冷坩埚熔壳法生产立方氧化锆宝石

　第17卷　第4期铀 矿 地 质Vol.17　No.4 2001年　7月Uranium G eology J ul.　2001　

冷坩埚熔壳法生产立方氧化锆宝石

至今,自然尚未找到立方氧化锆矿石或矿床,它是天然氧化锆(单斜相)在一定条件下产生相变,经四方相、六方相而转变为具原子最紧密堆积的立方相的。随着相变的产生,其性能也发生转变,立方相氧化锆具有折射率高(2115 -2123)、色散大(0106)、硬度较高(摩氏810-815)、化学稳定性好等特性。因为钻石的折射率为2142,色散为01044,所以若把二者琢磨成相同的戒面,其综合效果非常相似。因此,立方氧化锆成了钻石最佳的代用品,目前,用冷坩埚熔壳法已成功地生产出立方氧化锆。

立方氧化锆的相变温度为2370-2750℃,要使单斜相天然氧化锆完成相转变,需解决3个问题:①用什么容器盛放ZrO2粉末,在2370 -2750℃容器自身不会熔化;②用什么方法加热至温度为3000℃左右,使所有粉末全部融熔;③自然界不稳定的立方相怎样才能稳定生长出来。由于冷坩埚熔壳法成功地解决了上述问题,使人工生产立方氧化锆宝石成为可能。

1　冷坩埚熔壳技术的产生

冷坩埚熔壳法晶体生长设备主要由熔壳盖、石英管、冷却水铜管、高频线圈(RF)、熔体、晶体、未熔料、水冷却座几部分组成。在冷却座上,焊接上通冷却水的紫铜管(紫铜管排列成圆杯状),里边放入原料ZrO2粉末等。紫铜管外层是套装发热用高频线圈的石英管。通过高频发生器让高频线圈产生的高频电磁场对原料加热使其熔化,而外层紫铜管及底座通冷却水带走热量,使外壳形成一层不熔的ZrO2粉末熔壳,即冷坩埚熔壳的特殊生产工艺———用ZrO2粉末自身作坩埚生长立方氧化锆。

2　高频加热及“引燃”技术的运用

要把ZrO2粉末熔融产生立方相相变,通常认为温度需达到3000℃左右,产生这样高的温度,最合适的加热方法是利用高频发生器(也称射频炉)产生的高频电磁场加热。但高频电磁场只对导电体起作用,而单斜相ZrO2粉末在常温下不导电,只有在1200℃以上才转变成导体导电。冷坩埚熔壳法采用在ZrO2粉末中加入一定量的金属锆片或锆粉,从而在高频电磁场作用下加热金属锆可以达到1900℃的熔化温度,此温度可使金属锆周围ZrO2粉末超过1200℃而成为导电体,此时ZrO2粉末即刻被高频电磁场加热熔化而又使周围的ZrO2粉末成为导电体……这样发展下去,就可以使所有的ZrO2粉末熔化。当然,要控制生产工艺条件,不要使外层的熔壳也被熔化。加入金属锆这一关键技术被称为“引燃”技术,引燃区域称为“小熔池”这是此方法的特点之一。

3　稳定剂的选用

氧化锆从单斜相转变到立方相的原子最紧密堆积,其体积变化较大,晶体易裂,所以在晶体生长的配料中必须加入稳定剂。为了得到立方氧化锆晶体,可加入Y2O3、CaO、MgO……等作为稳定剂,使晶体稳定在立方相的状态。经试验,加入Y2O3(氧化钇)作稳定剂最好,易生长出大的单晶。CaO、MgO等虽然同样可以起稳定剂作用,但生长出来的晶体直径较小,而且不容易将立方氧化锆产品分离为单晶。

Y2O3的加入量,以能全部将立方相稳定为原则,最少加入量为ZrO2粉原料的10%。加入过少则会出现四方相,晶体出现乳白状的混浊;加入过多则使晶体带黄色,还会降低硬度。

4　彩色立方氧化锆的生长

目前市场上出现了颜色各异的立方氧化锆

宝石,行内统称为彩锆。彩锆的生产是在原料中加入不同的致色剂,但黑色立方氧化锆是用白锆在真空条件下加热到2000℃进行还原处理获得的。

5　立方氧化锆的生长过程

在ZrO 2粉末中按摩尔比9∶1加入稳定剂Y 2O 3混合均匀,放入紫铜管围成的“圆杯”内,

在粉末的上部放入一定量的金属锆片或锆粉,接通高频发生器电源,起燃1-2min ,原料开始熔化。待原料大部分熔化达到要求后,改变高频发生器反馈关系,使熔体稳定加热30-60min 。然后“冷坩埚”以5-15mm/h 的速度下降,熔体底部因降温产生过饱和浓度而开始结晶,直至熔体全部结晶成晶体。生长完毕后,慢慢降温退火一段时间,然后停止加热。冷却到室温后,即可取出产品。生长一炉立方氧化锆的总时间大约为20h ,每炉的产量最高可达120kg 。没有熔化的原料及壳体料仍可在下次使用。

冷坩埚熔壳法生长立方氧化锆技术是1969年由法国科学家罗林(Roulin )等人发明的,但仅作了探索性研究。1972年,前苏联科学家阿列克索诺夫等人改进了法国人的装置,生长出了大的晶体,并申请了专利。1976年后,前苏联把无色立方氧化锆晶体作为钻石的代用品推向市场,引起了世界钻石界的关注,称其为“苏联钻”。随后,其他国家也相继生产了这种宝石,并在国际上流行。

我国从1982年开始立方氧化锆合成的研究,1983年投产,并以“水钻”的名称占领了市场,深受广大消费者的欢迎。80年代末,全国有近90台设备生产立方氧化锆,年产量超过100t 。但由于此法耗电量大,市场竞争激烈,到1992年,仅剩下40多家生产厂,约50台设备,年生产量在70t 左右。目前,全国仅有3家生产厂,但由于某合资生产厂引进了4套单炉产量达120kg 的设备,年产量超过100t ,故我国仍然是立方氧化锆的生产大国。

沈才卿供稿

(上接251页,Continued from page 251)

Information system for sandstone uranium exploration based on Arc Vie w 3.2

HAN Shao 2yang HOU Hui 2qun HUAN G Shu 2tao

(Beijing Research Instit ute of U ranium Geology ,Beijing ,100029)

Abstract :The compositive platform of the system is geographic information system software 2ArcView3.2.The secondary development has been finished through the language 2AVENU E provided by ArcView3.2.The sys 2tem integrates all kinds of data ,graphic information ,analysis results ,spatial analysis methods in data proces 2sing and integrated evaluation models during the sandstone uranium exploration.According to the need of mul 2tisource 2information management and integreated evaluation ,a series of new functions was appended to the ba 2sic platform through AVENU E language on a basis of sufficiently inheriting ArcView software functions ,and the friendly graphic user interface is created so that the system realizes the functions better ,which include in 2formation query ,data base management ,graphics editing ,geology cartography ,model analysis and result out 2puts.

K ey w ords :ArcView3.2;information system ;integrated management ;integrated analysis

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