способ получения синтетических минералов

Формула изобретения

Способ синтеза искусственных минералов тигельным методом, включающий обработку шихты плазменным факелом плазмотрона с образованием расплава, подачу капель расплава в тигель потоком плазмообразующего газа с последующей кристаллизацией, отличающийся тем, что предварительно на дно тигля помещают затравку, а синтез ведут при мощности плазмотрона 12 кВт и расходе шихты 2-3 г/мин с одновременным отжигом закристаллизованного на затравке расплава в кольцевой печи в течение 2-3 ч при 1000°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения синтетических минералов и может быть использовано в технике и ювелирном деле.

Известен способ получения синтетических минералов по методу Вернейля [1], заключающийся в смешивании компонентов шихты заданного состава, подаче в печную камеру шихты из воронки, просыпании тонкодисперсного порошка через плазменный факел до спекания и кристаллизации на керамическом штифте, на который заранее помещают затравку. При этом кристалл «растет» в вертикальном направлении по мере подачи материала. Отжиг осуществляют в печной камере путем выведения штифта с затравкой из зоны синтеза.

Недостатками способа являются длительность синтеза, значительные напряжения в растущих кристаллах, возникающие при высоких температурах обычного пламени, в результате чего образуется большое количество отходов при вырезке деталей из конечного продукта.

Известен способ получения минералов по методу Чохральского [1], заключающийся в предварительном опускании вала с затравкой в расплав, полученный в тигле, с последующим поднятием стержня с затравкой из расплава со скоростью 1-50 мм/ч.

Недостатки данного способа заключаются в образовании значительных напряжений в конечном продукте, возможности отрыва затравки от вала, сложности аппаратурного оформления (необходимо использовать приспособление, обеспечивающее вертикальное перемещение и вращение вала с затравкой с частотой 30-150 об^-1 ).

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения синтетических минералов тигельным методом, включающий обработку шихты плазменным факелом плазмотрона с образованием расплава, подачу капель расплава в тигель потоком плазмообразующего газа и последующую кристаллизацию [2].

Недостатками известного способа являются низкая скорость синтеза и сложность аппаратурного оформления процесса, что обусловлено необходимостью предварительного смешивания тонкодисперсного порошка шихты с вспомогательным потоком плазмообразующего газа (аргона).

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, повышение скорости роста кристаллов, снижение напряжений в конечном продукте, упрощение аппаратурного оформления и уменьшение энергоемкости процесса синтеза.

Установка получения искусственных минералов в факеле низкотемпературной плазмы изображена на чертеже.

Тонкодисперсный порошок шихты 1 по трубопроводу 2 подается потоком аргона (Ar) в плазменную горелку 4 электродугового плазмотрона, где в плазменном факеле образуется расплавленный поток частиц 7, который накапливается в тигле 10 и катализируется на затравке 9. Тигель 10 с закристаллизованным расплавом, помещенный на огнеупорный столик 11 с подъемным механизмом 14, подвергается отжигу в трубной печи 8 с термоизоляцией 13 и силитовыми нагревателями 12. Для наблюдения процесса получения синтетических минералов предусмотрена система охлаждаемых кварцевых стекол 5. Для отвода отработанного плазмообразующего газа аргона в установке предусмотрена вытяжная вентиляция 3.

Отличительным признаком предлагаемого способа является предварительное размещение затравки на дне тигля, что позволяет подавать расплав с большей производительностью, чем в способах Вернейля и Чохральского и обеспечивает ускоренный рост кристалла. Процесс синтеза осуществляется с одновременным отжигом закристаллизованного на затравке расплава, что существенно снижает напряжение в конечном продукте.

Проведенный анализ известных способов получения синтетических минералов позволяет сделать заключение о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».

Изобретательский уровень подтверждается тем, что размещение затравки на дне тигля и отжиг закристаллизованного на затравке расплава позволяют получить высококачественный продукт с гораздо более низкими напряжениями, чем в известном способе, а также увеличить скорость роста кристалла, следовательно, снизить себестоимость конечного продукта при повышении его качества. Полученные предлагаемым способом искусственные минералы (лейкосапфир, рубин, шпинель и др.) имеют конкурентоспособные преимущества по сравнению с зарубежными и отечественными аналогами.

Оптимальными условиями синтеза, найденными экспериментально, являются мощность работы плазмотрона 12 кВт при расходе шихты 2-3 г/мин. При данных параметрах работы плазмотрона скорость роста кристаллов составляет 2,4-3,0 мм/мин (табл.1).

Влияние температуры и времени отжига на величину напряжений в кристаллах показано в табл.2.

Таблица 2 Влияние технологических параметров на величину напряжений в кристаллах
№ п/п	Температура отжига, °С	Время отжига, ч	Напряжение, МПа
1	800	1 2 3 4	5,1 4,6 3,8 3,5
2	900	1 2 3 4	4,5 3,6 2,7 2,5
3	1000	1 2 3 4	1,8 1,2 1,1 1,0
4	1100	1 2 3 4	2,1 1,8 1,75 1,70

Пример 1. Синтез лейкосапфира

Как известно [1], лейкосапфир является прозрачной разновидностью корунда, а его цветные разновидности - сапфир и рубин - драгоценными минералами.

Исходным материалом служил порошок оксида алюминия (Al₂О ₃) зернового состава 20-100 мкм, который помещали в порошковый питатель и по трубопроводу подавали в плазменную горелку ГН-5р электродугового плазмотрона УПУ-8М. Параметры работы плазмотрона следующие: мощность - 12 кВт, расход порошка оксида алюминия - 2-3 г/мин, аргона - 2,5 м³/ч при давлении 0,25 МПа.

Полученный расплав накапливался и кристаллизовался в тигле на затравке из лейкосапфира в виде таблетки 20 мм и толщиной 4 мм со скоростью 2,4-3,0 мм/мин.

Одновременно синтезировали лейкосапфир по известному методу [2]. Затем по стандартным методикам определяли фазовый состав, плотность, микротвердость, показатель преломления и напряжения в конечном продукте.

Сравнительные характеристики лейкосапфира, полученного известным [2] и предлагаемым способами, приведены в табл.3.

Пример 2. Синтез шпинели синего цвета

Как известно [1], благородная шпинель состава MgAl ₂O₄ является драгоценным минералом.

Исходным материалом служила стехиометрическая смесь оксидов алюминия и магния (Al₂О ₃·MgO₂) зерновым составом от 20 до 100 мкл, красящим компонентом - оксид железа (Fe ₂О₃). Компоненты смешивали в шаровой мельнице с уралитовыми шарами в течение 30 минут. Исходный состав шихты имел состав (мас.%): Al₂O ₃ - 72,84; MgO - 27,04. Оксид железа вводился в шихту в количестве 0,12 мас.%. Аргоновая плазма восстанавливала Fe ³⁺ до Fe²⁺. Двухвалентное железо окрашивало шпинель в синий и васильковые цвета.

Шихту помещали в порошковый питатель и подавали по трубопроводу с плазмообразующим газом аргоном в плазменную горелку ГН-5р электродугового плазмотрона УПУ-8М. Расплав подавали на затравку из голубой шпинели в виде таблетки 15 мм и толщиной 4 мм, помещенную на дно тигля. Параметры работы плазмотрона следующие: мощность - 12кВт, расход аргона - 0,25 МПа при давлении 0,25 МПа. Расход воды на охлаждение - 0,6 м³/ч.

Полученный расплав кристаллизовался на затравке со скоростью 2,5-2,9 мм/ч.

Сравнительные характеристики шпинели, полученной известным [2] и предлагаемым способами, представлены в табл.4.

Таблица 4 Свойства шпинели, полученной известным и предлагаемым способами
№ п/п	Свойства	Ед. измерения	Известный способ	Предлагаемый способ
1	Показатель преломления	-	1,723-1,726	1,724-1,727
2	Плотность	Кг/м 3	3589-3630	3592-3598
3	Микротвердость	ГПа	17,89-17,99	18,12
4	Напряжение	МПа	9-17	1,2-1,8
5	Отходы при обработке	%	72-78	18-23
6	Цвет черты	-	Белый	Белый

Список использованных источников

1. Вильке К.Т. Выращивание кристаллов. - М.: Недра, 1977. С.388-402.

2. Патент RU 2248933 C1, 27.03.2005.