Формирование потребительских свойств минералов, синтезированных в факеле низкотемпературной плазмы

Формирование рынка драгоценных металлов и ювелирных изделий в щ Российской Федерации базируется на положениях Федерального закона «О драгоценных металлах и драгоценных камнях». Этим законом отменено монопольное право собственности на драгоценные металлы и драгоценные камни, существенно упрощен порядок их добычи, производства, использования и обращения (реализации). Развитие рыночных отношений позволило существенно увеличить производство и реализацию ювелирных изделий.

По данным пробирной палаты в 2002 г. количество опробованных и заклейменных изделий из золота российского производства составило 17 млн. шт., что на 20,2% больше, чем в 2001 г.- из серебра — 13,1 млн. шт. (рост на 40,8%). По прогнозу палаты в 2003 г. предполагается рост объема производства ювелирных изделий на 30 — 40% по сравнению с 2002 г.

В этих условиях первостепенное значение приобретает оценка рыночной стоимости ювелирных изделий. Для решения этой проблемы необходимо оценить не только стоимость драгоценных металлов, являющихся относительно стандартным товаром, но и стоимость камней, качество которых определяется особенностями сырья, технологией переработки (природные) или технологией получения (синтетические), спросом, уровнем конкуренции.

Зависимость качества ювелирных изделий от конкретного производителя и продавца, представителями которых на рынке могут выступать как крупные так и предприятия и организации среднего и мелкого бизнеса, обуславливает необходимость разработки вопросов, связанных с оценкой их стоимости и & потребительной стоимости.

Получение конкурентоспособной продукции невозможно без внедрения в производство современных достижений науки. Разработка и применение при производстве синтетических минералов, используемых для ювелирных изделий, технологических процессов с использованием низкотемпературной плазмы дает возможность организовать их эффективное производство на предприятиях любой формы собственности, получить ювелирные материалы, характеризующиеся высокими показателями свойств.

Синтезированные материалы могут быть использованы не только в ювелирной промышленности, но и для технических целей [1−10].

В области синтеза минералов в России и за рубежом известны работы Дж. Смита, Н. В. Белова, А. Р. Вармы, А. А. Чернова, А. И. Лобачева, В. П. Бутузова, В. В. Добровенского, Я. В. Самойлова, П. П. Пилипенко, A.A. Годовикова, М. И. Самойловича, B.C. Балицкого, Г. Н. Безрукова, Г. В. Бунина, Г. Смита, В. В. Молинса, П. Грота, Р. Шипли, В. Лоусона, Р. Вебстера, П. Дарраха, В. Ж. Эверсона, Р. Лиддикоута, — Дж. Синканкаса, Г. В. Банка, П. Жильсона, М. Ясукори, К. В. Линнея, Ю. И. Гончарова, Н. И. Минько, И. И. Немеца, Э. В. Орловой, В. М. Гропянова, В. П. Крохина, и многих других. [11−19].

Над разработкой и совершенствованием технологии производства синтетических минералов в СССР и России работают специалисты в Институте минералогии АН России, Московском геологоразведочном институте, производственном объединении «Союзкварцсамоцветы», Институте кристаллографии АН России им. Шубникова, Физическом институте им. Лебедева АН России (ФИАН), Институте физики высоких давлений АН России, Федеральном Государственном Унитарном предприятии а.

Всероссийский научно — исследовательский институт Синтеза Минерального сырья (г. Александров, Владимирская обл.), Белгородском технологическом университете им. В. Г. Шухова и ряде других организаций.

За рубежом исследования в области синтеза минералов проводят фирмы: США — «Националь Лед и К», «Серез Корпорейшен», «Вакуум Веючаро инк», «Помтон лейко», «Чатэм», «Линде», «Дженерал Электрик К», «Эллайд Хемикел и Дю Пон», Геммологический институт АмерикиГермании — «Видерс Карбидверк», Институт исследования драгоценных камней в МайнцеФранции — «Рубин синтез», «Байковский», «Жильсон» — Японии — «Киоте Керамик и К» ,.

Микимато Периз" - Австрии — «Д. Сваровски энд К» — Швеции — «Содем Дьевайрдион» — Швейцарии — «Гранд» Лдевахирджан «СА» — ЮАР — «Де Бирс», лаборатория исследований алмазов в Йоханнесбурге [20−31].

Актуальность темы

данной диссертации обосновывается необходимостью получения высококачественных и конкурентоспособных синтетических минералов на основе экономически эффективной и экологически чистой технологии.

В условиях рыночных отношений решение проблемы энергоснабжения путем внедрения новых технологий с использованием низкотемпературной плазмы для производства товаров народного потребления, которые не требуют значительных капитальных затрат и отличаются высокими экологическими характеристиками, позволяет получить значительный экономический эффект.

Однако процесс обработки плазмой оксидных материалов, используемых для синтеза минералов, изучен недостаточно. Кроме того, результаты исследований, приводимые в отдельных работах, носят противоречивый характер.

В этой связи исследование возможности использования плазменной технологии для синтеза конкурентоспособных синтетических минералов является актуальным.

Цель работы.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование факторов, формирующих потребительские свойства минералов, синтезированных в факеле низкотемпературной плазмы.

Для достижения поставленной цели в работе решается совокупность взаимосвязанных задач, основными из которых являются:

— разработка технологии синтеза * минералов в факеле низкотемпературной плазмы;

— исследование влияния плазменного факела на основные оксиды постоянной валентности и красящие оксиды переменной валентности, используемые при синтезе минералов;

— исследование влияния плазменной обработки на закономерности формирования синтетических минералов ювелирного назначения с высоким уровнем качества;

— исследование фазового состава и микроструктуры минералов, синтезированных в факеле низкотемпературной плазмы с целью их идентификации;

— исследование свойств минералов, синтезированных в факеле низкотемпературной плазмы с целью их идентификации;

— разработка и обоснование внесения дополнений в классификацию способов получения и классификацию синтетических минералов;

— оценка уровня качества синтезированных в факеле низкотемпературной плазмы минералов.

Научная новизна работы.

1. Разработана экономически обоснованная и экологически чистая технология получения синтетических минералов ювелирного назначения.

2. Исследовано влияние низкотемпературной плазмы на оксиды металлов постоянной и переменной валентности, используемые при синтезе минералов в факеле низкотемпературной плазмы. и.

3. Подтверждена гипотеза российских и зарубежных исследователей о слабовосстановительном характере аргоновой плазмы.

4. Показано, что в факеле низкотемпературной плазмы из чистого оксида алюминия образуется синтетический минерал — лейкосапфир, из смеси оксидов алюминия и магния — шпинель.

5. Исследовано влияние примесных оксидов хрома, титана и железа на цветовые характеристики синтезированных минералов.

6. Предложена методика идентификации синтетических минералов в факеле низкотемпературной плазмы минералов.

7. Разработаны и обоснованы предложения о внесении дополнений в классификацию тигельных методов синтеза минералов и классификацию синтетических минералов.

8. Проведена оценка уровня качества синтетических минералов, полученных в факеле низкотемпературной плазмы.

Практическое значение работы.

Проведенное исследование позволяет:

— рекомендовать принципиально новый способ синтеза минералов, обладающих высоким уровнем качества, который может быть использован в ювелирной промышленности для производства украшений (подана заявка на предполагаемое изобретение).

— обеспечить экономию природного газа, мазута и других топливных материалов, расходуемых при синтезе минералов по традиционным технологиям;

— повысить экологическую безопасность производства синтетических минералов путем снижения воздействия факторов, загрязняющих окружающую среду за счет использования в качестве плазмообразующего газааргона;

— вырабатывать конкурентоспособные ювелирные изделия за счет увеличения выхода синтетических минералов и снижения их себестоимости по сравнению с традиционными технологиями.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных и межвузовских конференциях. В их числе:

— научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава БКИ, г. Белгород, 1992 г.;

— Международной конференции «Ресурсои энергосберегающие технологии строительных материалов», г. Белгород, 1993 г.;

— научно-практической конференции профессорскопреподавательского состава «Актуальные проблемы развития потребительской кооперации в условиях рыночных отношений'.' г. Белгород, 1993 г.;

— научно-практической конференции «Потребительская кооперация в условиях рыночных отношений» г. Белгород, 1994 г.;

— научно-практической конференции профессорско — преподавательского состава БКАПК, г. Белгород, 1995 г.;

— научно-практической конференции профессорско — преподавательского состава, молодых ученых и практических работников «Потребительская кооперация России в условиях рыночных отношений: проблемы и перспективы», г. Белгород, 1996 г.;

— научно-практической конференции профессорско — преподавательского состава, молодых ученых и практических работников «Потребительская кооперация России в условиях рыночных отношений: проблемы и перспективы», г. Белгород, 1997 г.;

— научно-практической конференции профессорско — преподавательского состава «Потребительская кооперация на пороге третьего тысячелетия», г. Белгород, 1999 г.;

— III Международной научно-практической конференции — школысеминара молодых ученых, аспирантов и докторантов, посвященной памяти академика В. Г. Шухова, г. Белгород, 2001 г.;

— научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава БУПК, г. Белгород, 2003 г.;

— Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», посвященные 150-летию В. Г. Шухова, БГТУ им. В. Г. Шухова, г. Белгород, 2003 г.

Внедрение результатов исследований.

На основе проведенных исследований разработан эффективный способ синтеза минераловрекомендуемый для использования в ювелирной промышленности.

• Совместно с Белгородским технологическим университетом им В. Г. Шухова (на кафедре стекла и стекпокристаллических материалов) была опробована технология синтеза лейкосапфира, сапфира, рубина и шпинели и выпущена опытно — промышленная партия минералов.

На базе ювелирных мастерских г. Белгорода изготовлены ювелирные изделия с использованием синтетического лейкосапфира, сапфира, рубина и f шпинели.

Разработаны конкретные рекомендации по идентификации и оценке уровня качества синтетических минералов.

Предполагаемый экономический эффект от внедрения разработанной технологии при синтезе 100 кг рубина составит 83 223 руб. в год.

Публикации.

Материалы диссертации изложены в 10 публикациях, опубликованных в отраслевых журналах и сборниках научных трудов вузов. Основными из них являются:

1 Бессмертный B.C., Дюмина П. С Основные критерии отнесения минералов к драгоценным камням. // Научно-практическая конференция профессорско — преподавательского состава БКАПК. — Белгород: БКАПК, 1995, — с. 86.

2. Бессмертный B.C., Дюмина П. С., Швыркина О. Н. К вопросу о синтезе синтетических аметистов. // Научно-практическая конференция профессорскопреподавательского состава, молодых ученых и практических работников «Потребительская кооперация России в условиях рыночных отношений: проблемы и перспективы». — Белгород: БКАПК, 1996 — с. 107.

3. Бессмертный B.C., Крохин В. П., Дюмина П. С., Швыркина О. Н. Алюмо — иттриевые стекла и минералы для электронной техники. // Научно-практическая конференция профессорско — преподавательского состава, молодых ученых и практических работников «Потребительская кооперация.

России в условиях рыночных отношений: проблемы и перспективы". -Белгород: БУПК, 1997 — с. 114.

4. Бессмертный B.C., Дюмина П. С. Получение стекол и полудрагоценных минералов методом плазменной обработки (монография). — Белгород: «Кооперативное образование», 2000.-36 с.

5. Минько Н. И., Бессмертный B.C., Дюмина П. С. Использование альтернативных источников энергии в технологии стекла и стеклокристаллических материалов. // Стекло и керамика, 2002, № 3. с 3−5.

6. Бессмертный B.C., Трубицин М. А., Дюмина П. С., Семененко С. В., Панасенко В. А. Способ синтеза минералов. Заявка на предполагаемое изобретение, № 2003 117 950. Приоритет от 16.06.03.

7. Дюмина П. С., Бессмертный B.C. К вопросу о диагностических свойствах минералов, синтезированных в факеле низкотемпературной плазмы. Научно-практическая конференция профессорско — преподавательского состава Б УПК. — Белгород: БУПК, 2003 г. с. 239.

8. Минько Н. И., Бессмертный B.C., Дюмина П. С., Крохин В. П., Пучка О. В. Диагностические свойства минералов, синтезированных в факеле низкотемпературной плазмы. // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова, 2003, № 5 — с. 182- 186.

9. Бессмертный B.C., Минько Н. И., .Лесовик В. С, Дюмина П. С., Крохин В. П.,.Трубицин М. А. Влияние аргоновой плазмы на восстановление оксидов переменной валентности при синтезе минералов. .// Стекло и керамика, 2003, (принята к опубликованию).

10. Бессмертный B.C., Трубицин М. А., Дюмина П. С., Семененко С. В., Панасенко В. А., Крохин В. П. Способ получения синтетических минералов. Заявка на предполагаемое изобретение, № 2003 123 677. Приоритет от 28.06.2003.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений.

ВЫВОДЫ.

1. Обобщены и проанализированы имеющиеся в научной литературе сведения о современных методах синтеза минералов, их диагностических свойствах, классификации ювелирных камней и синтетических минералов и обоснована целесообразность применения технологии использований низкотемпературной плазмы для синтеза минералов ювелирного назначения, обеспечивающая получение конкурентоспособной продукции.

2. Исследовано влияние низкотемпературной плазмы на оксиды металлов постоянной валентности и красящие оксиды металлов переменной валентности, используемые при синтезе минералов. Выявлено, что при обработке в факеле низкотемпературной плазмы красящих оксидов хрома, титана и железа наблюдается их частичное восстановление, это подтверждает гипотезу о слабовосстановительном характере аргоновой плазмы. При синтезе шпинели в факеле низкотемпературной плазмы наблюдается увеличение доли РеО • Ре2Оз в составе минерала, вызванного восстановлением Ре-—Ре+2, что приводит к изменению цвета шпинели с зеленого на синий.

3. Методами рентгенофазового анализа, электронной и ИКспектроскопии исследован фазовый состав, тонкая структура и микроструктура синтезированных минералов. Установлено, что из шихты, состоящей из чистого оксида алюминия, при синтезе в факеле низкотемпературной плазмы образуется бесцветный минерал — лейкосапфирпри введении в состав шихты красящего оксида хрома образуется рубин розового и красного цветаоксида титана и железа — сапфир синего цветаиз шихты, состоящей из смеси оксида алюминия и оксида магния с добавкой красящего оксида железа, образуется минерал шпинель синего или зеленого цвета.

4. Исследовано влияние времени синтеза, расхода шихты и плазмообразующего газа, а также мощности работы плазмотрона на выход минералов. С увеличением мощности работы плазмотрона с 6 до 12 кВт и уменьшением расхода плазмообразующего газа с 3,0 до 2,5 м³ / час скорость роста кристаллов возрастает, так как среднемассовая температура плазмы повышается до 15 ООО 0 К. Экспериментально установлено, что оптимальными режимами синтеза минералов в факеле низкотемпературной плазмы являются: мощность работы плазмотрона — 12 кВт, расход аргона — 2,5 м³ / час. При данном режиме скорость роста кристаллов составляет 2,8 мм / мин.

5. С целью идентификации синтезированных минералов изучено влияние низкотемпературной плазмы на показатели преломления, твердости, микротвердости, плотности, водостойкости, кислотостойкости, щелочестойкости и термостойкости синтезированных минералов. Показано, что значения показателей синтезированных в факеле низкотемпературной плазмы лейкосапфира, сапфира, рубина и шпинели близки к значениям как природных, так и синтезированных другими методами минералов группы корунда и шпинели. Синтезированные шпинели по величине микротвердости, достигающей более 18 ГПа, превосходили как натуральные, так и синтетические минералы этой группы, полученные другими методами. Рекомендовано использовать значения показателей преломления, твердости, микротвердости и плотности для идентификации синтетических минералов этих групп.

6. Установлено, что в процессе синтеза лейкосапфира, рубина, сапфира и шпинели в них могут образовываться газовые включения (пузырьки), что позволяет при идентификации отличить их от натуральных (природных). В синтезированном сапфире, кроме того, обнаружена зональность окраски. Характерной особенностью синтезированной в факеле низкотемпературной плазмы шпинели является совершенная спайность. Предложено указанные особенности синтезированных минералов использовать при идентификации.

7. Уточнена классификация ювелирных камней и синтетических минералов. Предложено при 'классификации синтетических минералов учитывать значения показателя микротвердости.

8. Экспертным методом проведена оценка уровня качества синтезированных в факеле низкотемпературной плазмы минералов. Показано, что по показателям технического уровня синтезированные в факеле низкотемпературной плазмы минералы не уступают природным камням и аналогичным минералам, синтезированным другими методами, а по эффективности производства их превосходят, что обеспечивает их высокую конкурентоспособность на внутреннем рынке.

9. В опытно — промышленных условиях осуществлен синтез лейкосапфира, сапфира, рубина и шпинелина базе ювелирных мастерских г. Белгорода произведен выпуск ювелирных изделий, расчетный экономический эффект при выпуске 100 кг рубина составит 83 223 рубля в год.