中频感应电炉炉衬材料的选用及影响炉衬寿命因素的研究
郑州翔宇铸造材料有限公司 450016
中频感应电炉因其熔化速度快、金属溶液温度高、化学成份均匀等优点，在现代铸造企业中的应用非常广泛，并且逐步向大型化发展。各种铸铁、铸钢及有色合金的熔炼都可以使用。感应电炉所用的炉衬材料，工作条件极其严酷：内侧盛载着高温金属液，外围是水冷的感应线圈，为了改善电磁耦合，还要使炉衬壁厚尽量降低，因而炉衬材料在使用过程中的温度梯度很大，每次金属液出炉后，炉壁的温度急剧下降，要承受骤冷、骤热的热冲击，而且还要承受熔炼过程中因电磁搅拌不断运动的金属液的冲刷和炉渣的侵蚀。因此对炉衬材料种类的选用及使用都有严格的要求。并且在使用过程中要对影响炉衬寿命的各种因素加以分析研究。 1 中频感应电炉炉衬材料的选用：
1.1 选用的炉衬材料应满足以下要求
1.1.1炉衬材料要有高的耐火度：熔炼时钢液的最高温度可达1700℃，铁液的最高温度可达1500℃以上。因此要根据所熔炼的材质选择满足熔炼温度的炉衬材料；
1.1.2炉衬材料应具有良好的化学稳定性：在高温钢液、高真空、高碱性渣的接触下，应不参与化学反应，有良好的化学稳定性；
1.1.3炉衬材料的耐热震性良好：应具有良好的耐急冷
急热性能，适应从高温熔炼到出炉后由于温度和压力急剧变化炉衬壁内产生的应力作用而不开裂，耐热震性越好，炉衬的使用寿命越高；
1.1.4炉衬材料应有一定的高温强度：熔炼过程中，炉壁要经受金属炉料的冲击力、金属液的静压力、电磁搅拌金属液运动的作用力、温差应力等作用，因此炉衬材料应具有一定的高温强度，在多种力的作用下不开裂、耐冲刷；
1.1.5炉衬材料的热传导性要小：熔炼过程中，炉壁内外的温差很大，约有10-15%的热量通过炉壁向外散失，为减少热损失提高热效率，炉衬材料要有低的热传导率；
1.1.6 炉衬材料中不能含有磁感应物，要有高的绝缘性能。在高温下要有较高的绝缘电阻，以避免出现穿炉情况；
1.1.7炉衬材料应适应环保要求：使用过程中不释放污染环境的物质，使用后的废料也不能对环境造成危害；
1.1.8炉衬材料应根据所熔炼的材质及要求，选用性价比高的材料。
感应电炉所用的炉衬材料有炉外直接预成型的和炉内打结成型的。炉外成型炉衬可以直接安装于感应线圈内即可使用，节约人力电力，安装快速效率较高，但目前局限于容量较小的电炉，大中型电炉基本上以炉内打结成型的较多。
1.2 常用炉衬材料的分类
中频感应电炉所用的炉衬材料按性质可分为酸性、中性
和碱性三类。根据所熔炼材质的化学成份和质量要求，以及生产成本综合分析来确定适合的类别。
感应电炉常用的几种耐火材料性能：
材料名称 石英砂 铝矾土 电熔刚玉 镁砂 电熔镁砂 镁铝尖晶石 主要成份% SiO2≥98 Al2O3≥85 Al2O3>95 MgO≥92 MgO≥98 Al2O3: MgO (71.8:28.2) 熔点℃ 1690/1710 2000 2050 2000 2800 2135 最高工作 温度℃ 1600/1650 1750 1850 1850 2300 1950 平均热膨胀系数（х10） 11.5-13.0 5 5 14.2 14 8 -6特点 酸性 中性 中性 碱性 碱性 碱性 注：平均热膨胀系数为20-1000℃间的平均值。 1.2.1酸性炉衬材料主要是石英砂炉料。常用的是较纯净的精制石英砂，以及经高温煅烧晶型转化的石英砂和由纯净的石英砂经电炉熔炼的熔融石英。精制石英砂资源丰富、价格低廉，但SiO2的熔点低，而且高温下的化学活性很强，易与熔炼过程中的一些氧化物产生化学反应，也易被一些较活泼的元素还原。一般主要用于铁的熔炼或一些质量要求不高的钢的熔炼。耐酸性渣能力强，不适合熔炼碱性金属。一般小型感应电炉使用较多。电熔石英砂有极低的热导率和极好的热稳定性及低的膨胀系数。制作的炉衬材料有良好的抗热冲击力和抗侵蚀能力。但它的价格比较昂贵。
1.2.2碱性炉衬材料主要是氧化镁含量92%以上的冶金
镁砂和电熔镁砂，适合熔炼低硅合金钢及碱性钢种。其耐火度很高，有良好的抗碱性渣性能和耐物理化学作用的稳定性。但其膨胀系数较大，耐热震性能不好，间歇性作业炉壁易产生裂纹，适合用于连续性作业。电熔镁砂因其纯度高、杂质少、性能优于普通冶金镁砂，可以熔炼耐热钢、不锈钢等材质。其价格也较高。电熔镁砂可用于普通感应电炉，也多用于真空感应炉。氧化镁质材料一般用于中小型中频感应电炉较多。
1.2.3中性炉衬材料主要是氧化铝基材料，最常用的是煅烧铝矾土熟料和电熔刚玉。铝矾土具有价格低、耐火度高、化学稳定性好及抗热震性能好的优点，适合熔炼灰铁、球铁、碳钢、高锰钢等材质。其不易与酸、碱性渣起化学反应，间歇性开炉不易产生裂纹。比较适合铸造工厂间歇性作业的工况条件。相比石英砂酸性炉料没有硅尘危害，是一种质优价廉的常用材料。电熔刚玉是铝矾土或氧化铝粉在电炉内重熔制得，Al2O3含量高，有极高的耐火度，各项性能均优于铝矾土。氧化铝质材料经常用于炼钢炉衬的首选材料。
1.2.4镁铝尖晶石是一种人工合成的高级耐火材料，主要矿物组成为MgO·Al2O3，理论质量分数Al2O3 71.8%，MgO 28.2%，是MgO-Al2O3二元系中的一个化合物。它的熔点为2135℃，耐火度约为1900℃，镁铝尖晶石的晶体结构特点是在Al-O和Mg-O之间有很强的离子键结合，使整个镁铝尖晶
石内部结构均衡而牢固。这种晶体结构特点造就了镁铝尖晶石有优良的耐热震性和抗渣性，在氧化与还原条件下具有良好的稳定性。其较高的耐火度与较低的热膨胀系数等综合优点目前正广泛应用于大、中型感应电炉。根据尖晶石的人工合成方法，常用的镁铝尖晶石可分为烧结和电熔两种工艺生产的材料：
烧结镁铝尖晶石是用工业氧化铝粉与优质烧结镁砂或电熔镁砂为原料，经1400-1700℃烧结而成，致密度很高。根据氧化镁与氧化铝的配比的不同，烧结后的尖晶石随氧化镁的质量分数的变化，其性质也有从中性到碱性的变化。烧结镁铝尖晶石体积密度可达3.2g/cm以上，各项性能指标均优于烧结镁砂，是一种广泛使用的优良耐火材料。
电熔镁铝尖晶石是用工业氧化铝粉与优质烧结镁砂在电弧炉内熔化制成，其纯度高，密度大，稳定，耐热震性好。是一种高级耐火材料，但其价格较高，选用时还应注意其较大颗粒的结晶体有微气孔，可能会引起毛细效应的渗漏。常用于制作无渣真空感应电炉炉衬材料。
在实际生产应用中，根据工况要求，常常要综合考虑各种耐火材料的优缺点，取其长补其短，达到较佳的使用效果。单一的耐火材料不能满足要求的，可以和其它材料复合使用。以氧化铝为基材配入适量的氧化镁成份制作的炉衬材料，高温烧结后能够形成镁铝尖晶石网络，具有优良的高温
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稳定性和强度，优良的抗冲击性能，对金属氧化物或炉渣有良好的抗侵蚀能力。还可以在炉衬材料中适量加入耐磨材料，提高其抗磨损性能。这种以氧化铝为基材适量加入氧化镁及其他能提高性能的材料的复合型炉衬材料在熔炼球铁、各种碳素钢、高锰钢、不锈钢和高合金钢等材质的使用过程中，取得了令人满意的效果。 2.影响炉衬寿命的因素
中频感应电炉在使用过程中会不可避免地出现各种各样的问题，炉衬材料的寿命是最受关注的问题之一。对于熔化工部来说，分析影响中频感应电炉炉衬寿命的因素是极其重要的。
2.1主要因素分析及对策
2.1.1筑炉工艺：炉衬打结质量的好坏直接影响使用寿命。炉衬的打结质量关系到烧结质量，烧结质量影响到使用性能。打结炉衬时砂料保持粒度均匀，粗细颗粒不产生偏析，加料时层与层严密结合，打结后的炉衬致密度就高，烧结后的烧结层强度就高。炉壁产生裂纹的倾向就比较小。炉衬打结时振捣不实，会导致炉衬不致密或局部疏松，当金属液压力大时，就可能产生渗漏。手工打结时打完一层后，没有将表面扒松就加料会导致分层，在使用过程中会产生横向裂纹，这种裂纹是无法弥合的。烘炉和烧结过程中升温过快，炉料中的水分因急速逸出会在炉壁上形成大量微孔，这些微
孔可能会导致金属液的渗透和吸附炉渣。因此制定并严格遵守筑炉工艺操作规程是提高炉衬寿命的首要条件；
2.1.2感应电炉容量的增大及炉壁厚度的降低都会影响使用寿命。容量增大，炉壁承受金属液的静压力就增加。炉底与炉壁结合处的压力最大，此处也是比较容易出现问题的部位。随着静压力的增加，金属液向炉壁的微孔或微裂纹中渗透的几率也增大；电磁搅拌力也会增大，对炉壁的冲刷作用也增强。有的单位一味追求超装，降低炉壁厚度，特别是较大电炉，炉衬的寿命会很明显降低。选择适合大容量电炉的炉衬材料并达到合理壁厚，可以改善其使用状况。
2.1.3熔炼温度：熔炼的金属液温度过高会造成熔渣对炉衬的侵蚀加剧；金属液流动性增加向裂纹渗透加透，加剧了金属液对炉衬的化学侵蚀。高温出铁、低温浇铸，一直是操作的准则。但是每一种铸件都有其熔化工艺要求，在达到适合的温度时，不要过于追求过度的超温，要经常观察和测温。在尽量控制过高熔炼温度的同时，也不要出现长时间高温或保温等待浇铸的情况，过高的温度不但易使合金烧损，也会损伤炉壁，同时能耗也会增加；
2.1.4熔炼材质的影响：刚打好的炉衬，炉壁尚未完全烧结好，前几炉要用较洁净的金属材料，尽量避免成份复杂，含铁锈、油污较多的材料，特别是油浸废铁屑。熔点低、流动性好的材质会对炉壁的渗透加剧；熔点高的材质需要较高
的温度。这些都有损炉衬的寿命，应安排在中后期熔炼比较合适。另外熔炼不同的材质应注意金属材料的属性，如上一炉熔炼硫含量较高的铁，下一炉熔炼高锰钢极易造成炉壁侵蚀。成份复杂，含较多铁锈、油污，没有清理的废料、回炉料在高温、高氧下形成的氧化物之间有复杂的穿插互溶作用，极易形成粘渣，并侵蚀炉壁，会使炉壁出现疏松而熔损。带入的杂质不但加大了能耗，而且也会给铸件质量带来影响。
2.1.5熔炼操作的影响：熔化期金属炉料能否顺利熔化影响很大。装料的松紧程度直接关系到炉料的熔化速度。为了快速加热和熔化，装料要力求紧密，但又要避免熔化过程中出现“架桥”现象，这样会使下部已溶化的金属液过热，使金属液吸气和增加合金元素的烧损，延长熔化时间，高温和剧烈的涡流会严重侵蚀炉壁，出现“架桥”和处理“架桥”对炉壁的损伤很大。当金属液面过低时，要特别注意加料，如果加入大块料而电炉又输入高功率，则底部将产生严重过热加剧侵蚀，整个炉衬中以中下部承受的静压力最大，温度最高，冲刷最严重。熔炼的金属液达到适合的温度和质量要求之后，应停电出炉，这样不但安全而且降低了能耗，还可以保护炉衬的下半部不致因过热金属液的冲刷而损毁。应尽量缩短熔炼时间，降低钢水熔炼耗电。
2.1.6熔渣对炉壁的侵蚀影响：炉渣的酸碱度应和炉衬
材料的材质相适应。氧化镁质炉衬材料耐碱性渣侵蚀能力强；硅质的酸性炉衬材料耐酸性渣能力较强；氧化铝质中性炉衬材料高温下在不同的酸碱度中会表现出典型的两性，其可以适应不同酸碱度的熔渣，但相比酸性炉料和碱性炉料来说稍差一些。加入炉内的金属材料会带入各种不同的氧化物，不同材质、不同炉次的炉渣成份也不尽相同。炉渣中存在的各种氧化物、碳化物、硫化物及各种形态的复合化合物，大部分都会和炉衬发生化学反应，生成不同熔点的新的化合物。反应中生成的一些低熔点氧化物如铁橄榄石（FeOSiO2）、锰橄榄石（MnOSiO2）等熔点一般在1200℃左右范围内。低熔点渣具有极好的流动性，可能会形成助熔剂作用，对炉衬产生剧烈的化学侵蚀，从而降低炉衬的使用寿命。反应中生成的高熔点渣如莫来石（3Al2O3·2SiO2）、镁橄榄石（2MgO·SiO2）等，及一些高熔点的金属元素熔点可达1800℃以上，悬浮在金属液中的高熔点渣和低熔点渣之间还有比较复杂的穿插互溶作用，这些熔渣极易粘附在炉壁上并形成累积，造成严重的粘渣，影响电炉的功率、熔速和容量，直至影响炉衬寿命。出现这样的情况可以采取如下几点措施来消除：
（1）通过加强对入炉料的管理：大幅度减少带有砂子、铁锈、油污的材料和含有各种杂质的废料及回炉料的入炉是防止感应电炉炉衬侵蚀和粘渣的重要措施；
（2）制定合适的工艺：根据炉衬和所熔合金的材质制定加料顺序和合适的熔化工艺，尽量减少杂质和炉衬接触的机会和时间也是防止感应电炉炉衬粘渣的有效方法；
（3）采用新型辅助材料清洁金属液和炉渣中的氧化物及杂质：如脱氧采用多元素复合脱氧剂来代替单一元素脱氧剂。单一元素脱氧剂脱氧产物的熔点较高，在金属液中以固态质点存在，很难排出，也易粘附在炉壁上，而稀土元素，作脱氧剂虽然脱氧能力强，但其脱氧产物密度大也不易从金属液中排除，而且稀土元素还容易与硅质和氧化铝质炉衬材料中的SiO2和Al2O3发生化学反应，侵蚀炉壁。多元素复合脱氧剂如硅铝钡钙脱氧能力强，脱氧后的产物是液态质点，容易上浮除去。金属液中的多种溶渣化合物及多种有害的气体，如果不能彻底清除，不但造成了炉衬的粘渣，而且也使铸件形成各种铸造缺陷，采用高质量的除渣剂能够将金属液表面的浮渣清除干净，但是对于混溶和悬浮在金属液中的杂质和气体却无法清除。这种情况，使用钢（铁）水清洁剂可以有效解决问题。钢（铁）水清洁剂是一种复合材料，适合在球铁、灰铁、碳钢、合金钢、高锰钢、不锈钢等材质中使用。可以将钢（铁）水中的氧化物迅速还原清除，净化钢水，并明显降低钢水粘度提高流动性。熔炼过程中，钢（铁）水清洁剂能有效软化炉渣，防止不易熔解的氧化物粘附在炉壁上，从而提高能效缩短熔炼时间，对粘附在炉衬上的炉渣能
有效清除，从而提高炉衬使用寿命。
3.结语
中频感应电炉的使用过程是一个综合的系统工程，“三分在材料，七分在使用”。除选用适合的炉衬材料外，执行严格的筑炉烘烤操作工艺，制定科学合理的熔炼工艺，采用新型辅助材料及细致的操作、精心的维护等工作都是提高炉衬寿命，实现节能降耗的有效途径。
