冷坩堝熔殼法合成寶石技術（二）

沈才卿/核工業北京地質研究院

陸太進/中寶協珠寶研究所

沈 湄/臺灣寶石學協會理事長

劉結文/原中恒譽資產評估公司

編者按：

此文記錄了中國老一輩寶石科技工作者們鮮為人知的付出與努力，基于沈才卿老師等多年專業研究的積淀，闡明了冷坩堝熔殼法合成技術的基本原理與技術，與時俱進地修正了由作者本人編寫的1994年《人造寶石學》和2021年《寶石人工合成技術》（第三版）中的熔殼法原理圖，介紹了中國人工寶石發展現狀。應作者要求，文章未經改動，內容保持了作者的觀點原貌。文章將在本刊分三期發表，敬請關注。

沈才卿簡介：男，1942年出生，核工業北京地質研究院高級工程師。獲部級科技進步獎二等獎1次，三等獎2次，北京市 “科學技術（科技專著）進步獎”三等獎1次。曾任“中國珠寶玉石首飾行業協會”常務理事、“中寶協人工寶石專業委員會”常務副主任委員兼秘書長；“亞洲珠寶聯合會”常務理事兼副秘書長；2005年獲得中國輕工珠寶首飾中心與亞洲珠寶聯合會聯合授予的“中國寶玉石專家”榮譽稱號。1990年起，先后在中國地質大學（北京）等多所高校及職業學校開設并講授《人造寶石學》、《寶石的人工合成與鑒定》、《珠寶玉石的優化處理與鑒定》等課程，出版教材多部，為珠寶教育和普及珠寶知識作出了一定的貢獻。

作者按語：

國內外科技發展很快，中國和世界的人工合成珠寶玉石的方法也在不斷發展。本文想介紹中國在2021年時“冷坩堝熔殼法合成寶石技術”已經達到的水平和狀況；同時受國家將兩彈一星有功人員及對國家作出貢獻的人請到人民大會堂主席臺上，由習近平主席親自授予國家勛章的啟示，作者想對那些在中國人工寶石事業發展過程中作出貢獻的新老科技工作者以及中國珠寶玉石首飾行業協會人工寶石專業委員會的主要領導進行介紹（主任委員陳汴琨、常務副主任委員兼秘書長沈才卿、副秘書長于春敏和黃國強），讓大家認識他們，記住他們作出的努力和貢獻。在科技文章中表彰作出貢獻者，比較少見，此文想作一個嘗試！

第三節 冷坩堝的發展及操作工藝的改進

一、初期只能放9公斤粉料的冷坩堝和內徑400mm的冷坩堝

1982年，中科院上海硅酸鹽研究所試驗冷坩堝合成立方氧化鋯晶體時，冷坩堝很小，內徑110 mm，最初僅能生長1.5公斤立方氧化鋯晶體，工藝改進后可裝料9公斤左右、生長立方氧化鋯晶體約4公斤。20世紀90年代，冷坩堝的設備和工藝都進一步得到了改進，內徑逐漸增大，可生長晶體也增加到每爐40公斤、120公斤、250公斤、400公斤，到2012年每爐可生長1200公斤。冷坩堝大了以后，操作工藝要求適當的改進。

只能獲得35～40公斤合成立方氧化鋯晶體的小冷坩堝，現在很少見了。2018年10月，應大家的要求，沈才卿以中寶協人工寶石專業委員會秘書長的身份，組織了包括臺灣寶石學協會理事長、臺灣寶石學院暨鑒定所沈湄院長，中國地質大學（北京）珠寶學院教授余曉艷，廣西梧州五洲寶石技術學校校長覃斌榮，原巨化寶石廠廠長孫廣年，原“北京臻藝匯寶技術培訓中心”講課老師張勝男，香港J&J jewellery公司經理鄺耀祖以及家屬等10多人去廣西桂林和賀州參觀。在桂林參觀時，桂泰珠寶公司總經理何方縣派資源縣晶體生產廠廠長羅輝拉來一個他們最早使用的冷坩堝（由于工廠在廣西資源縣深山里，交通不方便，所以何方縣總經理安排廠長羅輝將一個小冷坩堝運到桂林），內徑400mm，裝粉料70公斤，每爐生長35～40公斤立方氧化鋯晶體。原來安排在廣西礦產地質研究院的會議室給大家講解并回答問題，但大家從汽車上往下抬小冷坩堝時，發現小冷坩堝很重，因為怕劃壞樓道地板，故臨時決定在大院中給大家講解生長原理和回答問題，并事先與何方縣總經理商量好，讓羅輝廠長送每人一個帶底粉的立方氧化鋯晶體作為紀念品。見圖12、圖13、圖14。

圖12 內徑400 mm的冷坩堝（桂泰珠寶公司設備）

圖13 羅輝廠長在講解生長原理（左起:沈才卿、羅輝、沈湄、張勝男）

圖14 羅輝廠長送晶體紀念品并談底粉問題

圖2至圖8（見173期58頁）是桂泰珠寶公司裝800公斤粉料、可生長400公斤晶體的冷坩堝，從圖14可見這種冷坩堝生長的晶體的尺寸還是較大的。

二、2018年可以放2000公斤料的大冷坩堝和操作工藝的改進

2018年10月參觀完桂林后，大家又去了賀州市鐘山縣的旭平首飾廠參觀，當時鐘山縣伊夢緣晶體有限公司（簡稱伊夢緣晶體廠，原梧州市麗泰寶石有限公司，冷坩堝熔殼法生長合成立方氧化鋯的專業廠）合并到旭平首飾廠，產品完全供旭平首飾廠使用。旭平首飾廠（全名旭平首飾有限公司）位于廣西壯族自治區賀州市鐘山縣龜石北路，需要從桂林乘1個多小時火車前往，在火車站由旭平首飾廠廠長黃國強安排車把大家接到廠里。我們參觀了旭平首飾廠首飾加工的全過程（由于與本文關系不大，不向大家介紹了）。

黃國強是中寶協人工寶石專業委員會的副秘書長，早期在廣西梧州寶石商會任會長，對梧州人工寶石產業的發展起了很大、很好的作用，威信很高。但按規定任期兩屆后不能再連任，遂被旭平首飾公司老總潘旭平看中，聘他到賀州市鐘山縣籌建旭平首飾廠并當廠長。

專業生產合成立方氧化鋯的伊夢緣晶體廠廠長饒首光與旭平首飾廠廠長黃國強帶領大家參觀了目前國內最大的冷坩堝及其高頻發生控制設備和冷卻系統（在室外開挖兩個大水池），詳細介紹了工作原理和操作方法。應大家的要求，兩位廠長與參觀者及晶體廠工作人員（穿桔黃色衣服者）在冷坩堝前進行了合影。見圖15。

圖15 參觀旭平首飾廠時在伊夢緣晶體廠冷坩堝前合影

參觀時最讓大家滿意的是，只要有人提出問題，兩位廠長都有問必答，解決了很多大學老師上課時說不清楚、學生提問又回答不了的問題，所以，大家反映收獲很大。現將這些問題的答案與大家分享:

（一）冷坩堝的結構是什么樣的？

伊夢緣晶體廠的冷坩堝直徑1.25米，可以裝2000公斤粉料，得到合成立方氧化鋯晶體1200公斤，是國內目前投產最大的冷坩堝。從2012年起開始安裝使用，2018年我們參觀時，剛從梧州搬到旭平首飾廠進行安裝，所以對設備看得很清楚。參觀后，饒首光廠長還發給沈才卿結構圖，見圖16、圖17（可以與圖13對比，兩個冷坩堝的大小確實相差很大）。

圖16 觀看裝料2000公斤的冷坩堝

圖17 裝料2000公斤冷坩堝的結構圖（饒首光供圖）

（二）冷坩堝的冷卻水從哪個管中出來的？

為了回答這個問題，饒廠長拍了兩張照片，說明冷卻水是從中間的小管子中噴出來，在外紫銅管的控制下流回底座的。見圖18和圖19。

圖19 接通水后小紫銅管往外噴水（饒首光供圖）

（三）產生高頻感應的儀器的耗電量有多大？

產生高頻感應的設備比較大，伊夢緣晶體有限公司的高頻是固定的200 KHz，爐子的消耗電功率是600千瓦/小時，并且工作過程中不能斷電，可見用電量是比較大的。當冷坩堝翻轉取出的時候，不僅粉塵大，而且溫度高，因此需要進行隔離，但我們參觀時尚在搬家安裝時期，拍到了沒有隔離的照片，請看圖20和圖21。

圖20 兩個1.25米直徑冷坩堝與高頻感應設備

圖21 正式投產后的冷坩堝與高頻感應設備是隔開的（饒首光供圖）

（四）合成立方氧化鋯晶體重達1200公斤，若算上粉料接近2000公斤，晶體是怎么取出來的？

如果合成立方氧化鋯晶體生長后，在原來的冷坩堝中冷卻，那么周圍都是紫銅管形成的柵欄，取晶體一定很麻煩。饒廠長告訴我們，從通電到晶體生長完成，需要60多個小時，然后冷卻需3小時左右。這時候，先把冷卻用的水管取下來，然后，需要把2000公斤重的冷坩堝用專門設備進行翻轉。為此特意拍了冷坩堝翻轉的照片佐證，估計不是生產者見不到這樣的照片，非常感謝饒首光廠長。參見圖22至圖27。

圖22 熔融狀態的冷坩堝和高頻感應圈（饒首光供圖）

圖23 冷坩堝翻轉操作之一（饒首光供圖）

圖24 冷坩堝翻轉操作之二（饒首光供圖）

圖25 冷坩堝翻轉操作之三（饒首光供圖）

圖27 冷坩堝提起來一點點后的情景（饒首光供圖）

圖26說明，冷坩堝外殼是涼的，不燙手，可以用手摸，但是里邊溫度還是很高的。

圖26 冷坩堝翻轉操作之四(翻轉到另一個工作臺面上)（饒首光供圖）

圖27是將冷坩堝提起來一點點后拍攝的，雖然冷卻了3小時，里邊的溫度還是很高，看到的晶體還是紅彤彤的。

（五）翻轉的冷坩堝及其合成的立方氧化鋯晶體是什么樣的？

冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯的特點是：生長立方氧化鋯晶體的原料是ZrO2粉料，他們加入高純石墨棒（或塊）代替鋯金屬作引燃劑，同樣用高頻感應的方法使高純石墨燃燒，從而使ZrO2粉料熔融，外層紫銅管里通入冷水，帶走紫銅管附近的熱量，形成以ZrO2粉料自己形成的坩堝，熔融的ZrO2液體在內部結晶生長出立方氧化鋯晶體。那么靠近粉層的晶體必然與粉層之間有一個過渡的熔融多晶體結晶層，是化學成份為ZrO2-Y2O2的陶瓷殼，是冷坩堝的主要組成部分。在參觀過程中，饒廠長回答了這個問題，還拍了一些照片讓大家看明白。見圖28至圖31。

圖28 倒過來的2000公斤冷坩堝立方氧化鋯生長產品（饒首光供圖）

圖29 敲下一角的冷坩堝產品（內部是無色晶體）（饒首光供圖）

圖30 粉色立方氧化鋯晶體（上端白色外表層為粉末）（饒首光供圖）

圖31 倒扣后的無色立方氧化鋯晶體的各部位說明（饒首光供圖）圖片說明：冷坩堝頂層的結晶（扣過來后在下邊）是平板狀，大約3 cm厚，屬于熔融層多晶體，可用于下次生產的原料。中間層是我們想要的合成立方氧化鋯晶體。

需要說明的是：成品出廠時只要好的晶體，粉末和晶體之間的熔融多晶體結晶層，以及比較小的晶體都要被切掉，這些切掉部分的成份還是二氧化鋯，可以全部利用到下一次生產中去（將在下面詳談）。

（六）冷坩堝的大小決定合成晶體的大小，冷坩堝越大，合成的晶體越大

2000公斤粉料的冷坩堝可以生長出大晶體，圖32中顯示晶體可以長到21 cm高。饒首光提供的圖片中有切下來的一小段晶體，標簽說明其重量已經達到4.1公斤,如果是沒有切割一定會更重。由于無色晶體看不太清楚，2020年12月，饒首光廠長又應沈才卿要求，拍了冷坩堝熔殼法合成的粉色立方氧化鋯晶體的照片，這是冷坩堝倒過來后敲掉外層白色粉層一角后的照片，因為是粉色立方氧化鋯晶體，故冷坩堝外層的白色粉層看得很清楚，從標尺上看冷坩堝中的晶體長度達26 cm,原來冷坩堝的底層粉末厚為3cm左右；從晶錠中整理晶體很少見到，饒首光廠長特意發來了照片。參見圖33和圖34。

圖32 裝料2000公斤的冷坩堝可以長出大晶體（饒首光供圖）

圖33 晶體長26 cm粉層3 cm（饒首光供圖）

不同大小的冷坩堝生長出來的立方氧化鋯晶體的大小是不一樣的，冷坩堝越大，生長出來的晶體越大。沈才卿收藏了從每爐生長25公斤、120公斤、240公斤到400公斤的冷坩堝中生長出的立方氧化鋯晶體：圖35中，右下方紫色和白色的立方氧化鋯晶體是從每爐長25公斤晶體的冷坩堝中生長的；桔黃色的立方氧化鋯晶體是從每爐長120公斤晶體的冷坩堝中生長的；最上邊的淺綠色和紅色立方氧化鋯晶體是每爐長240公斤晶體冷坩堝中生長的；左邊最大的粉色合成立方氧化鋯晶體是2006年9月在廣西梧州市召開“中寶協第三屆人工寶石專業委員會換屆大會暨中國人工寶石發展論壇”期間（圖36），由桂泰珠寶公司總經理何方縣送給沈才卿的樣品，標簽上寫著重1980.3克，是從每爐生長400公斤晶體的冷坩堝中生長的，當時覺得真大。到2020年7月，饒首光給沈才卿發來了重4.1公斤的立方氧化鋯晶體圖片，晶體更大，使人大開眼界。由此可見，不斷發展的人工寶石產業勢不可擋。

圖34 饒首光從晶錠中整理晶體（饒首光供圖）

圖35 不同大小冷坩堝產品 大小不同（沈才卿藏品）

圖36 中寶協第三屆人工寶石專業委員會換屆大會暨中國人工寶石發展論壇大會合影

（七）切割晶體和分類包裝

冷坩堝熔殼法合成的立方氧化鋯晶體是氧化鋯粉末、多晶體熔融層和晶體三大部分的綜合體。晶體也是根部最粗大，往上越來越小。因上市的晶體需要比較規范，還要分等級，因此專門有一個車間是負責切割的，把多晶體及粉料切去，把晶體切成一定長度，以便分級銷售。圖37是沈才卿收藏的樣品，當作人工晶體觀賞石放在書桌上經常觀賞，可以清楚地看到在晶體與粉體之間有一層多晶體的熔融結晶層，這一部分一般切下來后作為下次再投入冷坩堝作為爐料的一部分使用。

圖37 不同色立方氧化鋯晶體與粉層之間的多晶體熔融層（沈才卿藏品）

切割整理車間是在噴水條件下用金剛石切刀進行晶體切割的，由于切刀的轉速很快，水會飛濺出來，所以在轉動刀的上方有個擋水裝置，切刀和操作人員胸前加擋水板。又由于合成立方氧化鋯晶體的莫氏硬度為8～8.5，金剛石的莫氏硬度為10，在高速切割過程中會有火花出現，溫度很高，故必須用水澆。晶體按要求的長短切割，然后分級銷售。參見圖38至圖41。

圖38 切割晶體實況-1（饒首光供圖）

右前方紅盆中放水，把切下來的晶體放在里邊，洗干凈后取出晾干，最后裝箱，見圖40。

圖40 切割晶體實況（完成）-3（饒首光供圖）

在倉庫里我們見到入庫的合成立方氧化鋯成品，沈湄和她的兒子手拿大晶體合影，背景白色袋中裝的是倉庫中切下來的回爐料。參見圖41（a）和圖41（b）。

圖39 切割晶體實況（火光）-2（饒首光供圖）

圖41 a-入庫的成品；b-沈湄和她兒子拿著大晶體合影 （沈才卿攝）

國內做冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯的老前輩—90歲（1931年生人）和91歲（1930年生人）高齡的張道標和何雪梅夫婦從樣品儲藏室中找出了收藏的合成立方氧化鋯大單晶，稱了重量，寫上顏色和重量后照相，于2021年4月21日發給沈才卿，共6種顏色：有臘黃色（1.18 Kg）、粉紅色（2.77 Kg）、無色（3.67 Kg）、紫紅色（2.24 Kg）、紫蘭色（3.15 Kg）,最大的石榴紅色晶體重4.97 Kg。后面還有發給沈才卿多種顏色的合成立方氧化鋯刻面成品收藏品(參見圖12～76)，非常感謝二位尊敬的老前輩。

圖42 張道標和何雪梅夫婦收藏的大立方氧化鋯晶體（2021年4月提供）

（八）關于“引燃劑”或“引熔劑”的改進

①關于“引燃劑”和“引熔劑”：有專家建議，產生小熔池時，凡產生火苗的稱為“引燃劑”，只發紅而沒有火苗的稱為“引熔劑”，本文采用這個建議。

②用高純石墨代替金屬鋯的原因：前文說過，合成立方氧化鋯晶體必須用金屬鋯或金屬鋯粉進行引燃，形成一個小熔池，才能使周圍不導電的氧化鋯粉熔融。饒首光他們原來用的是“海綿鋯”作為“引燃劑”（或叫“引熔劑”）。因為鋯不僅是稀土元素，冶煉困難不說，還是軍工和核設施的重要原料，很難買到，價格也很昂貴。2005年開始，饒首光的工廠就用高純石墨代替金屬鋯了。他們把高純石墨做成條狀，大小為300×20×1 mm，放在坩堝內離銅管內壁約20 cm的地方，首尾相接擺成直徑80 cm的圓形，饒首光特意給沈才卿發來擺放高純石墨的圖片，參見圖43-a和圖43-b。通電后高純石墨棒打電火花，溫度大約能達3000°C，使粉料氧化鋯（ZrO2）熔融，熔融后的氧化鋯（ZrO2）熔液是導電的，其電阻值約1歐姆，可以被高頻加熱熔融。要求穩定劑氧化釔的純度達99.99%，用量所占比例16.9%。石墨圈在通電后發熱，有小火但不是熊熊大火的燃燒，如果火大了可以加一些混合粉末蓋住。參見圖44和圖45。

圖43 高純石墨棒的擺放（饒首光供圖）

圖44 通電后的高純石墨棒引燃（引熔）狀況（饒首光供圖）

（九）消除無色立方氧化鋯晶體黃色調的方法

為了獲得結構良好的立方氧化鋯晶體，饒首光廠長使用的穩定劑Y2O3的量為16.9%，比以前說的12%多好多，這樣會使晶體帶黃色調；另外，實踐證明，無論是用金屬鋯引燃（或引熔）還是用高純石墨棒引燃（或引熔）都會使晶體帶黃色調。解決的辦法是在混合粉中加入一定量的稀土元素釹，但稀土元素釹很貴，2020年的市場價格為500元/Kg。2020年的市場價ZrO2粉 料40元/Kg，Y2O3為30元/Kg。