摘要：本文介绍了感应电炉的原理及特点，并从坩埚材料、坩埚筑炉、烘炉焙烧以及熔炼控制（操作使用）等方面分析了影响感应电炉炉龄（坩埚寿命）的主要因素，介绍了提高感应电炉炉龄的实践经验。
关键词：感应电炉，炉龄，坩埚，耐火材料，筑炉，烘炉烧结，烧结层，强度，寿命
一、前言
近年来感应电炉的应用发展很快，很多工厂、科研院所、学校都在使用，尤其是精密铸造和高合金钢铸件的生产应用更加广泛；我公司在铝工业阳极炭块磷生铁浇注中也大量采用了感应电炉熔炼磷生铁的技术，在取得了较好的经济效益的同时也积累了一些感应电炉使用
的方面的保贵经验，本文将结合我公司的生产实际分析影响感应电炉炉龄（坩埚寿命）的主要因素，并简要介绍提高感应电炉炉龄的实践经验。
二、感应电炉的原理
感应电炉熔炼是利用交流电感应的作用，使坩埚内的金属炉料本身发出热量以进行熔炼的一种方法。如图一，在一个用耐火材料筑成的坩埚外面套着螺旋形的感应器（感应线圈），坩埚内装有金属炉料，它有如插在线圈当中的铁芯。当线圈上通以交流电时，由于交流电的感应作用，在金属炉内部产生感应电动势，并因此产生电的涡流。由于金属材料有电阻，因而当电流通过时就会发热，这种产生热量的方法称为感应加热。感应电炉熔炼的热量就是利用这种原理产生的。
三、感应电炉的分类及其熔炼的特点
感应电炉按照结构和用途可分两大类：有芯感应电炉和无芯感应电炉。有芯感应电炉的炉体中装有用硅片制成的的铁芯，在交流电感应产生磁场时铁芯起着加强导磁的作用，适用于熔炼有色合金和熔化铸铁；无芯感应电炉的炉体中没有铁芯，适用于炼钢和熔化铸铁。
依照交流电频率的高低感应电炉分为高频（10000Hz）、中频(500~3000Hz)、工频(50Hz)三种类型，炉子的额定容量与用电频率之间有大致的对应关系，容量越小则用电频率越高。
感应电炉熔炼有两个比较突出的优点，一是加热速度快，炉子的热效率高，二是氧化烧损较轻，吸收气体较少；感应电炉熔炼也有两个比较突出的缺点，一是炉渣不能充分地发挥它在冶炼过程中的作用，二是如果坩埚的质量有问题容易发生漏电（电流穿过炉衬），甚至造成炉衬被击穿或烧穿的事故。
四、影响感应电炉炉龄的主要因素分析
感应电炉的炉龄主要指坩埚（炉衬）的寿命（感应电炉结构见图二）。坩埚是感应电炉的重要组成部件，在冶炼过程中，坩埚本身承受着各种力的作用。其中包括炉料对坩埚的冲击力，金属液的静压力，倾炉时金属液流动引起压力变化而产生的应力，电磁搅拌力以及坩埚的内外温差应力，急冷急热产生的内部应力等。此外，还要承受金属液中碳及合金元素的还原侵蚀及金属液的冲刷。所以，感应电炉的坩埚处在极其恶劣的环境中工作。正因为如此，要求坩埚在高温和室温时都必须具有一定的强度，以防开裂，渗入金属，甚至发生穿炉事故。可以说，坩埚（炉衬）的强度是直接影响坩埚寿命的主要原因，而坩埚的强度又主要取决于坩埚的材料、筑炉、烘炉烧结工艺以及熔炼控制（操作使用）四大因素。
1、材料的影响：坩埚的高温性能主要取决于所用耐火材料的物理、化学性能及矿物组成，由于耐火材料的物理、化学性能及矿物组成的不同，坩埚的性质、性能和寿命有很大的差别。用于坩埚的主要耐火材料有石英砂、镁砂、铝矾土砂，其性能各有优缺点，需根据金属冶炼环境的需要加以选择；依照坩埚材料的性质，感应电炉坩埚分为酸性、碱性、中性三种类型。酸性感应电炉的坩埚用酸性耐火材料石英砂筑成，熔炼过程中造酸性炉渣，不能脱磷和脱硫；碱性感应电炉的坩埚用碱性耐火材料镁砂筑成，熔炼过程中造碱性渣，能够脱磷和脱硫；中性感应电炉的坩埚用的耐火材料主要是铝矾土砂。
坩埚所用耐火材料的纯度和杂质含量对坩埚炉衬的强度的影响很大，尤其是石英砂和镁砂，如果纯度不够或杂质含量超标，不但直接降低坩埚的耐火度而且影响坩埚烧结层的质量。坩埚所用耐火材料的粒度及粒度配比对坩埚炉衬的强度影响也很大，如果耐火材料的粒度以及粒度的配比不适当，会直接影响坩埚筑炉的密实度，进而影响到坩埚烧结的质量；应注意的是，炉子容量（坩埚尺寸）越大，对晶粒的要求越高。以石英砂为例：晶粒越粗大，晶格缺陷越少越好，如水晶石英砂SiO2纯度高，外表洁白、透明。
感应电炉坩埚所用主要耐火材料的物理、化学性能及矿物组成，以及酸性坩埚、碱性坩埚、中性坩的材料配比分别介绍如下：
石英砂：石英砂属酸性耐火材料，其矿物组成主要是石英、其次是长石及少量云母。石英的化学成分是二氧化硅（SiO2），比重为2.65，具有高硬度（莫氏硬度7）、高熔点（1713℃）、和热导性较差的特性。石英在受热过程中体积产生膨胀，这种膨胀包括温度升高而产生的热膨胀和石英因同质异晶转变而产生的膨胀。石英在不同的温度下有几种同质异晶体：石英（α和β）、鳞石英（α、β和γ）、方石英（α和β）。其中β、γ晶型表示低温稳定型，而α表示高温稳定型。自然界的石英多为β石英，开始加热时，β石英随温度升高而均匀膨胀，在573℃转变成α石英，因晶型转变而发生突然膨胀（相变体膨胀0.82%）。α石英在870℃以上和熔剂条件下会转变成α鳞石英，但转变很慢，升高温度虽可加快转变，但即使在1250~1350℃亦须一小时左右才能完成，此时体积增大。α鳞石英在1470℃以上变成α方石英（体积增大4.7%）。α方石英在1713℃以上熔化，冷却后变成石英玻璃。石英由β←→α；鳞石英由α←→β←→γ；方石英由α←→β，这些转变都是可逆的，但石英形成鳞石英、方石英冷却后就不能回复成石英。
长石是铝硅酸盐，熔点（1100~1250℃）比石英低得多，硬度也比石英低，加热过程中体积变化小，高温时能与石英砂烧结；常见的有钾长石、钠长石、钙长石，在用于坩埚的石英砂中属于杂质。
云母是一种含水铝硅酸盐，熔点（1145~1270℃）比石英低得多，硬度也比石英低；常见的有白云母和黑云母，在用于坩埚的石英砂中属于杂质。
酸性坩埚对石英砂化学成分的要求是：SiO2含量99~99.5%；杂质含量Fe2O3≤0.5%；CaO≤0.25%；Al2O3≤0.2%；以及极微量的其它氧化物。酸性坩埚材料配比见表一。
表一、酸性坩埚材料配比
镁砂：镁砂属碱性耐火材料，其主要成分是氧化镁（MgO），它是由菱镁矿（MgCO3）在高温下煅烧再经破碎分选而获得。纯氧化镁的熔点为2800℃，但由于镁砂中含有SiO2、CaO、Fe2O3等杂质，其熔点约为1840℃，热膨胀比石英小，没有因相变而引起的体积突变。镁砂的莫氏硬度为4~4.5，比重约3.5左右。由于菱镁矿煅烧技术较复杂，镁砂价格是石英砂的6倍左右，成本较高。
碱性坩埚对镁砂化学成分的要求是：MgO≥90%；杂质含量SiO2≤4%；Fe2O3≤1%；CaO≤0.5%；灼碱≤0.5%。碱性坩埚材料配比见表二。
表二、碱性坩埚材料配比
铝矾土砂：铝矾土主要成分是氧化铝，系含有杂质的水合氧化铝，是一种土状矿物，其组成成分异常复杂，是多种地质来源极不相同的含水氧化铝矿石的总称。铝矾土砂由铝矾土在高温下煅烧再经破碎分选而获得，当Al2O3含量达71.8%时，其耐火度大于1800℃，属中性耐火材料。
中性坩埚对铝矾土砂化学成分要求是：Al2O3≥70%；SiO2≤20%；Fe2O3≤2%；TiO2≤1.5%；MgO+CaO+K2O+Na2O≤2%。中性坩埚材料配比见表三。
表三、中性坩埚材料配比
2、筑炉的影响：坩埚筑炉是确保坩埚质量的重要环节，也是影响坩埚寿命的主要因素，筑炉质量的好坏是保证坩埚烘炉烧结质量的基础。如果筑炉质量不好，如打结坩埚炉衬时存在分层或砂的粒度分布不均匀现象，则会增大烧结后产生裂纹的几率和产生偏析，从而降底坩埚的强度，缩短坩埚的正常使用寿命；如果坩埚筑炉质量存在严重的缺陷，如炉衬打结的密实度不均匀，密度不够或打结材料中混入了磁性杂质等，不但无法在烘炉焙烧过程中获得满意的坩埚烧结层，而且还有可能发生漏水和穿炉事故。所以，提高坩埚筑炉质量是提高感应电炉炉龄的重要手段之一。
要提高坩埚筑炉的质量，应注特别意控制以下要点：一是坩埚模外表的焊缝和过渡圆角一定要打磨光滑，同时，在坩埚模上钻一些小孔，以利于在烘炉时排除水蒸汽，孔径2~3毫米，每孔相隔225毫米，均匀分布；二是由于耐火材料要进行磁选处理去除磁性杂质，当下料高度＞500mm时还必须使用加料斗加料，以免砂子出现粗细颗粒分层；三是捣筑炉料应一锤压一锤，捣锤力度均匀，逐层捣实；四是捣制过程必须连续操作，切忌筑筑停停，停停筑筑；五是炉衬捣筑的中途不宜换人操作，只有这样，才能确保炉衬致密均匀；六是在打结完后坩埚模不取出，烘干和烧结时起感应加热作用。
3、烘炉烧结的影响：烘炉烧结是决定坩埚质量的关键环节，也是影响坩埚强度和使用寿命的关键因素。经烘炉烧结后坩埚一般形成烧结层、过渡层及松散层的三层结构。烧结层是工作层，它直接与金属液、炉渣及大气接触，直接承受金属液因电磁搅拌作用对坩炉的冲刷作用，承受炉渣及合金元素的高温侵蚀和急冷急热产生的应力及金属的静压力，故烧结层的强度和性能直接决定了坩埚的强度和性能，也即决定了坩埚的使用寿命。所以，烘炉烧结的主要目的就是要形成一层尖硬而耐磨的坩埚表面——烧结层。
下面以酸性石英坩埚为例，进一步分析说明烘炉烧结对坩埚质量的影响。坩埚炉衬在原辅材料选定的前提下，烧结工艺是使炉衬获得良好显微组织结构以充分发挥其耐高温性能的的关键工序。
石英具有较高的熔化点（1713℃）和较差的热导性，如不进行烘炉烧结就熔炼造成硼酸（或硼酐）与石英砂作用不充分，炉衬内外温差应力过大，工作层处于疏松状态，就有剥落的危险。又因石英具有如前所述的晶态转变，所以，在烘炉烧结时必须对晶态转变温度进行控制，使烧结层的石英晶态转变进行彻底，使它具有很好的高温强度和体积稳定性。为获得炉衬的三层（烧结层、过渡层、松散层）结构，烘炉和烧结的原则是：低温缓慢烘炉，高温满炉烧结。烘炉和烧结工艺大致分为三个阶段，如图三所示：
烘烤阶段：以≤50℃/h的速度将坩埚模加热至600℃，保温3h，目的是彻底排除炉衬中的水分。
半烧结阶段：以50~70℃/h升温至900℃，保温3小时。此阶段是 a—石英向a—鳞石英转变过程，体积变化最大，所以在900℃要确保恒温3小时。之后以100℃/h升温，当温度升至坩埚模焊缝开始熔化时，即可加炉料；加料时大块料尽量放下层和靠近坩埚壁，小块料填补空隙，并将料加满。为使坩埚表而挂上一层完好光滑的釉面，可事先加入适量的碎玻璃。此阶段必须严格控制升温速度，防止坩埚产生裂纹。
完全烧结阶段：当温度升1500℃，恒温3小时。此阶段是鳞石英向方石英转变的过程，烧结层的厚度很大程度上取决于这一过程。高温烧结时，金属液应尽量地熔满炉，使整个炉衬受热均匀，经烧结后得到理想的工作层；坩埚的烧结结构是提高其使用寿命的基础，如果烧结层厚度不足，坩埚的使用寿命会明显降低。
4、熔炼控制的影响：坩埚的熔炼控制（操作使用）及现场管理对感应电炉炉龄也有很大影响，尤其是新坩埚前期的使用操作影响更为显著。第一炉熔化因为炉衬的烧结层薄（强度还不高），所以升温时应使用较小的功率，避免过强的电磁搅拌加大金属液对炉衬的冲刷作用，影响烧结层（工作层）形成足够的厚度。同时，前三炉水不能一次倒空，第一炉出水30%，第二、三炉各出水50%（此后，可自行决定出水情况），使用的前一周应尽可能避免冷炉，否则急冷急热造成炉衬产生裂纹，过早出现坩埚损伤而降低炉龄。建议尽量集中生产，减少停炉次数。一但停炉，也应尽可能使炉内温度保持在600~800℃。节假日如需停炉，应使最后一炉铁水出净，并快速冷却，重新起炉时，升温至700℃时保温半小时以上，再快速升温，以使炉衬在冷却后产生的裂纹在金属液之前弥合，防止金属液渗入炉衬内部。对间断使用的电炉可参考以上方法进行冷炉和起炉。
其次，熔炼过程中金属液面的高度及炉渣对坩埚炉衬亦有影响，应经常改变熔池内金属液面的高度，但波动不能太大（±5~10%为宜），避免熔渣固定一点形成，使渣线部位炉衬的侵蚀、冲刷过快；冶炼过程中还需要勤扒渣，减少炉渣对炉衬的侵蚀。此外，加料时应尽量避免料砸坩埚，使坩埚受到伤害，尤其是冷炉后坩炉受到冲击时，裂纹会增大，金属液渗入的可能性也随之增大，从而降低了坩埚的使用寿命。
五、提高感应电炉炉龄的实践经验。
感应电炉炉衬的使用寿命对于需要连续大规模生产的冶金、铸造等企业来说具有重大意义。我公司是承建铝工业建设项目的专业公司，从1993年国家重点工程广西平果铝一期十万吨电解铝项目起，开始大量使用感应电炉进行铝电解槽阳极炭块磷生铁浇注。因考虑成本和效率以及浇注任务集中、量大、点多、面广、流动性强的特点，主要采用了0.5～1t无芯中频感应酸性电炉。从近二十年的实践经验来看，炉衬寿命平均达到200炉以上，最高达到320多炉。以下简要介绍我公司提高感应电炉炉龄方面的一些经验，供参考和交流。
提高感应电炉的炉龄是一个系统工程，必须做好以下各方面的工作：
1、前期准备工作：前期的准备工作很重要，主要包括两个方面。一是要根据任务的性质，即产量、规模、场地以及金属冶炼环境的要求来选择适宜的炉型，以降低成本，提高效益；二是要对选用的设备、材料、生产环境进行认真清理，消除可能存在的隐患。包括电气系统、水冷循环系统、感应线圈、绝缘材料、耐火材料的检查和处理。
2、制定严格的筑炉工艺、筑炉操作规则和烘炉烧结工艺：如上述分析，筑炉工序和烘炉烧结对炉龄有重大的影响，针对所选用的炉型必须制定具体的筑炉工艺、筑炉操作规则和烘炉烧结工艺。这里必须强调执行工艺规则的严肃性，因为这是提高炉龄的基础工作和不断积累经验和总结改进的重要依据。
3、使用维护：感应电炉的炉龄虽然主要取决于耐火材料、筑炉和烘炉烧结工艺，但操作使用和维护、现场管理也起着很重要的作用。比如：加料方法、炉料成分、电炉工作温度、工作班次、冷炉情况、补炉修炉情况等。
炉衬一旦侵蚀破坏、裂纹严重，必须停下来即时大修。拆炉时从炉衬断面可分析炉子服役期间的大部份情况，可在炉底、炉壁上、中、下部各取一点样品，收集起来，并作好记录，仔细观察分析，找出原因，提出改进办法，对提高炉龄有很大帮助。
参考文献：
1、《造型材料》昆明工学院陈永明主编云南人民出版社
2、《铸钢及其熔炼》大连工学院李隆盛主编机械工业出版社
3、《预焙阳极铝电解槽阳极炭块组装工法》中国有色金属工业七冶建设公司和丽锋
4、《GW系列中频无芯感应熔炼炉产品说明书》沈阳市铸研中频技术开发公司
