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：
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/cm3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
