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坩堝鋼 Crucible steel
圖片來自provos

坩堝鋼（英語：crucible steel）是特定的鋼鐵生產工藝，指的是在坩堝中融化鐵合金製成的鋼。坩堝鋼工藝是有記錄的最古老的鋼生產方法之一，儘管已被更有效的方法取代，但仍被用於生產少量的高品質材料用於特殊應用。

坩堝

根據明朝的《天工開物·五金》中的描述「高爐火中，坩堝足煉」。這是最早記載出現坩堝一詞。銅是古代最早使用的金屬，因為比較容易獲取，最開始使用木柴來燒銅礦石提煉銅，後來用木炭代替木材，彼時的熔爐就是在地上挖個坑直接開始燒，後來開始用泥土製作中空的容器，倒入銅礦石粉放入火中燒，這就是最早的坩堝。

耐火容器

坩堝是用以熔化及熔鍊金屬液體，或者物質化學反應的一種耐火容器，一般形狀就好像搗蒜用的搗臼，大部分都是上面大下面小的圓柱體，通過對坩堝進行高溫加熱來融化一些金屬，也是通過加溫讓一些物質起化學反應的重要工具。

坩堝種類

坩堝的種類有很多，鐵坩堝，鑄鐵坩堝，石英坩堝，瓷坩堝，剛玉坩堝，石墨坩堝，碳化硅坩堝，白金坩堝，鎳坩堝，金坩堝，銀坩堝，比較常見的有石墨坩堝，碳化硅坩堝，鐵坩堝，氧化鋁-剛玉坩堝。 石墨坩堝的主要原料有石墨、碳化硅、硅石、耐火粘土、瀝青和焦油等。 以天然鱗片石墨為主體原料，以可塑性耐火粘土或炭質為粘結劑加工而成，具有耐高溫、導熱性能強、抗腐蝕性能好，使用壽命長等特點。 使用石墨坩堝需要注意一些事項，怕潮濕，怕摔，遇到高溫會產生氧化反應，一般使用的時候會塗一層抗氧化塗料，或者是和剛玉坩堝一起搭配使用。

氧化鋁坩堝

氧化鋁坩堝，又可稱剛玉坩堝，氧化鋁(Al2O3)為工業陶瓷材料的一種，照純度分為高純度氧化鋁坩堝及普通純度的氧化鋁坩堝，市面上常見的99瓷或95瓷，就是照氧化鋁的含量來稱之。純度越高的氧化鋁坩堝顏色偏黃，純度較低的則顯白。氧化鋁坩堝的特性是耐高溫、不耐酸鹼、耐急冷急熱和耐化學腐蝕。其可用於無水Na2CO3(無水碳酸鈉)等一些弱鹼性物質作熔劑熔融樣品，不適於用Na2O2(過氧化鈉)、NaOH(氫氧化鈉)等強鹼性物質和酸性物質作熔劑。 造型從圓形至方形都有，和金屬坩堝不同的地方是，氧化鋁坩堝是開模製作，模具的精密度進而會影響氧化鋁坩堝的規格。

坩堝煉鋼原理

坩堝製鋼的基本原理圍繞著由各種耐火材料製成的容器或容器中的金屬原料的熔化，這些耐火材料小到可以由一兩個人處理。容器或坩堝中裝有各種金屬，包括鍛鐵，鑄鐵或起泡鋼，並在專用爐中燃燒以熔化裝料。 低碳材料（例如鍛鐵）補充有碳源（例如木炭），可將碳滲碳或注入熔體中。相比之下，碳含量過高而無法用於一般鋼鐵生產的原料會被脫碳；而這通常是通過將熔化的材料暴露於氧氣源來完成的。

考古研究

關鍵技術在鉻含量

中世紀波斯手稿中有關打造「坩堝鋼」的作法，研究人員無法確認其中名為「rusakhtaj」的神祕化合物成分為何，因此特別前往伊朗南部恰哈卡 Chahak 考古遺址進行研究。它曾經是古代波斯生產鋼鐵的重要樞紐，也是伊朗唯一有坩堝煉鋼證據的考古遺址，透過對 Chahak 舊坩堝爐渣的分析，研究人員成功辨識出其中的鋼顆粒含有鉻，推估含量約在 1%-2%。由於其鉻含量遠低於現代，可以確定古老的波斯鉻鋼並不是「不鏽」的，儘管如此，考量到考古學家和歷史學家直到近日都認定不鏽鋼的開發技術是近代才發明的．這仍是一項相當大的發現。研究作者、倫敦大學考古學家 Rahil Alipour 表示，坩堝鋼是非常優質的鋼，由於不含雜質，經常被用來生產武器、裝甲和其他工具，過去在印度、斯里蘭卡、烏茲別克地區針對坩堝鋼的研究，都沒有發現其中具有任何含量的鉻，因此可以說 Chahak 出產的鉻鋼相當特別。

古老煉鋼法

坩堝鋼工藝是有記錄的最古老的鋼生產方法之一，最早的可靠記錄大約在1050年左右的中世紀伊斯蘭。坩堝鋼的加工過程涉及在鑄造用的小型坩堝中對鍛鐵，鑄鐵和泡罩鋼等原料進行熔煉，以進行滲碳或脫碳。在這些過程中，碳會擴散到原料中或從原料中去除，從而在成品中產生最佳的冶金品質。熔煉後，將坩堝從熔爐中取出，並將鋼倒入錠模容器來盛裝已經熔化的鋼水，然後倒入模型中冷卻後就成型了，但同樣是金屬，裝鋼水的這個容器不會被熔化，其原因值得探索。

千度鋼水不熔原因

因為坩堝金屬容器是由多層結構組成的，最裏面的這一層叫絕緣層，也叫隔熱層，此外第二層還有隔溫層，這層是將很多種耐高溫的材料合在一起做成耐高溫合金，比如鋁鎂層，而最外面的一層才是我們看到的那種普通金屬層。鋼水溫度經過裏面的一層層削弱之後，到了最外面的一層後溫度就只有300多度了，遠低於金屬熔化的溫度，自然也就不會熔化了。由石英砂等材料做成的隔熱層，能承受達到1700攝氏度不熔化，對於那些普通的金屬來説熔化溫度也才一千多度，鋼的熔點也就攝氏1500度左右，因此坩堝是不會發生熔化的。

理想碳濃度

鋼是鐵和少量碳的混合物。諸如此類的組合稱為加添加劑的合金，在這種情況下為碳，可提高基礎材料的品質並為最終產品提供特定的特性。 例如，鋼比鍛鐵更硬，比鑄鐵更脆，並且比任何一種都有更好的耐磨性和耐腐蝕性。生產鋼的過程，大多數涉及在碳源存在下熔化鐵水的方法。該過程導致少量的碳擴散到鐵水中，根據合金的用途，典型的最終碳濃度為0.2％至2.1％。

製程昂貴

坩堝鋼工藝程通常從將坩堝在焦炭或煤氣爐中加熱至白熱開始，此時將其從熱源中移出，裝入原料，然後返回爐中。 然後將它們放置幾個小時，直到原料完全熔化。 然後將坩堝從熔爐中取出，將鋼水表面上的所有雜質撇去，然後將鋼倒入鑄錠模中。 該過程既耗時又昂貴，並且已被諸如 Bessemer 爐之類的更經濟，高容量的過程所取代。然而，高品質的坩堝鋼意味著該工藝仍被用於生產少量的鋼材，以用於特殊的利基市場。

添加鉻元素

添加鉻元素對現代鋼生產非常重要，能夠提高強度和淬透性，在這項前提下，Chahak 鉻鋼的性能比起古代鐵器更與現代工具鋼相似。在了解到波斯這種特殊的煉鋼傳統下，Alipour 認為，未來或許可以透過檢測坩堝鋼中的鉻含量來將其與其他人工製品區分，團隊也計畫將與博物館專家合作，分享發現並協助鑑定相關考古物品。

所謂的不鏽鋼，泛指含有鎳、鉻、鉬等元素的鐵合金，其中最主要的鉻元素含量必須超過 12%，合金表面才能形成氧化鉻保護膜來防止腐蝕生鏽。雖然與現今打造出的不鏽鋼仍有一段差距，但《考古科學》（Archaeological Science）最新研究發現，其實早在 11 世紀，波斯人似乎就已懂得添加鉻來打造鉻鋼合金，生產劍、匕首、盔甲和其他工具。

去蕪存菁

生鐵碳含量高，雖硬但容易斷裂；熟鐵碳含量低，雖有彈性但容易變形；鋼的碳含量介於兩者之間，兼具兩者優點，因此控制鋼的碳含量關乎其品質。坩堝鋼由於隔離了原料與熱源，可以精準控制產品的碳含量，得以鑄造品質優良的機械或工具用鋼。在坩堝中添加助焊劑（如石灰石）則可以去除鐵漿中的硫、矽和其他雜質。

中世紀使用煤或木炭來煉鋼，很難將鍋爐升溫至可以融化熟鐵或鋼的溫度，但可以融化含碳量較高、較易融化的生鐵，所以有些南亞和中亞的工匠會將熟鐵或鋼浸泡在融化的生鐵中，使生鐵中的碳擴散到熟鐵或鋼裡，以降低生鐵的含碳量。融化的生鐵和無法完全融化的熟鐵或鋼會組成一種高碳、不均勻的複合鋼，鍛造或拋光時鋼材上會自然出現複雜的圖案，例如大馬士革劍中使用的烏茲鋼。坩堝鋼與當時其他的煉鋼方法相比，其碳含量與品質更高。

技術改良

18世紀，英國的班傑明•亨茨曼（Benjamin Huntsman）改良了坩堝鋼的煉製方法，去除更多雜質，並消除了中世紀複合鋼的不均勻性。亨茨曼使用焦炭來煉鋼，產生的溫度可以將熟鐵和鋼完全融化，使其可以均勻混和；不再使用生鐵當作材料；花更長時間融化並冷卻鐵漿，讓碳可以更均勻的擴散；加入助焊劑使雜質可以浮到鐵漿表層以方便去除。亨茨曼開啟了現代化的煉鋼工藝，優質鋼材製造的零件、機械有助於工業革命的發展。