熔模鑄造的熔煉設(shè)備為500kg中頻感應(yīng)電爐，以生產(chǎn)鑄鋼件為主。由于鑄鋼合金材料的熔點(diǎn)高，熔模鑄造又大多生產(chǎn)的是小件，出爐溫度一般在1620℃以上，個(gè)別材料出爐溫度（如耐熱鋼等）高達(dá)1700℃。因此，爐襯材料使用壽命很短，平均只有30～40爐。爐襯材料壽命短導(dǎo)致頻繁的筑爐、烘爐，給生產(chǎn)和成本控制帶來很大影響。爐襯材料在整個(gè)熔化周期內(nèi)，承擔(dān)著全部的化學(xué)和機(jī)械蝕損，不僅溫度高，溫差變化大，還遭受著強(qiáng)烈的爐渣侵蝕和激烈的電磁攪拌，很容易損傷、損壞，最后失效扒掉。當(dāng)前，在鑄造行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的情況下，降低成本是企業(yè)的重要工作，延長(zhǎng)中頻感應(yīng)電爐的爐襯材料壽命，減少筑爐頻次是熔煉行業(yè)研究的新課題。幾年來，筆者公司進(jìn)行了大量的試驗(yàn)、研究和實(shí)踐，取得了很大成果。

1 ?爐襯材料失效的分類

　　根據(jù)歷年?duì)t襯材料使用情況的分析統(tǒng)計(jì)，爐襯材料失效主要表現(xiàn)為爐襯材料全部或局部區(qū)域過薄，爐襯材料的最上部和底部損壞較小，而中下部出現(xiàn)較大燒蝕區(qū)，俗稱“大象腿”；爐襯材料多處有較大面積的崩裂；爐襯材料存在過深裂紋且無法修補(bǔ)，鋼液穿透爐襯材料發(fā)生漏爐以及爐襯材料整體或局部燒蝕過大等。

2 ?影響爐襯材料使用壽命的因素

2.1 爐襯材料

　　在高溫狀態(tài)下，爐襯材料和被熔化的鋼液將發(fā)生坩堝反應(yīng)，即爐襯材料中的SiO2被鋼液中的C還原，沸騰分解（SiO2+2C→Si+2CO）。

　　鋼液中的（C）量越高，w（Si）量越低，則與鋼液反應(yīng)的沸騰分解開始溫度越低，由耐火材料造成的爐襯材料蝕損越加劇。

2.2 爐渣

　　在熔化過程中始終會(huì)有爐渣生成，爐渣的具體成分取決于電爐內(nèi)主要爐渣生成源。由于電爐的熔煉工藝、添加合金種類、廢鋼的成分以及熔煉溫度不同，需要分別進(jìn)行分析。常規(guī)爐渣由于其生成源的多樣性，使其具有范圍非常廣的化學(xué)成分。這些生成源可以是銹蝕的廢鋼（提供了FeO）、帶有砂和土等雜質(zhì)的廢鋼（提供SiO2、Al2O3等）、未能及時(shí)從爐內(nèi)扒出的聚渣劑（提供SiO2、Al2O3、CaO、、K2O、Na2O等）、被氧化的合金元素（提供合金氧化物，其中MnO是最嚴(yán)重的一種）、粘有制殼砂的回爐料（提供SiO2、Al2O3、Na2O）。可見，雖然爐渣的化學(xué)成分不同，但大部分爐渣的成分在以下范圍內(nèi)：w（SiO2）50%~80%、w（MgO）0~15%、w（Al2O3）、w（CaO）0~10%、w（FeO）0~20%、w（MnO）。這些氧化物的存在，說明了爐渣侵蝕性的嚴(yán)重程度。爐渣與爐襯材料的反應(yīng)會(huì)一直進(jìn)行，直至飽和為止。如果溫度升高，原來在較低溫度下生成的飽和爐渣將會(huì)熔蝕更多的爐襯材料材料。侵蝕性的爐渣或氧化物在熔煉期間持續(xù)的生成，造成了爐渣對(duì)爐襯材料的持續(xù)侵蝕。

2.3 不潔凈的廢鋼和回爐料

　　許多邊角料、切屑等廢鋼經(jīng)常帶有嚴(yán)重銹蝕，如不清理掉，入爐后的FeO將與爐襯材料反應(yīng)，形成熔點(diǎn)約為1200℃的鐵橄欖石。澆、冒口等回爐料經(jīng)常帶有造型砂或粘有陶瓷過濾網(wǎng)，而造型砂通常含有SiO2、Na2SiO4等成分，這些成分進(jìn)入爐渣，與爐襯材料反應(yīng)，具有很強(qiáng)的侵蝕性。如果澆、冒口回爐料加入量較大，形成相當(dāng)數(shù)量的爐渣，這些爐渣會(huì)粘附在爐襯材料側(cè)壁上形成結(jié)瘤。這種結(jié)瘤通常含有高熔點(diǎn)的莫來石（3Al2O3·2SiO2），強(qiáng)度很高，牢固地粘附在爐襯材料上很難分離除掉。

2.4 聚渣劑

　　通常用作聚渣劑的材料是一種火山巖石的膨脹物，其化學(xué)成分為w（SiO2）75%、w（Al2O3）10%~15%、w（Fe2O3）0.5%、w（MgO）0~8%。聚渣劑用來使?fàn)t渣變稠容易處理，但其熔點(diǎn)非常低，所含的氧化物在溫度升高時(shí)會(huì)與爐襯材料起反應(yīng)而損蝕爐襯材料。

2.5 合金元素的氧化合金元素與空氣和爐襯材料之間存在著化學(xué)反應(yīng)。如Mn，通常以Mn-Fe形式存在，浮在鋼液表面，很容易被氧化成MnO，其局部濃度會(huì)很高。

　　Mn與爐襯材料中的Si質(zhì)會(huì)迅速反應(yīng)，生成熔點(diǎn)約為1200℃的MnO·SiO2。MnO對(duì)爐襯材料的這種化學(xué)侵蝕非常嚴(yán)重，即使中等w（Mn）量的鋼液在保溫時(shí)也會(huì)引起金屬液面線處的爐襯材料侵蝕。再如Zn，筆者公司的打包廢鋼中很多鋼板是鍍Zn的，Zn的熔點(diǎn)僅為406℃，沸點(diǎn)也僅為920℃。Zn與空氣極快的發(fā)生反應(yīng)生成ZnO，在爐襯材料燒結(jié)階段的蒸氣，會(huì)在爐襯材料未能完全燒結(jié)時(shí)進(jìn)入爐襯材料空隙，從而妨礙空隙周圍的爐襯材料顆粒正常燒結(jié)。在熔煉時(shí)，熔融鋼液會(huì)溶解這部分Zn/ZnO，浸潤到爐襯材料空隙，縮短爐襯材料使用壽命甚至造成漏爐。

2.6 鋼液在高溫的停留時(shí)間

　　鋼液在高溫下停留時(shí)間越長(zhǎng)，各種氧化物與爐襯材料的反應(yīng)越加劇，爐襯材料的使用壽命越短。如鋼液在1600℃高溫下停留20min時(shí)，正常狀況下的爐齡為40爐；在1650℃高溫下停留時(shí)，正常狀況下的爐齡將降低為30爐。

2.7 電爐作業(yè)制度

　　電爐作業(yè)制度的安排是連續(xù)生產(chǎn)還是間歇性生產(chǎn)，對(duì)爐襯材料使用壽命有很大影響。間歇生產(chǎn)會(huì)使?fàn)t襯材料頻繁的熱脹冷縮，大大降低爐襯材料的強(qiáng)度。按電爐作業(yè)班次的安排，爐襯材料使用壽命依次為：三班作業(yè)爐齡＞二班作業(yè)爐齡＞單班作業(yè)爐齡。

3 ?提高爐襯材料壽命的措施

3.1 耐火材料的選用

　　爐襯耐火材料必須保證有良好的性能：要具有很高的耐火度，抵抗高溫?zé)嶝?fù)荷作用，不軟化、不熔融；要具有較好的體積穩(wěn)定性，在高溫下體積不收縮和僅有均勻膨脹，以免因反復(fù)的溫差效應(yīng)產(chǎn)生膨脹或裂紋；要具有相當(dāng)高的高溫強(qiáng)度、荷重軟化溫度，在高溫?zé)嶝?fù)荷和重負(fù)荷的共同作用下不喪失強(qiáng)度，不發(fā)生蠕變和坍塌；要具有很好的耐熱震性，能抵抗溫度急劇變化，不開裂、不剝落；所含雜質(zhì)要低，因?yàn)殡s質(zhì)在高溫下能形成低熔點(diǎn)化合物而降低耐火度；要具有良好的抗渣性；還要和所熔煉金屬的爐渣酸堿度相適應(yīng)，采用MgO質(zhì)的堿性材料或Si質(zhì)的酸性材料以及Al2O3質(zhì)的中性材料。

　　目前，國內(nèi)的中頻爐爐襯材料材料大多采用石英砂和高鋁土料。對(duì)于大中型中頻爐熔煉鑄鐵，石英砂料較合適。筆者公司熔煉鑄鋼需要較高的熔煉溫度，必須采用較高燒結(jié)溫度的爐襯材料材料，且是小型中頻爐，選用中性的高鋁土料效果較好。

3.2 爐襯材料材料的粒度配比

　　粒度配比對(duì)爐襯材料使用壽命的影響很大。合理的粒度配比可以在筑爐過程中形成密度高、氣孔率小、燒結(jié)性好、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好的爐襯材料。材料的粒度不同，其作用也不同。砂料的粒度可分個(gè)等級(jí)，即粗粒度、中等粒度和細(xì)粒度。粗粒度的砂料在爐襯材料中起骨架作用，使?fàn)t襯材料有一定的強(qiáng)度以承受各種外力的作用，所占比例應(yīng)為25％～25％。中等粒度砂料的作用是填充粗粒的間隙，增加堆積密度，可改善爐襯材料的燒結(jié)性能，提高強(qiáng)度，所占比例應(yīng)為20％～25％。細(xì)粒度砂料（粉料）的作用是保證爐襯材料的高密度和燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性，使?fàn)t襯材料具有良好的致密性和燒結(jié)強(qiáng)度，所占比例為40％～50％，比例過高反而會(huì)增加爐襯材料的裂紋傾向，降低耐急冷急熱的性能。

　　使用的耐火材料粒度分別為7～9mm、4～6目、6～12目、12～20目、20～40目、200～240目。

3.3 爐襯材料材料粘結(jié)劑

　　有的公司先后使用過的爐襯材料材料粘結(jié)劑為水玻璃、鹵水、磷酸和硼酸。實(shí)踐證明，對(duì)于中性材料的高Al2O3砂爐襯材料，磷酸效果好。但是磷酸材料大多都是小企業(yè)生產(chǎn)，質(zhì)量不穩(wěn)定，且化學(xué)成分檢測(cè)困難。另外，磷酸在氣溫低的冬季，如儲(chǔ)存在外面會(huì)凝固，每次使用均需融化，融化后效果很不好。因此，通過試驗(yàn)對(duì)比，最后改用硼酸，效果很好。無論用什么粘結(jié)劑，使用量一定不能過大，否則會(huì)造成爐襯材料組織疏松，引起爐襯材料的密度和耐壓強(qiáng)度降低。

3.4 坩堝模的制作

　　制作坩堝模時(shí)要合理設(shè)計(jì)排氣孔，以利于烘爐過程中水氣的排出，轉(zhuǎn)角處應(yīng)為圓弧，避免出現(xiàn)銳角，外側(cè)的焊縫必須打磨光滑，坩堝模的壁厚應(yīng)合適，要能保障其剛度，又不能過厚。對(duì)于中頻爐，鋼板厚度一般在3～4mm即可。

3.5 烘爐和燒結(jié)

　　筑好的中頻爐爐襯材料要及時(shí)烘爐，烘爐時(shí)要控制好加熱速度。烘爐的第一階段（500℃以下），主要作用是排除水分，使硼酸變?yōu)榕痿懦鼋Y(jié)晶水，如果加熱速度過快，爐襯材料中的水分排出過快，則容易使?fàn)t襯材料形成裂紋，大大縮短爐襯材料使用壽命；進(jìn)入500～℃階段，砂子的周界出現(xiàn)液相，為防止硼酸蒸發(fā)，應(yīng)加快升溫速度；在850～1250℃時(shí)，進(jìn)入初步燒結(jié)階段，為了使?fàn)t襯材料材料產(chǎn)生緩慢且完全的相變，應(yīng)減慢升溫速度；達(dá)到1500~1550℃時(shí)，要保溫2～3h。

　　烘爐后，只是初步燒結(jié)完成，還要在熔煉中形成一定厚度的燒結(jié)層。剛開始熔化時(shí)，要嚴(yán)格控制溫度變化，防止溫度變化幅度過大，使?fàn)t襯材料產(chǎn)生裂紋，保持爐襯材料的整體性和可靠性。要在低溫時(shí)緩慢升溫，在高溫時(shí)達(dá)到滿爐燒結(jié)。具體燒結(jié)溫度要根據(jù)所用耐火材料的種類確定，一般希望得到厚度為爐襯材料厚30%的燒結(jié)層，燒結(jié)溫度應(yīng)高于鋼液溫度50～100℃。新筑好的爐襯材料必須連續(xù)使用7～8爐以上，以達(dá)到燒結(jié)層的厚度。靠鋼液側(cè)為燒結(jié)層，中間為半燒結(jié)層，近感應(yīng)器側(cè)是未燒結(jié)的松散層。

3.6 熔煉操作

　　（1）用較潔凈的金屬爐料，盡量避免成分復(fù)雜、鐵銹嚴(yán)重、油污較多的材料。這些未清理凈的爐料在高溫下形成的各種氧化物之間存在著復(fù)雜的穿插互溶作用，極易形成粘渣，侵蝕爐壁，使?fàn)t壁損蝕。

　?。?）合理裝料，及時(shí)加料、搗料。裝料的松緊程度關(guān)系到爐料的熔化速度，為了快速加熱和熔化，裝料要力求緊實(shí)。當(dāng)金屬液面過低時(shí)，要特別注意加料，如果加入大塊料而電爐又輸入過高功率，爐底部將產(chǎn)生嚴(yán)重過熱，會(huì)加劇對(duì)爐襯材料的侵蝕。因?yàn)檎麄€(gè)爐襯材料的中下部承受的靜壓力最大，溫度最高，沖刷也最嚴(yán)重。要及時(shí)搗料，避免熔化過程中出現(xiàn)“搭橋”現(xiàn)象，否則會(huì)使下部已熔化的金屬液過熱，這樣不但增加合金元素的燒損，延長(zhǎng)熔化時(shí)間，還在高溫和劇烈渦流下嚴(yán)重侵蝕爐壁。

　?。?）熔煉溫度不要過高。金屬液溫度過高，會(huì)造成熔渣對(duì)爐襯材料的加劇侵蝕，也會(huì)使金屬液流動(dòng)性增加，向爐襯材料裂紋處滲透，產(chǎn)生漏爐傾向。雖然高溫出爐、低溫澆注是一般熔化操作的準(zhǔn)則，但每一種鑄件及材料都有其熔化工藝要求，在達(dá)到適合的溫度后，不要過度超溫，要經(jīng)常觀察爐況，盡量控制過高熔煉溫度，不要出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間保溫等待澆注的情況，過高的溫度使合金燒損嚴(yán)重，進(jìn)而損傷爐襯材料。

　?。?）減少熔渣對(duì)爐壁的侵蝕。爐渣中存在的各種氧化物、碳化物及各種形態(tài)的復(fù)合化合物，大部分會(huì)和爐襯材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不同熔點(diǎn)的新化合物。生成的一些低熔點(diǎn)氧化物[如鐵橄欖石（FeO·SiO2）、錳橄欖石（MnO·SiO2）等]，熔點(diǎn)一般在1200℃左右，具有極好的流動(dòng)性，會(huì)形成助熔劑作用，使?fàn)t襯材料產(chǎn)生劇烈的化學(xué)侵蝕，降低爐襯材料的使用壽命。而生成的高熔點(diǎn)渣[如莫來石（3Al2O3·2SiO2）、鎂橄欖石（2MgO·SiO2）等]，熔點(diǎn)可達(dá)1800℃以上，這些材料和低熔點(diǎn)渣之間有著復(fù)雜的互溶作用，產(chǎn)生的熔渣極易粘附在爐壁上形成累積，造成嚴(yán)重粘渣，影響爐襯材料壽命。所以應(yīng)根據(jù)爐襯材料材料和所熔合金材料確定合適的加料順序，減少雜質(zhì)和爐襯材料接觸的機(jī)會(huì)。脫O時(shí)要采用多元素復(fù)合脫氧劑來代替單一元素脫氧劑，如AlSiFe、AlBaCa等。新型脫氧劑脫O能力強(qiáng)，脫O后產(chǎn)物是液態(tài)質(zhì)點(diǎn)，容易上浮除去。熔化過程中，更要多造渣、打渣、打凈渣。

3.7 爐襯材料的維護(hù)

　　（1）爐子使用過程中要注意經(jīng)常觀察爐襯材料狀況，熔化加料前和出爐后檢查爐壁有無裂紋、掉塊、凸瘤和凹坑等現(xiàn)象，出現(xiàn)異常及時(shí)處理。

　　（2）新打的爐襯材料熔煉時(shí)前幾爐應(yīng)避免最大功率送電，這樣會(huì)使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生很大的電磁攪拌力，把還沒有完全牢固的爐襯材料燒結(jié)層沖刷掉。

　?。?）因節(jié)假日、維修等原因需要長(zhǎng)時(shí)間停爐時(shí)，應(yīng)將爐內(nèi)的鋼液倒空，避免鋼液冷凝時(shí)對(duì)爐襯材料產(chǎn)生拉裂作用而使?fàn)t襯材料損壞。

　?。?）在停爐冷卻時(shí)，為了避免爐襯材料驟冷以及在冷卻過程中上下溫差過大而產(chǎn)生裂紋，應(yīng)加蓋爐蓋，使?fàn)t襯材料緩慢冷卻、均勻冷卻。

　　（5）爐子冷卻后爐襯材料會(huì)出現(xiàn)微小、垂直的裂紋，所以冷爐啟動(dòng)時(shí)，最好先低溫烘爐，再進(jìn)行熔化，從而使裂紋能先彌合，避免鋼液滲入爐襯材料。

4 ?提高爐襯材料壽命的效果

　　通過近幾年的試驗(yàn)研究和實(shí)踐，筆者公司中頻感應(yīng)電爐熔煉鑄鋼的爐襯材料壽命已由30～40爐提高到60爐以上，大多數(shù)爐次達(dá)到了80爐以上。因減少筑爐頻次每噸鑄件降低生產(chǎn)成本150元。

　　將筆者公司改進(jìn)前、后的爐襯材料表面及橫截面進(jìn)行對(duì)比，可以明顯看出現(xiàn)有爐襯材料材料的致密度和整體性能都有很大提高。原有爐襯材料只使用了31爐，現(xiàn)在的新爐襯材料已使用了68爐。

5 ?結(jié)論

　　（1）必須根據(jù)爐襯材料、筑爐工藝、烘爐工藝及熔煉操作對(duì)爐襯材料的失效機(jī)理進(jìn)行全面分析。

　　（2）提高爐襯材料使用壽命的主要措施是針對(duì)所熔煉的合金材料，選用合理的爐襯材料材料，制定合適的打筑工藝、烘爐和燒結(jié)工藝。

　?。?）熔化操作和爐襯材料使用中的維護(hù)對(duì)爐襯材料壽命也是至關(guān)重要。

　?。?）爐襯材料壽命的延長(zhǎng)，大大提高生產(chǎn)效率，顯著降低鑄件生產(chǎn)成本。