ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2248933
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ МИНЕРАЛОВ

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ МИНЕРАЛОВ. КОЛЬЦО. УКРАШЕНИЯ. ЮВЕЛИРНЫЕ. ЗОЛОТО. ПЛАТИНА. АЛМАЗ. БРИЛЬЯНТ. НОУ ХАУ. ОБРАБОТКА. ЮВЕЛИРНЫЙ. ОГРАНКА. ДРАГОЦЕННЫЙ КАМЕНЬ. ВНЕДРЕНИЕ. ПАТЕНТ. ТЕХНОЛОГИИ.

Имя заявителя: Белгородский Государственный университет (RU) 
Имя изобретателя: Бессмертный В.С. (RU); Трубицын М.А. (RU); Дюмина П.С. (RU); Семененко С.В. (RU); Панасенко В.А. (RU); Крохин В.П. (RU); Минько Н.И. (RU) 
Имя патентообладателя: Белгородский Государственный университет (RU)
Адрес для переписки: 308015, г.Белгород, ул. Победы, 85, БелГУ, Отдел интеллектуальной собственности, Т.М. Токтаревой
Дата начала действия патента: 2003.07.28 

Изобретение может быть использовано в технике и ювелирном деле.Тонкодисперсный порошок шихты смешивают с вспомогательным потоком плазмообразующего газа - аргоном и подают на линию подачи плазмообразующего газа в высокотемпературную зону плазменного факела плазменной горелки. Синтез проводят при давлении аргона 0,22-0,24 МПа и его расходе 2,2-2,4 м³/час. Предложенный способ позволяет повысить качество синтетических минералов, а и сократить длительность процесса производства. 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

В настоящее время существует ряд способов изготовления синтетических минералов, такие как способы Вернейля, Чохральского, гидротермальный способ, способ по патенту РФ №2104942.

Известен способ синтеза чистых кристаллических материалов по патенту РФ №2104942, включающий смешивание компонентов шихты, брикетирование, плавление брикета плазменным факелом под давлением плазмообразующего газа 0,24-0,26 МПа, обработку полученного расплава с целью гомогенизации плазменным факелом в течение всего процесса синтеза. Однако, несмотря на неплохое качество конечного продукта, способ имеет следующие недостатки: длительность и трудоемкость брикетирования, растрескивание в процессе плавления брикета шихты и выдувание ее плазмообразующими газа из тигля.

Наиболее близким техническим решением является способ получения синтетических минералов по методу Вернейля, 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 ("свече"), на который заранее помещают затравку. При этом кристалл "растет" в вертикальном направлении по мере подачи материала. Отжиг осуществляют в печной камере путем выведения (опускания) штифта с затравкой из зоны синтеза [1].

Недостатками известного способа являются: длительность синтеза, значительные напряжения в растущих кристаллах, возникающие при высоких температурах обычного пламени Н₂ -О₂, в результате чего образуется большое количество отходов при вырезке деталей из конечного продукта.

Технической задачей данного изобретения является расширение арсенала способов получения синтетических минералов с повышенным качеством конечного продукта.

Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является сокращение времени процесса, снижение напряжений в конечном продукте - кристалле и, как следствие, - увеличение выхода конечного продукта.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения синтетических минералов, заключающемся в приготовлении шихты путем смешивания компонентов заданного стехиометрического состава, обработке шихты факелом плазмы под давлением плазмообразующего газа, порошок тонкодисперсной шихты предварительно смешивается с вспомогательным потоком плазмообразующего газа - аргоном и поступает дополнительным потоком на линию подачи плазмообразующего газа в зону плазменного факела плазменной горелки, где под давлением 0,22-0,24 МПа и при расходе аргона 2,2-2,4 м³/час происходит синтез с последующим сбором расплава и его кристаллизации в тигле.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются предварительное смешивание порошка тонкодисперсной шихты с плазмообразующим газом и ввод на линию подачи плазмообразующего газа в зону плазменного факела плазматрона тонкодисперсного порошка шихты за счет вспомогательного потока плазмообразующего газа без нарушения режима и стабильности работы плазматрона. В результате существенно увеличивается время пребывания шихты в аргоновой плазме, что ускоряет ее плавление и выход конечного продукта.

Таким образом, основным отличительным признаком предлагаемого изобретения является способ подачи шихты в плазменную горелку, позволяющий сократить расход плазмообразующего газа, а и время синтеза с одновременным получением синтетических минералов повышенного качества.

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

Изобретательский уровень подтверждается тем, что изменение способа подачи шихты в плазменную горелку не только позволяет получить высококачественный конечный продукт с гораздо более низкими напряжениями, но и сократить время синтеза, а и расход плазмообразующего газа.

Оптимальными условиями синтеза, экспериментально полученными, являются давление аргона 0,22-0,24 МПа при его расходе 2,2-2,4 м³/час. При данных параметрах работы плазматрона время синтеза составляет 0,15-0,20 часа (8-12 мин) (см. табл.1).

На чертеже показана схема получения синтетических минералов.

Тонкодисперсный порошок шихты подается порошковым питателем 1 по трубопроводу 2 на линию подачи плазмообразующего газа 3 вспомогательным потоком плазмообразующего газа 4 в плазменную горелку 5, где происходит плавление шихты в плазменном факеле 6, сбор и кристаллизация расплава 7 в тигле 8.

Пример 1
Синтез сапфира синего цвета

Как известно [1], сапфир является разновидностью корундов и является драгоценным минералом. Красящими компонентами в сапфире являются оксиды железа (Fe₂ О₃) и титана (TiO₂) в соотношении 9:1, которые окрашивают сапфирв синие и фиолетовые цвета.

Исходным материалом служил порошок оксида алюминия зернового состава от 20 до 100 мкм. Красящими компонентами служили оксиды титана (ТiO₂) и оксиды железа (Fе₂О₃), которые брали в соотношении 1:9. Компоненты смешивали в шаровой мельнице с уралитовыми шарами в течение 30 мин. Исходный состав шихты составлял (маc.%): Аl₂О₃- 99,88; ТiO₂ - 0,012; Fе₂О₃ - 0,108. Шихту помещали в порошковый питатель и вводили на линию подачи плазмообразующего газа в зону синтеза (зону плазменного факела) с помощью вспомогательного потока плазмообразующего газа. Для синтеза сапфира использовали электродуговой плазмотрон УПУ - 8М. Параметры работы плазмотрона следующие: рабочее напряжение 30-32 В, ток - 400-500 А. Плазмообразующим газом служил аргон, расход которого составил 2,2-2,4 м³/час при давлении в зоне плазменного факела 0,22-0,24 МПа. Расход воды на охлаждение - 0,6 м³/час. Полученный расплав в виде диспергированных капель накапливался в корундовом тигле, расположенном от среза плазменной горелки на расстоянии 10-12 мм. В тигле происходила кристаллизация конечного продукта.

Аналогично проводили синтез сапфира из шихты ранее указанного состава по известному способу (патент №2104942). Затем рентгенофазовым анализом определяли фазовый состав сапфира, плотность, микротвердость, показатель преломления и напряжения в конечном продукте.

Сравнительная характеристика известного и предлагаемого способов получения сапфира представлена в табл.2.

Пример 2
Синтез шпинели красного цвета

Как известно, благородная шпинелькрасного цвета состава MgAl₂O₄является драгоценным минералом (1).

Исходным материалом служила стехиометрическая смесь оксида алюминия и магния (Al₂O₃· MgO) зерновым составом от 20 до 100 мкм, красящим компонентом - оксид хрома (Сr₂О₃). Компоненты смешивали в шаровой мельнице с уралитовыми шарами в течение 30 минут. Исходный состав шихты составлял (мас.%) Аl₂O₃ - 72,85; MgO - 27,05; Сr₂О₃ - 0,1.

Шихту помещали в порошковый питатель и вводили на линию подачи плазмообразующего газа в зону синтеза (зону плазменного факела) с помощью вспомогательного потока плазмообразующего газа. Для синтеза шпинели был использован электродуговой плазматрон УПУ - 8М со следующими параметрами работы: рабочее напряжение 30-32 В, ток 400-500 А. Плазмообразующим газом служил аргон, общий расход которого составил 2,2 м/час при давлении в зоне плазменного факела 0,22-0,24 Мпа. Расход воды на охлаждение - 0,6 м³/час.

Полученный расплав в виде диспергированных частиц накапливался в корундовом тигле, расположенном на расстоянии 10-20 мм, где и происходила кристаллизация конечного продукта.

Свойства благородной шпинеликрасного цвета, полученной известным методом и предлагаемым способом, представлены в таблице 3.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Патент РФ №2104942. Способ синтеза чистых кристаллических материалов на основе тугоплавких оксидов. / Крохин В.П., Бессмертный B.C., Пучка О.В. - Бюл. №5. - 20.02.98.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения синтетических минералов, включающий смешение компонентов шихты, обработку шихты плазменным факелом, отличающийся тем, что тонкодисперсный порошок шихты предварительно смешивают с вспомогательным потоком плазмообразующего газа - аргоном, и подают на линию подачи плазмообразующего газа в высокотемпературную зону плазменного факела плазменной горелки, а синтез производят при давлении аргона 0,22-0,24 МПа и его расходе 2,2-2,4 м ³/ч. 

Версия для печати
Дата публикации 19.11.2006гг

---

---