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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*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,钢的熔点是度左右,所以坩埚的熔点起码要超过度,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?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。石英的耐火度在度到度之间,陶瓷的熔点比石英还高,能达度以上,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,在度到度之间,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8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*铜。
古罗马时期坩埚冶炼技术有了创新由于要加热到度,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,熔点在度到度之间,沸点为度,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,熔点在度左右,沸点更是高达度,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,熔点为度,沸点比钼和石墨都高,在度的样子,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,只有度和度的样子,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。