有芯感应炉用耐火材料的发展

（广州耐火材料厂，广东 广州 510300）

有芯感应炉是利用电磁场感应原理，将电能转化为热能，使金属炉料发热熔化的设备。有芯感应炉是有铁芯穿过感应器，用工频电源供电。有芯感应炉具有加热快、生产率高、电效率高、金属烧损少、质量好、操作方便、劳动条件好，投资少、上马快、经济效益显著等优点，广泛用于化铁、化铜、化锌、化铝等行业。对于单一品种大批量冶炼的物料，有芯感应炉有其优越性。由于熔沟与炉底结构复杂，工作条件苛刻，目前受耐火材料等条件限制，还不适于熔炼钢。我国有芯感应炉最大容量达270 t[1，2].

有芯感应炉用耐火材料的选择非常重要，直接关系到炉子的使用效果。有芯炉用耐火材料分为：背衬耐火材料和炉衬耐火材料，背衬材料一般为陶瓷保温纸、保温砖及重质砖；而炉衬材料，在炉体，喉部和感应体等部位要按熔炼金属的种类，熔炼温度等选用不同的耐火材料。

1 有芯感应炉的结构及工作原理[3]

有芯感应炉的结构及工作原理类似于变压器，一次绕组为铁芯上的多匝线圈，二次绕组为闭合的金属熔沟。有芯炉分为上下炉体，上炉体有炉盖、炉膛；下炉体为感应体，有熔沟等。其工作原理相当于短路状态下工作的变压器。炉子本身相当于一个带铁芯的变压器，感应线圈相当于变压器的一次线圈，熔沟中的金属相当于变压器的二次线圈。将工业频率的交流电引进一次线圈时，通过电磁感应，在熔沟金属中将产生很大的电流。在热对流及电磁力的作用下，熔沟内热量不断传递到熔沟上部熔炉中的金属，从而使整个熔池内的金属熔化。因只有在熔沟闭合状态下有芯感应炉才能正常运行，所以适于连续作业。

2 有芯感应炉各部位耐火材料的使用要求[4]

有芯感应炉按部位分为炉盖、炉膛、喉部和熔沟四部分，其喉部和熔沟是关键直接影响炉子的寿命和运行成本。

2.1 炉盖

因为不与熔化的金属液接触，炉盖对耐火材料的要求相对较宽松，要具有抗高温辐射能力，保温性能好，结合强度高，不会掉落。一般由保温层和热面层复合构成，即由轻质保温材料与重质耐火材料构成。

2.2 炉膛

炉膛内衬的使用寿命主要取决于耐火材料与渣中侵蚀成分之间的反应，而耐火材料的物理性能属次位。因此要求耐火材料在长期经受高温的金属液体作用下，化学稳定性要好，能够抵抗金属液和渣的侵蚀。要耐高温金属液的强烈冲刷，尤其是进铁口与出铁口部位。要求在高温或冷却后无过大膨胀或收缩，有良好的体积稳定性，在使用中不开裂、不剥落。还要求有足够的常温及高温强度，能抵抗炉体承受的机械作用。

2.3 感应器

感应器包括熔沟部位，封口料，修平料和隔离料。

1）熔沟：有芯炉是金属液通过熔沟感应加热，在循环流动中实现升温或保温的目的。因此要求干式振动料长期耐高温而不软化，有良好的抗冲刷及抗侵蚀性，有良好的化学稳定性和较高的强度。

2）封口料：要求与熔沟料材质相同或相近，且有高的耐火性能和适当的低温与高温强度。

3）修平料：要求具有小的临界颗粒，高的耐火性能，良好的涂抹性。

4）隔离料：要求有很高的耐火性能，防止对接面烧结在一起，并保证对接面不渗漏金属液。

3 有芯感应炉用耐火材料的选择

3.1 化铁炉[5，6]

工频有芯炉的效率和功率因数比无芯炉高，电气设备投资少，熔池的绝热层厚，散热少，因而炉子的经济性好。大吨位炉的铁液温度比较稳定，密封好，长时间保温对铁合金成分损失少，所以用它来过热铁液，提高浇铸温度，能显著改善铸件质量；还可以用来兼作浇铸装置，如气压浇铸炉。特别适合大批量连续生产，目前一些大企业都使用30 t 以上的有芯工频感应炉。特别是开炉后不能任意停炉，要连续运行下去，越长越好。制约炉子运行的原因，往往是炉衬耐火材料损坏而被迫停炉，所以分析炉衬损毁原因，研究提高耐火材料使用寿命，是发挥这一设备优越性的关键。

用于化铁的有芯感应炉分为：灰铁炉和球铁炉。灰铁炉出铁温度为1 420 ℃～1 470 ℃，对于灰铁熔化炉或保温炉而言，炉渣呈酸性；球铁炉出铁温度为1 530 ℃，渣的化学性质随冶金过程变化而呈酸碱交替变化，炉衬要选中性耐火材料。由于出铁后温度剧变，虽留一部分铁水，但降温也在300 ℃～400 ℃，如更换感应器1 h～2 h，会降的更低，所以炉膛内衬的抗热震性要好，其次是铁液和渣及球化剂对炉膛内衬的侵蚀，以及铁翻滚产生的机械冲刷和液面波动时对内衬的机械冲刷，也要求内衬有一定的强度。

炉膛的损毁现象：主要是出铁后炉衬开裂，裂缝没有固定规律，纵向、横向、斜向都有，且缝隙宽度较大，当纵横裂纹交汇时就会产生大块剥落，还有铁液渗入裂缝，加快开裂速度。尤其进铁口部位损毁严重。分析进铁口蚀损、炉壁结构剥落与蚀损、感应器结瘤堵沟等产生原因，提出改进措施，选用合适的耐火材料，情况如下：

1）炉盖：大都采用硅酸铝纤维作衬里。或者保温层以高铝矾土轻质砖粉及空心球颗粒为主，铝酸盐水泥结合的浇注料，辅以锚固件或锚固砖，多采用耐热钢铆钉和耐热钢网，将其固定在炉盖壳体上。

2）炉膛：采用电熔刚玉为骨料和粉料，纯铝酸钙水泥及SiO2、Al2O3超微粉结合的低水泥浇注料。为了提高抗热震性，而炉内又多为还原气氛，浇注料中可加入适量含铁低的SiC 粉。炉内衬寿命很大程度受感应器耐火材料寿命及更换次数的影响，一般为2～3 年左右。

3）感应器：包括熔沟部位、封口料、修平料和隔离料。熔沟：普遍采用w（MgO）＞79%，w（Al2O3）＞17%的MgO—Al2O3质干式振动料或浇注料。干式振动料是一种几乎不含水分和任何液态加入物，经短时间振动成型后，不需烘烤即可投入使用的热固性不定形耐火材料。加热时，工作层陶瓷化具有较高的强度，非工作层保持未烧结状态。在使用过程中，由于未烧结的非工作层可吸收工作层产生的应力，防止工作层产生裂纹或裂纹扩展，保证设备安全运行。与其他不定形耐火材料相比，干式振动料施工方便，施工时间短，耐热震性好，用好后拆除方便；用于感应器上可排出电击穿或短路的危险。干式振动料的性能及使用效果与充填的密度有关系。合理的颗粒级配是提高充填密度的关键，采用多个振动器复合震动成型能获得更高的充填密度，其次干式振动料的物理性能还与烧结剂和加入量有关系，一般采用硼酸或磷酸盐，加入量不能过大，否则会造成收缩大，气孔率高，使用效果不好。封口料一般采用与熔沟相同材质的干式捣打料或湿式浇注料，临界颗粒为4 mm，烘干后抗折强度0.3 MPa 左右。选用Al2O3质封口料时，也可采用纯铝酸钙水泥或磷酸做结合剂，尤其快换感应器时，采用磷酸结合剂，可防止接合面出现爆裂，提高对接速度和效率。修平料：一般为Al2O3-SiO2质湿式涂抹料，临界颗粒为2 mm，烘干后强度不高。隔离料：普遍采用Cr2O3粉，是因为Cr2O3比炉膛的Al2O3质料或感应器的MgO-Al2O3质料烧结温度高，在使用温度下基本不产生陶瓷烧结层，以利于感应器和炉体喉部耐火材料分离，其颗粒为0.043mm.

实践表明：低水泥刚玉质浇注料，在有芯感应工频炉炉体使用，长期在1 500℃下，经高温熔体的冲刷与侵蚀，炉体无明显变化，无开裂、剥落等现象，使用寿命达三年以上；MgO-Al2O3质干式振动料及其配套的封口料、修平料、隔离料在700 kW 感应器上使用寿命在半年以上，而在其他感应器上使用寿命达1～2 年。

3.2 化铜炉[7，8]

有芯工频感应炉具有电效率高，加热快、金属烧损少等优点，目前世界有90 以上的黄铜及铜合金在这种炉中熔炼。我国常用的熔铜炉容量有1.5 t、2.0 t、5.0 t，最大的有30 t.熔炼铜温度介于1 200 ℃～1 350 ℃（铜的熔点960 ℃），熔沟达1 350 ℃～1 450 ℃.铜液黏度小（接近水的黏度0.1Pa·s），密度大，具有很强的渗透性；且渗透的铜易氧化，并伴随体积膨胀，致使炉衬产生龟裂、剥落，从而降低炉衬寿命。

影响炉衬寿命的因素很多，取决于耐火材料的选择、筑炉方法、烘烤制度、熔沟维护和监测、以及熔沟形状和炉子结构等。我国熔炼铜的工频有芯感应炉，先从国外引进熔铜炉，采用莫来石、刚玉质耐火材料，使用寿命一般在6～12 个月，最长达4 年以上。从20 世纪80 年代开始，国内开始研究，并制造出中国的工频有芯感应炉，经过多次改进，有些炉子的性能及使用寿命，接近或达到国外同类产品的先进水平，但还有不少炉子存在炉龄短的问题。其原因是多方面的，首先是用石英砂的捣打料做内衬。用石英砂虽然成本低、烘烤快，但寿命短。如某单位采用石英砂加入硼酸和玻璃粉的捣打料捣打内衬，其致密度由1.9 g/cm32.65 g/cm3炉衬的使用寿命由不足2 个月提高到10 个月。

江西一家工厂采用的石英砂，提高到要求SiO2含量必须大于98%，不存在黄或黑色杂质，并有严格的颗粒级配：5～10 目15%；20～40 目20%；40～70目20%；70～140 目20%；270～320 目25%，外加粒度小于0.5 mm 的硼砂3.0%作为黏结剂。在精心施工、保养和维护下，使用寿命一般能达到1 年。因而，在提高材料致密度和烧结程度的同时，一些单位采用Al2O3含量大于80%以上的高铝矾土浇注料或捣打料。如广州铜材厂就是采用这种浇注料，其施工步骤是：安装底模板、黏贴石棉板、砌保温砖、安装筑炉模板、最后浇注高铝质低水泥浇注料，然后进行脱模、养护等。比传统的石英砂内衬使用寿命长。正确的筑炉方法是保证熔铜炉开炉成功的基本前提。选用合适的捣打料，其颗粒级配合理，添加一定比例的红柱石、碳化硅是提高烧结强度的有效措施。筑炉时，采用分层递降厚度的加料方式：打结层的表面层拉毛并掏出细粉，有利于料层间的粘结。采用中心环形辐射式向外逐圈打结方法，二级密实的捣打工艺，并进行三段式烘炉启炉，有效的延长炉龄。进口的硅线石、莫来石质砖在熔铜炉和保温炉的内衬及喉部使用寿命可达4 年以上。我国某单位在特级高铝矾土中加入钢纤维，提高材料的抗剥落能力。这种材料也取得与进口料同样的结果。

一般炉体内衬寿命与感应体寿命是不同步的，如某企业从芬兰引进300 kW 有芯感应熔铜炉，上炉体寿命可达7 年左右，而感应体寿命只有5 个月左右。

更换一次感应体要一周时间，而且生产后1～2天时间内铜杆质量不稳定。经论证改造了熔沟形状，将耐火衬板改成不锈钢水冷套，使感应体的寿命大大延长。广州铜材厂对感应体，按熔炼的铜合金品种采用不同材料捣打施工，黄铜采用石英砂捣打料；青铜、紫铜采用碳化硅捣打料，使用寿命低于上炉体的寿命。大部分企业感应器熔沟部位耐火材料选用烧结较好的以莫来石和刚玉为主晶相的特级高铝矾土为主，加入适量的碳化硅细粉，改善材料的润湿性，抵抗铜液的强渗透性。其施工方法：可采用磷酸盐结合剂的捣打施工，或者采用加入助烧结剂的干法振动成型施工。取得比较好的使用效果。

3.3 化锌炉[9，10]

工频有芯感应炉广泛用于电解阴极锌片的熔铸、热镀锌、锌合金等锌加工行业。锌的熔点为419.5 ℃，正常浸锌时，熔池温度在460 ℃～485 ℃左右，熔沟在600 ℃～670 ℃左右，锌液特别容易流动，渗透性非常强。当耐火材料炉衬受到侵蚀，产生裂纹，锌液进入裂纹内，破坏炉体，造成熔沟口堵塞及感应体漏锌等现象，被迫停炉抢修。目前熔锌炉内衬采用Al2O3含量85%左右，ω（SiO2）＜8%，ω（Fe2O3）＜0.9%的高铝矾土质浇注料或捣打料，使用寿命可达4～8 年及以上。感应体使用的可靠性及使用寿命的长短，直接关系到炉子的正常运行，影响连续化生产。感应体的使用寿命除了与感应线圈、冷技术、绝缘技术等感应体本身的因素有关外，还与熔沟耐火材料的使用寿命密切相关。目前，大型双沟感应体采用湿法浇注料，单沟感应体主要采用干式捣打料和湿法浇注料。表1 表示出两种不定形耐火材料的施工工艺和性能特点。

表1 干式捣打料和湿法浇注料的比较

赵敬忠等人分别选用熔融石英、堇青石、二级铝矾土熟料、焦宝石、烧结及电熔莫来石六种热膨胀系数较低的原料做骨料，加入刚玉微粉强化基质并增强结合作用，以及以铝酸盐水泥为主的复合结合系统，添加在400 ℃以上产生膨胀的膨胀剂、高效减水剂、抗浸润剂等，并做了颗粒级配等试验。结果得出：以莫来石为骨料，加入刚玉微粉，铝酸盐水泥为主的复合结合系统的浇注料，经800 ℃处理后的性能：耐压强度60 MPa，抗折强度9.8 MPa，显气孔率15.6%，烧后线变化率+0.027%，体积密度2.87 g/cm3，抗热震性＞50 次。在容量为20 t 的有芯熔锌感应炉上使用寿命达24 个月。

3.4 化铝炉[12]

由于有芯炉的连续作业，其能耗低于无芯炉。因此一些大型企业广泛采用有芯感应炉熔化铝锭，废铝材及铝合金等物质。铝的熔点为660 ℃，熔液粘度小，渗透性很强；铝的化学活性高，高温下起强还原剂作用，易与耐火材料发生化学反应。尤其在耐火材料-铝液-气相三相交界处，Al 及其合金元素，如Mg、Si、Mn 等易渗入耐火材料中，发生氧化还原反应，导致耐火材料变质，结构疏松而损坏。有芯炉的炉衬材料分为炉盖（与熔铁炉盖基本相同，不再重复）、炉膛、喉部和感应器熔沟四部分耐火材料。特别是熔沟的耐火材料最为关键，直接影响炉子的寿命。

1）炉膛用耐火材料：一般选用性能优良的低气孔率、高密度的高铝砖砌筑，并要减小砖缝宽度。近年来，普遍采用高铝质浇注料，一般选用以刚玉、莫来石为主晶相的高铝矾土质，以纯铝酸钙水泥为结合剂的浇注料。如河南某公司开发的熔铝炉用浇注料，采用一级高铝矾土熟料做骨料和粉料，加入黏土做烧结剂、蓝晶石为膨胀剂、以及复合结合剂的浇注料，在使用时表现中温强度高、呈膨胀状态，抗渗透、抗侵蚀，使用寿命达4、5 年。

2）喉部及熔沟用耐火材料：喉部和熔沟结构复杂，主要采用不定形耐火材料，主要是以刚玉、莫来石为主晶相的高铝质浇注料，主要化学成分为：ω（Al2O3）＞85%，ω（SiO2）＜10%，ω（Fe2O3）＜15%；110 ℃干燥24 h 后耐压强度为66.3 MPa，850 ℃，5 h烧后耐压强度为56.0 MPa，而抗折强度为14.7 MPa；800 ℃，30 min 的高温抗折强度达13.2 MPa；烧后线变化率为-0.16%；体积密度＞2.6 g/cm3.其浇注料在使用过程中无反应迹象，抗冲刷、耐磨损。对于熔铝炉用耐火材料来说，特别要重视铝液的渗透性，铝液750 ℃时的黏度为0.104 Pa·s 与20 ℃水的黏度（0.10 Pa·s）相当。当铝液进入气孔和裂纹中，就会与耐火材料发生反应，产生体积效应，破坏内衬，降低感应炉的使用寿命。为此，对熔铝炉用高铝矾砖和高铝质浇注料中的抗铝液润湿剂进行大量研究，从某国进口的熔铝炉用高铝砖中分析出钡的化合物成分；我国在熔铝炉用高铝质浇注料中加入反润湿剂进行了系统研究，得出：浇注料中加入BaSO4质量分数为3%时，效果较好；加入铬刚玉和氮化硼也较好，但成本较高。将BaSO4或CaF2与Na3AlF6复合加入，并将浇注料基质进行均化处理，抗铝液的渗透性能更好。

4 有芯感应炉的维护与修补

做好有芯感应炉的维护和监测，发现问题及时处理，特别是发现内衬损坏之处，及时修补，是保证炉子正常连续运作，提高使用寿命的重要措施。

4.1 维护与监测[13]

在炉子正常运行时，应该加强炉衬，特别是熔沟运行状态的监测与控制。并做好日常的维护工作。在开炉过程中，应严格控制熔沟样板的铸造质量，熔沟周围打结料的致密度，水冷套冷却水流量，炉膛温度，熔沟温度和输入功率等工艺因素，以防断沟。

长期以来，熔沟事故是有芯感应炉的主要问题，若处理不当，极易造成炉体报废，生产全线停产。对于炉衬的日常维护，应该以下事项：

1）任何时候，不得任意停水或停电；

2）为了延长熔沟寿命，在加料过程中，要特别小心，不得撞坏炉底，要及时清理熔沟上部的炉渣；

3）经常注意熔化炉和保温炉的电流变化情况；

4）注意观察熔沟形状；

5）尽量减少停炉和部位次数，操作不当，往往会造成熔沟断裂；

6）定期扒除炉膛内的炉渣，并观察有无块状炉料；

7）监测冷却水进，出口的温差；

8）定期测量炉体及感应器表面温度，并进行综合比较分析。应该采取熔炼-保温-熔炼交替进行的生产方式，以防止停炉时断沟。

4.2 炉衬的修补[14]

炉衬的修补包括热修补和冷修补。热修补在炉子的部位上有一定的局限性，目前限于出金属口及喉部的修补。为了提高修补材料的施工性能，应用干振料及塑性料，改进了操作者的劳动条件，使用效果也比较好。刘立群[15]对熔锌炉熔沟漏锌后的修复，是根据裂缝大小及情况，漏锌不严重的可以修补，要选择筑感应体一致的材料，用粉末状细料。其工艺是，沿裂缝锉一条平整的小沟，尽量锉成内‘八’字形状，不能太深，因炉衬厚度只60 mm～70 mm.对于冷修补，喷补工艺及材料可以对炉衬整体进行修补，在不拆除主体材料的基础上，只补足侵蚀部分，减少耐火材料的消耗，实现用后耐火材料的零排放，节能环保。

还有的是采用预制熔沟，在液态下修复[16]，预先设计好熔沟的形状、尺寸大小，然后按捣打料配方：ω（Al2O3）＞75%，ω（Fe2O3）＜3%的高铝矾土骨料70%，细粉30%，浓度55%的磷酸做结合剂，外加铝矾土水泥2%为促凝剂进行备料，再按设计要求捣制成一套装配式预制熔沟，在不停电液态现场检修安装。这样可以降低物质消耗，减少维修费用，减轻劳动强度。

吴国华等人[17]在熔铜炉上，采取用钻取穿过断沟高发区部位的深孔，往孔内灌注熔锡或填装鳞片状石墨粉作为导电体，接通（或部分接通）已断裂的熔沟，恢复熔沟的导电能力。并对断沟也做了预防：正常停炉时，尽量移净炉内的金属液体，仅保留熔沟内的部分熔体，并在断沟高发区插入相应长度的石墨碳棒，一旦发生断沟，石墨棒可作为导体导通断沟裂纹。如果石墨棒被拉断，清除石墨棒，浇入熔锡或填装石墨粉修复熔沟。

吴予才[18]采用‘熔沟冷结法’修理大型有芯感应炉。云南铜业引进40 t 双感应器工频有芯感应炉，喉部是用浇注料。原来是一边喉部耐火材料损坏，必须把另一边也拆除，两个感应器和喉部都检修，才能达到使用要求；2004 年10 月在一边喉部损坏的情况下，只修理损坏一边，对未损坏一边的喉部和感应器用冷铜冻结，再重新开炉，获得成功。这样节省一个感应器和少修一边炉喉，节约修炉时间近一周，节约了材料和成本。

有芯工频感应炉的维护和修补方面的工作内容，各单位根据本身的实践，都有自己的经验或教训，总结出提高生产效率，节约成本，减轻劳动强度的资料[19]。

5 结束语

有芯工频感应炉以其较大的容量，可调的金属供应量及优良的节能性能，成为众多大型企业的首选的保温设备。近年来，随着大功率感应器的出现，有芯感应炉开始作为熔炼设备生产使用。

有芯工频感应炉的结构，主要有炉体和感应体两大部分：炉体分为炉盖和炉膛，炉盖由钢结构和保温材料与高铝矾土浇注料复合筑成，无论熔炼任何金属，炉盖用耐火材料的情况都差不多；炉膛除了保温材料外，接触金属液的耐火材料发展，经历了捣打料、干振料、传统浇注料、低水分浇注料、超低水分超低水泥浇注料等。熔炼金属不同，其炉衬耐火材料的材质有些差别而使用寿命也不同，如化铁炉用高铝矾土及刚质振捣料或浇注料，使用寿命在2～3 年；化铜炉用特级高铝矾土加钢纤维，磷酸盐结合的捣打料或干振料，使用寿命在4～7 年；化锌炉用高铝矾土的捣打料或浇注料，使用寿命在4～8 年;化铝炉由高铝砖或加反润湿剂的高铝质浇注料的内衬，使用寿命在3～5 年。感应体用耐火材料，主要是熔沟，化铁炉用MgO-Al2O3质干振料；其他有色金属大都用高铝矾土浇注料，使用寿命普遍在半年左右。为了提高寿命，降低生产成本，对炉衬，特别是熔沟进行精心维护和修补。