摘要：本文介紹了感應電爐的原理及特點，并從坩堝材料、坩堝筑爐、烘爐焙燒以及熔煉控制（操作使用）等方面分析了影響感應電爐爐齡（坩堝壽命）的主要因素，介紹了提高感應電爐爐齡的實踐經驗。
　　關鍵詞：感應電爐，爐齡，坩堝，耐火材料，筑爐，烘爐燒結，燒結層，強度，壽命
　　一、前言
　　近年來感應電爐的應用發展很快，很多工廠、科研院所、學校都在使用，尤其是精密鑄造和高合金鋼鑄件的生產應用更加廣泛；我公司在鋁工業陽極炭塊磷生鐵澆注中也大量采用了感應電爐熔煉磷生鐵的技術，在取得了較好的經濟效益的同時也積累了一些感應電爐使用
　　的方面的保貴經驗，本文將結合我公司的生產實際分析影響感應電爐爐齡（坩堝壽命）的主要因素，并簡要介紹提高感應電爐爐齡的實踐經驗。
　　二、感應電爐的原理
　　感應電爐熔煉是利用交流電感應的作用，使坩堝內的金屬爐料本身發出熱量以進行熔煉的一種方法。如圖一，在一個用耐火材料筑成的坩堝外面套著螺旋形的感應器（感應線圈），坩堝內裝有金屬爐料，它有如插在線圈當中的鐵芯。當線圈上通以交流電時，由于交流電的感應作用，在金屬爐內部產生感應電動勢，并因此產生電的渦流。由于金屬材料有電阻，因而當電流通過時就會發熱，這種產生熱量的方法稱為感應加熱。感應電爐熔煉的熱量就是利用這種原理產生的。
　　
　　三、感應電爐的分類及其熔煉的特點
　　感應電爐按照結構和用途可分兩大類：有芯感應電爐和無芯感應電爐。有芯感應電爐的爐體中裝有用硅片制成的的鐵芯，在交流電感應產生磁場時鐵芯起著加強導磁的作用，適用于熔煉有色合金和熔化鑄鐵；無芯感應電爐的爐體中沒有鐵芯，適用于煉鋼和熔化鑄鐵。
　　依照交流電頻率的高低感應電爐分為高頻（10000Hz）、中頻(500~3000Hz)、工頻(50Hz)三種類型，爐子的額定容量與用電頻率之間有大致的對應關系，容量越小則用電頻率越高。
　　感應電爐熔煉有兩個比較突出的優點，一是加熱速度快，爐子的熱效率高，二是氧化燒損較輕，吸收氣體較少；感應電爐熔煉也有兩個比較突出的缺點，一是爐渣不能充分地發揮它在冶煉過程中的作用，二是如果坩堝的質量有問題容易發生漏電（電流穿過爐襯），甚至造成爐襯被擊穿或燒穿的事故。

　　四、影響感應電爐爐齡的主要因素分析
　　感應電爐的爐齡主要指坩堝（爐襯）的壽命（感應電爐結構見圖二）。坩堝是感應電爐的重要組成部件，在冶煉過程中，坩堝本身承受著各種力的作用。其中包括爐料對坩堝的沖擊力，金屬液的靜壓力，傾爐時金屬液流動引起壓力變化而產生的應力，電磁攪拌力以及坩堝的內外溫差應力，急冷急熱產生的內部應力等。此外，還要承受金屬液中碳及合金元素的還原侵蝕及金屬液的沖刷。所以，感應電爐的坩堝處在極其惡劣的環境中工作。正因為如此，要求坩堝在高溫和室溫時都必須具有一定的強度，以防開裂，滲入金屬，甚至發生穿爐事故。可以說，坩堝（爐襯）的強度是直接影響坩堝壽命的主要原因，而坩堝的強度又主要取決于坩堝的材料、筑爐、烘爐燒結工藝以及熔煉控制（操作使用）四大因素。
　　1、材料的影響：坩堝的高溫性能主要取決于所用耐火材料的物理、化學性能及礦物組成，由于耐火材料的物理、化學性能及礦物組成的不同，坩堝的性質、性能和壽命有很大的差別。用于坩堝的主要耐火材料有石英砂、鎂砂、鋁礬土砂，其性能各有優缺點，需根據金屬冶煉環境的需要加以選擇；依照坩堝材料的性質，感應電爐坩堝分為酸性、堿性、中性三種類型。酸性感應電爐的坩堝用酸性耐火材料石英砂筑成，熔煉過程中造酸性爐渣，不能脫磷和脫硫；堿性感應電爐的坩堝用堿性耐火材料鎂砂筑成，熔煉過程中造堿性渣，能夠脫磷和脫硫；中性感應電爐的坩堝用的耐火材料主要是鋁礬土砂。
　　坩堝所用耐火材料的純度和雜質含量對坩堝爐襯的強度的影響很大，尤其是石英砂和鎂砂，如果純度不夠或雜質含量超標，不但直接降低坩堝的耐火度而且影響坩堝燒結層的質量。坩堝所用耐火材料的粒度及粒度配比對坩堝爐襯的強度影響也很大，如果耐火材料的粒度以及粒度的配比不適當，會直接影響坩堝筑爐的密實度，進而影響到坩堝燒結的質量；應注意的是，爐子容量（坩堝尺寸）越大，對晶粒的要求越高。以石英砂為例：晶粒越粗大，晶格缺陷越少越好，如水晶石英砂SiO2純度高，外表潔白、透明。
　　感應電爐坩堝所用主要耐火材料的物理、化學性能及礦物組成，以及酸性坩堝、堿性坩堝、中性坩的材料配比分別介紹如下：
　　石英砂：石英砂屬酸性耐火材料，其礦物組成主要是石英、其次是長石及少量云母。石英的化學成分是二氧化硅（SiO2），比重為2.65，具有高硬度（莫氏硬度7）、高熔點（1713℃）、和熱導性較差的特性。石英在受熱過程中體積產生膨脹，這種膨脹包括溫度升高而產生的熱膨脹和石英因同質異晶轉變而產生的膨脹。石英在不同的溫度下有幾種同質異晶體：石英（α和β）、鱗石英（α、β和γ）、方石英（α和β）。其中β、γ晶型表示低溫穩定型，而α表示高溫穩定型。自然界的石英多為β石英，開始加熱時，β石英隨溫度升高而均勻膨脹，在573℃轉變成α石英，因晶型轉變而發生突然膨脹（相變體膨脹0.82%）。α石英在870℃以上和熔劑條件下會轉變成α鱗石英，但轉變很慢，升高溫度雖可加快轉變，但即使在1250~1350℃亦須一小時左右才能完成，此時體積增大。α鱗石英在1470℃以上變成α方石英（體積增大4.7%）。α方石英在1713℃以上熔化，冷卻后變成石英玻璃。石英由β←→α；鱗石英由α←→β←→γ；方石英由α←→β，這些轉變都是可逆的，但石英形成鱗石英、方石英冷卻后就不能回復成石英。
　　長石是鋁硅酸鹽，熔點（1100~1250℃）比石英低得多，硬度也比石英低，加熱過程中體積變化小，高溫時能與石英砂燒結；常見的有鉀長石、鈉長石、鈣長石，在用于坩堝的石英砂中屬于雜質。
　　云母是一種含水鋁硅酸鹽，熔點（1145~1270℃）比石英低得多，硬度也比石英低；常見的有白云母和黑云母，在用于坩堝的石英砂中屬于雜質。
　　酸性坩堝對石英砂化學成分的要求是：SiO2含量99~99.5%；雜質含量Fe2O3≤0.5%；CaO≤0.25%；Al2O3≤0.2%；以及極微量的其它氧化物。酸性坩堝材料配比見表一。
　　表一、酸性坩堝材料配比

　　鎂砂：鎂砂屬堿性耐火材料，其主要成分是氧化鎂（MgO），它是由菱鎂礦（MgCO3）在高溫下煅燒再經破碎分選而獲得。純氧化鎂的熔點為2800℃，但由于鎂砂中含有SiO2、CaO、Fe2O3等雜質，其熔點約為1840℃，熱膨脹比石英小，沒有因相變而引起的體積突變。鎂砂的莫氏硬度為4~4.5，比重約3.5左右。由于菱鎂礦煅燒技術較復雜，鎂砂價格是石英砂的6倍左右，成本較高。
　　堿性坩堝對鎂砂化學成分的要求是：MgO≥90%；雜質含量SiO2≤4%；Fe2O3≤1%；CaO≤0.5%；灼堿≤0.5%。堿性坩堝材料配比見表二。
　　表二、堿性坩堝材料配比

　　鋁礬土砂：鋁礬土主要成分是氧化鋁，系含有雜質的水合氧化鋁，是一種土狀礦物，其組成成分異常復雜，是多種地質來源極不相同的含水氧化鋁礦石的總稱。鋁礬土砂由鋁礬土在高溫下煅燒再經破碎分選而獲得，當Al2O3含量達71.8%時，其耐火度大于1800℃，屬中性耐火材料。
　　中性坩堝對鋁礬土砂化學成分要求是：Al2O3≥70%；SiO2≤20%；Fe2O3≤2%；TiO2≤1.5%；MgO+CaO+K2O+Na2O≤2%。中性坩堝材料配比見表三。
　　
　　表三、中性坩堝材料配比

　　2、筑爐的影響：坩堝筑爐是確保坩堝質量的重要環節，也是影響坩堝壽命的主要因素，筑爐質量的好壞是保證坩堝烘爐燒結質量的基礎。如果筑爐質量不好，如打結坩堝爐襯時存在分層或砂的粒度分布不均勻現象，則會增大燒結后產生裂紋的幾率和產生偏析，從而降底坩堝的強度，縮短坩堝的正常使用壽命；如果坩堝筑爐質量存在嚴重的缺陷，如爐襯打結的密實度不均勻，密度不夠或打結材料中混入了磁性雜質等，不但無法在烘爐焙燒過程中獲得滿意的坩堝燒結層，而且還有可能發生漏水和穿爐事故。所以，提高坩堝筑爐質量是提高感應電爐爐齡的重要手段之一。
　　要提高坩堝筑爐的質量，應注特別意控制以下要點：一是坩堝模外表的焊縫和過渡圓角一定要打磨光滑，同時，在坩堝模上鉆一些小孔，以利于在烘爐時排除水蒸汽，孔徑2~3毫米，每孔相隔225毫米，均勻分布；二是由于耐火材料要進行磁選處理去除磁性雜質，當下料高度＞500mm時還必須使用加料斗加料，以免砂子出現粗細顆粒分層；三是搗筑爐料應一錘壓一錘，搗錘力度均勻，逐層搗實；四是搗制過程必須連續操作，切忌筑筑停停，停停筑筑；五是爐襯搗筑的中途不宜換人操作，只有這樣，才能確保爐襯致密均勻；六是在打結完后坩堝模不取出，烘干和燒結時起感應加熱作用。
　　3、烘爐燒結的影響：烘爐燒結是決定坩堝質量的關鍵環節，也是影響坩堝強度和使用壽命的關鍵因素。經烘爐燒結后坩堝一般形成燒結層、過渡層及松散層的三層結構。燒結層是工作層，它直接與金屬液、爐渣及大氣接觸，直接承受金屬液因電磁攪拌作用對坩爐的沖刷作用，承受爐渣及合金元素的高溫侵蝕和急冷急熱產生的應力及金屬的靜壓力，故燒結層的強度和性能直接決定了坩堝的強度和性能，也即決定了坩堝的使用壽命。所以，烘爐燒結的主要目的就是要形成一層尖硬而耐磨的坩堝表面——燒結層。
　　下面以酸性石英坩堝為例，進一步分析說明烘爐燒結對坩堝質量的影響。坩堝爐襯在原輔材料選定的前提下，燒結工藝是使爐襯獲得良好顯微組織結構以充分發揮其耐高溫性能的的關鍵工序。
　　石英具有較高的熔化點（1713℃）和較差的熱導性，如不進行烘爐燒結就熔煉造成硼酸（或硼酐）與石英砂作用不充分，爐襯內外溫差應力過大，工作層處于疏松狀態，就有剝落的危險。又因石英具有如前所述的晶態轉變，所以，在烘爐燒結時必須對晶態轉變溫度進行控制，使燒結層的石英晶態轉變進行徹底，使它具有很好的高溫強度和體積穩定性。為獲得爐襯的三層（燒結層、過渡層、松散層）結構，烘爐和燒結的原則是：低溫緩慢烘爐，高溫滿爐燒結。烘爐和燒結工藝大致分為三個階段，如圖三所示：
　　
　　烘烤階段：以≤50℃/h的速度將坩堝模加熱至600℃，保溫3h，目的是徹底排除爐襯中的水分。
　　半燒結階段：以50~70℃/h升溫至900℃，保溫3小時。此階段是 a—石英向a—鱗石英轉變過程，體積變化最大，所以在900℃要確保恒溫3小時。之后以100℃/h升溫，當溫度升至坩堝模焊縫開始熔化時，即可加爐料；加料時大塊料盡量放下層和靠近坩堝壁，小塊料填補空隙，并將料加滿。為使坩堝表而掛上一層完好光滑的釉面，可事先加入適量的碎玻璃。此階段必須嚴格控制升溫速度，防止坩堝產生裂紋。
　　完全燒結階段：當溫度升1500℃，恒溫3小時。此階段是鱗石英向方石英轉變的過程，燒結層的厚度很大程度上取決于這一過程。高溫燒結時，金屬液應盡量地熔滿爐，使整個爐襯受熱均勻，經燒結后得到理想的工作層；坩堝的燒結結構是提高其使用壽命的基礎，如果燒結層厚度不足，坩堝的使用壽命會明顯降低。
　　4、熔煉控制的影響：坩堝的熔煉控制（操作使用）及現場管理對感應電爐爐齡也有很大影響，尤其是新坩堝前期的使用操作影響更為顯著。第一爐熔化因為爐襯的燒結層薄（強度還不高），所以升溫時應使用較小的功率，避免過強的電磁攪拌加大金屬液對爐襯的沖刷作用，影響燒結層（工作層）形成足夠的厚度。同時，前三爐水不能一次倒空，第一爐出水30%，第二、三爐各出水50%（此后，可自行決定出水情況），使用的前一周應盡可能避免冷爐，否則急冷急熱造成爐襯產生裂紋，過早出現坩堝損傷而降低爐齡。建議盡量集中生產，減少停爐次數。一但停爐，也應盡可能使爐內溫度保持在600~800℃。節假日如需停爐，應使最后一爐鐵水出凈，并快速冷卻，重新起爐時，升溫至700℃時保溫半小時以上，再快速升溫，以使爐襯在冷卻后產生的裂紋在金屬液之前彌合，防止金屬液滲入爐襯內部。對間斷使用的電爐可參考以上方法進行冷爐和起爐。
　　其次，熔煉過程中金屬液面的高度及爐渣對坩堝爐襯亦有影響，應經常改變熔池內金屬液面的高度，但波動不能太大（±5~10%為宜），避免熔渣固定一點形成，使渣線部位爐襯的侵蝕、沖刷過快；冶煉過程中還需要勤扒渣，減少爐渣對爐襯的侵蝕。此外，加料時應盡量避免料砸坩堝，使坩堝受到傷害，尤其是冷爐后坩爐受到沖擊時，裂紋會增大，金屬液滲入的可能性也隨之增大，從而降低了坩堝的使用壽命。
　　五、提高感應電爐爐齡的實踐經驗。
　　感應電爐爐襯的使用壽命對于需要連續大規模生產的冶金、鑄造等企業來說具有重大意義。我公司是承建鋁工業建設項目的專業公司，從1993年國家重點工程廣西平果鋁一期十萬噸電解鋁項目起，開始大量使用感應電爐進行鋁電解槽陽極炭塊磷生鐵澆注。因考慮成本和效率以及澆注任務集中、量大、點多、面廣、流動性強的特點，主要采用了0.5～1t無芯中頻感應酸性電爐。從近二十年的實踐經驗來看，爐襯壽命平均達到200爐以上，最高達到320多爐。以下簡要介紹我公司提高感應電爐爐齡方面的一些經驗，供參考和交流。
　　提高感應電爐的爐齡是一個系統工程，必須做好以下各方面的工作：
　　1、前期準備工作：前期的準備工作很重要，主要包括兩個方面。一是要根據任務的性質，即產量、規模、場地以及金屬冶煉環境的要求來選擇適宜的爐型，以降低成本，提高效益；二是要對選用的設備、材料、生產環境進行認真清理，消除可能存在的隱患。包括電氣系統、水冷循環系統、感應線圈、絕緣材料、耐火材料的檢查和處理。
　　2、制定嚴格的筑爐工藝、筑爐操作規則和烘爐燒結工藝：如上述分析，筑爐工序和烘爐燒結對爐齡有重大的影響，針對所選用的爐型必須制定具體的筑爐工藝、筑爐操作規則和烘爐燒結工藝。這里必須強調執行工藝規則的嚴肅性，因為這是提高爐齡的基礎工作和不斷積累經驗和總結改進的重要依據。
　　3、使用維護：感應電爐的爐齡雖然主要取決于耐火材料、筑爐和烘爐燒結工藝，但操作使用和維護、現場管理也起著很重要的作用。比如：加料方法、爐料成分、電爐工作溫度、工作班次、冷爐情況、補爐修爐情況等。
　　爐襯一旦侵蝕破壞、裂紋嚴重，必須停下來即時大修。拆爐時從爐襯斷面可分析爐子服役期間的大部份情況，可在爐底、爐壁上、中、下部各取一點樣品，收集起來，并作好記錄，仔細觀察分析，找出原因，提出改進辦法，對提高爐齡有很大幫助。
　　
　　參考文獻：
　　1、《造型材料》昆明工學院陳永明主編云南人民出版社
　　2、《鑄鋼及其熔煉》大連工學院李隆盛主編機械工業出版社
　　3、《預焙陽極鋁電解槽陽極炭塊組裝工法》中國有色金屬工業七冶建設公司和麗鋒
　　4、《GW系列中頻無芯感應熔煉爐產品說明書》沈陽市鑄研中頻技術開發公司