полной мере компенсировать убывающие объемы добычи алмазов на старых месторождениях, поскольку имеют худшие качественные параметры запасов.

   Все вышесказанное  говорит о том, что внедрение метода позволит повысить эффективность алмазодобывающей промышленности при сравнительно невысоких капиталовложениях. По опыту крупнейших мировых алмазодобывающих компаний окупаемость оборудования OptoSort составляет около одного года. 
 

  
 
 
 
 
 
 
 
 

Добыча  графита.

    Месторождения графита нередко обладают большой мощностью, оцениваемой миллионами тонн. Обычным исходным материалом для его образования служили останки растительности очень древних эпох. Лишь изредка встречаются месторождения, возникшие за счёт выделения углерода из расплавленных магм. Имеющий “минеральное” происхождение графит при сжигании почти не оставляет золы, тогда как обычно зольность его велика (от 1,5 до 15, а иногда даже до 35%). Ежегодная мировая добыча графита составляет 300 тыс. т.

     Кристаллический графит извлекают из руд методом флотации, руды скрытокристаллический графит используют без обогащения. Исходное сырье для получения графита - нефтяной или металлургический кокс, антрацит и пек. Отдельные частицы исходных углеродных материалов в результате карбонизации при обжиге связываются в монолитное твердое тело, которое затем подвергают графитации (кристаллизации). По одному из методов кокс или антрацит измельчают и смешивают с пеком в определенных соотношениях, прессуют при давлении до 250 МПа, а затем подвергают обжигу при 1200°С и графитации при нагреве до 2600-3000°С. Для уменьшения пористости полученный графит пропитывают синтетической смолой или жидким пеком, после чего снова подвергают обжигу и графитации. В производстве графита повышенной плотности пропитку, обжиг и графитацию повторяют до пяти раз. Из смеси, содержащей кокс, пек, природный графит и до 20% тугоплавких карбидообразующих элементов (например, Ti, Zr, Si, Nb, W, Та, Мо, В), получают рекристаллизованный графит. Исходную шихту нагревают в графитовых прессформах до температуры, на 100-150°С превышающей температуру плавления эвтектической смеси карбида с углеродом, под давлением 40-50 МПа в течение нескольких десятков минут.

    В   настоящее время в России скрытокристаллический графит добываются в основном на Ногинском  месторождении (подземная выработка), запасы которого в ближайшие годы будут исчерпаны. В тоже время весьма перспективным  является Курейское месторождение графита (КМГ), открытое еще в 1851 году. Проект предусматривает строительство рудника на Курейском месторождении графита с одновременной добычей графитовой руды. Строительство автодороги для транспортировки  руды от рудника к причалу, строительство причала для погрузки руды на суда и строительство  накопительного склада и фабрики по выпуску графитовых порошков, изделий и материалов на  основе графита для  нужд металлургического, электротехнического и машиностроительного производств.  Добыча графитовой руды на руднике (в связи  с открытым способом добычи) производится комбайнами типа WIRTGENSM-2100 либо его отечественным аналогом КГФ-80, (объем произведенных вскрышных работ позволяет в настоящее время добыть более 300 тыс. тон руды, а добыча производится при помощи экскаватора ЭКГ 4.5 и бульдозерами Т 330). Использование вышеуказанных комбайнов, позволит производить  добычу без проведения экологически вредных вскрышных работ путем взрыва. Добытая руда,  транспортируется на накопительный склад, откуда отгружается потребителям и идет в переработку. Строительство накопительного склада и фабрики планируется осуществить в городе Сосновоборск в городе Сосновоборск, расположенного в 30 км от  города Красноярска. Накопительный склад – бетонная площадка,  вмещающая 150…200 тыс. тонн графитовой руды.  Основные технологические  процессы фабрики,  используемые при производстве всей гаммы продукции – производство порошков и электродных изделий. Производство ультрадисперсоного порошка  (УДП) с тониной размола 0,5 мкм для нужд шинной промышленности происходит по следующей технологической схеме: руда – дробление – сухой помол – мокрый помол – сушка – упаковка. Принципиальная схема производства электродных изделий выглядит следующим образом: руда – дробление – прокаливание – измельчение – рассев- смешивание со связующим – прессование – обжиг – пропитка – графитизация – механическая обработк.  Основное отличие от аналогичной продукции электродных и им подобных производств заключается в том, что создаваемые технологические  мощности будут использовать последние достижения научно-технического прогресса. Оборудование, используемое в производственном цикле, будет изготовлено специально как на территории  РФ, так и за рубежом. Производственные  процессы связаны с наличием мелкодисперсной пыли, газового  термического оборудования на технологических переделах. Поэтому, производство обеспечивается современной пылью и газоулавливающими системами. Пыль в дальнейшем используется в производстве продукции. Отходы и брак полностью могут быть использованы при изготовлении электродных изделий.  Создаваемое производство  будет соответствовать требованиям экологической  чистоты производства.