1.  前言
   
无心感应电炉是现代化铸造车间中首选的熔化设备。通常，在整个熔化周期内硅质炉衬（石英砂炉衬）承担着几乎全部的化学和机械蚀损。由于这种蚀损，硅质炉衬必须经常更换。通常所称的氧化硅沸腾分解是一种正常的蚀损反应，但它不是唯一存在的反应。锈蚀的废钢及不洁回炉料则是另一种带来各种杂质和氧化物的源头。在整个熔化期间炉渣反应始终存在,而炉渣的生成有多种来源，每台电炉的炉渣的主要来源以及它的主要成分各不相同。因此，对铸造工作者来说，找出炉渣的生成原因是极其重要的，它可以帮助您设法抑制炉渣反应。本文介绍的抗渣添加剂和分区筑炉技术便是抑制炉渣反应和延长炉衬寿命的二种最新技术。
 
2.  氧化硅沸腾分解
硅质炉衬的正常蚀损是碳和硅之间的化学反应：2C + SiO2 → Si
+2CO。在铸铁熔化中存在一个碳C和硅Si含量之间的平衡。当C含量增加或Si含量降低时上述的化学反应便会加剧。当然，温度的增加不仅是加剧上述反应，而且会加剧所有渣、氧化物及炉衬之间的反应。
由图1氧化硅沸腾分解相平衡图可以看出，铁液中的C含量愈高，Si含量愈低，则与铁液反应的氧化硅沸腾分解开始温度TK愈低。这意味着炉衬的蚀损将加剧。通常，球墨铸铁的C含量较灰铸铁高，Si含量较灰铸铁低，而球墨铸铁的浇注温度又比灰铸铁高；因此，采用硅质炉衬的球墨铸铁熔炼炉的炉龄较灰铸铁低得多。图2是采用硅质炉衬的感应电炉在熔炼不同材质铸铁时的炉衬材料平均消耗量。
 
3．炉渣
在铸铁熔化过程中始终会有炉渣生成。炉渣的成分取决于电炉内的主要炉渣生成源。事实上，每台电炉的熔炼工艺、合金添加、废钢的成分和质量及熔炼温度等都不尽相同，需要分别分析研究。
                         
 所谓的“常规炉渣”由于其生成源的多样性具有非常广的化学成分。这些生成源可以是：
l         锈蚀的废钢 –– 提供了FeO；
l         从废料库来的带有砂和泥土废钢 –– 提供了SiO2, Al2O3 等；
l         未能及时从电炉内扒出的炉渣凝聚剂，如SiO2, Al2O3, CaO, MgO, K2O, Na 2O;
l         被氧化的合金元素 ---- 其中MnO是最严重的一种；
l         粘有造型砂（ 型砂、膨润土、硅酸纳等）的回炉料 ---- SiO2, Al2O3, Na 2O;
l         冲天炉炉渣 ---- CaO;
l         球墨铸铁浇冒口回炉料 ---- 硅酸镁。
炉渣的化学成分不尽相同，但大部分炉渣成分在下列范围内：
SiO2 50 ~ 80 %       MgO   0 ~ 15 %      Al2O3         5 ~ 20 %   
CaO 0 ~ 10 %        FeO         0 ~ 20 %      MnO     0 ~ 15 %
碱         0 ~  5 %
   
众多氧化物的存在使得较难预计炉渣的侵蚀性严重程度。通常可以应用三元图来预计某一炉渣的侵蚀程度。使用电子显微扫描仪对炉渣的相位分析可以获得比通常用化学全分析得到的资料来得多。炉渣与炉衬的反应一直进行到饱和为止。如果温度升高，则原来在较低温度下生成的饱和炉渣将会熔蚀更多的炉衬材料。如果侵蚀性的炉渣或氧化物在熔炼期间持续生成，则炉渣的侵蚀将是无限制的。
3.1  废钢
许多诸如边料、切屑等小件废钢料经常是锈蚀严重的。锈蚀的废钢料会生成FeO，进而与炉衬反应形成熔点约为1200℃的铁橄榄石。通常这些炉渣看起来非常黑。为减少FeO形成的常用办法是加入SiC，
它能够减少返回金属液的FeO。
对策：洁净废钢料的加入可以减少炉渣的生成。
3.2  炉渣凝聚剂
    通常用作为炉渣凝聚剂的珍珠岩是一种火山岩石的膨胀物，其化学成分为：
SiO2 ~ 75 %         Al2O3      10 ~ 15 %      Fe2O3      ~ 0.5 %
MgO   0 ~ 8 %    碱    5 ~ 10 %
    炉渣凝聚剂通常用来使炉渣变稠，容易处理和扒出炉外。炉渣凝聚剂的熔点非常低，它所含有的氧化物在温度升高时会与硅质炉衬起反应。
对策：所有加入炉内的炉渣凝聚剂必须及时取出。
3.3  合金元素的氧化
   
合金元素的添加须在熔炼过程的后期进行。原因是在合金元素、空气和炉衬之间存在化学反应。举例说，Mn是典型合金添加剂。它通常以FeMn形式加入。它通常在炉渣被撇除后直接加入到熔液表面以下。如果添加的合金浮在熔液表面的话，它将易被氧化成MnO
，其局部浓度可以很高。MnO与硅质炉衬迅速反应生成熔点约为1200℃的MnO-SiO2。MnO对硅质炉衬的这种化学损会非常严重。即使中等Mn含量的熔液的保温作业也会引起在金属液面线上的炉衬侵蚀，这是由于Mn与空气接触生成氧化物，进而与炉衬反应所致。
对策：在熔炼后期加入合金元素，并在加入后立即利用铁流将它推入或拉入金属熔液面下。
3.4  不洁浇冒口回炉料
   
在铸造作业中浇冒口回炉料是非常普通的工艺。浇冒口回炉料经常带有造模砂甚至粘有陶瓷过滤网。造模砂通常含有氧化硅、膨润土及诸如硅酸钠等添加剂。这些造模砂将进入炉渣，其内的膨润土和碱则成为Al2O3的主要来源。造模砂与SiO2并不饱和，它会与硅质炉衬反应。该反应通常并非很严重，但当它与FeO化合时，则具有很强的侵蚀性。如果存在可观的浇冒口回炉料加入量，则形成相当数量的炉渣。这些炉渣会被拉向熔液下面并`粘附在炉子侧壁中部。这种结瘤通常包含有高熔点的莫来石3Al2O3-2
SiO2 。这种炉渣强度很高并牢固地粘附在硅质炉衬侧壁上。除非连部分硅质炉衬一起敲掉，很难将它分离下来。
对策：清洁的浇冒口回炉料将减少炉渣的形成和反应。经过镁处理后的回炉料是一种特殊情况，将在后面讨论。
3.5  Fe-Mn 氧化物
Fe-Mn 氧化物非常容易形成，必须十分留意。富Fe-Mn 渣与硅质炉衬的反应非常迅速，并且在很低温度下发生。因此，富FeO-MnO
渣对硅质炉衬的侵蚀非常严重。
铁液在空气中的氧化是FeO-MnO形成的原因之一。锈蚀的废钢料则是第二原因。在以残留液位作业时，这些氧化物随着残留液的过热对炉底部位的炉衬的侵蚀加剧。过度的搅拌会使空气进入熔液，也会形成Fe-Mn氧化物。
对策：尽量避免加入含Mn的废钢料和避免过热。
3.6  与冲天炉双联作业
   
与冲天炉双联作业时，在高温铁液通过沟槽流向电炉时，它有足够的时间与空气接触；而当铁液在浇注和倾入熔池阶段中与空气的接触更多。由于FeO-MnO的侵蚀及存在的高度混合作用使得炉子中部的硅质炉衬侵蚀非常严重。而从冲天炉带入的碱性渣（富Ca渣）将加剧此类侵蚀。如果未能有效的加以调节则铁流将冲蚀炉壁，使局部炉衬被冲刷掉。
对策：炉渣中经常含有大量Al2O3。它来自沟槽的耐火材料。提高沟槽耐材的品质和对沟槽加盖是值得考虑的改进措施。
3.7  富CaO炉渣
冲天炉的虹吸管能有效地撇除碱性炉渣，否则CaO进入感应电炉将与硅质炉衬发生反应，加剧炉衬的侵蚀。然而，在生产率日益增长的今天的铸造车间内由于CaO在冲天炉的虹吸管内停留时间的缩短，以及呈弥散状的渣粒没有充分的时间上升到表面被撇除。这些被细化的渣粒随着铁液被浇注进铸模是造成铸件夹杂物的来源。
脱硫用的CaC 同样是CaO的来源之一。未反应的CaC与硅质炉衬接触也是非常有害的。此外，炉渣凝聚剂也是CaO的来源之一。
对策：避免脱硫时残剩的的CaC被带入感应炉内。
3.8  富MgO炉渣（球墨铸铁浇冒口回炉料）
   
近年来球墨铸铁的生产日益增加。球化处理通常在摇包内进行。如果在炉内进行，则Mg对炉衬的侵蚀非常严重。Mg处理过程是一个放热反应，因此温度升高，混合效应加剧。这些作用会在很短时间内将炉衬侵蚀掉。
   
球墨铸铁铸件的浇冒口回炉料经常被作为球墨铸铁的基铁加入或者有时在灰铁熔化中加入。尽管Mg的含量较低，但它对炉衬仍具有相当大的侵蚀力。Mg首先与氧反应成为MgO，然后MgO再进一步与炉衬反应。MgO先侵蚀炉衬中结合相态中的微粒形成低熔点物质。由于密度的差异这种低熔点物质很易被铁液取代。于是使炉衬存在缺陷为炉渣和铁液的渗透创造条件。对残液的过热使上述情况变得更为严重。所谓的“象脚”侵蚀现象即最容易在熔炼球墨铸铁的基铁时出现。
对策：适量控制球墨铸铁浇冒口回炉料总量和避免过热是减少侵蚀的重要手段之一。
3.9  锌
    
如今经常使用镀锌的废钢料。锌的熔点仅有406℃，其沸点也仅为920℃。Zn与空气极其快地反应生成ZnO。在硅质炉衬烧结阶段Zn/ZnO的蒸气有机会在炉衬未能完全烧结时进入炉衬空隙并被闭合起来。被闭合在空隙中的Zn/ZnO蒸气妨碍周围炉衬颗粒的正常烧结。于是，以后的熔融铁液就会溶解Zn/ZnO，并且浸润进该炉衬空隙。所以，锌的问题不是侵蚀问题，而是对炉衬烧结的影响以及引起铁液的浸润问题。这将缩短炉衬的使用寿命。尤其危险的事情是在烧结/熔化期间Zn/ZnO的蒸气直接进入线圈，引起线圈匝间打弧。另外，锌也对环境带来危害。
对策：尽量避免含锌废钢料的加入。
4.   炉渣的防止
   
从上述关于炉衬侵蚀机理的阐述看到，对某些炉渣有必要加以防止，以延长炉衬的使用寿命。对引起上述化学反应的各种因素加以研究并对各种炉渣的测试结果分析后，最近法国的拉法基公司研制出一种最新型的抗渣及抗氧化的添加剂—其商品名称为Rodaprev。它可以防止高侵蚀性炉渣的生成，并能在铁/钢液表层形成一层保护膜，防止铁/钢液的氧化反应。Rodaprev可使用于硅质、中性、碱性和尖晶石质炉衬的炉渣生成预防。
4.1    Rodaprev的添加量
1）  与废钢料一起按1公斤Rodaprev /（吨废钢）的比例加入，可以防止金属在熔炼过程中被氧化；
2） 
在对熔液除渣后，特别是在添加合金元素及金属成分调整后，按电炉容量的大小，添加1~3公斤Rodaprev至熔液表面，可以隔绝金属熔液与空气接触，防止金属熔液再次被氧化；
3）  在熔炼结束，对残留液进行保温作业时，按1公斤Rodaprev
/（吨熔液）的比例添加；用以防止FeO、MnO或高熔蚀性炉渣的生成。其另一作用是防止球墨铸铁回炉料中的镁成分进入熔液。
抗渣及抗氧化的添加剂能有效减少炉渣对炉衬的侵蚀，但不能完全消除此类侵蚀。它的添加量取决于炉渣形成数量和炉渣及氧化物的来源，应在上述比例的基础上依据经验和实践结果加以调整。
4.2  产品牌号及技术指标                                                                   
                 表1

      Rodaprev—SMG—SMS—70S—85N
      主要成分铝-硅酸锆、碳化硅铝-硅酸锆铝-硅酸锆铝酸镁
      适用之炉衬硅质炉衬硅质炉衬氧化铝炉衬氧化铝炉衬
      适用之熔炼对象能接受碳化硅成分的铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、碳钢铸铁及铸钢铸钢

4.3   效果
     Rodaprev能有效地保护炉衬并延长其使用寿命，减少废品率，提高生产率并降低生产成本。
 
5.   以瑞典微晶石英砂为基材的硅质炉衬Silica Mix 7系列
法国拉法基耐火材料公司最近研制成一种以瑞典微晶石英砂为基材的新一代细颗粒分布的硅质炉衬材料系列 Silica Mix
7被证明具有更高的捣结密度和不易分层的优点。它可减少熔液渗透，从而延长了炉衬寿命。图3示出了分别使用Silica Mix
7系列与传统的HF4系列材料筑炉后炉衬内的孔隙率的分布。
Silica Mix 7系列硅质炉衬材料的最新的改进处是：
l         提高了捣结密度；
l         在捣筑好的炉衬内具有较低的孔隙率；
l         在运输和捣筑过程中的分层现象减少；
l         扩大了与线圈接近部位的颗粒粉状区厚度，增加了安全因素。
拉法基耐火材料公司在Silica Mix 7硅质炉衬材料的基础上增加了其它添加剂而形成的派生系列炉衬材料（Silica Mix Z 和Silica Mix
Q）具有更高的抗侵蚀和抗热冲击性。
图3   Silica Mix 7/ HF4炉衬内的孔隙率的分布（筑炉后）
5.1  Silica Mix Z
    该派生系列产品是在Silica
Mix基础上加入了锆而成，它能减缓炉底部位通常称为“象脚”熔蚀的程度。它是一种经常发生在工频感应电炉中的不均匀的炉衬侵蚀现象 —
炉底被过早侵蚀而上部炉衬尚未被严重侵蚀。
5.2  Silica Mix Q
该派生系列产品也是在Silica
Mix基础上加入了电融石英而成，它使该产品增加了普通石英没有的优点。它的特点是使烧结表面裂纹减少，因此适合于批料熔化作业或热冲击是炉衬损坏主要因素的场合。Silica
Mix Q 材料的热膨胀较普通石英砂低。图4示出了Silica Mix，Silica Mix Q 及电熔石英的膨胀曲线。                    
              
图4 Silica Mix，Silica Mix Q 及电熔石英的膨胀曲线。
 
5.3  分区筑炉法技术的优点
   
无心感应电炉已是当今铸铁铸造业中首选的熔化设备。在铸铁、铸钢和铜及铜合金的熔化作业中，石英砂仍然是应用最广泛和最经济的一种炉衬材料。只要小心地处理好炉渣以及选择好合适的炉衬材料，有望提高炉衬的使用寿命。
   
炉衬的侵蚀经常发生在特定的局部区域或液位。而其它部位几乎仍无受到侵蚀，能被使用相当长的时间。但是由于局部区域受到严重侵蚀，不得不将整个炉衬敲掉，重新筑炉。假如采用分区筑炉法，在侵蚀严重部位采用某种合适的改进型炉衬材料，则炉衬寿命就可以得到提高。
尽管这些改进型的派生系列炉衬材料的价格较普通的材料高，但从坩埚模和筑炉成本的节约来看，还是存在相当的经济效益。这些改进型的派生系列炉衬材料常被捣筑在炉子底部和锥型部位（这儿经常存在“象脚状熔蚀”）以及用在炉子上部（这儿由于浇注时出现的热冲击经常呈现裂纹）。使用这种新型炉衬材料后，侵蚀减少，并且在使用寿命达到拆炉时整个炉衬的侵蚀程度相似，材料的利用率高。总之，这种分区筑炉的新技术显示出它在延长炉衬寿命和降低作业成本方面的优点。
5.4  分区筑炉技术实施
    图5显示出采用Silica Mix 7
系列材料的炉衬图及它的典型蚀损模型。由图可以看出，通常在炉底部存在“象脚状熔蚀”，在侧壁炉衬中部存在结瘤现象，而在上部渣线部位则经常存在严重的渣线侵蚀。
图5显示出采用分区筑炉技术的炉衬组合方案的详细分区，他被证明是一种有效的经济的筑炉工艺。该炉衬分区方案是：
l         炉底的下半部分采用Silica Mix 7 Pure；
l         炉底的上半部分及锥形部位采用Silica Mix Z；
l          侧壁采用Silica Mix 7(含氧化硼0.8%)和Silica Mix Q。                             
 
5.5    分区筑炉技术实施效果
下表2显示了在不同型号电炉和熔炼工艺下所进行的分区筑炉试验得到的统计结果
                       
图5    分区筑炉技术的炉衬组合方案
表2
      编号试验 1试验2试验3试验4
      电炉制造商 InductothermABBInductotherm
      电炉规格 6吨中频电炉6吨中频电炉6吨中频电炉
      原用炉衬Silica Mix Silica Mix/HF4Silica Mix/HF4Silica Mix/HF4
      新组合炉衬上部- Silica Mix
       炉底-Silica Mix Z
       上部- Silica Mix Q
      其余- Silica Mix 
           /HF4上部- Silica Mix Q
      其余- Silica Mix  
           /HF4炉底下半部-
      Silica Mix 7
      炉底上半部-
      Silica Mix Z
      侧壁- Silica Mix 7
      解决目标象脚熔损炉顶部出现冷却裂纹，维修量大炉顶部出现冷却裂纹，维修量大使整个炉衬均匀蚀损
      原使用效果炉衬上下部熔损不均匀见上见上过铁量800 ~ 900吨
      现使用效果象脚熔损现象消除,炉衬上下部熔损均匀炉龄提高50%平均过铁量2000吨过铁量1400 ~ 1500吨（底部炉衬无须修补）

       
这种新材料与常规炉衬材料可以配伍，并且所有原有的筑炉技术，诸如振动筑炉、坩埚重复使用、烧结、液态烧结和旧炉衬推出等技术仍均可以采用。上述的分区筑炉法的应用需要电炉操作者的细心工作和周密的生产计划，但是它将从如下各方面得到补偿：
l         延长了炉衬寿命；
l         减少了维修工作量；
l         容易将旧炉衬拆除。
 
6． 结论
   
本文描述和分析了感应电炉熔炼过程中各种氧化物/炉渣的生成机理和条件,提出了相应的对策。并介绍了法国拉法基耐火材料公司最新研制的新型的抗渣及抗氧化的添加剂Rodaprev，它被用以阻止氧化物的形成或隔绝炉渣的生成，从而减少它与炉衬的反应。上述技术再加上炉衬材料的分区筑炉新技术，使石英砂炉衬的寿命得以延长，作业成本得到降低。