中頻感應(yīng)電爐熔煉鑄造需要注意哪些問題？
隨著感應(yīng)電爐在鑄鋼業(yè)界應(yīng)用的發(fā)展，自上世紀(jì)80年代起，鋁鎂尖晶石型爐襯材料的應(yīng)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(yīng)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(yù)配好的材料，雖然使用效果很好，但生產(chǎn)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(guān)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(jìn)一步改進(jìn)爐襯材料時(shí)參考。同時(shí)，鑒于目前硅砂爐襯、鎂砂爐襯、氧化鋁質(zhì)爐襯在我國鑄鋼業(yè)界還都有應(yīng)用，也順便對這些材料的特性作一點(diǎn)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(diǎn)很多：首先是是資源豐富、價(jià)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(diǎn)的高溫下仍具有很好的強(qiáng)度，耐驟冷、驟熱的性能好；特別應(yīng)該提到的是，爐襯燒結(jié)過程中，硅砂的石英相變膨脹能彌補(bǔ)燒結(jié)過程中的體積收縮，從而提高燒結(jié)層的致密度,降低爐襯燒結(jié)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(yīng)電爐都廣泛采用以硅砂為基礎(chǔ)的爐襯材料。
但是，SiO2的耐火度低，基本上就不能適應(yīng)煉鋼溫度。而且，SiO2在高溫下的化學(xué)活性很強(qiáng)，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，F(xiàn)eO與硅砂接觸后易于生成熔點(diǎn)為1205℃的鐵橄欖石（Fe2SiO4），鐵橄欖石還能進(jìn)一步與SiO2或FeO作用，生成熔點(diǎn)為1130℃的共晶組分。此外，SiO2還可能被鋼液中一些活性較強(qiáng)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(zhì)量，也不能保證爐襯的壽命。從上世紀(jì)80年代后期起，各工業(yè)國家用感應(yīng)電爐生產(chǎn)鑄鋼件的鑄造廠，就已經(jīng)不用硅砂爐襯。據(jù)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(jìn)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(jīng)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(zhì)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(yīng)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(diǎn)很高，不容易燒結(jié)，而且膨脹系數(shù)大，但是由于電弧爐的爐襯很厚，借助于加入大量的粘結(jié)材料、用濕法打結(jié)，完全可以彌補(bǔ)這方面的不足。
如果將冶金鎂砂作為感應(yīng)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(jié)，這些不足之處的負(fù)面作用就非常明顯，因而。氧化鎂材料的制成的坩堝容易產(chǎn)生龜裂，間歇作業(yè)的爐子情況尤為嚴(yán)重。
（3）氧化鋁質(zhì)爐襯
氧化鋁和鋯砂都屬于中性耐火材料，其中應(yīng)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(qiáng)，但不適于造堿性爐渣。而且，由于其耐火度高、燒結(jié)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(zhì)同象的特征，品種很多，成分也比較復(fù)雜，其分子式可以寫成 Ｍ２＋Ｏ?Ｍ３＋２Ｏ３，式中：Ｍ２＋代表一些二價(jià)金屬原子，如Mg、Fe、Zn、Mn等；Ｍ３＋代表一些三價(jià)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(jià)金屬原子中，Mg２＋和Fe２＋可以任何比例互相取代；所含的三價(jià)金屬原子中，以Al３＋居多，但Cr３＋可以任何比例取代Al３＋，F(xiàn)e３＋則只能在一定的限度內(nèi)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(yīng)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(shù)小，高溫下的熱穩(wěn)定性好、抗堿性爐渣侵蝕的能力強(qiáng)。尤其應(yīng)該提到的是：MgO和Al2O3在燒結(jié)形成尖晶石的過程中有7.9％的體積膨脹，可以彌補(bǔ)燒結(jié)過程中的體積收縮，減少燒結(jié)層的孔隙率，這一點(diǎn)與硅砂爐襯的重要優(yōu)點(diǎn)是一致的。
鎂鋁尖晶石基本上沒有天然的礦產(chǎn)，都是由人工合成的，制備的方法有電熔和燒結(jié)兩種方式。我國冶金行業(yè)于1997年即參照美國鋁業(yè)化學(xué)公司MR66和AR76材料的規(guī)格，制定了YB/T 131-1997《燒結(jié)鎂鋁尖晶石》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
尖晶石型爐襯材料，實(shí)際上并不是全部由尖晶石構(gòu)成，而是以粒狀A(yù)l2O3或粒狀MgO材料為基礎(chǔ)，在其中配加相應(yīng)的粉狀、或細(xì)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(jié)過程中在氧化鋁顆粒之間形成鎂鋁尖晶石網(wǎng)絡(luò)，起結(jié)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(wǎng)絡(luò)。
美國聯(lián)合礦產(chǎn)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(yīng)廠商，都有多種預(yù)配的尖晶石爐襯材料供應(yīng)，可根據(jù)企業(yè)的爐型和熔煉的鋼種選用，但價(jià)格都比較高。
我以為的解決方案是：各鑄鋼企業(yè)，根據(jù)自己的各項(xiàng)具體條件，通過試驗(yàn)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(zhì)量高，還可以較大幅度地降低生產(chǎn)成本。
至于爐襯材料的組成配比，應(yīng)該根據(jù)所用各種原材料的實(shí)際成分選取，并經(jīng)試驗(yàn)確定。確定爐襯材料配比時(shí)，可按以下的目標(biāo)成分計(jì)算：
以氧化鋁為基礎(chǔ)顆粒材料時(shí) 保持爐襯材料中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85～88％左右， MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22％左右；
以氧化鎂為基礎(chǔ)顆粒材料時(shí) 保持爐襯材料中MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75～85％左右，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xì)粒材料充填。
為了讓大家顆粒狀材料打結(jié)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(shí)度一般的情況
尺寸相同的球體，以正方交錯(cuò)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(shí)的情況
球體以斜方排列的形式堆壘（圖2）時(shí)，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(shí)度最高的情況
緊實(shí)度最高的堆壘方式是正方交錯(cuò)排列和和四面體樣排列。
均勻的球體以正方交錯(cuò)排列方式堆壘時(shí)，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(jì)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(jié)
坩堝式爐襯都是將顆粒狀耐火材料打結(jié)、舂實(shí)，再經(jīng)燒結(jié)制成的?！盁Y(jié)”是確保爐襯致密而具有相當(dāng)強(qiáng)度的重要措施。
“燒結(jié)”是在高溫下使粒/粉狀集合體中顆粒的接觸面上出現(xiàn)液相、逐漸形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而將顆粒連接成一個(gè)整體，并借助于擴(kuò)散、傳質(zhì)等機(jī)制使孔隙率降低到最小程度，最終成為堅(jiān)實(shí)致密燒結(jié)體的過程。
“燒結(jié)”是一項(xiàng)比較古老的工藝，對其進(jìn)行較深入的研究則是近幾十年的事。但是，目前的認(rèn)識，仍然不過是由燒結(jié)過程的宏觀觀察、并用簡化的模式考核所建立的。隨著感應(yīng)電爐應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，在這方面，研究、改進(jìn)的空間非常廣闊。
由于受到多方面的制約，坩堝式感應(yīng)電爐的爐襯厚度薄是其重要的特點(diǎn)，但是，經(jīng)打結(jié)、燒結(jié)后的爐襯卻不能燒結(jié)成為一個(gè)整體，因?yàn)椋w燒結(jié)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(fù)的熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋就易于擴(kuò)展到整體，從而使金屬液滲透到感應(yīng)線圈，導(dǎo)致重大事故。
爐襯燒結(jié)后，其斷面應(yīng)該是3層結(jié)構(gòu)：形成爐膛、與鋼液接觸的一層是燒結(jié)層，厚度約占爐襯厚度的35～40％，其特點(diǎn)是燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)致密、孔隙率低、強(qiáng)度高；與燒結(jié)層相接的是半燒結(jié)層，厚度大體上與燒結(jié)層相同，其特點(diǎn)是燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)不完全，強(qiáng)度不高，因而可以緩沖燒結(jié)層所受的熱應(yīng)力，如果燒結(jié)層產(chǎn)生裂紋，可阻止裂紋向外延伸；爐襯的外緣、在感應(yīng)線圈與半燒結(jié)層之間的是未燒結(jié)層，耐火材料仍保持打結(jié)后的顆粒狀態(tài)。這一層，有隔熱的作用，并能減緩燒結(jié)層向線圈的熱傳導(dǎo)，其厚度約占爐襯厚度的25～30％。
尖晶石型爐襯的燒結(jié)過程，大致可分為3個(gè)階段：
階段：加熱溫度在850℃以下，主要作用是使?fàn)t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(wǎng)絡(luò)；
第三階段：加熱到1300～1700℃，尖晶石網(wǎng)絡(luò)長大，在表面張力的推動下增強(qiáng)擴(kuò)散、傳質(zhì)的功能，孔隙率顯著降低，燒結(jié)層趨于緊密。
