在工業(yè)革命之前，人們就已經(jīng)開始使用坩堝了?，F(xiàn)在，坩堝的使用已成為一種必要的“工程”，不管是在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行高溫化學(xué)與分析，或是在大規(guī)模的生產(chǎn)工廠里，它都被人們廣泛使用。

在很多金屬材料的制作中，我們就常常使用到“坩堝”這個(gè)容器。比如在中國獨(dú)有的一種冶煉鐵的方式就是坩堝冶煉。但是這種“技術(shù)”的產(chǎn)生時(shí)間年代現(xiàn)在還很難斷定。

所見最早的文獻(xiàn)記載是《咸豐青州府志》：“康熙二年，孫廷銓召山西人至此，得熔鐵之法。鑿取石，其精良為石，次為硬石，擊而碎之，和以煤，盛以筒，置方爐中，周以礁火。初猶未鐵也，復(fù)碎之，易其筒與爐，加大火，每石得鐵二寸，為生鐵。復(fù)取其惡者，置圓爐中，木火攻其下，一人執(zhí)長鉤和攪成團(tuán)出之，為熟鐵，減其生之二焉。”

那為什么在冶煉鐵的時(shí)候，坩堝遇到如此強(qiáng)的高溫不會(huì)熔化掉呢？在回答這個(gè)問題之前，我們先來了解一下坩堝煉鐵的歷史和原理。

坩堝煉鐵

古代人最早的熔煉鐵的方法，就是在一個(gè)小型的土爐里，用木炭將鐵礦石還原成普通的鐵水，這就是所謂的“塊煉鐵”。

由于熔煉爐低，鼓風(fēng)能力一般，熔煉后的鐵在熔煉爐中的滯留時(shí)間很短，所以熔煉后的鐵水都是沒有液化的、像海綿一樣的固體塊狀。而且只能一次一次的煉，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)量很低。后來，爐子就被設(shè)計(jì)得越來越高，鼓風(fēng)也越來越好，就能鍛造出一塊生鐵來。

除了這個(gè)簡易的塊煉鐵爐之外，古人常用的爐子還有兩種，一種是煉鐵高爐，另外一種就是坩堝爐了，這兩種高爐都是在煉銅豎爐和熔銅坩堝的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。

中國古代的熔銅技術(shù)，使用的是“內(nèi)加熱”，也就是將銅料和木炭放入爐中，然后通過鼓風(fēng)的方式，將里面的金屬熔化?！皟?nèi)加熱”的熔煉銅的熱效率高于“外加熱”，且能獲得更好的熔煉結(jié)果。

所以后來的人們?cè)谑褂靡辫F采用的也是“內(nèi)加熱”技術(shù)。人們會(huì)將破碎的鐵礦石和木炭放入爐子里，然后也是通過鼓風(fēng)的方式進(jìn)行燃燒熔煉，但由于鐵的熔點(diǎn)比銅的熔點(diǎn)要高很多，所以在冶煉鐵的時(shí)候采用冶銅的熔爐就存在著耐火度等一系列問題。

所以隨著時(shí)間長河的流逝，冶煉鐵的工藝也在不斷革新、改進(jìn)，后來也有了冶鐵專門用的“爐子”——高爐和坩堝爐。那古時(shí)候熔爐、高爐、坩堝爐在冶鐵方面又有什么不同的性質(zhì)呢？

古代使用的“爐”

• 熔爐

春秋戰(zhàn)國初期，冶鐵用的是草泥質(zhì)熔銅爐。這種材料的耐火能力很差，爐子能夠使用的時(shí)間也很短，當(dāng)時(shí)的人們沒有從熔爐的材料入手，只是單純地加厚而已。在延長爐齡方面效果不顯著，所用的冶鐵材料對(duì)爐壁的腐蝕仍比較嚴(yán)重，無法實(shí)現(xiàn)降渣精煉。

后來，爐壁的材質(zhì)從“泥”變成了“砂”，這一改革，就使?fàn)t壁的耐火性大大增加，但是砂質(zhì)太多，韌性又變差了，于是人們又開始想辦法。

所以第三次人們終于把重點(diǎn)放在了材料的使用上，他們將泥質(zhì)材料與砂質(zhì)材料相結(jié)合，充分發(fā)揮了泥質(zhì)材料的韌性，砂質(zhì)材料的“高耐火”的優(yōu)勢(shì)，來構(gòu)筑一座有著多層材料的冶鐵熔爐。

從爐內(nèi)到爐表依次為：第一層是爐襯層，含大量細(xì)小砂粒；第二層是一種含大量粗砂的、具有一定抗熱性能的的砂質(zhì)爐層，當(dāng)爐襯被腐蝕掉后，仍然可以依賴于這一層不停地進(jìn)行熔煉。

第三層為厚泥質(zhì)耐火磚層，用于維持骨架結(jié)構(gòu)和保溫，第四個(gè)層面為草泥表殼層。這種熔爐的構(gòu)造和材質(zhì)，基本上滿足了那個(gè)時(shí)候冶煉鐵的需要，并一直持續(xù)到了西漢。

到了漢朝，又有了一種用煤或者木炭、石英砂和黏土等摻雜而成的黑色耐火材料，這是在連爐材料上的一個(gè)創(chuàng)新，這種比用黏土和石英砂等包裹混合的材料更加堅(jiān)硬。

而在熔爐的四周，都修筑著這樣的黑色耐火材料，這就意味著，煉鐵的工匠們，也認(rèn)識(shí)到了這種黑色的耐火材料的特性。隨后，這種新的黑色材料被大量運(yùn)用，不光是城鎮(zhèn)作坊，就連一些深山老林里的熔煉作坊里，也被大量采用。

• 煉鐵高爐

慢慢的，冶鐵熔爐就這樣在戰(zhàn)國時(shí)代得到了發(fā)展，出現(xiàn)了“煉鐵高爐”，最終在西漢時(shí)代趨于完善。在鼓風(fēng)技術(shù)的限制下，漢代的煉鐵高爐從其外形出發(fā)，以橢圓形斷面的方法，增加了煉鐵的產(chǎn)量。然而，由于爐身太高，與當(dāng)年的鼓風(fēng)裝置不符。

所以即使對(duì)鼓風(fēng)裝置進(jìn)行了些許改進(jìn)，也無法讓高聳的高爐獲得足夠的空氣，這就導(dǎo)致了爐溫不足，乃至“凍結(jié)事故”。比如古滎鎮(zhèn)的高爐遺址，就是一個(gè)很好的例子。因?yàn)楦郀t太大，導(dǎo)致高爐內(nèi)的空氣質(zhì)量和溫度都不能滿足要求，所以有時(shí)會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)事故。

歷史文獻(xiàn)《漢書》中也記載了與高爐及其事故相關(guān)的內(nèi)容：“公元前91年春，涿郡的鐵官鑄鐵，鐵銷，皆飛上去……河平二年(公元前27年)正月，沛郡鐵官鑄鐵，鐵不下，地陷數(shù)尺，隆隆如雷聲，有如鼓音，工十三人驚走。音止，還視地，地陷數(shù)尺，爐分為十，一爐中銷鐵散如流星，皆上去，與征和二年同象?！?/p>

從那次爆炸的威力和兇險(xiǎn)來判斷，那座高爐絕對(duì)是相當(dāng)巨大的。而從那時(shí)候冶鐵工作的人數(shù)，就能看出這個(gè)爐子操作的復(fù)雜程度。于是，古人也慢慢建立起了一套群爐煉鐵系統(tǒng)，以增加鐵的產(chǎn)量。

• 坩堝爐

剛剛也有提到坩堝煉鐵法是我國古代人民的“獨(dú)門秘籍”，有著悠久的歷史。不過它也是從坩堝煉銅法演變而來的，那坩堝爐具體長什么樣呢？

在1959年，考古學(xué)家們?cè)谝惶幬鳚h時(shí)期的冶鐵遺跡中，在17個(gè)坩堝煉鐵爐中，有3個(gè)是比較完整的，都是呈正方形的，有一處的長為3.6米，寬為1.82米，深為0.82米。爐子分為四個(gè)部分，分別是正面的大門、內(nèi)部的“池”、長方形的窯洞和爐子后方的煙囪。

門的作用是將爐子放置好，并使?fàn)t子內(nèi)的空氣流通?！俺亍痹谌紵^程中起到“風(fēng)窩”的作用，在“池”的底部留下1厘米厚的細(xì)沙。爐膛就可以用來裝坩堝、燃料，然后它的四面都是涂著草泥的。

通常，會(huì)在坩堝爐的尾部安裝3個(gè)煙道，以排除煙氣。爐內(nèi)為木柴灰所填充，一些坩堝煉鐵爐的底部，還堆積著不少的磚瓦碎片以及燒土塊?，F(xiàn)在我們大致知曉了坩堝爐的樣子，那那個(gè)時(shí)候所用的坩堝又是長著什么模樣呢？

作為一種圓底陶罐，坩堝大致呈橢圓狀，它的外面覆蓋著一層厚厚的草拌泥，泥土的內(nèi)部被燒制成了紅色，而在它的外面，卻是一片“黝黑”，上面還覆蓋著一層灰白的巖漿。

從目前的坩堝煉鐵法和煉爐的結(jié)構(gòu)來看，不難推斷出，那時(shí)煉鐵使用的是如下的方式：將助溶劑、礦石和木炭的混合液倒入坩堝中。然后，將坩堝放置在爐膛中。

為了讓爐子底部透氣通風(fēng)，應(yīng)該先把磚塊和瓦塊鋪開再裝爐，才能讓爐子底部透氣。為方便引燃，在瓦礫之間必須留出足夠多的空間來存放易燃物品，從而作為引燃口。

然后把一列坩堝放在第一層的木炭上，然后還要將磚瓦碎片鋪好。之后再將一層木炭鋪在第二列的坩堝上，如此反復(fù)。直到把整個(gè)爐膛都填滿，最后再用一層的瓦塊和炭塊覆蓋在上面。

就這樣一層一層的排列，生火后立即利用鼓風(fēng)裝置通風(fēng)，八個(gè)小時(shí)后，再使用自然風(fēng)進(jìn)行熔煉一天，就可以開爐了。這種爐子形狀各異，有的一次可以容納三百口左右的坩堝，小型的，就只能容納六七口。

坩堝煉鐵法也是在煉鐵生產(chǎn)中造價(jià)較低的一種方法。建造的泥壁和坩堝所用的原料，均可在當(dāng)?shù)孬@得；而且，這種方式還使用了自然風(fēng)，節(jié)約了大量的人工費(fèi)用，只不過每次裝爐的時(shí)候要四至六個(gè)人才能完成，一般情況下，只要一個(gè)人負(fù)責(zé)就可以了。

因其構(gòu)造簡單，無須頻繁維修；而且整個(gè)煉制流程都很簡便，大幅度降低研究學(xué)習(xí)的費(fèi)用。但是這樣煉鐵的方法雖然容易掌握，卻不利于批量制造，而且得到的精“鐵”品質(zhì)也不高。但由于它的經(jīng)濟(jì)和方便，被后人廣泛使用。

直至近代，在山西，河南，山東，遼寧，尤其是在山西省，太行山一帶特別流行。山西太行山一帶采用的坩堝煉鐵工藝，為我國近代土鐵產(chǎn)出了總量的40%多，說明坩堝煉鐵法在中國傳統(tǒng)的冶鐵工業(yè)中具有舉足輕重的作用。

所以坩堝不論是在古代，還是近現(xiàn)代，坩堝在我們的冶鐵業(yè)中都有一定的地位。那坩堝到底為什么能承受鐵水這么高的溫度呢？

坩堝為什么不會(huì)被熔化

其不會(huì)被熔化的原因主要是因?yàn)檑釄宓闹谱鞑牧?。坩鍋是一種在高溫下熔化金屬的專用容器，通常人們會(huì)把熔化的金屬用來澆鑄新物品或制成新的合金。

所以就是因?yàn)檑徨伿怯脕戆盐镔|(zhì)在高溫下熔化，因此它制作材料的熔點(diǎn)通常比淬煉熔化的物質(zhì)更高。坩鍋一般是用陶瓷做的，而陶瓷又是石英砂制成的。其熔點(diǎn)高達(dá)1700度，完全可以熔煉很多金屬材料。

坩堝分類

由鋼或者鐵制造的坩鍋大多用來熔煉諸如鋁、鋅等比較柔軟的材料。這是由于這些金屬具有比坩堝材料更低的熔化溫度。剛剛有提到，在制造過程中，金屬加工一般從坩堝鑄造或重塑金屬開始。現(xiàn)代坩鍋可以被應(yīng)用到處理實(shí)驗(yàn)室中，并且也在很多行業(yè)中都有很大的用途。

• 陶瓷坩堝

這種坩鍋是用燒制的陶土做成的。在較高的溫度下，這類物質(zhì)很穩(wěn)定。在近7000年的時(shí)間里，人們一直使用陶瓷坩鍋來處理各種金屬材料。近來，為了保證耐用性能，大部分的陶瓷坩鍋都加入粘土和石墨。

• 鎢坩堝

鎢坩堝是一種以鎢為原料的制品。要知道，鎢的抗熱性能非常好。這類坩堝可承受的溫度可達(dá)到3410攝氏度，其生產(chǎn)工藝主要包括：紡絲，沖壓，鍛造，燒結(jié)等。鎢坩堝可應(yīng)用于電子器件各種物質(zhì)的熱蒸發(fā)沉積技術(shù)。

• 粘土石墨坩堝

在鑄造有色金屬和黑色金屬時(shí)就時(shí)常用到石墨坩堝。

• 鉬坩堝

鉬是一種延展性很好的金屬材料，抗腐蝕能力極強(qiáng)。在所有的純?cè)刂?，除鉭和鎢外，鉬的熔點(diǎn)也是最高的。鉬坩堝在熱交換器法（HEM）制作過程中得到了大量應(yīng)用。適合于對(duì)單晶進(jìn)行熔化、固化。

• 碳化硅坩堝

碳化硅坩堝由于其耐高溫性能好，非常適用于現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室。

• 鋼坩堝

不銹鋼坩鍋是由一種整塊材質(zhì)構(gòu)成的。與瓷坩鍋相比，這類坩鍋更難破碎。鋼質(zhì)的坩鍋適用于溫度較低的材料制作，它可以加熱鋁粉、鋅粉等低熔點(diǎn)的材料。但是鋼坩堝極易被腐蝕，脫落，極有可能導(dǎo)致最后的金屬材料被污染。

隨著現(xiàn)代冶金技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)坩堝的需求也是越來越大，其在冶金制作過程中起著非常重要的作用。其實(shí)早在19世紀(jì)以前，中國冶金技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先地位。

中國冶金技術(shù)發(fā)展

19世紀(jì)末以后，由于西方列強(qiáng)的入侵，中國社會(huì)逐漸進(jìn)入半殖民地半封建社會(huì)，民族工業(yè)遭到摧殘。直至19世紀(jì)末20世紀(jì)初，中國冶金技術(shù)才有了較快的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)以后，在中國共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)下，通過新民主主義革命和社會(huì)主義建設(shè)，中國的冶金工業(yè)取得了長足發(fā)展。

在19世紀(jì)末期，中國已成為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國。當(dāng)時(shí)，中國鋼鐵年產(chǎn)量占全世界總產(chǎn)量的三分之一。

20世紀(jì)初期，中國的鋼產(chǎn)量繼續(xù)上升，已經(jīng)躍居世界第一位，為后來成為“世界第一鋼生產(chǎn)大國”打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但由于處在建國初期，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)原料短缺和資金缺乏等問題，中國鋼鐵產(chǎn)量緩慢上升。

中國鋼鐵工業(yè)始于春秋戰(zhàn)國時(shí)期。當(dāng)時(shí)鑄鋼技術(shù)已經(jīng)比較成熟。戰(zhàn)國時(shí)代，隨著鐵器的大量使用，鑄鋼技術(shù)獲得進(jìn)一步發(fā)展，開始采用合渣工藝鑄造生鐵和鑄鐵件。

秦統(tǒng)一中國后，由于冶鐵業(yè)的發(fā)展，特別是在漢初出現(xiàn)了鋼鐵冶煉廠，冶煉出了大量生鐵和鑄鐵件，并使之廣泛應(yīng)用于鑄造業(yè)。

唐代的煉鐵、煉鋼技術(shù)均得到進(jìn)一步發(fā)展。唐代的煉鐵技術(shù)中已有“浮法煉鐵”和“火法煉鐵”之分；煉鋼技術(shù)中已有“轉(zhuǎn)爐煉鋼”和“電爐煉鋼”之分。清代，鑄鐵業(yè)繼續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)了專門以鐵素為主要成分的鑄鐵材料，并用廢鋼澆注技術(shù)成功地鑄造出了各種用途的鑄件。

中國鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量和品種主要有：鋼錠的強(qiáng)度、韌性和塑性指標(biāo)；熱軋鋼板的力學(xué)性能及焊接性能；鍍層鋼板的鍍層質(zhì)量、耐腐蝕性能及各種加工工藝性能等。從20世紀(jì)50年代到90年代，中國共建成了27個(gè)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。

其中，19個(gè)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)大型H型鋼、冷成型鋼筋，6個(gè)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)船用鋼。鋼錠的強(qiáng)度、韌性和塑性指標(biāo)提高；熱軋鋼板抗拉強(qiáng)度提高了20%左右；冷軋薄板和鍍層鋼板的性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

經(jīng)過70年的發(fā)展，中國鋼鐵工業(yè)在新中國成立以來的前30年內(nèi)，一直保持著高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，并且已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化。中國鋼鐵工業(yè)在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化過程中取得了巨大成就，但與此同時(shí)，中國鋼鐵工業(yè)仍然存在著許多問題。

在鋼鐵工業(yè)發(fā)展過程中，面臨著產(chǎn)能過剩、技術(shù)落后等問題，產(chǎn)能過剩問題是指產(chǎn)能利用率低于平均水平。鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，質(zhì)量不高、品種少。鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營成本較高。

此外，中國鋼鐵工業(yè)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，生產(chǎn)工藝和流程不夠完善；產(chǎn)能利用率較低；鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排難度較大等問題也是中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)。

面對(duì)以上挑戰(zhàn)，中國鋼鐵行業(yè)應(yīng)盡快推進(jìn)新一輪的發(fā)展規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)鋼材產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量比例逐年增加、結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化的目標(biāo)。