Nghiên cứu ứng dụng quy trình xử lý nhiệt làm tăng chất lượng saphir miền nam việt nam

1
trung tâm nghiên cứu - kiểm định đá quý và vàng






báo cáo Đề tài

nghiên cứu ứng dụng quy trình xử lý nhiệt
làm tăng chất lợng saphir miền nam việt nam



Đơn vị chủ trì thực hiện Những ngời thực hiện:
Trung tâm Nghiên cứu Kiểm định 1. TS. Phạm Văn Long Chủ nhiệm
Đá quý và Vàng 2. PGS.TS Nguyễn Ngọc Trờng
3. TS. Phạm Tiến Dũng
4. KS. Phạm Đức Anh

TS. Phạm Văn Long

6818
25/4/2008



Hà Nội, 3/2008
2
Mục lục


Trang
Mở đầu


3
Chơng 1: Cơ sở khoa học của phơng pháp xử lý nhiệt

5
1.1. Tổng quan về các phơng pháp xử lý nâng cấp chất lợng đá quý
5
1.2. Bản chất phơng pháp xử lý nhiệt
6
1.3. Các thiết bị xử lý nhiệt
10

Chơng 2. Đặc điểm chất lợng của saphir miền nam Việt
Nam


15
2.1. Đặc điểm thành phần hóa học và màu sắc
15
2.2. Đặc điểm tinh thể học và độ tinh khiết
22

Chơng 3. Kết quả xử lý nhiệt nâng cấp chất lợng
saphir miền nam Việt Nam


27
3.1. Quy trình công nghệ tổng quan
27
3.2. Kết quả nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt saphir miền nam Việt
Nam
31

Kết luận


42

Tài liệu tham khảo

43




3
mở đầu

Theo Quyết định số 3474/QĐ-BCN ngày 5 tháng 12 năm 2006 của Bộ trởng Bộ
Công nghiệp về việc giao nhiệm vụ khoa học công nghệ năm 2007 cho Trung tâm
Nghiên cứu - Kiểm định Đá quý và Vàng thực hiện đề tài
Nghiên cứu ứng dụng
quy trình xử lý nhiệt làm tăng chất lợng saphia miền nam Việt Nam
. Thời
gian thực hiện 10 tháng, từ tháng 3/2007 đến tháng 12/2007.
1. Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu các đặc trng chất lợng của saphia miền nam Việt Nam.
- Xây dựng quy trình xử lý nhiệt thích hợp nhằm làm tăng chất lợng về màu sắc
và độ tinh khiết của saphia.
2. Nhiệm vụ của đề tài
- Khảo sát, lấy mẫu saphia miền nam Việt Nam.
- Nghiên cứu các đặc trng chất lợng.
- Xây dựng quy trình xử lý nhiệt phù hợp.

Tiến độ và kết quả thực hiện đề tài
TT Nội dung công việc Thời gian Yêu cầu Diễn giải Ghi chú
1 2 3 4 5 6
1 Lập đề cơng nghiên cứu 2/2007 Đề cơng Đã hoàn
thành

2 Khảo sát, thu thập mẫu
saphia miền nam.
3/2007 Lấy các loại
mẫu đặc trng
Đã hoàn
thành
3 Nghiên cứu các đặc trng
chất lợng của saphia.
4-5/2007 Chỉ ra các đặc
trng chất
lợng
Đã hoàn
thành
4
ứng dụng các quy trình xử
lý nhiệt để thí nghiệm trên
các lô saphia nghiên cứu.
6-7/2007 Xử lý nhiệt thử
nghiệm
Thử nghiệm ở
các điều kiện
nhiệt độ khác
nhau
Đã hoàn
thành
5 Xây dựng quy trình xử lý
nhiệt cho saphia miền
nam.
8-9/2007 Quy trình thử
nghiệm

Đã xử lý ở
một số quy
trình khác
nhau
Đã hoàn
thành
6 Xử lý thử nghiệm trên các
lô sản phẩm thơng mại.
10/2007 Quy trình ổn
định
Đã hoàn
thành
7 Tổng kết, báo cáo nghiệm
thu
11-
12/2007
Báo cáo Đã hoàn
thành

4
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi luôn nhận đợc sự quan tâm, chỉ đạo
của Vụ Khoa học và Công nghệ (Bộ Công Thơng), của Lãnh đạo Công ty Cổ phần Đá
quý và Vàng Hà Nội, của các phòng ban chức năng trong Công ty, của các đơn vị và cá
nhân, các nhà khoa học. Nhân dịp này, tập thể tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành
của mình.
Do thời gian thực hiện đề tài hạn hẹp, các điều kiện trang thiết bị và kinh phí rất
hạn chế, do khả năng chuyên môn, đề tài chắc chắn vẫn còn nhiều khiếm khuyết. Các
tác giả rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp từ phía ngời đọc.

5
Chơng 1
Cơ sở khoa học của phơng pháp xử lý nhiệt
1.1. Tổng quan về các phơng pháp xử lý nâng cấp chất lợng đá quý
Trong số các nguyên liệu khai thác đợc từ các mỏ đá quý, số có thử sử dụng
trực tiếp để chế tác và làm hàng trang sức ngay thờng chiếm tỷ lệ không lớn, nhất là
đối với các loại đá quý hiếm và đắt tiền nh kim cơng, ruby, saphir, Để tăng đợc
giá trị của các sản phẩm khai thác và tận thu triệt để nguồn tài nguyên, đã từ lâu trên thế
giới ngời ta tìm mọi cách khác nhau nhằm nâng cấp chất lợng của đá quý. Cho đến
nay, các phơng pháp nâng cấp chất lợng đá quý đợc con ngời sử dụng nhiều nhất
là:
o Xử lý nhiệt (và nhiệt khuyếch tán)

o Chiếu xạ:
Bằng các tia phóng xạ
Bằng tia X
Bằng tia cực tím
Bằng chùm điện tử
o Tẩy, hàn và nhuộm đá quý bằng các vật liệu khác nhau
Tẩm dầu và tẩm sáp
Hàn gắn khe nứt bằng thuỷ tinh, chất dẻo
Phủ bề mặt bằng các chất khác nhau
Tuỳ thuộc vào các chủng loại đá quý, đặc điểm chất lợng và điều kiện công
nghệ cụ thể mà ngời ta sử dụng các phơng pháp khác nhau để làm tăng chất lợng đá
quý.
Ngày nay, phơng pháp xử lý nhiệt đợc hầu hết các nớc sử dụng để nâng cấp
chất lợng nhiều loại đá quý, trong đó có ruby, saphir vì những lý do sau đây:
o
Phơng pháp xử lý nhiệt chỉ làm điều mà tự nhiên đã làm, tức là mô phỏng
đúng những gì đã diễn ra trong tự nhiên.
o Nếu viên đá tiếp tục nằm sâu trong lòng đất, trong nó cũng sẽ diễn ra những
thay đổi nh trong quá trình xử lý nhiệt.
o Mầu sắc tạo nên sau xử lý nhiệt là ổn định dới tác dụng của nhiệt độ và theo
thời gian.
o Trong quá trình xử lý nhiệt không có chất gì đợc cho thêm, cũng nh không
có gì đợc lấy ra khỏi viên đá. Cấu trúc của viên đá vẫn đợc bảo tồn.
6
o Phơng pháp này không gây hại gì đối với sức khoẻ con ngời.
Trong các đề tài thực hiện từ các năm 1998, 2003 và 2006 chúng tôi đã tiến hành
dùng phơng pháp xử lý nhiệt để xử lý các lô đá quý vùng Lục Yên, Quỳ Châu và một
số loại đá bán quý khác (thạch anh, peridot, zircon) và đã thu đợc các kết quả nhất
định. Chính vì các lý do đó mà chúng tôi lựa chọn phơng pháp xử lý nhiệt để xử lý
saphir khu vực nghiên cứu.

1.2. Bản chất phơng pháp xử lý nhiệt
Bản chất của phơng pháp xử lý nhiệt là sử dụng nhiệt độ cao và môi trờng xử
lý thích hợp tác dụng lên ruby và saphir để làm thay đổi tính chất (hoá trị) và sự phân bố
của các nguyên tố tạo mầu trong corindon, dẫn đến sự thay đổi về mầu sắc (và độ tinh
khiết) của viên đá. Tác dụng của nhiệt độ lên mầu sắc chủ yếu thể hiện ở sự giãn nở thể
tích (không gian nguyên tử) của tinh thể corindon, thúc đẩy các quá trình khuyếch tán
các nguyên tố tạo mầu đồng đều trong viên đá, đồng thời thúc đẩy các phản ứng hoá học
sẽ diễn ra trong đó. Môi trờng xử lý (ôxi hoá hoặc khử) là yếu tố quyết định đến kết
quả xử lý, đặc biệt là đối với loại ruby, saphir này. Cờng độ ôxy hoá - khử của môi
trờng chỉ bị chi phối bởi áp suất riêng phần của ôxy tại một nhiệt độ nào đó. Nó quy
định lợng ôxy cần phải có ở môi trờng xung quanh tại nhiệt độ xử lý corindon.
Nh vậy, bằng cách kết hợp nhiệt độ cao và môi trờng xử lý thích hợp ta có thể
làm thay đổi trạng thái hoá trị của các nguyên tố tạo mầu và tái phân bố chúng trong cấu
trúc của corindon, từ đó mầu sắc của corindon cũng sẽ thay đổi theo.
Ngoài tác dụng lên mầu sắc, nhiệt độ cao, trong một số trờng hợp nhất định,
cũng có tác dụng làm tăng độ tinh khiết của corindon lên đáng kể (làm giảm hoặc loại
bỏ các bao thể khác nhau dới dạng các đám mây, màng sữa, màng cháo).
1.2.1. Tác dụng của nhiệt độ và môi trờng xử lý lên các đặc trng chất lợng của
ruby, saphir
a. Tác dụng lên mầu sắc
Nh chúng ta đã biết, nguyên nhân tạo mầu của ruby, saphir là do sự có mặt của
các nguyên tố chuyển tiếp trong cấu trúc tinh thể của chúng. Tuy vậy, không chỉ riêng
sự có mặt của các nguyên tố này đã đủ để tạo ra các mầu khác nhau trong corindon.
Nhìn chung, các cơ chế tạo mầu của đá quý rất phức tạp và chịu ảnh hởng của nhiều
7
yếu tố: hoá trị, số phối trí của các ion, bán kính ion, lực đẩy tĩnh điện, nồng độ của các
ion tạo mầu trong corindon.
Khi ta nung corindon dới nhiệt độ nóng chảy của nó (2050
o
C), viên đá sẽ bị giãn

nở ra. Tác dụng của nhiệt độ lên mầu sắc chủ yếu thể hiện ở sự giãn nở thể tích (không
gian nguyên tử) của tinh thể corindon, thúc đẩy các quá trình khuyếch tán các nguyên tố
tạo mầu đồng đều trong viên đá, đồng thời thúc đẩy các phản ứng hóa học sẽ diễn ra
trong đó.
Các hợp chất khác nhau trong corindon khi bị nung nóng ở nhiệt độ đến gần nhiệt
độ nóng chẩy (hoặc cao hơn) sẽ phản ứng theo các cách khác nhau. Hành vi của chúng
phụ thuộc vào quan hệ về cấu trúc, hóa học và vật lý của chúng với các nguyên tử bao
xung quanh trong cấu trúc của tinh thể chủ. Một số hợp chất tạo nên từ các nguyên tố
kim loại chuyển tiếp (Ti, Cr, Fe, V) và chúng là các hợp chất mầu. Khi bị nung nóng
trong một điều kiện nào đó, các hợp chất tạo mầu này có thể tạo ra các mầu khác, hoặc
làm thay đổi mầu đã có sẵn.
Môi trờng xử lý là một yếu tố quan trọng ảnh hởng rất lớn đến kết quả xử lý.
Các nguyên tử ôxy có thể bị đẩy ra hoặc hấp thụ vào cấu trúc của tinh thể corindon tại
một nhiệt độ ổn định cho trớc. Điều này phụ thuộc chủ yếu vào hàm lợng ôxy tại một
nhiệt độ nào đó, nó quy định lợng ôxy cần phải có ở môi trờng xung quanh ở nhiệt độ
xử lý corindon. Khi môi trờng trực tiếp xung quanh corindon chỉ có ôxy hoặc giầu ôxy,
chúng ta sẽ có chế độ ôxy hóa. Khi nồng độ ôxy giảm xuống, môi trờng xung quanh
corindon sẽ dần dần trở nên thiếu ôxy. Trong trờng hợp này ta sẽ có chế độ khử (hoặc
ôxy hóa) một phần. Khi nồng độ ôxy giảm đi đáng kể, môi trờng xung quanh sẽ là môi
trờng khử.
b. Tác dụng lên độ tinh khiết
Khi tinh thể corindon nở ra do bị nung, các bao thể bên trong cũng sẽ bị giãn nở.
Hệ số giãn nở thể tích theo nhiệt độ của các bao thể này có thể khác với hệ số của
corindon: chính sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt này đã dẫn tới những biến đổi khác
nhau về vật lý trong tinh thể corindon, từ các vết nứt rất nhỏ đến các khe nứt, vết vỡ lớn.
Các bao thể rắn trong corindon, khi bị nung tới một nhiệt độ nào đó, sẽ phản ứng
không nh nhau: một số bao thể có điểm nóng chảy thấp hơn nhiệt độ xử lý sẽ bị phân
huỷ, trong khi các bao thể khác sẽ bị nóng chảy. Một số bao thể bị mờ hẳn, hoặc biến
8
đổi về hình dạng bên ngoài, trong khi các bao thể khác thì lại có những biến đổi khác

nhau về vật lý và hóa học (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Nhiệt độ nóng chảy và tính chất biến đổi của
các bao thể rắn trong quá trình xử lý nhiệt corindon
Tên bao thể Nhiệt độ
nóng chảy (
0
C)
Biến đổi khi nung
Apatit 1660 Nhiệt độ nóng chảy thay đổi theo thành phần
Calcit 1339 Calcit bị phân huỷ ở 885
0
C (tại áp suet 1 atm) và
nóng chảy ở 1339
0
C
Corindon 2050 Là nhiệt độ nóng chảy của corindon tinh khiết hóa
học
Phlogopit >600
ở 600
0
C bắt đầu bị phân huỷ
Graphit 3700 Graphit bắt đầu thăng hoa ở 3650-3695
0
C trớc khi
nóng chảy
Hematit 1388
Mica >600 Nhiệt độ nóng chảy thay đổi theo thành phần
Pirotin 1195 Pirotin thờng đi kèm với pyrit, bắt đầu bị phân huỷ ở
690
0

C trớc khi nóng chảy
Rutil nguyên
sinh
1825 Rutil bị phân huỷ ở 1640
0
C
Sphen 1382
Spinel 2135 Spinel tinh khiết hóa học có điểm nóng chảy 2135
0
C,
thờng ở 1925
0
C (

40)
Zircon 2430 Điểm nóng chảy 2430
0
C (

30)
Các bao thể rutil dạng sợi, dạng kim que, khi bị nung tới nhiệt độ gần với điểm
nóng chảy (1825
o
C) và để nguội nhanh sẽ bị hòa tan hoàn toàn vào trong cấu trúc của
tinh thể ruby. ở nhiệt độ thấp hơn và khi cha bị hòa tan hoàn toàn chúng thờng tạo
thành dạng các đờng đứt đoạn hoặc các chấm rời rạc.
Khi các bao thể lỏng (khí lỏng) nguyên sinh và thứ sinh bị nung tới nhiệt độ nào
đó, chúng sẽ biến đổi theo các cách khác nhau. Mức độ và tính chất của các biến đổi
này phụ thuộc vào hệ số giãn nở về thể tích và nhiệt độ xử lý. Thông thờng các bao thể
khí lỏng sẽ bị nổ và kết quả là xuất hiện các khe nứt ứng suất hình elip xung quanh

chúng. Trong một số trờng hợp các khe nứt này có thể phát triển lên đến bề mặt của
9
viên đá. Mặt khác, quá trình xử lý cũng có thể hàn gắn một phần hoặc hoàn toàn các bao
thể thứ sinh.
Các dấu hiệu song tinh thờng ít bị biến đổi trong quá trình xử lý nhiệt, tuy nhiên
việc tăng hoặc hạ nhiệt độ đột ngột có thể dẫn đến việc xuất hiện các khe nứt tách dọc
theo các mặt phẳng song tinh. Cũng tơng tự nh vậy, các dấu hiệu đờng sinh trởng
cũng ít bị ảnh hởng trong quá trình xử lý nhiệt, chỉ khi ở nhiệt độ quá cao thì chúng
mới bị biến dạng.
Tính chất các biến đổi thờng gặp đối với các dấu hiệu độ tinh khiết khác nhau
trong corindon trong quá trình xử lý nhiệt đợc dẫn ra trong bảng 1.2.

Bảng 1.2. Tính chất các biến đổi trong các bao thể
thờng gặp khác trong corindon trong quá trình xử lý
Tên bao thể Trớc xử lý Sau xử lý
Sợi rutil Các sợi không bị đứt đoạn Sợi đứt đoạn,d ạng đốm, tro, ngôi sao
Sợi bơmit Các sợi mầu trắng theo
các mặt song tinh trực thoi
Nóng chảy một phần hoặc hoàn toàn
Các đám mây cấu
trúc:
- Các phần tử rutil
- Không rõ bản chất
- Nóng chảy một phần hoặc hoàn toàn
- Không bị biến đổi
Các đám cam sắt Mầu nâu, vàng nâu đến da
cam, phớt đỏ
Các tính tụ mầu phớt nâu, phớt đen, đôi
khi mầu trắng; thờng chuyển thành
vân tay

Bao thể lỏng:
- nguyên sinh

- thứ sinh
- Là các khe nứt lấp đầy
bằng các chất lỏng,
lỏng/khí
- Các vân tay
- Các chất lỏng bị hòa tan, chất khí bị
nổ, hình thành các vân tay
- Có thể bị lấy đầy, có thể phát triển
thành khe nứt căng
Các bao thể dạng
bông tuyết
Là các bao thể rắn có ánh
mạnh
Biến đổi thành các bông tuyết; thờng
phát triển các đĩa thủy tinh
Lỗ trống lấp đầy
bằng vật liệu thủy
tinh
Bao thể rắn kèm theo chất
khí
Thờng hình thành các đĩa thuỷ tinh
Bao thể dạng riềm
đăng ten
Bao thể rắn Nóng chảy, hình thành vòng nớc tràn,
đĩa thuỷ tinh, có thể đảo san hô vòng
Bao thể dạng vòng
sao Thổ

Bao thể rắn kèm vân tay
dạng xuyên tâm
Tinh thể sẽ có mầu đen, tối; hình thành
đĩa thủy tinh hoặc đảo san hô vòng
Riềm phóng xạ Zircon kèm theo các chất Phát triển các vân tay, hoặc khe nứt
10
lỏng bao quanh căng
Đám mầu xung
quanh bao thể rắn
Tinh thể trong đám mầu Mầu còn tập trung nhiều hơn xung
quanh bao thể
Các đờng sinh
trởng
Góc canh, thẳng, rõ nét Bị biến rạng
Các đới mầu Thẳng, sắc cạnh Biến dạng, mờ nhạt
Song tinh Song tinh dạng tấm Có thể bị gẫy trong mặt song tinh

1.3. Các thiết bị xử lý nhiệt
Từ lâu ngời Sri Lanka đã biết dùng ngọn lửa có nhiệt độ cao để đốt saphir lam và
saphir hồng để làm tăng màu của chúng. Đầu tiên, họ dùng ngọn lửa đợc sinh ra từ việc
đốt than đá hoặc than sọ dừa và dùng một thiết bị dạng ống thổi để làm tăng nhiệt độ,
công nghệ thủ công này ngày nay nhiều nơi vẫn đợc sử dụng nhng thay bằng ống thổi
thì ngời ta dùng một chiếc quạt gió.
Vào đầu những năm 70, các nhà kinh doanh đá quý Thái Lan đã phát triển công
nghệ xử lý nhiệt lên một mức cao hơn (xử lý ở nhiệt độ cao hơn khoảng 1600-1650
o
C).
Nhiệt độ này đợc tạo ra bằng việc sử dụng các lò diesel hoặc lò gas. Lợi thế của các
kiểu lò nh vậy là chúng có giá thành thấp, tuy nhiên chúng lại có mặt không thuận lợi
là không điều khiển đợc nhiệt độ trong quá trình xử lý. Các nhà xử lý thờng xác định

nhiệt độ một cách tơng đối thông qua việc quan sát màu của ngọn lửa hoặc dùng một
tinh thể thạch anh nhỏ để làm chỉ thị (nhiệt độ nóng chảy của thạch anh khoảng
1600
o
C).
Ngày nay, các lò điện đợc sử dụng nhiều nhất để xử lý nhiệt rubi, saphir. Nhiệt độ
tối đa của các lò kiểu này có thể đạt tới 1800-1850
o
C.Thuận lợi của các lò kiểu này là
chúng có chơng trình cài đặt sẵn có thể điều chỉnh đợc nhiệt độ và vận hành dễ dàng.
Để xử lý nhiệt đá quý ngời ta có thể sử dụng các loại lò đốt khác nhau, từ những
lò thủ công đơn giản nhất đến các loại lò hiện đại nhất với những chơng trình xử lý tự
động. Tuỳ thuộc vào nguồn nhiệt đợc sử dụng mà ta có các loại là đốt sau:
Lò điện. Đây là kiểu lò đợc sử dụng nhiều nhất hiện nay trên thế giới.
Lò gas
Lò dầu
Lò than (bảng 1.3)
11
Bảng 1.3. Một số kiểu lò khác nhau dùng trong xử lý nhiệt ruby, saphir
Kiểu lò Nhiên liệu Nguồn nhiệt Nhiệt độ tối đa (
o
C)

Lò gas
Khí gas Gas + không khí
Ôxy + gas
Oxy + gas + không khí
Axetilen + oxy
1600-1700
1700-1750

1800-1850
2800

Lò đốt ngọn
lửa

Rắn

Lỏng
Than cốc + không khí
Than lignite + không khí
Than củi + không khí
Diesel + không khí
Diesel + không khí + oxy
1000-1200
1400-1600
900-1000
1500-1600
1750-1800+
Lò điện
Disilic molipden
Graphit
1700
2550
Lò cao tần
Sóng cao tần 1900+

Thiết bị chính đợc chúng tôi sử dụng trong quá trình thực hiện đề tài này là lò đốt
nhiệt độ cao HTF 18/4 (hình 1.1) của hãng Carbolite (Anh). Các tính năng kỹ thuật chủ
yếu của lò HT là:

Hình 1.1. Lò HTF 18/4
o Dung tích buồng làm việc: 3.7 lít, kích thớc buồng: 140 X 140 X 190 mm
o Nhiệt độ làm việc cực đại: 1800
o
C
o Công suất tiêu thụ cực đại: 4650 W
12
o Bộ điều khiển nhiệt độ lò theo chơng trình (digital programmer): 20 segment
o Điện áp: 208 240 V, 1 pha
Một kiểu lò điện điển hình bao gồm 2 modul liên kết với nhau: modul buồng lò và
modul cấp điện và điểu khiển. Trong kiểu lò HTF 18/4, 2 modul này đợc liên kết thành
một khối, trong khi các nhà sản xuất khác lại tách chúng thành 2 bộ phận rời.
- Modul buồng lò. Modul này đợc làm từ vật liệu chịu đợc nhiệt độ cao và
thờng đợc đặt trong buồng thép. Trong buồng lò lắp đặt một số thanh đốt ở phần nóc
buồng lò hoặc ở thành lò và thờng sắp xếp thành các dãy song song. Phần không dẫn
nhiệt của các thanh đốt đợc nối với dây dẫn điện và với modul điều khiển. Trong các lò
điện ngời ta sử dụng các loại thanh đốt khác nhau, dựa vào đó có thể có các loại lò
khác nhau: loại lò thanh đốt molipden disilic (có tên gọi là Super Kanthal) có thể đạt
đến tối đa 1800
0
C, loại lò thanh đốt bằng graphit nhiệt độ tối đa đến 1850-1900
o
C. Lò
HTF 18/4 sử dụng thanh đốt Super Kanthal của Thuỵ Điển.
Trong trờng hợp cần thiết trong buồng lò còn thiết kế hệ thống thổi khí để tạo ra

môi trờng thích hợp.
- Modul điều khiển. Bộ phận điều khiển bao gồm hệ thống biến thế và các bộ
phận cấu thành khác, đợc thiết kế phù hợp với số lợng và loại thanh đốt đợc sử dụng
ở buồng lò và các thông số khác của lò. Bộ phận này đợc nối với cặp nhiệt. Trong các
lò điện trở ngời ta sử dụng 2 phơng pháp điều khiển: tự động và bán tự động. Trong
các lò có bộ phận điều khiển nhiệt độ tự động, ngời ta dùng một bộ vi xử lý cho phép
tự động đặt, điều chỉnh và điểu khiển toàn bộ quá trình tăng, ủ và giảm nhiệt độ theo
chơng trình đặt trớc. Trong lò HT bộ phận điều khiển nhiệt độ tự động có tên gọi là
Eurotherm, có thể đặc đợc tới 16 chơng trình khác nhau (hình 1.2).
13








Hình 1.2. Bộ điều khiển nhiệt độ tự động
Eurotherm kèm theo lò HTF 18/4

Ưu điểm chủ yếu của các lò điện trở so với các lò gas là gọn nhẹ, có thể vận hành
trong một thời gian dài (giờ, ngày, tháng) ở nhiệt độ ổn định đặt trớc mà không cần sự
có mặt của ngời vận hành (loại điều chỉnh tự động theo chơng trình đặt trớc).
Môi trờng xử lý có thể là môi trờng ôxi hoá hoặc môi trờng khử. Để tạo đợc
môi trờng thích hợp ngời ta có thể thổi khí (ôxi hoặc hydro) trực tiếp vào buồng đốt
hoặc sử dụng các loại hoá chất khác nhau trộn lẫn với đá quý trong quá trình nung.
Ngoài ra, để đối sánh các kết quả xử lý, chúng tôi cũng thử nghiệm xử lý saphir
miền Nam Việt Nam bằng lò điện và lò than tại một số cơ sở xử lý nhiệt ở Tp. Hồ Chí
Minh v Viện Khoa học Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam).

14
Chơng 2
Đặc điểm chất lợng của saphir miền Nam Việt Nam
2.1. Đặc điểm thnh phn hóa hc và màu sắc
Các kt qu phân tích thnh phn hóa hc ca saphir tại các điểm mỏ đặc trng của
miền nam Việt Nam c a ra trong các bng 2.1 v 2.2, 2.3.
Theo các kt qu ny có th nhn thy trong ba nguyên t quan trng nht gây mu cho
corindon l Fe, Cr, Ti thì ch có Fe v Ti thng xuyên có mt trong các mu phân tích. Tuy
nhiên, hnh vi ca chúng cng khác nhau. St có mt trong tt c các mu vi hm lng rt cao, thng >
1%, cao nht l 2,21. Hm lng Ti thp hn v rt bi
n ng, hm lng cao nht n 0,5% (TiO
2
)
nhng cng có mu không phát hin c.
Hm lng Ti cao c trng cho các i v mu sinh trng có mu xanh m v nhng ch
tp trung các bao th tinh th ngun gc phân hy. Thnh phn ca saphir mu hng sa khóang ak
Tôn khác vi saphir nhóm BGY (xanh da tri, xanh lc v vng) ch có hm lng Fe v Ti
thp hn.
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của saphir một số vùng khác nhau miền nam Việt
Nam
Thành phần (%) TT Số hiệu
mẫu
Vùng
Al
2
O
3
Fe TiO
2
SiO

2
K
2
O Cr
2
O
3
Tổng
1 ĐB-1 Đá Bàn 98,92 0,97 99,89
2 ĐL-1 Đắc Long 99,50 0,36 99,86
3 ĐB-2 Đá Bàn 98,70 1,10 0,04 99,84
4 TC-1 Tiên Cô 99,00 0,73 0,03 99,76
5 NY-1 Ngọc Yêu 98,91 1,04 99,95
6 BH-1 Biển Hồ 98,32 0,71 0,05 99,08
7 TC-3 Tiên Cô 98,81 0,98 99,76
8 TC-4 Tiên Cô 99,00 0,73 0,03 99,29
9 SĐ-1 Sơn Điền 98,34 0,95 99,96
10 ĐB-3 Đá Bàn 98,70 1,10 0,04 0,03 99,93
11 ĐB-4 Đá Bàn 98,67 1,13 0,13 100,36
12 XL-1 Xuân Lộc 97,35 1,08 0,06 0,01 0,96 99,42

Nguồn: Đề tài KT.01-09 (Nguyễn KInh Quốc, 1995) và đề tài Nghiên cứu đặc điểm
tiêu hình của ruby, saphir Việt Nam (Phạm Văn Long, 2001).


15
Bảng 2.2. Thành phần hãa học của saphir mét sè mµu kh¸c nhau mỏ Đăk N«ng
(Ph©n tÝch Microsond tại Nga)

TT

KHM
Màu
FeO Ga
2
O
3
Al
2
O
3
TiO
2
V
2
O
5
Cr
2
O
3
MnO Tæng
1 DL21-1c
Lam trong suốt
1.08 0.06 98.84 0.009 0 0.025 0 100.01
2 DL21-1r - 1.01 0.051 99.17 0.004 0 0.084 0 100.32
3 DL21-2c
Vàng lục trong
1.01 0.091 99.34 0.031 0.017 0 0 100.48
4 DL21-2r - 0.981 0.052 99.36 0.045 0.004 0.011 0 100.45
5 DL21-3c

Lam đậm trong
1.12 0.073 98.9 0.016 0.002 0.014 0 100.13
6 DL21-3r - 1.22 0.07 98.84 0.035 0.001 0.017 0 100.19
7 DL22-c
Lam tối
1.15 0.069 98.62 0.014 0 0.025 0 99.88
8 DL22-r - 1.4 0.002 98.4 0.104 0 0.02 0 99.92
9 DL41-1c
Lam lục
1.42 0.031 98.55 0.012 0.011 0.013 0 100.04
10 DL41-1r - 1.05 0.057 98.9 0 0.021 0.031 0 100.05
11 DL41-2c Kh«ng màu, trong 0.487 0.082 99.34 0 0.012 0.023 0 99.94
12 DL41-2r - 0.451 0.064 99.46 0 0 0.015 0 99.99
13 DL51-c
Lam lục
1.41 0.078 98.74 0.015 0.016 0.012 0 100.27
14 DL51-r - 1.18 0.082 98.53 0.041 0.02 0.014 0 99.87
15 DL61-c
Đới màu lam vàng
0.586 0.067 99.62 0.003 0.02 0.01 0 100.31
16 DL61-r - 0.944 0.042 99.15 0.338 0 0.016 0 100.49
17 DL61-c - 0.539 0.03 99.73 0.002 0 0.015 0 100.32
18 DL61-r - 0.576 0.011 99.98 0 0.005 0.028 0 100.6

Thành phần hãa học của saphir ảnh hưởng rất nhiều đến màu của chóng. Đặc điÓm thành phần quyết
định tÝnh hấp thụ hay phản xạ ¸nh s¸ng cña bước sãng kh¸c nhau và do đã tạo nªn mầu sắc. Sự kh¸c nhau
về thành phần cã thể do hai nguyªn nh©n: a- do c¸c mẫu ph©n tÝch cã mầu sắc kh¸c nhau; b- do
chóng cã nguồn gốc kh¸c nhau.
Về nguyªn nh©n thứ nhất ta cã thể thấy rất râ qua c¸c bảng 2.2. Chẳng hạn, còng trong mỏ
Đak N«ng, saphir mầu xanh nước bi

ển cã hàm lượng (trung b×nh) TiO
2
= 0,012, Cr
2
O
3
= 0,022
và FeO = 1,38; saphir xanh đậm cã hàm lượng trung b×nh c¸c nguyªn tố như sau: TiO
2
=
0,72, Cr
2
O
3
= 0,04, FeO = 0,15; mầu vàng: TiO
2
= 0,08, Cr
2
O
3
= 0,005, FeO = 1,07. Như
vậy râ ràng saphir mầu xanh nước biÓn ở đ©y cã hàm lượng sắt cao næi trội, cßn mầu xanh đậm th× lại
cã hàm lượng titan cao hơn tất cả, loại cã mầu vàng dường như do kết quả pha trộn giữa sắt và titan.
Bảng 2.3. Thành phần hãa học của saphir nhãm BGY
SHPT TiO
2
Al
2
O
3

Cr
2
O
3
FeO MnO
Tổng
Ghi chó
1-13 0,000 98,17 0,002 2,21 0,000 100,43 Nh©n
1-13 0,237 97,73 0,000 2,12 0,000 100,13
Đới sinh trưởng cã nhiều bao
thể
1-13 0,001 98,07 0,000 1,89 0,000 100,02
Cũng đới sinh trưởng đã
nhưng Ýt bao thể hơn
1-13 0,000 97,83 0,000 1,89 0,005 99,76 -nt-
1-13 0,248 97,57 0,002 2,19 0,000 100,07
Đới sinh trưởng cã nhiều bao
thể
1-13 0,233 97,31 0,000 2,18 0,000 99,77 -nt-
1-13 0,285 97,11 0,000 2,17 0,001 99,61 -nt-
1-13 0,019 98,51 0,000 1,77 0,000 100,33
Cũng đới sinh trưởng đã
nhưng Ýt bao thể hơn
1-13 0,017 98,09 0,000 1,26 0,000 99,42
Đới sinh trưởng kh«ng cã bao
thể
1-13 0,296 97,56 0,000 1,99 0,000 99,91 -nt-
1-13 0,194 98,00 0,010 1,86 0,000 100,12 -nt-
1-13 0,205 97,84 0,000 1,76 0,000 99,85 -nt-
1-13 0,211 97,70 0,000 1,74 0,000 99,71 -nt-

1-13 0,210 98,09 0,015 1,93 0,000 100,27 -nt-
1-13 0,341 97,42 0,000 1,97 0,000 99,83 -nt-
1-13 0,034 98,18 0,006 1,34 0,000 99,63 R×a
Theo kết quả của Đề tài độc lập cấp Nhà nước về Nghiªn cứu điều kiện h×nh thành
và quy luật ph©n bố của c¸c kho¸ng sản quý hiếm liªn quan đến hoạt động magma khu vực
miền Trung và T©y Nguyªn (chủ biªn: TS. Trần Trọng Hßa).
Một số c¸c nghiªn cứu kh¸c cũng đã ph¸t hiện sự cã mặt của một số oxit với hàm lượng thấp
(n.10
-3
%) như gali (Ga
2
O
3
= 0.021-0.052%), vanadi (V
2
O
5
= 0.001-0.017%), mangan
(MnO = 0.000-0.017%)
Màu của saphir cũng được tạo nªn bởi c¸c nguyªn tố g©y màu mà chủ yếu là Fe và Ti.
Khi đối chiếu với thành phần hãa học ta thấy rằng trong saphir Đak N«ng những viªn cã màu xanh
đen thẫm (saphir đen) thường cã hàm lượng Fe cao (Fe
2
O từ 0,71-1,13%), TiO
2
xuất hiện
kh«ng thường xuyªn và dao động trong khoảng 0,3-0,5%. Nếu như trong thành phần
corindon chỉ cã Ti th× bản th©n Ti kh«ng tạo ra màu của saphir và với Fe cũng vậy, nếu cã chỉ tạo

ra mu vng nht. Khi c Fe v Ti cùng có mt thì s to nên mu lam ca saphir vi tông mu

ph thuc vo t l Ti/Fe. Tu thuc vo t l ny ln hay nh m viên saphir có tông mu sáng,
trung bình hoc ti. T l Fe
2+
/Fe
3+
cng quyt nh n m nht ca mu lam ca saphir. Mt s
nghiên cu ã c h ra rng khi t l ny t ti 1 thì s cho mu lam p v khi t l ny gim xung thì
mu s nht dn i n mu lc thì t l ny ch vo khong 0,5 gim xung n khi ch còn có Fe
2+
thì
saphir s có mu vng.
Khi so sánh hm lng Fe trong saphir ak Nông vi mt s m khác trên th gii ta thy
rng saphir ây có tổng Fe cao hn khá nhiu, iu ny gii thích ti sao saphir ak Nông
thng có tông mu ti hn (lam ti).
Nhìn chung, corindon liên quan vi basalt thng có cht lng thp hn nhiu so vi
các m trong á hoa v trong metapelit, c bit l mu sc.
Saphir liên quan ti phun tro basalt m ak Nông thng
c trng bi mu xanh en
thm (Hỡnh 2.3. a), bên cnh ó các mu khác cng gp nh xanh lc, xanh nc bin, xanh
da tri, xanh mc, xanh lc vng
Nét c trng ca saphir trong ak Nông l có cu to phân i: a s các tinh th có phn
nhân nht mu hoc không mu v phn rìa có mu m. Mu sc ca saphir thờng không ng
nht, có c tính r qut. Đặc tính phân đới màu này cũng liên quan tới sự tập trung cục bộ
của các nguyên tố tạo màu trong cấu trúc của chúng (Bảng 2.3) và chúng thờng phát
triển song song với các mặt song diện và các mặt lăng trụ sáu phơng.
Cũng giống nh saphir vùng Đak Nông, saphir vùng Phan Thiết (Bình Thuận)
cũng th
ờng có tông màu rất đậm (lam đậm), khiến nhiều viên trở nên tối đen, trong
khi saphir một số vùng khác nh Di Linh (Lâm Đồng) lại thờng gặp ở nhóm BGY.
Hiện tợng phân đới màu của saphir nhóm này cũng rất phổ biến, trong hầu hết các

mẫu nghiên cứu ta đều quan sát thấy hiện tợng phân đới màu ở các mức độ khác
nhau. Các đới màu trong saphir ở đây thờng là các dải màu thẳng hoặc gấp khúc
phân bố song song với các mặt tinh thể và các cấu trúc sinh trởng hoặc nhiều khi
chúng là sự thay thế liên tục giữa các dải màu tơng ứng. Với các đặc điểm trên, tính
phân đới thờng quan sát đợc nh sau:
- Sự phân đới giữa các dải màu lam đậm, sắc nét với các dải không màu.
- Sự phân đới giữa các dải màu lam đậm với các dải màu vàng nhạt và nâu nhạt (Hình
2.3.f; 2.3.j).

680 685 690 695 700 705 710
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Intensity (a.u)
Wavelength (nm)
DL21-1
692.8
694.2
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
0
5
10
15
20

25
30
T% arb. unit
Wavenumber
(
cm
-1
)
Blue Saphire DL21-1
2358
2338
2851
2922
3318
3624
3694
Hình 2.1. Phổ phát quang của saphir Đăk Nông Hình 2.2. Phổ hồng ngoại của saphir
Đăk Nông



Hình 2.3. a. Phân đới màu trong saphir Đăk Nông Hình 2.3. b. Phân đới màu trong saphir Đăk Nông


Hình 2.3. c. Phân đới màu trong saphir Đăk Nông Hình 2.3. d. Phân đới màu trong saphir Đăk Nông



Hình 2.3. e. Phân đới màu trong saphir Phan ThiÕt Hình 2.3. f. Phân đới màu trong saphir Di Linh

Hình 2.3.Error! Reference source not found. g. Phân đới màu trong saphir
Phan ThiÕt
Hình 2.3. h. Ph©n đới màu theo cÊu tróc sinh tr−ëng trong
saphir §¨k N«ng

Hình 2.3. i. Phân đới màu trong saphir Phan ThiÕt Hình 2.3. j. Ph©n đới gi÷a c¸c phÇn mµu lam vµ c¸c phÇn
kh«ng mµu, mµu vµng



2.2. c im hình thái tinh thể và độ tinh khiết
2.2.1. Hình thái tinh thể
Phn ln mẫu vt thu c u l các tinh th hoc mnh tinh th có mc bo tròn yu (Hỡnh
2. 4. a). S ít còn gi c hình dng tinh th ban u l dng tháp ôi sáu phng (Hỡnh 2. 4. b).
Nhng tinh thể ny thng có dng kéo di, chiu di gp 5-6 ln chiu ngang tinh th. Mt c
iểm áng lu ý i vi tinh th corindon ca vùng m ny l b m
t nhiu tinh th có du hiu hòa tan
(Hỡnh 2. 4. c).
Ngoài số ít mẫu saphir còn giữ đợc hình dạng tinh thể ban đầu thì hầu hết các
mẫu saphir từ các vùng mỏ khác nhau đều ở dạng mảnh vỡ hoặc dạng tinh thể không
hoàn chỉnh.
2.2.2. Đc im độ tinh khiết
a. c im sinh trng
Trong saphir miền nam Việt Nam thng phát trin cu trúc sinh trng thẳng hoc
gp khúc. Các cu trúc ny thng d dng quan sát thy trên các mt song din, mt thoi
dng v các mt tháp ôi. Phát triển trùng với các cấu trúc sinh trởng này thờng là
các đới màu khác nhau. Đặc điểm đới màu có thể là đậm, nhạt xen kẽ hoặc là các tông
màu khác nhau xen kẽ nhau.
b. c im bao th
Các bao thể khoáng vật thng gp trong saphir miền nam Việt Nam l:

plagioclas, zircon, pyroclo, columbit, hecxynit, ilmenit, spinel, rutil (Hình 2.6 đến
2.11); một số nghiên cứu khác phát hiện các bao thể corindon và clinozoisit (Hình
2.12 và 2.13).
So với saphir các nguồn gốc khác thì saphir miền nam Việt Nam có chủng loại bao thể
ít phong phú hơn và chúng cũng ít ảnh h
ởng đến độ tinh khiết của chúng. Tuy nhiên,
trong saphir miền nam ta cũng gặp tập hợp các bao thể rutin dạng kim, que nhỏ li ti.
Tập hợp của các bao thể rutin này thờng tạo nên các bao thể dạng antena hoặc các
đám bao thể dạng bông tuyết) (Hình 2.14 và 2.15). Một điểm đặc trng khác là sự có
mặt của các bao thể trapiche dạng sao chết (Hình 2.16, 2.17, 2.18). Sự có mặt của
các bao thể dạng trapiche thờng làm cho độ tinh khiết của saphir giảm đi rõ rệt. Bản
chất của chúng thờng là tập hợp các bao thể dạng ống nhỏ li ti với thành phần là các
bao thể lỏng và khí.



Hình 2. 4. a. Các mảnh tinh thể corindon mỏ Đăk Tôn - Đăk Nông Hình 2.4.b. Tinh thể corindon mỏ saphir Đăk Tôn có dạng tháp sáu phương

Hình 2.4.c. Dấu hiệu hòa tan bề mặt tinh thể corindon mỏ Đăk Tôn - Đăk Nông



Hình 2.5. a. Các mẫu saphir ở Trường Xuân Hình 2.5. b. Một số mầu khác nhau của saphir
Đak Tôn - Đak Nông

Hình 2. 6. Bao thể plagioclas trong saphir MNVN Hình 2.7. Bao thể U-piroclor trong saphir MNVN


H×nh 2. 8. Bao thể d¹ng lÊp ®Çy khe nøt
trong saphir MNVN

H×nh 2. 9. TËp hîp bao thể rutil mµu tr¾ng
d¹ng b«ng tuyÕt trong saphir


Hình 2. 10. Các bao thể dạng đám mây trắng trong saphir MNVN Hình 2. 11. Bao thể dạng đám mây mầu trắng dọc theo các đới mầu của saphir MNVN



Hình 2.12. Bao thể columbit trong saphir Đăk Tôn Mẫu DL51 Hình 2.13. Vảy ilmenit. DL24/1


Hình 2.14. a. Bao thể corindon trong saphir Đăk Tôn Hình 2.14. b. Phổ bao thể corindon trong saphir Đăk Tôn

Hình 2. 15. a. Bao thể clinozoizit trong saphir Đăk Tôn
Hình 2. 15. b. Phổ bao thể clinozoizit trong saphir Đăk Tôn





H×nh 2.16. C¸c bao thÓ d¹ng trapiche trong
saphir §¨k N«ng
H×nh 2.17. Bao thÓ d¹ng trapiche trong saphir
Phan ThiÕt

H×nh 2.18. Thµnh phÇn cña c¸c bao thÓ d¹ng
trapiche trong saphir th−êng chøa c¸c pha
láng vµ khÝ.


Chơng 3
Kết quả xử lý nhiệt nâng cấp chất lợng saphir
miền Nam Việt Nam
3.1. Quy trình công nghệ tổng quan
Một quy trình công nghệ xử lý nhiệt đá quý nói chung gồm các công đoạn sau
đây:
1) Làm sạch mẫu trớc xử lý
2) Phân loại và tuyển chọn mẫu
3) Xác định các thông số xử lý (nhiệt độ cực đại, tốc độ tăng giảm nhiệt độ,
thời gian ủ nhiệt )
4) Chuẩn bị các chất phụ gia
5) Nạp mẫu
6) Nung xử lý
7) Làm sạch mẫu sau khi nung
3.1.1. Làm sạch mẫu trớc xử lý
Hầu hết các mẫu ruby và saphir đều chứa các tạp chất ngoại lai khác nhau,
chúng có phản ứng khác nhau trong quá trình xử lý nhiệt. Một số chất nằm ngay trên
mặt mẫu, trong khi các chất khác lại thâm nhập sâu vào lòng các tinh thể chủ qua các
khe nứt, các vết vỡ trên bề mặt. Các tinh thể corindon có thể chứa một lợng đáng kể

các loại bao thể khác nhau: rắn, lỏng hoặc hỗn hợp. Chúng cần phải đợc xác định
chính xác và có các cách xử lý thích hợp trớc khi đa vào xử lý. Những phần không
thích hợp (chứa nhiều khe nứt, nhiều bao thể các loại khó loại bỏ đợc trong quá trình
xử lý nhiệt ) có thể loại bỏ bằng các phơng pháp khác nhau: cơ học hoặc hóa học
hoặc phối hợp cả hai (tùy theo tính chất, đặc điểm, sự phân bố của các bao thể ). ở
đây chỉ cần lu ý không làm mất đi những phần chứa các tạp chất gây mầu tại những
nơi nhất định trong mẫu, vì trong nhiều quá trình chúng rất cần để tạo ra những mầu
mong muốn cho mẫu xử lý.
a. Xử lý hóa học
Các chất ngoai lai nằm trong lòng mẫu hoặc liên kết với nhau qua các khe nứt,
các vết vỡ có thể loại bỏ thông qua các quá trình xử lý hóa học. Chúng có thể bị loại
bỏ hết, phần lớn hoặc một phần, điều này tùy thuộc vào loại hóa chất sử dụng, hoạt