坩埚有多厉害?一千多度的钢水也无法熔化它,到底是啥材料做的?

答案在这儿 2023-05-12 10:17:25

你见过炼钢时盛放钢液的容器吗?一个罐子样的东西,盛放被烧到一千多度的液体居然什么事都没有。

盛放钢水的容器为何能如此耐高温呢?

这种器皿叫坩埚,除了炼钢时用,在炼油和盛放化学物质时也会用到。它不会被熔化,不会被腐蚀,一副百毒不侵的样子。

那么这么厉害的玩意儿,到底是什么材料做的呢?

厉害的坩埚

坩埚是专门拿来给固体进行高温加热的容器,它可以根据生产规模、批量等因素专门定制型号和尺寸,保证被加工物质的纯度,适用性很强。

坩埚的制作有一定的流程,且标准严格

坩埚可以直接装上固态物质放到高温下烧制,里面的物质化成液态了,它纹丝不动。如果物质本来就是溶液状,需要浓缩、结晶或者蒸发,也可以直接放到坩埚里冷却。

因此,制作坩埚的材料也会根据用途有所不同。冶金时用的坩埚是生铁翻铸而成,可以拿来熔化铝合金、锌合金、铅合金等多种合金物质。

熔融氢氧化钠时,用的是不活跃金属做的坩埚,可以防止具有强碱性的氢氧化钠腐蚀。

不活跃金属做的坩埚适合用来盛放强腐蚀性物质

金属类的坩埚还有氧化铝坩埚、银坩埚、白金坩埚、镍坩埚,其他材料的有石英坩埚、石墨坩埚、瓷坩埚、碳化硅坩埚,每一种材料的坩埚熔点都不同,能接触的物质也不同。

不过,不管是哪种类型的坩埚,它的熔点都非常高,必须要保证所盛物质不会腐蚀它,化学反应或者加热的温度不会融化它。

坩埚因为所盛物质的不同,制作材料也不同,种类繁多

在日常生活中,我们最常见的是炼钢的坩埚,钢的熔点是1500度左右,所以坩埚的熔点起码要超过1600度,否则很有可能被钢水熔化。

炼钢技术人类很早就掌握了,但有一点很好奇,古代没有那么先进的技术,炼钢的师傅是拿什么制作坩埚的呢?

古代炼钢人的如何炼制钢铁的呢?

1742年时,有个叫洪兹曼的英国人用黏土捏成的坩埚来烧制渗碳的铁料,由于黏土是多种矿物质混合而成的,含碳量高没有固定的熔点,粘性也好,只会到了一定的温度而软化。

因此,黏土坩埚在加热过程中继续吸收铁料中的碳,软化铁料,帮这人得到了一锅钢水。然后洪兹曼把钢水浇铸、锻打成自己需要的样子。这就是早期的石墨坩埚炼钢法。

坩埚的进化史

欧洲冶金工业发展时,人们除了用石墨制作坩埚,还用石英和陶瓷这样的材料。石英的耐火度在1750度到1800度之间,陶瓷的熔点比石英还高,能达2000度以上,而且在高温作用下,依然能保持非常好的化学稳定性。

欧洲冶金工业发展时,坩埚材料已经有好几种了

欧洲人用这些坩埚来炼铜合金,还有高质量钢铁。随着工业技术的发展,更耐用的坩埚出现了,比如金刚石坩埚。金刚石的熔点比陶瓷高多了,在3550度到4000度之间,无论冶炼什么金属都够用。

其实,要说到冶金,可以追溯到青铜器时期,那时候其实就有坩埚了。最早的青铜器出现在古巴比伦时期,距今已有6000多年历史。

我国的青铜器出现则是在夏朝,虽然这个朝代没有相关的文字记录,至今仍有人对它存疑,但考古出土的青铜器是4000多年前的产物。

二里头遗址出土的青铜礼器

我国的司母戊鼎是目前世界上出土的最大的青铜器,古人在制作司母戊鼎时就已经用到了坩埚。

河南安阳的殷墟中出土过直径约为83厘米,厚度在4到5厘米之间的大型陶制坩埚。这样的坩埚每一个可以熔200千克的青铜,做好司母戊鼎至少需要6个坩埚。

古人制作司母戊鼎的时候就已经用到坩埚了

而陶器在新石器时代就出现了,所以,可以推测夏朝的青铜器也是用陶制坩埚烧制出来的。

早期的陶制坩埚有手柄,有倾倒口,非常先进,就算是1742年洪兹曼发明的黏土坩埚,也并不比几千年古人做的坩埚进步多少,可以想象古人的智慧有多么超群。

到了古罗马时期,随着加热技术的进步,坩埚冶金技术有了创新,渗碳法登上冶金舞台,用于生产黄铜。

古罗马时期坩埚冶炼技术有了创新

由于要加热到900度,并且让氧化锌蒸发成气体与熔融铜结合,化学反应必须在封闭的容器中进行,于是坩埚加了盖子。

到了中世纪,几乎全世界的国家都掌握了一定的炼钢技术,坩埚再次有了很大升级,钢产品也出现了一种叫“乌兹钢”的高质量钢铁,可以用来制作战争用的盔甲等。

现代高质量坩埚

到了现代,工业对钢的要求更高了,坩埚自然也要多次升级去满足炼钢的需要,材料也越来越复杂,不再局限于某一种单独材料,而是复合材料。

现代工业对于钢的高要求使得坩埚的材料变得更复杂了

前面提到过18世纪的黏土坩埚,现在用的石墨坩埚更加耐造,它用的主要材料是结晶形天然石墨。

石墨是碳的同位异形体,通体呈灰黑色,不透明,化学性质稳定,熔点在3652度到3697度之间,沸点为4830度,并且耐腐蚀,不容易跟酸、碱等物质发生反应。

石墨坩埚虽然要氧化,但氧化的均匀,不容易吃金,生产的损耗很低。要是配上石英外套一起使用,效果更是翻番。除了冶炼钢和有色金属,石墨坩埚在电力行业中也非常重要。

石墨坩埚如今颇受欢迎,产量也很高

而除了石墨坩埚,钼坩埚也是现代坩埚中的佼佼者。

金属钼是一种任何动物都需要的微量元素,它的单质是银白色的金属,相当的坚韧,熔点在2620度左右,沸点更是高达4639度,是一种很难熔的稀有金属。

钼膨胀系数小,强度和电导率都大,此外,它也耐腐蚀,且具有很好的导热性,冶金和稀土行业中都要用到它。

当然,钨坩埚也同样很厉害,从爱迪生当年用钨丝做电灯的灯丝就能看出它的高耐热性。钨的单质也是有光泽的银白色金属,硬度高,熔点为3410度,沸点比钼和石墨都高,在5660度的样子,化学性质较稳定。

钨能够充当电灯灯丝,可见它的高耐热性

而且钨除了能做坩埚炼钢冶金,还能作为高速切割金刚的工具和超硬模具,此外,很多光学、化学仪器的制作也少不了钨。

前面还提到过石英坩埚,但其实这种坩埚在现代炼钢中已经基本被淘汰了,因为石英的熔点和沸点都比较低,只有1750度和2230度的样子,用在光伏和半导体行业是不错的。

石英砂的化学抗腐蚀性和惰性都不错,可以保证反应物的纯度,新能源公司可以用石英坩埚来生产单晶硅棒和硅片等高科技产品。

石英坩埚可以用来生产高科技产品

总而言之,坩埚耐高温,钢水浇不化,都得益于制作坩埚的材料和工艺手法。

材料耐热性好、化学稳定性高、硬度高、导热性好等等优势都是坩埚不会熔化、不会破裂的保障。别说一千多度的钢水,等科技再上几个台阶,坩埚的质量会牛,说不定上万度的灼烧都不会伤它分毫。

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