坩埚是用什么做的？为啥上千度的高温铁水，都熔化不了它？

显示全部楼层 · 2024-7-9 18:50:24

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综述

从古至今，人类和火焰打交道的漫长历史中，有个器皿一直默默扮演着非常关键的角色。金属熔炼，材料提纯，化学反应的进行，甚至是古老的炼丹术，均离不开这个器皿的辅助，那就是坩埚。
无论是古代还是现代，坩埚都是冶炼工业中举足轻重的物件。可能会有很多人好奇，“坩埚”究竟是什么材料做的，为什么可以容纳上千度的钢水而不被融化呢？

石墨坩埚

坩埚的用途非常广泛，它可以用来熔炼金属，也可以当作材料提纯和烧纸的器皿。坩埚通常由耐火，耐腐蚀和磨损材料制成，根据用途和温度要求，材质也有所不同。
金属冶炼中，主要使用的是石墨坩埚，它通常由石墨，耐火黏土和烧结黏土等材质制成。石墨是一种灰黑色，具有金属光泽的结晶碳素，莫氏硬度为1，熔点在3500℃左右，具有很好的耐高温性和耐腐蚀性。

用来作坩埚原料的石墨，其化学成分主要有75—90%的碳，7—20%的灰分以及3—5%的挥发成分。其中固定碳成分至少要占到75%，这样才有更好的耐火性。灰分必须在25%以下，否则制作的坩埚质量会很差，难以使用。
耐火黏土主要是氧化矽，氧化铝和矿合水组成的化合物，因其产地不同，具体成分构成往往差别很大。

用于制作坩埚的耐火黏土一般有两个要求：

耐火性要强，必须能够承受1700℃以上的高温，因为大部分常用金属的熔点不会超过这一温度。0 B; {. `. ^4 E
要具有很强的可塑性，因为石墨结构松散，可塑性差，必须依靠黏土才能结合成形。7 v* o! g# [9 c. X! M4 V( h- Y2 G, I+ `

烧结黏土是在高温下烧制形成的耐火黏土和高岭土，配合耐火黏土可以增加坩埚的结构强度，降低坩埚的收缩性，使其不易开裂，增强其耐腐蚀性。

其他坩埚

除了石墨坩埚外，按照其材质和用途，还有石英坩埚，陶瓷坩埚，金属坩埚等多种类型。
石英坩埚由高纯度石英砂通过模具，辅以电弧法高温制成，外表半透明，生产单晶硅流程中可以盛放溶化的硅液，一般在1450℃以下使用，是制作单晶硅，集成电路生产不可或缺的重要工具。

陶瓷坩埚由黏土加入氧化铝，硼酸铝和硅砂等原料，配以黏土窑烧制成，具有一定的耐热性和化学稳定性，耐热温度一般在1200℃左右，主要用于中等温度的化学实验。
陶瓷坩埚可用于进行化学反应，如燃烧，加热溶液，固相反应等。陶瓷具备的化学稳定性可以确保在反应过程中，样品原料不会和坩埚本身发生溶解和反应。
某些需要对样品进行高温燃烧，分析成分和含量的实验中，陶瓷坩埚也可以在高温下稳定容纳反应样品，确保反应过程顺利进行。

金属坩埚由钨，镍和铂等具有耐热性和化学稳定性的金属材质制成，通常也用来进行各种化学反应实验。
比如，金属铂具有很好化学惰性和耐热性，性质不活泼，和大多数物质不反应，可以用来盛放腐蚀性液体进行反应实验，在成分定性和定量实验中比陶瓷坩埚具有更好的恒重性。

古籍中的坩埚

坩埚使用的历史非常悠久，公元2000年前的古巴比伦人，就已经学会了利用石墨和石英制作坩埚冶炼金属。我国的殷墟，二里岗等先秦遗址中也曾出土过少量坩埚以及其残片。
古籍中最早和坩埚有关的记载见于各种炼丹术的文献。道家外丹词语中坩埚有多个名称，有时作“甘锅”，有时是“甘锅子”，“甘埚子”或“窝子”。“锅”和“埚”同音假借，时而又和“窝”假借。

东汉末年炼丹家狐罡子所著的《山金矿图录》记载：“用甘土作锅，火熏使干”，表明炼金所用的“锅”是由“甘土”所制，其又名“坩土”，“甘子土”，这是一种高铝制耐火黏土，是北方常用的制瓷原料，而“坩埚”一次中的“坩”字就由此而来。
长期以来，坩埚一直被用作冶炼金银的器皿。宋韵书《集韵》和《类篇》中有记载，“甘埚，液金器”。明宋应星《天工开物》中记载了使用坩埚对矾硝盐，硫和硼砂分离金银的方法。李时珍《本草纲目》中也有记载：“甘锅，销金银锅”。

明清时期，坩埚又常称作“罐”，“土罐”和“砂罐”，用于冶炼铜，锌和铅。《天工开物》中还记载了用坩埚制备黄铜的两种办法，一是炉甘石（ZnCO3）和红铜反应炼制，二是用锌直接和红铜反应生成合金。有的坩埚呈筒状，也被称为“筒”，主要用来炼制生铁。
综合各种古籍来看，东汉炼丹家最早使用坩埚，宋代后坩埚主要用来炼制金银，明清时又用于炼制铜锌铅金属。记载中的坩埚大部分都是外加热型，即将坩埚置于炉中，以木炭或煤进行加热，坩埚材质多为耐火黏土制作。

结尾

坩埚，这一古老而神秘的器皿，承载着人类对于金属与火焰的无尽探索。从古至今，坩埚在冶炼、化学实验和炼丹术等领域发挥着举足轻重的作用。
无论是石墨、陶瓷还是金属制成的坩埚，都以其耐热、耐腐蚀的特性，为人类的创造和发展贡献着无可替代的力量。

悠久的岁月里，坩埚见证了人们的汗水与智慧，见证了人类对于材料与火的驯化过程，也见证了文明的发展与科技的进步。
未来，随着科技的不断进步，坩埚的材料工艺也将不断创新，为更多领域的发展提供支持和保障。

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