李传栻
从1899年第一台用于熔炼合金的感应电炉问世，迄今还不到120年，在此期间，感应电炉熔炼技术经历了一段应用不断扩大、设备不断改进的持续、交互发展过程，在许多方面都有了惊人的发展：在电源方面，从工频电源供电到高频发电机供电，进而到由静态变频电源供电；在炉型方面，从水平熔沟式熔炉到垂直熔沟式熔炉，进而到无芯的坩埚炉；在熔炼的合金方面，从各种有色合金到铸铁，进而到不同的钢种，包括碳钢、各种低中合金钢、高锰钢、不锈钢、耐热钢乃至镍基高温合金。
感应电炉的首创者应该是英国的Ferranti，他提出的熔沟感应电炉设计方案，于1887年获得了第一项专利。1899年，瑞典的Franklin kjellin制成了第一台水平熔沟式工频感应电炉，后来，美国的J. Wyatt对此进行了改进工作，1916年，制成了第一台垂直熔沟式工频感应电炉，用于熔炼黄铜之类的有色合金。
大约也就在1916年前后，美国的Ajax Northrop公司开发了由变频发电机供电的高频坩埚式感应电炉。这项创新随即在美国得到了很快的发展，其应用很快就从熔炼有色合金到熔炼铸铁，进而发展到炼钢。
1930年前后，变频发电机供电的高频坩埚式感应电炉，在美、欧一些工业国家（包括前苏联）得到了广泛的应用，很快就制造了容量8t的大型熔炼炉。
1930年，美国Pennsylvania州Lebanon铸钢厂就有一台高频坩埚式感应电炉投入生产，容量2000磅，熔炼的钢种有碳钢、低合金钢、CA-6NM马氏体不锈钢和CF3M奥氏体不锈钢。
1930年，日本住友公司从美国Ajax Electrothermic 公司购买了一台高频坩埚式感应电炉（发动机功率100kW，供电频率960Hz），用于熔炼铜合金及其他有色合金，这可能是日本第一台用于工业生产的感应电炉。1931年，日本东京芝浦制作所从美国Ajax Northrop公司购买了有关的专利技术，开始制造高频感应电炉。其后，日本的三菱电机公司也着手生产中频感应电炉。在这种条件下，日本坩埚式感应电炉的应用发展很快，而且熔炼的合金品种不断增多，包括各种对冶金质量有严格要求的钢种。
第二次世界大战以后，随着世界工业的发展，感应电炉熔炼技术也有了同步的发展：首先是从发动机供电的高频坩埚式感应电炉发展到中频供电；同时又推出了静态频率倍增装置，可使工频电源的频率增大到原来的3倍或5倍。从而增强了中频坩埚式感应电炉发展的势头。
随后，又开始了工频坩埚式感应电炉推广应用的新局面。从50年代初开始，欧洲比较广泛地将其用于熔炼铸铁，取代冲天炉。1970年代，装设了一台容量60t、功率21MW的工频坩埚式感应电炉，可以认为，这一发展过程也就大致达到了顶峰。
70年代中期，晶闸管静态变频中频电源问世，接着又开发了逆变变频及其控制技术，频率转换效率从早先的60～80％提高到97～98％，坩埚式感应电炉的热效率可达到70％，充分显现了新型变频感应电炉的的优越性。
从1980年起，中频变频坩埚式感应电炉在世界各国的应用迅速扩展，很快就取代了坩埚式工频感应电炉。目前，用于生产铸钢件最大的感应电炉，可能是奥钢联Voest-Alpine铸造厂装设的容量38t的炉子，功率16MW，频率250Hz，是ABP公司的IMF系列产品。用以生产涡轮机、压缩机和重型装备用的优质中、大型铸钢件。
钢铁行业采用感应电炉炼钢的也日渐增多。目前，印度Viraj制钢公司正在邻近孟买的马哈拉施特拉邦的塔拉普尔工厂装设3台IMF型感应电炉，每台容量30t，功率18MW。
一、感应电炉在铸钢业界中的应用
从上世纪30年代开始，一些主要工业国家就都有用感应电炉炼钢的报道。早期，主要用于熔模精密铸造，也生产少数小型铸钢件。
静态变频电源问世以后，随着变频设备的不断改善，感应电炉在各工业国家铸钢行业中的应用进展很快：产品从一般的小型铸件逐步扩展到重要的中、大型铸件；熔炼的钢种也从碳钢、低合金钢逐步扩展到高锰钢、工具钢、不锈钢、耐热钢以及各种高温合金。
在这种形势下，1986年，美国铸造协会铸钢分会曾确立了一项关于发展感应电炉熔炼的课题［1］。工作的第一阶段是回顾并分析有关的文献资料；工作的第二阶段是拟订一项推荐性的“感应电炉炼钢作业规程”，并在承担这一课题的铸造厂进行有目标的实际作业试验，从而对作业规程进行考核、评估。这项研究工作对感应电炉在铸钢行业中的应用是非常有益的。
我国采用感应电炉炼钢起步较晚，可查阅到的文献资料也很少。有的书上提到：“我国于20世纪40年代开始用感应电炉炼钢。”但是，迄今还未能查阅到具体的文献。
据我的一管之见，我国铸钢行业采用感应电炉熔炼大约起始于50年代后期。早期，基本上都是用于熔模精密铸造，产量也很有限。70年代末期实行改革开放政策以后，从80年代起，铸造行业持续以惊人的速度发展，以感应电炉为熔炼设备、生产铸钢件的厂家日益增多，工艺技术也不断有所改善。起初，只是用于生产质量要求一般的小型铸钢件，90年代以后，铸钢件产品的档次也逐步提高，现在已经可以生产各种优质的高合金钢铸件。
铸钢业界采用感应电炉作为熔炼设备，与用电弧炉熔炼相比，确有不少优点值得关注，这也是其应用范围不断扩展的主要原因。但是，感应电炉熔炼也有不少必须正视的问题。铸钢企业选用熔炼设备时，应该根据企业的具体条件、铸件产品的特点，从多方面作可行性分析，不能简单地追逐潮流。
尽管奥钢联Voest-Alpine铸造厂已经用38t的炉子生产铸钢件，但是，考虑到耐火炉衬和冶金质量方面的制约，我个人认为铸钢业界用的炉子还是10t以下的小型炉子为宜。在与炉外精炼设备配合使用的条件下，才可以采用更大的炉型。
确定选用感应电炉后，还要按照产品的质量要求，选定炉衬制备方案、制订熔炼作业的规程。
但是，我国铸钢业界在感应电炉熔炼方面的经验毕竟还是不多，据我所知，到目前为止，未能掌握感应电炉熔炼要点的铸钢厂家仍然不少，有的是炉衬材料选用不当，有的是熔炼作业不符合冶金要求。其中，不少企业不规范的程度已经越过了保证质量的底线，这种情况当然会影响产品的质量和档次。特别要提出的是：在我国铸钢业界，感应电炉炼钢不加炉盖可说是已成为常态，而这种作业方式是不能容忍的。首先是，由于辐射损失的热量多，导致炼钢的能耗增加10％以上。再就是，增强了钢液与大气的接触，对冶金质量的负面影响很大，如：钢液氧化的程度增强；钢液自大气吸收的气体增多；合金元素的烧损增多、收得率不稳定；钢中非金属夹杂物含量增多等等。
为了切实帮助企业掌握感应电炉炼钢的特点，切实做到在节能、降耗的基础上提高产品的质量和档次，在采用感应电炉熔炼日益增多的今天，我觉得协会的铸钢分会有必要参照美国协会铸钢分会的作法，建立一个课题组，编制推荐性的《感应电炉熔炼铸钢的工艺要点》。
二、感应电炉炼钢的长处和短处
近30年来，感应电炉在铸钢业界的应用发展很快，当然是由于其具有不少长处，但是，另一方面，它也有很多短处。选用其作为熔炼设备，一定要进行全面的分析、研究，力求扬其所长、避其所短，切不可凑热闹、赶潮流。设备选定以后，就应该对其特性有比较全面的了解，力求在节能、减排的基础上不断提高铸件产品的质量。
以下，就感应电炉熔炼铸钢的长处和短处作简单的分析，供参考。
1、长处
在铸钢熔炼方面，与电弧炉熔炼相比，采用坩锅式感应电炉有不少长处，如：
（1）感应电炉虽然也是高功率的耗电设备，但是对电网的干扰比电弧炉小得多；
（2）在对环境的影响方面 熔炼过程中噪音小、排放的烟、气、粉尘和废渣都比较少；
（3）在资源的利用方面 装炉材料（包括加入的各种合金元素）的烧损少、收得率较高。造渣材料的用量小得多，而且不用电极；
（4）在冶金功能方面 由于有电磁搅拌作用，钢液的成分比较均匀，钢液的温度也比较均匀，温度控制也比较方便，没有因电极而致的增碳问题。由于没有电弧的高温作用，也没有氮在高温下离解而易于被钢液吸收的问题；
（5）设备的投资较少，占用场地的面积也比较小；
（6）较易于实现作业的自动化。
2、短处
由于具有上述长处，自从上世纪80年代以来，坩锅式感应电炉在铸钢方面的应用发展很快，但是，坩锅式感应电炉也有其特有的短处，制约它的发展。‘如何避短？’是工艺技术人员必需面对的课题。要避短，就应该对这些短处有充分的了解。
（1）耐火炉衬方面的问题
耐火炉衬是坩锅式感应电炉的重要组成部分，确保其正常运行，对设备作业的可靠性、经济效益、安全性乃至铸钢产品的冶金质量都至关重要。
坩锅式感应电炉熔炼所用的能量，是由感应线圈产生的磁通量、通过耐火炉衬传送到炉内金属的。耐火炉衬的厚度增大，则漏磁通增大，感应器输出的功率、功率因数和电效率都随之降低。为了尽量减少平衡电容对无功功率的补偿、提高电效率，必需尽可能地使耐火炉衬的厚度减到最小。因而，在炼钢用的各种熔炉中，感应电炉耐火炉衬的厚度，比任何炉型的炉衬都小得多，但是，其作业条件却又比其他炉型的炉衬苛刻得多。
1）炉衬的内表面接触熔融的钢液、温度很高，外表面则与水冷的感应线圈相接，薄薄的炉衬中温度梯度却非常之大。
2）炉内的钢液因电磁作用而不断搅拌，增强了钢液对炉衬的冲涮，也增强了其中悬浮的氧化物对炉衬的侵蚀，而且搅拌作用也使钢液吸收气体的可能性增大。
3）如果炉衬打结的紧实度不够，或烧结不好，熔炉过程中有钢液渗入炉衬的裂隙，渗入的钢液因为有感应加热的作用，不会在裂隙中凝固，而要在裂隙中继续深入，直到接触线圈、引起短路，甚至造成重大的安全事故。
因而，对炉衬耐火材料的性能、粒度级配、炉衬的修筑、炉衬的烧结都必须严格要求，不能有丝毫马虎。
（2）冶金功能方面的问题
坩锅式感应电炉熔炼铸钢，其冶金功能比电弧炉熔炼差得多，因此，早期只能用于熔炼冶金质量要求一般的钢种，制造小型铸钢件。上世纪80年代以后，随着设备和耐火材料的不断改进，可以在熔炼过程中实施温和的氧化沸腾，增强其冶金功能，适用范围也逐步扩大到优质低合金钢、高合金钢，乃至超低碳不锈钢和各种高温合金。但是，感应电炉熔炼在冶金功能低的问题仍然不能忽视。
1）感应电炉熔炼，炉渣是靠钢液传导的热量使之熔化的，炉渣的温度低于钢液的温度，不能像电弧炉熔炼那样，经由钢液-炉渣之间的多种冶金反应，实施氧化精炼和扩散脱氧。
2）电弧炉熔炼，熔池是浅盆型，渣线部位的直径大约是熔池深度的4～5倍；坩埚式感应电炉熔炼，熔池是圆筒形，熔池的直径小于其深度，二者之比大约0.6～0.75。由此可见，感应电炉熔炼时，钢液-炉渣接触的界面比电弧炉熔炼时小得多，根本就不可能利用钢液-炉渣之间的冶金反应进行冶炼作业。
因此，铸钢企业采用感应电炉熔炼时，对炉料的要求必须非常严格：各种原材料都要确知其化学成分；装炉材料的用量都要由计算确定；废钢和回炉料都必须干燥、无泥沙、无油污；装炉材料的最大尺寸不能大于坩埚内腔尺寸的1/2。
三、炉衬
耐火材料炉衬，是坩埚式感应电炉重要组件，影响炉子的熔炼功能、钢的冶金质量，尤其关键的是作业安全。由于坩埚式感应电炉适用于各种铸造合金的熔炼，如铸铁、铸钢、铜合金、铝合金和锌合金等，小型感应电炉，炉衬可购买成型的预制坩埚。实际生产中用于铸钢的坩埚式感应电炉，一般都由铸造厂根据熔炼合金的品种选购适用的耐火材料，自行修筑炉衬，并做好烧结的作业。
1、炉衬用耐火材料的基本情况
常用于坩埚式感应电炉的几种耐火材料，基本成分和耐火性能见表1。
表1 几种常用耐火材料的基本成分和耐火性能
材料名称
硅砂
电熔镁砂
冶金镁砂
氧化铝质材料
镁铝尖晶石
化学成分(概略值)(％)
SiO2≥95
MgO≥96
MgO≥88
Al2O3≥90
Al2O3﹕MgO(71.8﹕28.2)
耐火度(概略值) (℃)
1700
2300
2000
2000
2135
最高作业温度 (℃)
1550
1800
1700
1800
1900
2、适用于炼钢用炉的衬耐火材料
随着感应电炉在铸钢业界应用的发展，自上世纪80年代起，铝镁尖晶石型炉衬材料的应用逐步受到重视，目前，各工业国家铸钢业界所用的坩埚式感应电炉，基本上都采用尖晶石型炉衬。
近年来，我国也有一些铸钢企业采用了尖晶石型炉衬材料，其中，有些厂家是购买国外厂商预配好的材料，虽然使用效果很好，但生产成本提高很多，而且对它的特性不甚了解。在此，我主要是想介绍一些有关尖晶石型耐火炉衬的特性，供业界同仁自行配制炉衬材料、进一步改进炉衬材料时参考。同时，鉴于目前硅砂炉衬、镁砂炉衬、氧化铝质炉衬在我国铸钢业界还都有应用，也顺便对这些材料的特性作一点简单的介绍，供参考。
（1）硅砂炉衬
以硅砂为基本耐火材料修筑的炉衬，通常也称为酸性炉衬。硅砂的优点很多：首先是是资源丰富、价格低廉；而且以硅砂为基本耐火材料制成的坩埚，在接近其熔点的高温下仍具有很好的强度，耐骤冷、骤热的性能好；特别应该提到的是，炉衬烧结过程中，硅砂的石英相变膨胀能弥补烧结过程中的体积收缩，从而提高烧结层的致密度,降低炉衬烧结层中的孔隙率。因此，各国铸造行业中，用于熔炼各种铸铁的坩埚式感应电炉都广泛采用以硅砂为基础的炉衬材料。
但是，SiO2的耐火度低，基本上就不能适应炼钢温度。而且，SiO2在高温下的化学活性很强，能与炼钢过程中的各种碱性氧化物乃至中性氧化物作用，例如，FeO与硅砂接触后易于生成熔点为1205℃的铁橄榄石（Fe2SiO4），铁橄榄石还能进一步与SiO2或FeO作用，生成熔点为1130℃的共晶组分。此外，SiO2还可能被钢液中一些活性较强的元素还原。因此，硅砂炉衬用于炼钢，既不能保证钢的冶金质量，也不能保证炉衬的寿命。从上世纪80年代后期起，各工业国家用感应电炉生产铸钢件的铸造厂，就已经不用硅砂炉衬。据我所知，我国迄今仍有一些企业采用硅砂炉衬熔炼铸钢，这种状况是亟待改进的。
（2）镁砂炉衬
常用的炉衬材料是MgO含量为86％以上的冶金镁砂，是由菱镁矿经高温煅烧制成的。如果将冶金镁砂置电弧炉中重熔，可使其中SiO2、Fe2O3等杂质的含量降低，得到纯度更高（MgO含量在96％以上）的电熔镁砂。电熔镁砂多用于制作真空感应电炉的炉衬。
冶金镁砂的耐火度很高，是碱性电弧炼钢炉的常规炉衬材料，虽然其熔点很高，不容易烧结，而且膨胀系数大，但是由于电弧炉的炉衬很厚，借助于加入大量的粘结材料、用湿法打结，完全可以弥补这方面的不足。
如果将冶金镁砂作为感应电炉的炉衬材料，则由于炉衬厚度的制约，又不宜用湿法打结，这些不足之处的负面作用就非常明显，因而。氧化镁材料的制成的坩埚容易产生龟裂，间歇作业的炉子情况尤为严重。
（3）氧化铝质炉衬
氧化铝和锆砂都属于中性耐火材料，其中应用最广泛的是氧化铝，很少采用锆砂作炉衬材料。
单用氧化铝作炉衬材料，抗裂和防止酸性炉渣侵蚀的能力较强，但不适于造碱性炉渣。而且，由于其耐火度高、烧结性能较差，炉衬寿命也不很高。
（4）尖晶石型炉衬
尖晶石矿物具有类质同象的特征，品种很多，成分也比较复杂，其分子式可以写成 Ｍ２＋Ｏ·Ｍ３＋２Ｏ３，式中：Ｍ２＋代表一些二价金属原子，如Mg、Fe、Zn、Mn等；Ｍ３＋代表一些三价金属原子，如Mg、Fe、Zn等。因而，也可写成(Mg,Fe,Zn,Mn)O·(Al,Cr,Fe)2O3。
尖晶石类矿物所含的二价金属原子中，Mg２＋和Fe２＋可以任何比例互相取代；所含的三价金属原子中，以Al３＋居多，但Cr３＋可以任何比例取代Al３＋，Fe３＋则只能在一定的限度内取代Al３＋或Cr３＋。常见的尖晶石有以下几种：
镁铝尖晶石 MgO·Al2O3 铁铝尖晶石 FeO·Al2O3铬铁矿（铁铬尖晶石）FeO·Cr2O3 磁铁矿（铁尖晶石）FeO·Fe2O3
镁铁尖晶石 (Mg,Fe)O·(Al,Fe)2O3 锌铝尖晶石ZnO·Al2O3
镁铬尖晶石 MgO·Cr2O3 锌铁尖晶石ZnO·Fe2O3
锰铬尖晶石 FeO·Cr2O3 锰铝尖晶石MnO·Al2O3
目前，在各工业国家中，用作炼钢用感应电炉炉衬材料的，主要是镁铝尖晶石（MgO·Al2O3）,通常简称为‘尖晶石’。纯镁铝尖晶石中，MgO含量只不过是28.2％，但仍属于碱性耐火材料。
镁铝尖晶石系材料的耐火度高，热膨胀系数小，高温下的热稳定性好、抗碱性炉渣侵蚀的能力强。尤其应该提到的是：MgO和Al2O3在烧结形成尖晶石的过程中有7.9％的体积膨胀，可以弥补烧结过程中的体积收缩，减少烧结层的孔隙率，这一点与硅砂炉衬的重要优点是一致的。
镁铝尖晶石基本上没有天然的矿产，都是由人工合成的，制备的方法有电熔和烧结两种方式。我国冶金行业于1997年即参照美国铝业化学公司MR66和AR76材料的规格，制定了YB/T 131-1997《烧结镁铝尖晶石》行业标准。
尖晶石型炉衬材料，实际上并不是全部由尖晶石构成，而是以粒状Al2O3或粒状MgO材料为基础，在其中配加相应的粉状、或细粒状尖晶石形成材料，使之均匀分布在颗粒耐火材料之间，烧结过程中在氧化铝颗粒之间形成镁铝尖晶石网络，起结合作用。此外，还需要加入少量硼酸或硼酐，使之能在较低的温度（1300℃左右）即形成尖晶石网络。
美国联合矿产公司、法国米纳克矿业公司、Calderys公司等知名的耐火材料供应厂商，都有多种预配的尖晶石炉衬材料供应，可根据企业的炉型和熔炼的钢种选用，但价格都比较高。
我以为最好的解决方案是：各铸钢企业，根据自己的各项具体条件，通过试验优化、选定最适宜的配比，自行配制炉衬材料。这样，既可以确保炉衬寿命长、钢的冶金质量高，还可以较大幅度地降低生产成本。
至于炉衬材料的组成配比，应该根据所用各种原材料的实际成分选取，并经试验确定。确定炉衬材料配比时，可按以下的目标成分计算：
以氧化铝为基础颗粒材料时 保持炉衬材料中Al2O3的质量分数为85～88％左右， MgO的质量分数为22％左右；
以氧化镁为基础颗粒材料时 保持炉衬材料中MgO的质量分数为75～85％左右，Al2O3的质量分数为15～～22％左右.
3、炉衬材料的粒度级配
坩埚的致密程度对其使用寿命有极为重要的影响，为了使坩埚致密，使孔隙率尽可能地低，必须重视耐火材料的粒度级配，使大颗粒耐火材料的空隙之间能由细粒材料充填。
为了让大家颗粒状材料打结以后的空隙率有比较具体的印象，这里，以理想球体堆垒的情况作作简单的说明。
1）紧实度一般的情况
尺寸相同的球体，以正方交错排列方式堆垒的情况如图1所示。每一球与相邻的6球接触（周围4球，上下各1球），孔隙率为47.64%。
图1 正方交错排列的均匀球体
由图1很容易求得，直径为D的大球的空隙中，可以容纳的小球的最大直径
2）比较紧实的情况
球体以斜方排列的形式堆垒（图2）时，每一球与相邻的8球接触（周围6球，上下各1球），孔隙率隙率为39.55%。
图2 斜方排列的均匀球体
3）紧实度最高的情况
紧实度最高的堆垒方式是正方交错排列和和四面体样排列。
均匀的球体以正方交错排列方式堆垒时，每一球与相邻的12球接触，周围4球，上、下各一4球，孔隙率为25.95％。
均匀球体以四面体样排列方式堆垒的情况见图3。每一球与相邻的12球接触，周围6球、上、下各3球，孔隙率为25.95%，
由图3可以计算直径为D的均匀球体的孔隙中可以容纳的小球的最大直径d。
图3 四面体样排列的均匀球体中的最大空隙
从图3（a）可求得
°=
从图3（b）可求得
，
，
=
，
孔隙中可以容纳的小球的最大直径
由球体几种堆垒的情况可见，孔隙率只决定于排列方式，与球径的大小无关。球径大，孔隙的尺寸大而数量少。制作炉衬颗粒耐火材料都多角形、甚至是尖角形的，其流动性很差，无论采用何种打结方式，舂得最紧实的，其孔隙度也不会低于30％。
为了降低炉衬的孔隙率，简便易行的措施是使炉衬材料中颗粒尺寸不那么均匀，而且细粒材料可以进入紧密排列的粗颗粒之间，最低的要求当然是必须有d＜0.414D的细粒。粒度级配的要求就是由此而来的。
当然，耐火材料的颗粒状况比理想球体复杂得多，粒度分布的情况也极不规律，不可能简单地靠计算求得最佳的粒度级配方案。最好的办法是：各铸造厂都就自己原材料的实际状况，通过试验，求得最合适的级配方案。
试验的方法很简单：将不同粒度的材料按一定的配比混匀，在一定的压力作用下使之紧实成形，然后测定其体积密度。原材料供应条件改变时，也要经试验考核粒度级配方案。
德国、日本和美国相关行业推荐用于硅砂坩埚的粒度级配见表2。
表2 一些国家推荐的坩埚耐火材料的粒度级配
数据来源
不同粒度颗粒在配料中所占的比例 (%)
4～7mm
2～4mm
1～2mm
0.2～1mm
0.06～0.2mm
＜0.06mm
德国（大容量炉）
4.8
10.8
12.0
40.8
11.8
19.8
德国（中等容量炉）
—
13.4
16.5
37.9
12.7
19.5
德国（小容量炉）
—
1.2
22.2
39.7
12.7
19.5
日本
—
11.0
17.0
37.0
14.0
21.0
美国
—
12.3
14.2
39.9
13.0
20.6
注：日本推荐的粒度级配允许偏差为3％。
由于粒度级配的目的是使颗粒的堆垒致密，与材料的性质无关，所以这一原则可适用于各种耐火材料。德国还就不同容量坩埚的材料推荐了不同的粒度级配。
3、炉衬材料的烧结
坩埚式炉衬都是将颗粒状耐火材料打结、舂实，再经烧结制成的。“烧结”是确保炉衬致密而具有相当强度的重要措施。
“烧结”是在高温下使粒/粉状集合体中颗粒的接触面上出现液相、逐渐形成连续的网络，进而将颗粒连接成一个整体，并借助于扩散、传质等机制使孔隙率降低到最小程度，最终成为坚实致密烧结体的过程。
“烧结”是一项比较古老的工艺，对其进行较深入的研究则是近几十年的事。但是，目前的认识，仍然不过是由烧结过程的宏观观察、并用简化的模式考核所建立的。随着感应电炉应用的不断扩展，在这方面，研究、改进的空间非常广阔。
由于受到多方面的制约，坩埚式感应电炉的炉衬厚度薄是其重要的特点，但是，经打结、烧结后的炉衬却不能烧结成为一个整体，因为，整体烧结的炉衬中，如果某处因不可控制的因素存在薄弱环节，并在反复的热应力作用下产生裂纹，裂纹就易于扩展到整体，从而使金属液渗透到感应线圈，导致重大事故。
炉衬烧结后，其断面应该是3层结构：
形成炉膛、与钢液接触的一层是烧结层，厚度约占炉衬厚度的35～40％，其特点是烧结网络致密、孔隙率低、强度高；
与烧结层相接的是半烧结层，厚度大体上与烧结层相同，其特点是烧结网络不完全，强度不高，因而可以缓冲烧结层所受的热应力，如果烧结层产生裂纹，可阻止裂纹向外延伸；
炉衬的外缘、在感应线圈与半烧结层之间的是未烧结层，耐火材料仍保持打结后的颗粒状态。这一层，有隔热的作用，并能减缓烧结层向线圈的热传导，其厚度约占炉衬厚度的25～30％。
尖晶石型炉衬的烧结过程，大致可分为3个阶段：
第一阶段 加热温度在850℃以下，主要作用是使炉衬材料比较彻底地脱水；
第二阶段 加热到850～1400℃，主要作用是形成尖晶石网络；
第三阶段 加热到1300～1700℃，尖晶石网络长大，在表面张力的推动下增强扩散、传质的功能，孔隙率显著降低，烧结层趋于紧密。
四、感应电炉熔炼铸钢的一些特点
一般碳钢的熔点大约比铸铁高300℃，合金钢还会更高一些，而且钢中碳、硅的含量比铸铁低得多，因此，在熔炼过程中，钢液很易于氧化，也易于吸收气体，特别是对吸收氢气非常敏感。从而导致铸件产生气孔及其他缺陷。充分认识这些特性，建立新的观念是至关重要的。
1、不能因为图一时的方便而不用炉盖
不知道是因为什么，感应电炉到了中国，很多炉盖都不翼而飞了。
据我个人所见、所知，各工业国家的铸造厂，无论是对于铸铁、铸钢或有色合金，熔炼过程中感应电炉都是严格用炉盖封闭的。在国内，我也造访过多家铸钢厂，还没有见到过一家认真使用炉盖的。这真令我百思不得其解。
炉盖的作用非常重要，主要有两点：
一是为了保持炉内气氛稳定，免受大气的干扰。炼钢过程中，除采用氧化作业、熔池保持温和沸腾时宜暂时敞开炉盖外，不但应该将炉盖盖严，而且每次开启炉盖后，都必须在熔池表面撒少量炭粉或硅铁粉，以使炉内保持还原性气氛，避免钢液氧化；
二是为了节能。熔池的温度很高，没有炉盖的遮蔽，必然向周围散发热量，不仅使作业环境恶化，而且这种热损失也决不可忽视。感应电炉熔炼铸铁过程中，炉盖盖严和炉盖敞开时的热损失如图4所示，绘制图4所依据的数据是比较可靠的，已为多个国家引用。
图4 感应电炉熔炼铸铁时上部的热损失
a、炉盖敞开； b、炉盖盖严
由图4可见，以熔炼铸铁的5t炉为例，炉盖敞开时的热损失比炉盖盖严时的热损失大约多于200 kW。炼钢时，熔池的温度比熔炼铸铁高得多，热损失也会高得多。
在人人都关注节能减排的今天，对这种只图一时方便的做法还能继续掉以轻心吗？
2、关于供电频率的考虑
前面已经提到，由于电磁搅拌作用，使感应电炉熔炼具有很多冶金功能，但是，对炼钢而言，较强的搅拌却会加剧钢液的氧化，导致钢中非金属夹杂物增多，还会增强钢液吸收气体。搅拌力的大小与输入的功率成正比、与供电频率的平方根成反比。在输入功率一定的条件下，提高频率是可以使搅拌力减小的重要措施。
因此，用于熔炼钢的感应电炉，供电频率应略高于熔炼铸铁的感应电炉。北京机电研究院的张武城［2］、德国的E.DÖtsch［3］都早就提出过这样的观点。
在我国铸钢行业感应电炉的应用日益增多的条件下，电炉制造厂商对这种情况是不是应该有所考虑？
3、关于坩埚内液面高度的考虑
由于电磁搅拌力的作用，坩埚内钢液表面会出现驼峰。太高的驼峰会使中间的炉渣流向周围的坩埚壁，炉渣不能完整地覆盖钢液，导致钢液的氧化加剧。
为了避免液面出现驼峰，应使炉料完全熔清后钢液的液面比感应线圈高200～300㎜，由钢液的重量抑制驼峰的形成，这样，炉渣可以完整地覆盖液面，保护钢液。
4、采用适当的加料方法
由于固体炉料熔化过程中液面是裸露的，没有炉渣保护，而且钢的熔点远高于铸铁，为了保护钢液、减少自环境大气吸收气体，在加料方法方面，应该不同于熔炼铸铁。
较好的方法是：先加入部分炉料，然后通电、开始熔化；炉料大部分熔化后，再连续、分批的投入剩余炉料。这种方法的好处是：在整个熔化过程中，可以使钢液的温度保持在液相线附近，气体的溶解度低，而且液面以上始终都有固体炉料保护。
五、不氧化法熔炼
感应电炉采用不氧化法炼钢的工艺比较便捷，是生产成本最低的工艺，因而，也是应用较广的工艺。但是，感应电炉的冶金功能本来就比电弧炉差得多，采用不氧化法熔炼，既不能脱磷、脱碳，也不能脱硫、除氢、除氮，几乎没有任何精炼的作用，基本上就是一个‘重熔’的过程。因此，为了确保铸钢件的质量，必须认真做好炉料的准备和熔炼过程的控制。
1、炉料的准备
炉料应保持清洁，做到无锈、无油、无泥沙，回炉料应经抛丸清理。此外，炉料必须按化学成分分别存放，以便于按目标成分配料。
回炉料料块的最大尺寸不超过炉膛内径的1/2。
感应电炉熔炼的钢中，氮、氢的含量都比较高，为避免氮、氢的积累，熔炼碳钢和含硅、锰的低合金钢时，配料中回炉料的用量不宜超过50％。如果铸钢厂既有感应电炉、也有电弧炉，最好将感应电炉的回炉料全部用于电弧炉，感应电炉则只用电弧炉的回炉料。
熔炼含铬、镍的钢种，吸收氮、氢的能力较强，熔炼这类低合金钢时，回炉料的用量应该控制得更为严格。对于低温用钢和冲击性能要求高的钢种，则不宜采用不氧化法熔炼。
铬、镍含量高的不锈钢，原则上不宜采用不氧化法熔炼。
装料时在炉底铺装少量造渣材料是十分有益的。采用尖晶石型炉衬，可在炉底铺加少量石灰，以固定FeO和炉料带入的SiO2、形成炉渣，有避免其侵蚀碱性炉衬和保护钢液的作用。也可以用小块石灰石代替石灰，石灰石受热分解时释放的CO2，上浮过程中还有吸附钢液中的气体和非金属夹杂物的作用。
装料时，先加入全部废钢和不易氧化的合金元素，炉料熔清后，加入锰铁和硅铁进行预脱氧，再加入易于氧化的合金元素。
2、预脱氧
预脱氧时，采用锰和硅作为脱氧元素已经是炼钢作业的常规。
（1）为什么要用锰和硅预脱氧
在常用的脱氧元素中，锰和硅都是脱氧能力比较低的，但是，在钢液中氧含量较高的条件下，脱氧的效果很好。
锰和硅配合使用，不仅可以增强硅的脱氧能力，而且，在二者的配比适当时，脱氧产物可以成为低熔点的MnO·SiO2，易于上浮。
（2）预脱氧剂中锰和硅的配比
很多研究、试验的结果表明：无论是MnO-SiO2系化合物中，还是MnO-FeO-SiO2系化合物中，只有SiO2含量低于47％时，才可能在炼钢温度下形成液态的硅酸盐，易于上浮。
炼钢所用的预脱氧剂，用锰铁和硅铁也好，用锰硅合金也好，实际加入的锰量和硅量的比（Mn/Si比）＞3，才能形成液态的硅酸盐。Mn/Si比＞4.5，钢中非金属夹杂物可进一步减少。表3所列的分析数据可供参考。
表3 预脱氧剂中的Mn/Si比对钢中夹杂物含量的影响
Mn/Si比
3.5
4.5
6
7
非金属夹杂物总量，％
0.0172
0.0146
0.0129
0.0118
但是，预脱氧剂中的Mn/Si比也并非越高越好。Mn/Si比过高，则加入的硅量太少，会导致钢液的脱氧不充分。再则，如果Mn/Si比＞8，脱氧产物中除硅酸盐以外，还会有游离的MnO，比较不易于上浮。
实际生产中，Mn/Si比以控制在3.5～4.5之间为好。
（3）锰铁和硅铁加入的顺序
如果预脱氧不是用锰硅合金，而是用锰铁和硅铁，那就有加入顺序的问题。对此，也不能掉以轻心、随意处置。
预脱氧时，钢液中的氧含量相当高，如果先加入硅铁，很快就形成大量SiO2。随即加入锰铁。锰的脱氧能力低于硅，即使Mn/Si比很高，也不可能使SiO2还原。因此，预脱氧的产物中SiO2的含量很高，不易形成液态的硅酸锰，不利于夹杂物上浮，钢中非金属夹杂物含量相应地较高。先加锰铁，使钢液中形成大量的MnO后加入硅铁，夹杂物中MnO占优势，易形成液态的硅酸锰，易于上浮。参见表4。
为了保证钢的冶金质量，应该先加锰铁，后加硅铁，不可以倒行逆施。
表4 锰铁、硅铁的加入顺序对夹杂物成分和含量的影响
预脱氧剂加入的顺序
夹杂物的成分 ，％
钢中非金属夹杂物的总含量，％
SiO2
MnO
FeO
先加硅铁，后加锰铁
54.16
29.8
16.76
0.0268
先加锰铁，后加硅铁
37.20
55.25
7.55
0.0148
预脱氧后，即开始调整钢液的温度和成分，此后，每次开启炉盖后，都要炉渣面上撒焦炭粉和硅铁粉，以保持还原性气氛，使炉渣中的氧含量不断降低。
钢液的成分和温度都符合要求后，即进行终脱氧、出钢。
3、以铝作为脱氧剂的终脱氧
目前，我国铸钢行业中，用铝进行终脱氧，仍然是广泛应用的工艺，但是，不少企业在加铝量和加入方法的控制方面往往失之粗放，从而影响铸件产品的质量。
终脱氧所用的铝可在出钢时加入，也可部分炉内插入、部分在出钢时投入钢流中。确定钢液终脱氧所用的加铝量，首先要考虑脱氧效果，也要考虑其对夹杂物形态和分布状况的影响。
不加铝，则既不能使钢充分脱氧，又不能细化晶粒；加铝、但加入量不足以使钢中的残留铝量超过0.04％，钢中就可能出现有害的Ⅱ－型夹杂物。因此，用铝作终脱氧剂时，其加入量的下限为0.08％是不难理解的。
但是，钢液中残留铝含量也不能太高，否则就会凸显其对铸件质量的负面影响。
基于这些考虑，铸钢件生产中，钢液中残留铝量宜在0.04～0.06％之间，因此，用铝进行终脱氧时，铝的加入量应控制在钢液的0.08％～0.12％之间，生产现场可按钢的碳含量作具体的规定，碳含量低的偏上限。
（1）铝加入量太多的负面作用
用于终脱氧的铝，其量以充分脱氧和尽量减轻夹杂物的损害作用为度，加入量太多，就会影响铸钢件的质量，主要有以下两点。
1）降低钢液的流动性，甚至造成浇注系统堵塞
终脱氧用的铝，是在钢液经预脱氧和扩散脱氧之后、氧含量相当低的条件下加入的，但是，铝是强脱氧剂，如加入量很多，就可以夺取钢液中MnO和SiO2的氧，在钢液中形成大量的Al2O3。钢液与Al2O3之间的界面张力很大，Al2O3颗粒与钢液贴附不牢，易于聚集成团簇状夹杂物。如果这种夹杂物浇注前来不及浮出，就会显著恶化钢液的流动性。
浇注系统中设置有过滤片时，易于堵塞滤片；采用底注浇包时，易导致柱塞孔堵塞；铸件的浇注系统设计不当时，甚至会导致浇注系统堵塞。
2）导致氮化铝(AlN)脆性
从铸钢件问世之日起，厚大铸件发生一种特殊脆断的情况时有所闻。厚900 mm的大型铸钢件，在清理、精整过程中，仅因轻微的撞击就可能发生脆断。铸态及经热处理的铸钢件，都可能发生脆断。从断口上看，这种脆性断裂是沿晶界发生的，具有粗大而光滑的晶面，一般都称之为“石状断口”。
导致此种缺陷的主要原因是氮化铝(AlN)脆性。如钢中氮含量高，终脱氧时加铝又多，就可能在铸钢件的凝固过程中沿晶界析出AlN，呈网状，致使铸件脆断。
（2）加铝脱氧的方法
加铝脱氧的方法适当，而且作业稳定、一致，是保持铝的收得率稳定重要因素。
铝的密度不到钢液的1/2，如果简单地将其置于钢包底部，再注入钢液，就易于浮在液面上、被炉渣包裹，不能充分与钢液作用。用这种作业方法，铝的收得率很不稳定，不能保证铸钢件的质量。
早期，较好的办法是将预制的铝块固定在钢棒上，将其插入钢液中。
出钢过程中，以小块铝逐步投入液流，也是可行的变通方法。
为了确保铝的收得率稳定，前苏联就有预先配制铝铁合金、作为专用脱氧剂的报道。这种铝铁合金含铝35％左右，密度约为6.15 g/cm3，高于炉渣，与钢液相近。据我所知，二十多年前，北美也有一些铸钢厂用铝铁合金作脱氧剂。
近年来喂线法的应用日益广泛，不仅收得率提高，而且作业效果稳定、一致，也就没有用铝铁合金的必要了。
4、钙在钢液脱氧方面的应用
随着对铸钢件质量的要求日益提高，一些高档次铸件，只用铝进行终脱氧已不能满足要求，用铝、钙复合脱氧的工艺逐渐受到了广泛的重视。
终脱氧时，将铝、钙配合使用，不仅可以进一步降低钢中的氧含量，而且还可以改善非金属夹杂物形态和分布状况、减少夹杂物的含量。
70多年前，就有人注意到钙对钢的精炼作用，但是，由于钙的密度仅是钢的1/5，沸点为1492℃，低于炼钢温度，而且其活性很强，应用于炼钢时很难准确地加以控制。这些制约因素，影响了钙在铸钢方面的推广应用。近30年来，通过大量的研究工作，对钙在钢中的作用的认识不断深化，应用的工艺方法也逐步成熟，现在，可以说已进入实用阶段了。
（1）钙的脱氧作用
从氧化物的生成自由能看来，钙的脱氧能力强于铝和镁，但是，钙在钢中的溶解度很小，而且沸点又比钢液温度低得多，如果单独用钙脱氧，则钙很难与溶于钢液中的氧充分作用。
对于含高镍、高锰的钢种，由于钙在其中的溶解度较高，脱氧效果会更好一些。
铝和钙配合使用，有互补增益的效果，可将钢中的氧含量降低到0.002％以下。不仅可以有效地防止铸件产生气孔，还可以减少钢中的夹杂物含量，从而改善钢液的流动性，提高铸件的表面质量。
（2）钙对非金属夹杂物的作用
用铝脱氧的钢中加钙后，其氧化产物CaO可以与Al2O3作用，形成多种铝酸钙，颗粒增大，易于上浮。有的铝酸钙在炼钢温度下为液态，更易于携带其他夹杂物上浮。因此，钢液中加铝后再加入钙，可显著提高非金属夹杂物的脱除速率。这一点已为许多研究工作所确认。
有研究工作称：对于碳含量低的钢种，只用铝进行终脱氧，无论采取何种措施，都不足以避免产生Ⅱ－型非金属夹杂物。对铸件质量要求较高时，加钙处理是十分必要的。
有报道说：用铝进行终脱氧的钢，再加钙处理，静置2min后，钢中的氧化物夹杂总量可减少60～70％。
美国有一铸钢厂的试验结果表明：钢液加钙处理后，由于非金属夹杂物含量减少，而且形态为Ⅰ－型，钢在－18℃下的冲击吸收能量可提高70％左右。
（3）往钢中加钙的方法
用钙处理钢液虽然有很多好处，但由于钙的密度小、沸点低、活性强，实际应用却有很多困难。针对这些问题，逐步开发了多种向钢中加钙的方法。以下，将这些方法分为两类，作简单的介绍。
直接加入合金
最简便的方法是将钙与其他元素配成合金，降低其话性，以便直接加入钢液中。这种方法比较适于用小型熔炼设备的条件。
在炼钢温度下，硅钙合金的活性仍然太高，如直接将其加入钢液，则反应强烈，效果不稳定。以一定量的钡取代硅钙合金中的钙，可显著降低钙的活性，能较好地用于处理钢液。在此条件下，钡的主要作用是作为缓冲剂。即使采用加有缓冲剂的合金，钙的收得率也远低于用喷射方法加入的硅钙合金，对此应心中有数。
美国联合碳化物公司，早已生产硅-钙-钡合金（Calsibar），作为处理钢液的脱氧剂。由于钙和铝配合使用有互补增益的效果, 硅-钙-钡合金通常都和铝配合使用。为现场使用方便起见，后来又生产一种名称为“Hypercal”的硅-钙-钡-铝合金。
这两种含钙的合金的密度都高于硅钙合金，活性低于硅钙合金，可在出钢时将块状合金投入钢液流中，操作比较方便。
虽然这两种合金中的钙含量较硅钙合金低，但加入钢液中的收得率较高，可减少钙的加入量，而且，处理效果也较为稳定。
用硅-钙-钡合金处理钢液时，合金最好在加铝后加入，也可与铝同时加入。对于不同的钢种，用量不完全相同，可作以下考虑：
l 对于碳钢和低合金钢，每吨钢液可加入0.5kg铝和2～2.5kg硅-钙-钡合金；
l 钙在奥氏体不锈钢中的溶解度较高，加钙还可改善钢液的流动性，为得到最佳的流动性，一般可以只加入硅-钙-钡合金，不再加铝。为充分脱氧、防止铸件产生气孔，可适当增加合金用量，如每吨钢液可加入合金2.5～3.5kg；
l 对于铁素体不锈钢，由于钙在其中的溶解度低，不加铝就不能得到满意脱氧效果。
硅-钙-钡-铝合金用于碳钢和低合金钢时，每吨钢液用量约3～4kg，一般不必再另外加铝。用于超低碳铁素体不锈钢时，可能仍然需要再补加少量的铝。
美国联合碳化物公司生产的两种含钙合金的化学成分和密度见表5。
表5 含钙合金的化学成分和密度
合金
Ca （％）
Si （％）
Ba （％）
Al （％）
Fe （％）
密度 （g/cm3）
Calsibar
14～17
57～62
14～18
－
≤5
2.87
Hypercal
10～13
38～40
9～12
19～21
≤7
3.20
注：密度的数值只供参考。
十多年前，我国就有成分相近的合金供应，1995年还制定了相关的行业标准YB/T 067－1995《硅钙钡铝合金》，标准中规定了3个牌号，见表5。
表5 硅钙钡铝合金的牌号和化学成分（YB/T 067－1995）
牌号
Si
Ca
Ba
Al
Mn
C
P
S
Fe16Ba9Ca12Si30
≥30.0
≥12.0
≥9.0
≥16.0
≤0.40
≤0.40
≤0.04
≤0.02
Fe12Ba9Ca9Si35
≥35.0
≥9.0
≥9.0
≥12.0
≤0.40
≤0.40
≤0.04
≤0.02
Fe8Ba12Ca6Si40
≥40.0
≥6.0
≥12.0
≥8.0
≤0.40
≤0.40
≤0.04
≤0.02
由于钙的活性很强，向钢包中加入含钙的合金，钙的收得率可能因操作不严格而有很大的差异，因此，一定要杜绝操作中的随意性。必须在出钢过程中将小块状合金逐步投入钢液流中，不可在出钢前将其投入空包内，更不能随意投在渣面上。否则，不仅浪费合金，而且不能保证铸件的质量。
六、氧化法熔炼
氧化法通常只用于碱性炉炼钢。坩埚式感应电炉，在采用尖晶石型炉衬的条件下，也可以实施氧化法熔炼。
这一节主要是说明氧化作业，氧化以后的预脱氧和终脱氧均与前节的要求相同，就不再重复了。
由于感应加热方式，坩埚壁的厚度受到很大的制约，感应电炉采用氧化法炼钢时，一般都用氧化物作为氧源，不宜采用吹氧氧化方式，以免激烈的沸腾损坏炉衬。
作为氧源的氧化物，应用最广的是碎铁矿石。如果来源方便，轧钢的铁鳞（FeO）也是很好的材料。美国氧化镍（NiO）易于取得，炼含镍钢时常用氧化镍作氧化剂。总之，材料的选用应遵循因地制宜的原则。
电弧炉氧化法熔炼的特点是氧化期有激烈的沸腾，而感应电炉氧化时只能是温和的沸腾。这种温和的沸腾脱碳量不很高，但有一定的脱气作用，从而对炉料的要求可以较为宽松。在美国铸钢业界，矿石氧化法已成为常规的工艺方法之一。
矿石加入量一般为炉料的0.5%～1.5％，碳钢、低合金钢取较低的值，不锈钢取较高的值。矿石一部分在装料时加入，其余部分在熔池形成后分批加入，原则上是力求沸腾温和。如果沸腾激烈，就应该投入硅铁或小铝块止沸。
1.氧化法熔炼碳钢和低合金钢
用氧化法熔炼碳钢和低合金钢的原则是：氧化主要在熔化过程中进行，矿石用量不多，大部分或全部随炉料装入。从熔池基本形成起，就保持温和的沸腾，熔清后再继续氧化10min左右。这一阶段沸腾的主要作用是脱除气体和磷，而不在于脱碳。
氧化结束后扒除全部或大部分炉渣，再补加石灰和萤石造渣，并加入硅铁、锰铁进行预脱氧。然后，分批在渣面撒硅铁粉和焦炭粉，并调整钢液的温度和化学成分。这一阶段精炼的主要作用是脱硫，如炉料品质较好，温度控制得当，可使钢液的硫含量降低到0.03％以下。
温度适当后，根据分析结果和规格要求分批加入硅铁、锰铁及其他铁合金。最后，进行终脱氧、出钢。
2.氧化法熔炼不锈钢
熔炼不锈钢时矿石用量较多，其目的是保持低碳含量，并降低磷含量，兼有一定的精炼作用。美国铸钢业界用此种工艺熔炼低碳、超低碳不锈钢的实例十分多见。
装料时，先加一薄层低碳废钢，再将矿石总量的40％左右置于薄层低碳废钢上，然后加全部低碳废钢、钼铁和部分返回料。开始熔化后，再加入其余的返回料和矿石。矿石总量约占总炉料量的0.8%～1.5％。
炉料熔清后，使钢液温度提高到1710℃左右，并保持温和的沸腾。
沸腾渐趋平缓后，扒除炉渣，加入少量造渣材料，同时加入部分锰铁和硅铁进行预脱氧，随后分批加入铬铁，并使钢液升温到1710～1730℃。在此期间，分批在渣面上撒硅铁粉脱氧。
参考文献
1、 P. F. Wieser. “Induction Melting of Carrbon，Low，High Alloys Steel and Nickel-Base Alloys” Transactions of the American Foundrymen’s Society, 1988
2、 张武城编著. 铸造熔炼技术. 北京：机械工业出版社，2004
3、 Erwin DÖtsch. Inductive Melting and Holding . Vulkan-Verlag GmbH 2009
