坩堝煉鋼法

坩堝煉鋼法，在石墨黏土坩堝中熔化金屬料成為鋼水的方法。1742年英國人洪茲曼（B.Huntsman）將滲碳鐵料切成小塊置於封閉的黏土坩堝中，在坩堝外面加熱，鐵料繼續吸收石墨中的碳而熔化成為高碳鋼水，澆鑄成小錠後鍛打成所需的形狀。

基本介紹

• 中文名：坩堝煉鋼法
• 外文名：Crucible steelmaking method
• 原理：石墨黏土坩堝中熔化金屬料
• 化學式：C+FeO=CO+Fe
• 去雜質：鋼中氧

方法介紹

坩堝煉鋼法是指在石墨黏土坩堝中熔化金屬料成為鋼水的方法。1742年由英國人亨茨曼（B.Huntsman）首先套用，他將滲碳鐵料切成小塊置於封閉的黏土坩堝中，在坩堝外面加熱，鐵料繼續吸收石墨中的碳而熔化成為高碳鋼水，澆鑄成小錠後鍛打成所需的形狀。鋼在坩堝中熔化時，石墨碳還能起還原劑作用，發生以下還原反應：

C+FeO=CO+Fe

2C+SiO2=2CO+Si

鋼中氧可以去除，各種夾雜物也能從液態鋼中上浮去除，所以鋼（工具鋼）的質量優於當時的各種金屬材料，可用來製造加工金屬材料的工具。坩堝法是人類歷史上第一種生產液態鋼的方法。但是生產量極小，成本高。19世紀末電弧爐煉鋼（法）發明後，逐漸取代了它的位置。只在一些試驗中，還有人套用坩堝熔煉鋼水進行研究，但這已不屬於鋼的生產範疇了。

英國人亨茨曼發明坩堝煉鋼法，在歐洲歷史上第一次煉得了液態鋼水；這一發明的關鍵是製造出一種可耐1600℃高溫的耐火材料，以製作坩堝。從此，各種優質鋼如工具鋼均採用坩堝法冶煉。

鐵礦變化

持續加熱時間從24到48小時不等，當溫度從1000攝氏度升到1200攝氏度，礦石會轉變成多孔的鐵質，並留在坩堝之底部坩堝在封閉狀態下，來自燃燒的炭和葉一同熔化在鐵質內。竹含氧化矽多可助溶化，在此過程中鐵不會達到其熔點，通過固體擴散過程，碳被吸收，持續長時間的鑄造，緊接著慢慢冷卻到800攝氏度，約12至24個小時。這些大的晶體事實上是大馬士革鋼花紋或水紋的主要成份。滲碳體或碳化晶體非常堅硬，抗酸性強，當鋼被拋光後會呈現出帶白色或銀色。與此形成對比的珠光體由粘結金屬組成，經腐蝕成黑色，這說明為什麼會產生不同的顏色。

脫碳熱處理

冷卻後把坩堝從火中移開，並將其打破，取出半球形的鋼錠。將它放在鐵砧上進行錘打，作硬度試驗。經正常鑄造的鋼錠很硬，經錘打後也不會有凹痕。故需用特別含有鐵銼屑或粉末狀鐵礦石之粘土混合物覆蓋，從而強化鋼錠的脫碳。把鋼錠重新加熱到火紅色約700攝氏度至900攝氏度後，再通過錘打作硬度試驗。重複此熱處理過程，直到金屬過到足夠的軟度以便鍛造。鋼錠鍛鍊：將鋼錠之溫度慢慢降低，並控制在700攝氏度至900攝氏度之間。這溫度是一個非常重要的關鍵。鐵匠只能靠經驗，用眼看火之顏色，到達暗紅時進行鍛造。因為若溫度升高到900攝氏度以上將會把過程倒過來。溫度越高，碳熔解，造成晶體及波形花紋圖案的損失。若溫度低於700攝氏度，鋼即不能得到充份的鍛鍊。因為歐洲的鐵匠一般在1300攝氏度的高溫下來鍛鍊金屬，因此不能掌握到鍛鍊大馬士革鋼的技術。由於對鋼錠的有控制式熱處理和輕度的鍛鍊，覆蓋的粘土，包括含有鐵銼屑或粉末狀鐵礦石，使鋼錠表面脫碳。另外氧化作用亦產生同樣的作用。鋼錠的碳分逐漸減少，從原來的2.2%或更高降低至1.8%，即從白鑄鐵狀態到碳鋼。此過程亦可稱為退火和球狀處理。鋼條變得有可展性和有軔性。