坩埚是什么？它为啥能承担一千多度的铁水，到底是用什么素材做的

在工业革命之前，人们就已经起头利用坩埚了。如今，坩埚的利用已成为一种需要的“工程”，不论是在尝试室里停止高温化学与阐发，或是在大规模的消费工场里，它都被人们普遍利用。

在良多金属素材的造造中，我们就经常利用到“坩埚”那个容器。好比在中国独有的一种冶炼铁的体例就是坩埚冶炼。但是那种“手艺”的产生时间年代如今还很难判定。

所见最早的文献记载是《咸丰青州府志》：“康熙二年，孙廷铨召山西人至此，得熔铁之法。凿取石，其精良为石，次为硬石，击而碎之，和以煤，盛以筒，置方炉中，周以礁火。初犹未铁也，复碎之，易其筒与炉，加大火，每石得铁二寸，为生铁。复取其恶者，置圆炉中，木火攻其下，一人执长钩和搅成团出之，为熟铁，减其生之二焉。”

那为什么在冶炼铁的时候，坩埚碰着如斯强的高温不会熔化掉呢？在答复那个问题之前，我们先来领会一下坩埚炼铁的汗青和原理。

坩埚炼铁

古代人最早的熔炼铁的办法，就是在一个小型的土炉里，用柴炭将铁矿石复原成通俗的铁水，那就是所谓的“块炼铁”。

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因为熔炼炉低，鼓风才能一般，熔炼后的铁在熔炼炉中的滞留时间很短，所以熔炼后的铁水都是没有液化的、像海绵一样的固体块状。并且只能一次一次的炼，不克不及实现持续消费，产量很低。后来，炉子就被设想得越来越高，鼓风也越来越好，就能锻造出一块生铁来。

除了那个简易的块炼铁炉之外，前人常用的炉子还有两种，一种是炼铁高炉，别的一种就是坩埚炉了，那两种高炉都是在炼铜竖炉和熔铜坩埚的根底上开展出来的。

中国古代的熔铜手艺，利用的是“内加热”，也就是将铜料和柴炭放进炉中，然后通过鼓风的体例，将里面的金属熔化。“内加热”的熔炼铜的热效率高于“外加热”，且能获得更好的熔炼成果。

所以后来的人们在利用冶铁摘用的也是“内加热”手艺。人们会将破裂的铁矿石和柴炭放进炉子里，然后也是通过鼓风的体例停止燃烧熔炼，但因为铁的熔点比铜的熔点要高良多，所以在冶炼铁的时候摘用冶铜的熔炉就存在着耐火度等一系列问题。

所以跟着时间长河的流逝，冶炼铁的工艺也在不竭改革、改进，后来也有了冶铁专门用的“炉子”——高炉和坩埚炉。那古时候熔炉、高炉、坩埚炉在冶铁方面又有什么差别的性量呢？

古代利用的“炉”

熔炉

春秋战国初期，冶铁用的是草泥量熔铜炉。那种素材的耐火才能很差，炉子可以利用的时间也很短，其时的人们没有从熔炉的素材进手，只是单纯地加厚罢了。在耽误炉龄方面效果不显著，所用的冶铁素材对炉壁的侵蚀仍比力严峻，无法实现降渣精炼。

后来，炉壁的材量从“泥”酿成了“砂”，那一变革，就使炉壁的耐火性大大增加，但是砂量太多，韧性又变差了，于是人们又起头想办法。

所以第三次人们末于把重点放在了素材的利用上，他们将泥量素材与砂量素材相连系，足够发扬了泥量素材的韧性，砂量素材的“高耐火”的优势，来修建一座有着多层素材的冶铁熔炉。

从炉内到炉表依次为：第一层是炉衬层，含大量藐小砂粒；第二层是一种含大量粗砂的、具有必然抗热性能的的砂量炉层，当炉衬被侵蚀掉后，仍然能够依靠于那一层不断地停止熔炼。

第三层为厚泥量耐火砖层，用于庇护骨架构造和保温，第四个层面为草泥表壳层。那种熔炉的构造和材量，根本上称心了阿谁时候冶炼铁的需要，并不断继续到了西汉。

到了汉朝，又有了一种用煤或者柴炭、石英砂和黏土等掺杂而成的黑色耐火素材，那是在连炉素材上的一个立异，那种比用黏土和石英砂等包裹混合的素材愈加坚硬。

而在熔炉的四面，都构筑着如许的黑色耐火素材，那就意味着，炼铁的工匠们，也熟悉到了那种黑色的耐火素材的特征。随后，那种新的黑色素材被大量运用，不但是城镇做坊，就连一些深山老林里的熔炼做坊里，也被大量摘用。

炼铁高炉

渐渐的，冶铁熔炉就如许在战国时代得到了开展，呈现了“炼铁高炉”，最末在西汉时代趋于完美。在鼓风手艺的限造下，汉代的炼铁高炉从其外形动身，以卵形断面的办法，增加了炼铁的产量。然而，因为炉身太高，与昔时的鼓风安装不符。

所以即便对鼓风安装停止了些许改进，也无法让挺拔的高炉获得足够的空气，那就招致了炉温不敷，甚至“冻结变乱”。好比古荥镇的高炉遗址，就是一个很好的例子。因为高炉太大，招致高炉内的空气量量和温度都不克不及称心要求，所以有时会呈现冻结变乱。

汗青文献《汉书》中也记载了与高炉及其变乱相关的内容：“公元前91年春，涿郡的铁官铸铁，铁销，皆飞上往……河平二年(公元前27年)正月，沛郡铁官铸铁，铁不下，地陷数尺，隆隆如雷声，有如鼓音，工十三人惊走。音行，还视地，地陷数尺，炉分为十，一炉中销铁散如流星，皆上往，与征和二年同象。”

从那次爆炸的能力和凶恶来揣度，那座高炉绝对是相当浩荡的。而从那时候冶铁工做的人数，就能看出那个炉子操做的复杂水平。于是，前人也渐渐成立起了一套群炉炼铁系统，以增加铁的产量。

坩埚炉

刚刚也有提到坩埚炼铁法是我国古代人民的“独门秘笈”，有着悠久的汗青。不外它也是从坩埚炼铜法演变而来的，那坩埚炉详细长什么样呢？

在1959年，考古学家们在一处西汉期间的冶铁遗迹中，在17个坩埚炼铁炉中，有3个是比力完全的，都是呈正方形的，有一处的长为3.6米，宽为1.82米，深为0.82米。炉子分为四个部门，别离是正面的大门、内部的“池”、长方形的窑洞和炉子前方的烟囱。

门的感化是将炉子放置好，并使炉子内的空气畅通。“池”在燃烧过程中起到“风窝”的感化，在“池”的底部留下1厘米厚的细沙。炉膛就能够用来拆坩埚、燃料，然后它的四面都是涂着草泥的。

凡是，会在坩埚炉的尾部安拆3个烟道，以肃清烟气。炉内为木料灰所填充，一些坩埚炼铁炉的底部，还堆积着很多的砖瓦碎片以及烧土块。如今我们大致晓得了坩埚炉的样子，那阿谁时候所用的坩埚又是长着什么容貌呢？

做为一种圆底陶罐，坩埚大致呈椭圆状，它的外面笼盖着一层厚厚的草拌泥，土壤的内部被烧造成了红色，而在它的外面，却是一片“黝黑”，上面还笼盖着一层灰白的岩浆。

从目前的坩埚炼铁法和炼炉的构造来看，不难揣度出，那时炼铁利用的是如下的体例：将助溶剂、矿石和柴炭的混合液倒进坩埚中。然后，将坩埚放置在炉膛中。

为了让炉子底部透气通风，应该先把砖块和瓦块展开再拆炉，才气让炉子底部透气。为便利引燃，在瓦砾之间必需留出足够多的空间来存放易燃物品，从而做为引燃口。

然后把一列坩埚放在第一层的柴炭上，然后还要将砖瓦碎片展好。之后再将一层柴炭展在第二列的坩埚上，如斯频频。曲到把整个炉膛都填满，最初再用一层的瓦块和炭块笼盖在上面。

就如许一层一层的摆列，生火后立即操纵鼓风安装通风，八个小时后，再利用天然风停止熔炼一天，就能够开炉了。那种炉子外形各别，有的一次能够包容三合家摆布的坩埚，小型的，就只能包容六七口。

坩埚炼铁法也是在炼铁消费中造价较低的一种办法。建造的泥壁和坩埚所用的原料，均可在本地获得；并且，那种体例还利用了天然风，节约了大量的人工费用，只不外每次拆炉的时候要四至六小我才气完成，一般情状下，只要一小我负责就能够了。

因其构造简单，无须频繁维修；并且整个炼造流程都很简便，大幅度降低研究进修的费用。但是如许炼铁的办法固然随便掌握，却倒霉于批量造造，并且得到的精“铁”操行也不高。但因为它的经济和便利，被后人普遍利用。

曲至近代，在山西，河南，山东，辽宁，出格是在山西省，太行山一带特殊时髦。山西太行山一带摘用的坩埚炼铁工艺，为我国近代土铁产出了总量的40%多，阐明坩埚炼铁法在中国传统的冶铁工业中具有无足轻重的感化。

所以坩埚不管是在古代，仍是近现代，坩埚在我们的冶铁业中都有必然的地位。那坩埚到底为什么能承担铁水那么高的温度呢？

坩埚为什么不会被熔化

其不会被熔化的原因次要是因为坩埚的造造素材。坩锅是一种在高温下熔化金属的公用容器，凡是人们会把熔化的金属用来浇铸新物品或造成新的合金。

所以就是因为坩锅是用来把物量在高温下熔化，因而它造造素材的熔点凡是比淬炼熔化的物量更高。坩锅一般是用陶瓷做的，而陶瓷又是石英砂造成的。其熔点高达1700度，完全能够熔炼良多金属素材。

坩埚分类

由钢或者铁造造的坩锅大多用来熔炼诸如铝、锌等比力柔嫩的素材。那是因为那些金属具有比坩埚素材更低的熔化温度。刚刚有提到，在造造过程中，金属加工一般从坩埚铸造或重塑金属起头。现代坩锅能够被利用四处理尝试室中，而且也在良多行业中都有很大的用处。

陶瓷坩埚

那种坩锅是用烧造的陶土做成的。在较高的温度下，那类物量很不变。在近7000年的时间里，人们不断利用陶瓷坩锅来处置各类金属素材。近来，为了包管耐用性能，大部门的陶瓷坩锅都加进粘土和石墨。

钨坩埚

钨坩埚是一种以钨为原料的成品。要晓得，钨的抗热性能十分好。那类坩埚可承担的温度可到达3410摄氏度，其消费工艺次要包罗：纺丝，冲压，锻造，烧结等。钨坩埚可利用于电子器件各类物量的热蒸发堆积手艺。

粘土石墨坩埚

在铸造有色金属和黑色金属时就时常用到石墨坩埚。

钼坩埚

钼是一种延展性很好的金属素材，抗侵蚀才能极强。在所有的纯元素中，除钽和钨外，钼的熔点也是更高的。钼坩埚在热交换器法（HEM）造造过程中得到了大量利用。合适于对单晶停止熔化、固化。

碳化硅坩埚

碳化硅坩埚因为其耐高温性能好，十分适用于现代化的尝试室。

钢坩埚

不锈钢坩锅是由一种整块材量构成的。与瓷坩锅比拟，那类坩锅更难破裂。钢量的坩锅适用于温度较低的素材造造，它能够加热铝粉、锌粉等低熔点的素材。但是钢坩埚极易被侵蚀，脱落，极有可能招致最初的金属素材被污染。

跟着现代冶金手艺的开展，人们对坩埚的需求也是越来越大，其在冶金造造过程中起着十分重要的感化。其实早在19世纪以前，中国冶金手艺不断处于世界领先地位。

中国冶金手艺开展

19世纪末以后，因为西方列强的进侵，中国社会逐步进进半殖民地半封建社会，民族工业遭到摧残。曲至19世纪末20世纪初，中国冶金手艺才有了较快的开展。进进20世纪以后，在中国共产党的指导下，通过新民主主义革命和社会主义建立，中国的冶金工业获得了长足开展。

在19世纪末期，中国已成为世界上更大的钢铁消费国。其时，中国钢铁年产量占全世界总产量的三分之一。

20世纪初期，中国的钢产量陆续上升，已经跃居世界第一位，为后来成为“世界第一钢消费大国”打下了坚实根底。但因为处在建国初期，国内钢铁企业原料欠缺和资金欠缺等问题，中国钢铁产量迟缓上升。

中国钢铁工业始于春秋战国期间。其时铸钢手艺已经比力成熟。战国时代，跟着铁器的大量利用，铸钢手艺获得进一步开展，起头摘用合渣工艺铸造生铁和铸铁件。

秦同一中国后，因为冶铁业的开展，特殊是在汉初呈现了钢铁冶炼厂，冶炼出了大量生铁和铸铁件，并使之普遍利用于铸造业。

唐代的炼铁、炼钢手艺均得到进一步开展。唐代的炼铁手艺中已有“浮法炼铁”和“火法炼铁”之分；炼钢手艺中已有“转炉炼钢”和“电炉炼钢”之分。清代，铸铁业陆续开展，呈现了专门以铁素为次要成分的铸铁素材，并用废钢浇注手艺胜利地铸造出了各类用处的铸件。

中国钢铁产物行量和品种次要有：钢锭的强度、韧性和塑性目标；热轧钢板的力学性能及焊接性能；镀层钢板的镀层量量、耐侵蚀性能及各类加工工艺性能等。从20世纪50年代到90年代，中国共建成了27个钢铁结合企业。

此中，19个钢铁结合企业消费大型H型钢、冷成型钢筋，6个钢铁结合企业消费船用钢。钢锭的强度、韧性和塑性目标进步；热轧钢板抗拉强度进步了20%摆布；冷轧薄板和镀层钢板的性能到达了国际先辈程度。

颠末70年的开展，中国钢铁工业在新中国成立以来的前30年内，不断连结着高速开展的态势，而且已经逐渐实现了现代化。中国钢铁工业在实现工业化过程中获得了浩荡成就，但与此同时，中国钢铁工业仍然存在着许多问题。

在钢铁工业开展过程中，面对着产能过剩、手艺落后等问题，产能过剩问题是指产能操纵率低于均匀程度。钢铁企业产物构造不合理，量量不高、品种少。钢铁企业消费运营成本较高。

此外，中国钢铁工业生态情况毁坏严峻，消费工艺和流程不敷完美；产能操纵率较低；钢铁行业节能减排难度较大等问题也是中国钢铁工业开展面对的次要挑战。

面临以上挑战，中国钢铁行业应尽快推进新一轮的开展规划，以实现钢材产量占世界总产量比例逐年增加、构造进一步优化的目标。