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什麼是「坩堝」,上千度的鋼水都無法熔化它,這到底是個啥材料
2023/11/24

坩堝

如果你和我一樣喜歡看一些打鐵鑄劍類的視訊,一定見過鐵匠們總會用到一個黑色的圓形的東西,用它盛放金屬原料,再放入火爐中加熱,就可以得到融化的金屬。

這個黑色的圓形的東西就是坩堝,它最大的特點就是耐高溫,因此才能用在對金屬礦物的加工之中。

古代人們使用坩堝進行銅器、鐵器和玻璃等物品的制作。或許你聽說過青銅時代和鐵器時代,這些階段標志著人類利用坩堝熔煉金屬的歷史。

借助坩堝,人類得以善用金屬的性質,制造出各種工具、武器、裝飾品等,推動了人類文明的演進。

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如今,坩堝在工業、科學和藝術領域廣泛應用。舉例來說,用于制造鋼鐵、合成化合物以及拉制單晶硅等。

鋼鐵是我們日常生活中常見的材料之一,是鐵和碳的合金,擁有高強度和韌性。鋼鐵的制造過程涉及使用坩堝,將鐵礦石和焦炭放入坩堝中,高溫加熱使其熔化,接著利用各種工業技術來調整碳的含量,最終制得不同種類的鋼鐵。

合成化合物也常需借助坩堝。將各種元素或物質置入坩堝中,高溫加熱使其熔化,接著經由化學反應或物理變化生成新物質,比如水、鹽、糖等。

還有單晶硅,一種純凈的硅晶體,擁有極高的導電性和光電性,是制造電子元件和太陽能電池的主要材料。

制備單晶硅也依賴于坩堝。將多晶硅放入坩堝中,高溫加熱至熔化狀態,然后通過控制溫度和速度,從坩堝中拉出一根細長的硅棒,這便是單晶硅的制備過程。

這些例子展示了坩堝的重要性。它有助于改變物質的形態和特性,創造出多樣有用的物質和產品。

坩堝燒不壞

既然坩堝是用來熔化金屬的,那它自己不會被熔化嗎?為什麼能融化鋼鐵的高溫也燒不壞坩堝呢?這是因為坩堝的材料選擇了一些特殊的物質,它們有著很高的熔點和抗腐蝕性,能夠在高溫下保持穩定,不與熔融物質發生反應。

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坩堝的材料種類多樣,主要分為以下幾種:

石墨坩堝

由結晶質的天然石墨制成,有利于加熱材料,同時自己也扛得住高溫,可抵抗酸堿腐蝕,適用于冶煉合金工具鋼和各種有色金屬及其合金。石墨的熔點高達3652℃,遠高于鋼鐵的熔點(約1500℃)。

鎳坩堝

顧名思義主要材料就是鎳,如果加工材料是堿性的,就可以使用這種坩堝,但如果是酸性的或者是含硫的材料,就不可以用。鎳的熔點高于鋼鐵的熔點,所以用來熔化金屬材料也沒問題。

石英坩堝

由石英制成,可在1450度以下使用,分為透明和不透明兩種。透明的石英坩堝用于拉制大直徑的單晶硅,是發展大規模集成電路的基礎材料。

石英坩堝不能與氫氟酸接觸,也不能與強堿或堿金屬的碳酸鹽發生反應,適用于使用K2S2O7、KHSO4等酸性物質作熔劑的樣品。石英的熔點為1713℃,也高于鋼鐵的熔點。

瓷坩堝

以瓷土為主要原料,可耐熱約1200度,適用于使用K2S2O7等酸性物質熔融樣品,但不適用于使用NaOH、Na2O2、Na2CO3等堿性物質作熔劑熔融樣品,也不可與氫氟酸接觸。瓷的熔點為1410℃,略低于鋼鐵的熔點,但仍可承受一定高溫。

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剛玉坩堝

這種坩堝的主要材料是多孔熔融氧化鋁,質地非常結實,又不會輕易熔化,通常用來盛放無水碳酸鈉等弱堿性物質作熔劑熔融樣品,但不適用于使用Na2O2、NaOH等強堿性物質和酸性物質作熔劑熔融樣品。剛玉的熔點為2045℃,是所有坩堝材料中最高的。

這些材料的選擇使坩堝能在高溫下穩定運作,不僅能夠承受熔融物質的高溫,還能保持其完整性和性能。

制造坩堝

既然坩堝能承受如此高溫,又是如何加工制作出來的呢?其實,坩堝的制作方法有很多種,主要取決于坩堝的材料和大小。

制作小容量(25kg以下)特殊耐火材料坩堝的一種方法是采用砂漿澆注成型法,適用于制作CaO、BeO、ZrO等材質的坩堝。

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首先,將高純氧化物粉料和黏合劑在球磨機中充分研磨混合,制成砂漿。這一步確保原料充分混合,為后續的坩堝制作提供均勻的材料。

將制成的砂漿注入事先制備好的石膏坩堝模型中。這一步是為了去除材料中的水分,之后才能對外觀進行修整。

將干燥脫水后的坩堝坯料放入窯爐中,在1000~1200℃進行預燒。此步驟有助于增強坩堝的穩定性和耐高溫性。

冷卻后,進行修整加工。最后,在高溫窯爐中進行高溫燒結,溫度通常在1700-1800℃之間。

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這一步使坩堝材料更加致密,確保其在極端條件下的性能。

通過這個砂漿澆注成型法,制得的坩堝具備了所需的特殊材質和性能,適用于各種高溫環境下的應用。

壓力成型法是用于制作容量在100kg以下的坩堝,例如石墨、鎳、瓷等材質的一種方法。首先,將用于制作坩堝的砂料按不同粒度比例混合均勻。這確保了最終的坩堝坯料具備所需的材料特性。

將混合好的材料裝入壓力成型模具內,并施加壓力使其成型。壓力成型法分為簡單壓力成型和等靜壓成型兩種方式。簡單壓力成型通過上、下壓頭異向加壓,形成坩堝坯料。

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而等靜壓成型則在被施壓物的全部表面施加相等的壓力,這樣就可以最終成型。然后再將坯料中的水分除去,最終用高溫燒制成為成品。

以及還有爐內成型法、砌筑法等很多種不同的方式,主要取決于坩堝的材料和大小。坩堝的制作過程都需要經過研磨、混合、成型、干燥、燒結等步驟,才能使坩堝具有高強度、高耐熱性和高抗腐蝕性。

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