中頻感應電爐熔煉鑄造需要注意哪些問題？
隨著感應電爐在鑄鋼業(yè)界應用的發(fā)展，自上世紀80年代起，鋁鎂尖晶石型爐襯材料的應用逐步受到重視，目前，各工業(yè)國家鑄鋼業(yè)界所用的坩堝式感應電爐，基本上都采用尖晶石型爐襯。
近年來，我國也有一些鑄鋼企業(yè)采用了尖晶石型爐襯材料，其中，有些廠家是購買國外廠商預配好的材料，雖然使用效果很好，但生產成本提高很多，而且對它的特性不甚了解。在此，我主要是想介紹一些有關尖晶石型耐火爐襯的特性，供業(yè)界同仁自行配制爐襯材料、進一步改進爐襯材料時參考。同時，鑒于目前硅砂爐襯、鎂砂爐襯、氧化鋁質爐襯在我國鑄鋼業(yè)界還都有應用，也順便對這些材料的特性作一點簡單的介紹，供參考。
（1）硅砂爐襯
以硅砂為基本耐火材料修筑的爐襯，通常也稱為酸性爐襯。硅砂的優(yōu)點很多：首先是是資源豐富、價格低廉；而且以硅砂為基本耐火材料制成的坩堝，在接近其熔點的高溫下仍具有很好的強度，耐驟冷、驟熱的性能好；特別應該提到的是，爐襯燒結過程中，硅砂的石英相變膨脹能彌補燒結過程中的體積收縮，從而提高燒結層的致密度,降低爐襯燒結層中的孔隙率。因此，各國鑄造行業(yè)中，用于熔煉各種鑄鐵的坩堝式感應電爐都廣泛采用以硅砂為基礎的爐襯材料。
但是，SiO2的耐火度低，基本上就不能適應煉鋼溫度。而且，SiO2在高溫下的化學活性很強，能與煉鋼過程中的各種堿性氧化物乃至中性氧化物作用，例如，FeO與硅砂接觸后易于生成熔點為1205℃的鐵橄欖石（Fe2SiO4），鐵橄欖石還能進一步與SiO2或FeO作用，生成熔點為1130℃的共晶組分。此外，SiO2還可能被鋼液中一些活性較強的元素還原。因此，硅砂爐襯用于煉鋼，既不能保證鋼的冶金質量，也不能保證爐襯的壽命。從上世紀80年代后期起，各工業(yè)國家用感應電爐生產鑄鋼件的鑄造廠，就已經不用硅砂爐襯。據我所知，我國迄今仍有一些企業(yè)采用硅砂爐襯熔煉鑄鋼，這種狀況是亟待改進的。
（2）鎂砂爐襯
常用的爐襯材料是MgO含量為86％以上的冶金鎂砂，是由菱鎂礦經高溫煅燒制成的。如果將冶金鎂砂置電弧爐中重熔，可使其中SiO2、Fe2O3等雜質的含量降低，得到純度更高（MgO含量在96％以上）的電熔鎂砂。電熔鎂砂多用于制作真空感應電爐的爐襯。
冶金鎂砂的耐火度很高，是堿性電弧煉鋼爐的常規(guī)爐襯材料，雖然其熔點很高，不容易燒結，而且膨脹系數大，但是由于電弧爐的爐襯很厚，借助于加入大量的粘結材料、用濕法打結，完全可以彌補這方面的不足。
如果將冶金鎂砂作為感應電爐的爐襯材料，則由于爐襯厚度的制約，又不宜用濕法打結，這些不足之處的負面作用就非常明顯，因而。氧化鎂材料的制成的坩堝容易產生龜裂，間歇作業(yè)的爐子情況尤為嚴重。
（3）氧化鋁質爐襯
氧化鋁和鋯砂都屬于中性耐火材料，其中應用最廣泛的是氧化鋁，很少采用鋯砂作爐襯材料。
單用氧化鋁作爐襯材料，抗裂和防止酸性爐渣侵蝕的能力較強，但不適于造堿性爐渣。而且，由于其耐火度高、燒結性能較差，爐襯壽命也不很高。
（4）尖晶石型爐襯
尖晶石礦物具有類質同象的特征，品種很多，成分也比較復雜，其分子式可以寫成 Ｍ２＋Ｏ?Ｍ３＋２Ｏ３，式中：Ｍ２＋代表一些二價金屬原子，如Mg、Fe、Zn、Mn等；Ｍ３＋代表一些三價金屬原子，如Mg、Fe、Zn等。因而，也可寫成(Mg,Fe,Zn,Mn)O?(Al,Cr,Fe)2O3 。
尖晶石類礦物所含的二價金屬原子中，Mg２＋和Fe２＋可以任何比例互相取代；所含的三價金屬原子中，以Al３＋居多，但Cr３＋可以任何比例取代Al３＋，Fe３＋則只能在一定的限度內取代Al３＋或Cr３＋。常見的尖晶石有以下幾種：
鎂鋁尖晶石 MgO?Al2O3
鐵鋁尖晶石 FeO?Al2O3
鉻鐵礦（鐵鉻尖晶石）FeO?Cr2O3
磁鐵礦（鐵尖晶石）FeO?Fe2O3
鎂鐵尖晶石 (Mg,Fe)O?(Al,Fe)2O3
鋅鋁尖晶石ZnO?Al2O3
鎂鉻尖晶石 MgO?Cr2O3
鋅鐵尖晶石ZnO?Fe2O3
錳鉻尖晶石 FeO?Cr2O3
錳鋁尖晶石MnO?Al2O
目前，在各工業(yè)國家中，用作煉鋼用感應電爐爐襯材料的，主要是鎂鋁尖晶石（MgO?Al2O3）,通常簡稱為‘尖晶石’。純鎂鋁尖晶石中，MgO含量只不過是28.2％，但仍屬于堿性耐火材料。
鎂鋁尖晶石系材料的耐火度高，熱膨脹系數小，高溫下的熱穩(wěn)定性好、抗堿性爐渣侵蝕的能力強。尤其應該提到的是：MgO和Al2O3在燒結形成尖晶石的過程中有7.9％的體積膨脹，可以彌補燒結過程中的體積收縮，減少燒結層的孔隙率，這一點與硅砂爐襯的重要優(yōu)點是一致的。
鎂鋁尖晶石基本上沒有天然的礦產，都是由人工合成的，制備的方法有電熔和燒結兩種方式。我國冶金行業(yè)于1997年即參照美國鋁業(yè)化學公司MR66和AR76材料的規(guī)格，制定了YB/T 131-1997《燒結鎂鋁尖晶石》行業(yè)標準。
尖晶石型爐襯材料，實際上并不是全部由尖晶石構成，而是以粒狀Al2O3或粒狀MgO材料為基礎，在其中配加相應的粉狀、或細粒狀尖晶石形成材料，使之均勻分布在顆粒耐火材料之間，燒結過程中在氧化鋁顆粒之間形成鎂鋁尖晶石網絡，起結合作用。此外，還需要加入少量硼酸或硼酐，使之能在較低的溫度（1300℃左右）即形成尖晶石網絡。
美國聯(lián)合礦產公司、法國米納克礦業(yè)公司、Calderys公司等知名的耐火材料供應廠商，都有多種預配的尖晶石爐襯材料供應，可根據企業(yè)的爐型和熔煉的鋼種選用，但價格都比較高。
我以為的解決方案是：各鑄鋼企業(yè)，根據自己的各項具體條件，通過試驗優(yōu)化、選定最適宜的配比，自行配制爐襯材料。這樣，既可以確保爐襯壽命長、鋼的冶金質量高，還可以較大幅度地降低生產成本。
至于爐襯材料的組成配比，應該根據所用各種原材料的實際成分選取，并經試驗確定。確定爐襯材料配比時，可按以下的目標成分計算：
以氧化鋁為基礎顆粒材料時 保持爐襯材料中Al2O3的質量分數為85～88％左右， MgO的質量分數為22％左右；
以氧化鎂為基礎顆粒材料時 保持爐襯材料中MgO的質量分數為75～85％左右，Al2O3的質量分數為15～～22％左右
3、爐襯材料的粒度級配
坩堝的致密程度對其使用壽命有極為重要的影響，為了使坩堝致密，使孔隙率盡可能地低，必須重視耐火材料的粒度級配，使大顆粒耐火材料的空隙之間能由細粒材料充填。
為了讓大家顆粒狀材料打結以后的空隙率有比較具體的印象，這里，以理想球體堆壘的情況作作簡單的說明。
（1）緊實度一般的情況
尺寸相同的球體，以正方交錯排列方式堆壘的情況如圖1所示。每一球與相鄰的6球接觸（周圍4球，上下各1球），孔隙率為47.64%。
（2）比較緊實的情況
球體以斜方排列的形式堆壘（圖2）時，每一球與相鄰的8球接觸（周圍6球，上下各1球），孔隙率隙率為39.55%。
（3）緊實度最高的情況
緊實度最高的堆壘方式是正方交錯排列和和四面體樣排列。
均勻的球體以正方交錯排列方式堆壘時，每一球與相鄰的12球接觸，周圍4球，上、下各一4球，孔隙率為25.95％。
均勻球體以四面體樣排列方式堆壘的情況見圖3。每一球與相鄰的12球接觸，周圍6球、上、下各3球，孔隙率為25.95%，
由圖3可以計算直徑為D的均勻球體的孔隙中可以容納的小球的直徑d。
４、爐襯材料的燒結
坩堝式爐襯都是將顆粒狀耐火材料打結、舂實，再經燒結制成的。“燒結”是確保爐襯致密而具有相當強度的重要措施。
“燒結”是在高溫下使粒/粉狀集合體中顆粒的接觸面上出現液相、逐漸形成連續(xù)的網絡，進而將顆粒連接成一個整體，并借助于擴散、傳質等機制使孔隙率降低到最小程度，最終成為堅實致密燒結體的過程。
“燒結”是一項比較古老的工藝，對其進行較深入的研究則是近幾十年的事。但是，目前的認識，仍然不過是由燒結過程的宏觀觀察、并用簡化的模式考核所建立的。隨著感應電爐應用的不斷擴展，在這方面，研究、改進的空間非常廣闊。
由于受到多方面的制約，坩堝式感應電爐的爐襯厚度薄是其重要的特點，但是，經打結、燒結后的爐襯卻不能燒結成為一個整體，因為，整體燒結的爐襯中，如果某處因不可控制的因素存在薄弱環(huán)節(jié)，并在反復的熱應力作用下產生裂紋，裂紋就易于擴展到整體，從而使金屬液滲透到感應線圈，導致重大事故。
爐襯燒結后，其斷面應該是3層結構：形成爐膛、與鋼液接觸的一層是燒結層，厚度約占爐襯厚度的35～40％，其特點是燒結網絡致密、孔隙率低、強度高；與燒結層相接的是半燒結層，厚度大體上與燒結層相同，其特點是燒結網絡不完全，強度不高，因而可以緩沖燒結層所受的熱應力，如果燒結層產生裂紋，可阻止裂紋向外延伸；爐襯的外緣、在感應線圈與半燒結層之間的是未燒結層，耐火材料仍保持打結后的顆粒狀態(tài)。這一層，有隔熱的作用，并能減緩燒結層向線圈的熱傳導，其厚度約占爐襯厚度的25～30％。
尖晶石型爐襯的燒結過程，大致可分為3個階段：
階段：加熱溫度在850℃以下，主要作用是使爐襯材料比較徹底地脫水；
第二階段：加熱到850～1400℃，主要作用是形成尖晶石網絡；
第三階段：加熱到1300～1700℃，尖晶石網絡長大，在表面張力的推動下增強擴散、傳質的功能，孔隙率顯著降低，燒結層趨于緊密。
