無芯感應(yīng)爐具有高效、節(jié)能、低污染、成分易調(diào)節(jié)、氣氛易控制、升溫能力強、可間歇作業(yè)等優(yōu)點，而在煉鋼、鑄造、有色金屬熔煉精密合金生產(chǎn)等方面廣泛應(yīng)用。感應(yīng)爐按頻率不同分為：工頻感應(yīng)爐(50Hz以內(nèi))；中頻感應(yīng)爐(50Hz-10000Hz)和高頻感應(yīng)爐(10000Hz以上)。近年來，隨著大功率晶閘管變頻電源的開發(fā)和可靠性提高，中頻爐逐步取代工頻爐，與工頻爐相比，中頻爐熱效率和電效率高，熔煉時間短，耗電低，易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。并且感應(yīng)爐向大容量、高功率方向發(fā)展，對耐火材料有更高的要求。
耐火材料內(nèi)襯是決定感應(yīng)爐產(chǎn)量，鑄件質(zhì)量及生產(chǎn)運行安全可靠性的重要因素，要獲得質(zhì)量好、壽命長的耐火材料內(nèi)襯，首先要了解使用條件：(1)耐火材料內(nèi)襯厚度較薄，內(nèi)襯的溫度梯度較大；(2)爐中電磁攪拌金屬液，對內(nèi)襯耐火材料產(chǎn)生機械蝕損；(3)耐火材料內(nèi)襯反復急冷急熱沖擊。
因此，選用的耐火材料必須具有：足夠高的耐火度和荷重軟化溫度；良好的熱震穩(wěn)定性；不與金屬及熔渣等發(fā)生化學反應(yīng)；具有一定的高溫機械強度；具有良好的絕緣性和隔熱性；還有要好施工，填充密度高，易燒結(jié)，維修方便；耐火原料資源豐富，價格低廉等。感應(yīng)爐的發(fā)展與耐火材料技術(shù)進步密切相關(guān)，大型工頻坩堝式感應(yīng)爐的設(shè)計，往往是從耐火材料的選擇和爐襯模擬試驗開始的。在任何情況下，選擇爐襯耐火材料都是以爐子的利用率和經(jīng)濟性作為主要依據(jù)。為了電器上的緊密耦合起見，爐襯厚度在力求不影響壽命的條件下，越薄越好。
1、無芯感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)及耐火材料內(nèi)襯的構(gòu)筑方法
1）內(nèi)襯結(jié)構(gòu)
內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如表1所示，由銅管制成的線圈在內(nèi)襯的外部，傳統(tǒng)的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)是在緊靠線圈的部位鋪設(shè)一層云母紙，接下來是報警電極，再鋪設(shè)一層石棉板(布)，其后是干式搗打爐襯。干式搗打內(nèi)襯在烘烤和使用過程中逐漸形成燒結(jié)層、過渡層和未燒結(jié)層，合理的三層結(jié)構(gòu)厚度是決定爐襯壽命的重要因素之一。為了滿足底頂出式拆爐方式，出現(xiàn)了線圈絕緣膠泥，膠泥取代了云母層，給線圈增加了一層保護屏障。膠泥層是一般較云母層厚，但熱導率高于云母，因此稱含膠泥的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)為改良結(jié)構(gòu)。復合爐襯結(jié)構(gòu)是為適應(yīng)一些金屬熔煉需要，用預(yù)燒成的坩堝和填充料取代搗打內(nèi)襯，這種結(jié)構(gòu)解決了干式料難以燒結(jié)問題，同時改善某些金屬熔液或渣對內(nèi)襯熔蝕嚴重的狀況。
無芯感應(yīng)爐用耐火材料按材質(zhì)不同分類如下：
（2）預(yù)制坩堝或爐瓦：坩堝或爐瓦內(nèi)襯的成型和烘干都是在爐外進行的。這時線圈采用絕緣膠泥保護，與放入的坩堝之間填充以抗?jié)B的干式耐火材料，稱為復合爐襯。這種結(jié)構(gòu)解決了干式料在較低溫度難以燒結(jié)問題，同時改善了某些金屬熔液和渣對內(nèi)襯熔蝕較大的狀況。這種方法適用于小容量（一般200 kg以下）的感應(yīng)爐。由于預(yù)制坩堝法內(nèi)襯更換方便,多用于實驗和冶煉特種金屬。
（3）砌筑爐襯：感應(yīng)爐內(nèi)襯采用耐火磚分層砌筑，主要用于大型感應(yīng)爐。
2、感應(yīng)爐用耐火材料的選擇
感應(yīng)爐根據(jù)熔化金屬的種類，渣的性質(zhì)、爐容量及操作條件等選用不同的耐火材料，如表2所示。
1）鑄鐵熔化和保溫的爐襯耐火材料
感應(yīng)爐可熔煉各種鑄鐵，如球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵等。過去熔化鑄鐵大都使用工頻爐，由于中頻變頻感應(yīng)爐具有高效、節(jié)能等優(yōu)點，近年來熔化鑄鐵越來越多使用中頻或變頻爐。
鑄鐵感應(yīng)爐內(nèi)襯一般選用石英質(zhì)搗打料，硼酸為燒結(jié)劑的酸性內(nèi)襯。天然石英在使用過程中由于晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積效應(yīng)，熱膨脹系數(shù)較大，抗熱沖擊性能差,不適于間歇操作的爐子，要求爐子操作不能倒空，連續(xù)操作較好。目前國內(nèi)這類爐襯壽命在60~150爐次左右，有些能達到200爐次。值得提出的是：近年來有些地方石英質(zhì)內(nèi)襯使用壽命顯著提高，主要是采用高純度、大晶粒石英和不同的燒結(jié)劑。
打結(jié)工藝主要有：
（1）線圈打結(jié)
選用絕緣膠泥均勻涂覆于感應(yīng)線圈表面，膠泥層厚8 ~15 mm，烘干后具有良好的絕緣性能，在線圈絕緣層內(nèi)鋪設(shè)層石棉板和一層玻璃絲布，鋪設(shè)時手工平整壓實各層材料，再用彈簧圈上下繃緊。搗固石英砂時，自上而下逐個移動彈簧圈，直至內(nèi)襯打結(jié)完畢；
（2）打結(jié)爐底
爐底厚280 mm，分四次填砂，必須嚴格控制填砂厚度不大于100 mm/次，人工打結(jié)每次30 min，繞爐子緩慢旋轉(zhuǎn)換位，均勻搗打，防止密度不均。打結(jié)到要求高度時刮平，放置坩堝模。必須保證坩堝模與感應(yīng)圈同心，與爐底結(jié)合緊密，調(diào)整周邊間隙均勻后用木楔卡緊，避免打結(jié)襯壁時產(chǎn)生位移。
（3）打結(jié)爐壁
爐襯厚度110 ~120 mm，分批加料，填料厚度不大于60 mm/次，人工打結(jié)15 min，直至與感應(yīng)圈上緣平齊。打結(jié)后坩堝模不取出，烘干和燒結(jié)時起感應(yīng)加熱作用。還有合理的烘烤燒結(jié)工藝，獲得三層結(jié)構(gòu)（即燒結(jié)層、過度層、松散層）內(nèi)襯，并做好日常的維護工作才能取得爐襯的高壽命。
也有采用熔融石英打結(jié)料作為酸性內(nèi)襯，特別是國外比較多。熔融石英具有熱膨脹系數(shù)小，搗打料具有抗沖擊性能好的特點。同時克服了天然石英在長期使用過程中燒結(jié)層較厚甚至燒透的現(xiàn)象，保留了足夠的未燒結(jié)層，避免裂紋穿透，確保感應(yīng)爐安全穩(wěn)定地運行。這種搗打料用于50 kg-10 t感應(yīng)爐內(nèi)襯，使用壽命為250~450爐次，20爐內(nèi)襯壽命達300爐次。
此外，高鋁礬土質(zhì)搗打料也可以作為熔鐵感應(yīng)爐內(nèi)襯，而且抗熱震性能更好。用Al?O?質(zhì)量分數(shù)55~66%的三級鋁礬土熟料，就能滿足鑄鐵感應(yīng)爐內(nèi)襯的要求。
2）鑄鋼、特殊鋼熔化爐內(nèi)襯耐火材料
目前，鑄鋼、特殊鋼熔化多數(shù)使用500kg以下的中頻爐，其內(nèi)村耐火材料分別有石英質(zhì)（偶爾使用）、氧化鎂質(zhì)、鎂尖晶石質(zhì)等干式搗打料，使用壽命在50~150爐次。鎂質(zhì)搗打料是以電熔鎂砂為主要原料的內(nèi)襯耐火材料，具有耐火度高、耐侵蝕性優(yōu)、尤其對堿性溶液、熔渣非常穩(wěn)定。但是它的熱膨脹系數(shù)較大，燒結(jié)溫度高，在使用過程中由于膨脹、收縮，內(nèi)襯會產(chǎn)生裂紋和剝落，因此，鎂質(zhì)搗打料在500 kg以下的爐子使用比較合適。鎂尖晶石搗打料是以鎂砂為主要原料，添加適量的尖晶石制成，由于其熱膨脹系數(shù)小于氧化鎂質(zhì)的，同時使用中的二次尖晶石化使材料產(chǎn)生膨脹，能抑制裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，并且尖晶石的抗渣性優(yōu)良，可用于1 t左右的感應(yīng)熔煉爐內(nèi)襯。
目前容量1t以上的熔化和保溫爐逐漸增多，而且向多品種熔煉、高溫熔煉和高功率快速熔化的方向發(fā)展，使感應(yīng)爐內(nèi)襯的使用條件極為苛刻。因此，大型鑄鋼、特殊鋼熔化對感應(yīng)爐內(nèi)襯耐火材料的性能提出更高的要求。因此，要求鑄鋼特殊鋼熔化爐內(nèi)襯耐火材料必須具有優(yōu)良的高溫性能，即耐侵蝕、接觸鋼水的受熱面不產(chǎn)生裂紋、不發(fā)生滲鋼液漏鋼液等問題。為了滿足這些要求，普遍選擇電熔白剛玉或致密剛玉，加入適量的鎂砂或鋁鎂尖晶石，用這種剛玉-尖晶石質(zhì)搗打料，在大型熔鋼感應(yīng)爐上推廣應(yīng)用。電熔剛玉具有耐火性能好，抗侵蝕能力強，與方鎂石或尖晶石相比，剛玉的熱膨脹系數(shù)小，熱態(tài)體積穩(wěn)定性好等優(yōu)點，同時在使用過程中產(chǎn)生二次尖晶石化的體積膨脹能有效的抑制內(nèi)襯龜裂的產(chǎn)生。因此，使用鋁尖晶石搗打料內(nèi)襯，內(nèi)襯熱面龜裂獲得控制，微裂紋顯著減少。這種材料在3t~5t感應(yīng)爐上的使用壽命在200~400爐次。
3）銅與銅合金熔化爐內(nèi)襯用耐火材料
對于一般的熔銅爐來說，石英、高鋁礬土、莫來石和剛玉質(zhì)材料都能滿足要求。由于石英質(zhì)搗打料成本低，而且筑爐方便，在300~700kg爐中使用最多可達200爐次。連續(xù)使用的大型無芯感應(yīng)爐上可使用莫來石質(zhì)或高鋁質(zhì)搗打料或澆注料，連續(xù)使用壽命一般可達一年與以上。當工作溫度提高，使用條件更加苛刻時，可用剛玉質(zhì)內(nèi)襯。近年來國外已經(jīng)出現(xiàn)30t以上的大型無芯感應(yīng)爐，我國蘇州銅材廠16t工頻熔銅爐使用剛玉質(zhì)內(nèi)襯材料，添加抗?jié)B劑，與銅液中的Mn、Ni、Al等均不發(fā)生反應(yīng)，不發(fā)生粘渣，使用壽命超過3年（700多爐次）。紫銅為銅合金中滲透性較強的一種，熔點為1083 ℃，熔煉時，熔體向襯體內(nèi)部滲透，發(fā)生氧化并伴隨體積膨脹和生成低熔點物質(zhì)，發(fā)生熔蝕現(xiàn)象，降低內(nèi)襯材料的使用壽命。在30 t的熔銅感應(yīng)爐中，熔化鎳鋁青銅時，最高溫度為1350℃，采用臨界顆粒達10 mm的莫來石搗打料，使用狀況良好。
還有的采用預(yù)合成的石墨坩堝或碳化硅坩堝，其優(yōu)點是可以快速更換節(jié)省燒結(jié)時間，提高感應(yīng)爐的電效率，因此坩堝內(nèi)的溫度也高，節(jié)約能源。但與剛玉搗打料相比，成本高，坩堝內(nèi)的攪拌作用降低，對爐溫的均勻性不利。
4）鋁與鋁合金熔化爐內(nèi)襯用耐火材料
金屬鋁及鋁合金在高溫下是很強的還原劑，雖然熔化溫度不高（爐溫不超過850 C），但鋁液的粘度很低，對內(nèi)襯耐火材料有很強的潤濕和滲透性。因此對內(nèi)襯耐火材料要求有較高的抗熱震性和抗鋁液滲透能力。目前其爐襯耐火材料主要有：
（1）澆注或濕式搗打的高鋁質(zhì)、莫來石質(zhì)內(nèi)襯，其一般施工和烘烤周期較長，要求連續(xù)工作，使用效果較好，使用壽命一般在一年以上。
（2）復合內(nèi)襯：即熱面采用預(yù)燒成的坩堝或爐瓦，線圈采用絕緣膠泥保護，中間填充抗?jié)B透、止漏的干式耐火材料。使用效果較好。
（3）石英質(zhì)、莫來石質(zhì)、剛玉質(zhì)等干式搗打料，是使用最廣泛的鋁熔化爐內(nèi)襯材料，雖然使用壽命不及前兩種材料，但使用穩(wěn)定。
5）鎳熔化爐內(nèi)襯用耐火材料
某有色金屬公司有數(shù)臺1t無芯中頻感應(yīng)爐生產(chǎn)水淬鎳，使用中內(nèi)村耐火材料受到金屬液產(chǎn)生的電磁攪拌作用的機械沖刷，還要受到急冷急熱反復激烈的循環(huán)作用，并且鎳液有極強的穿透力，經(jīng)常出現(xiàn)爐底燒穿及線圈打火事故，使用壽命在十幾爐。某耐火集團公司通過鎂質(zhì)、鎂尖晶石質(zhì)、鋁尖晶石質(zhì)搗打料的深入細致的試驗研究，得出鋁尖晶石搗打料比較合適。
3、感應(yīng)爐的維護與修補
做好感應(yīng)爐內(nèi)襯的維護，并做適當修補是提高使用壽命的重要途經(jīng)。
1）感應(yīng)爐內(nèi)襯損壞情況大致是：
（1）熱應(yīng)力裂紋，由于內(nèi)襯的厚度較薄，內(nèi)側(cè)與高溫金屬液接觸，外側(cè)緊貼水冷線圈，兩側(cè)溫差很大，加上周期性冷熱循環(huán)，導致內(nèi)襯熱應(yīng)力開裂；
（2）受金屬液和熔渣的侵蝕，特別是電磁攪拌和過熱引起機械侵蝕；
（3）剝落，由于熱應(yīng)力或機械碰撞等原因，造成內(nèi)襯材料以塊狀或片狀從內(nèi)襯表層掉落；
（4）滲透與結(jié)渣。
2）感應(yīng)爐維護
維護和保養(yǎng)工作非常重要，不但能及時發(fā)現(xiàn)各種隱患，避免重大事故發(fā)生，還能保證安全生產(chǎn)，延長使用壽命，提高鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。日常生產(chǎn)應(yīng)該注意以下幾點：
（1）加入爐內(nèi)用來熔煉的原材料必須干凈，為了防止加料過程劃傷爐內(nèi)襯，原材料的尺寸不能太大，不要直接撞擊爐底。
（2）連續(xù)熔煉時，不要出凈金屬液，要留10%左右保護內(nèi)襯。注意防止熔煉溫度過高，蝕損內(nèi)襯。粘在內(nèi)襯上的熔渣，要及時清理，每周測量一次爐體尺寸，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。
（3）定期記錄有關(guān)電的參數(shù)，冷卻水溫度及爐體各關(guān)鍵部位外殼溫度，隨時監(jiān)測爐子的使用情況。
（4）每天觀察水壓表、水溫表及水流情況和膠管的老化程度,，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。
（5）階段性熔煉完畢后，爐體蓋上保溫蓋，防止爐體冷卻過快，產(chǎn)生深處裂紋。當爐體產(chǎn)生較大裂紋或蝕損嚴重時，剔除損壞部分的燒結(jié)層，打結(jié)修補。
3）感應(yīng)爐修補
對局部損壞的爐襯進行修補，不但延長感應(yīng)爐的使用壽命，而且還能節(jié)省大量耐火材料、保溫材料和絕緣材料，減少烘爐消耗的電能，節(jié)約工時及筑爐費用。如某0.5 t中頻感應(yīng)爐用鋁尖晶石內(nèi)襯，熔煉鋁硅錳合金，一般使用壽命在50爐次左右。當使用40爐左右采用硅微粉結(jié)合的鎂質(zhì)修補料對內(nèi)襯的裂縫剝落及侵蝕嚴重部位進行涂抹修補，修補后利用爐子的余熱進行10 min自然干燥，利用熔煉升溫進行烘烤及高溫處理，發(fā)現(xiàn)修補料與原內(nèi)襯結(jié)合牢固。經(jīng)過兩次修補可使內(nèi)襯壽命提高到90~100爐次。
修補方法有很多種類，視內(nèi)襯的損壞情況，靈活運用。大致有小修、中修、大修，小于1 mm的裂紋可以不修，1 mm以上的裂紋，特別是水平方向的裂紋必須修補，可用加入硼酸的耐火材料過篩后，用鐵絲等工具填補，并在補后的表面上加水玻璃的濕態(tài)混合砂抹平。如果有小范圍的侵蝕或損傷，清除爐渣和殘鐵后，涂以水玻璃后，再用加入水玻璃混合好的耐火材料拍打修補，或用含Al?O?的不定形耐火材料修補。
中修有以下幾種：
（1）熱補法：常用于爐口，將松動的原內(nèi)襯除掉，清理干凈后將高度和直徑合適的模具放入碗口狀的斜坡上，加入散狀耐火材料搗實，先送低壓電3~4 h,再送高壓電化料。
（2）冷補法：爐子冷卻后修補?？赡苡幸韵聨追N情況：
①面積比較大的局部損毀，除掉補位的氧化層，放上合適的坩堝模，填上原內(nèi)襯的材料搗實，按舊爐的烘爐曲線烘爐；②整個爐內(nèi)襯變薄，先將內(nèi)襯的氧化層鏟除剝平，底部放搗打料搗固后，再放入整體爐膽，然后放入搗打料分批搗固，完畢后按新爐烘爐；③底部“象腳”部位的修補，將原燒結(jié)層劃破（不必全部鏟除），放入坩堝，加料搗實即可。
（3）感應(yīng)線圈的修補：清理破處，然后均勻涂覆絕緣膠泥，一般膠泥是加耐火水泥的，屬水硬性物質(zhì)，干的太慢，易流動變形，干的太快，無法修補，因此要掌握好水泥的初凝及終凝時間。
中修簡單易行，可以反復連續(xù)進行，中修后可達新筑內(nèi)襯相當?shù)男Ч?，大大延長使用壽命。如果中修反復無限延長下去，可能做到感應(yīng)爐用耐火材料零排放，節(jié)能環(huán)保。建議感應(yīng)爐采用噴補技術(shù)進行中修，效率會更好。
所謂大修，即拆除全部耐火材料，重新筑爐。
4、結(jié)語
無芯感應(yīng)爐用耐火材料是根據(jù)熔煉金屬的種類，熔渣的性質(zhì)，爐子容量大小，操作條件等因素選擇。鑄鐵和部分鑄鋼、銅鋁及合金熔化爐用酸性的石英質(zhì)耐火材料。要求純度高（w(SiO?)> 99%），結(jié)晶顆粒大,搗打料的顆粒配比合理，合適的燒結(jié)劑。內(nèi)襯打結(jié)打?qū)?。鑄鋼和部分鑄鐵，銅鋁及合金，鎳熔化爐用高鋁礬土質(zhì)和剛玉尖晶石質(zhì)的中性和鎂質(zhì)及鎂尖晶石質(zhì)的堿性耐火材料，可干式搗打或預(yù)制坩堝的復合內(nèi)襯。根據(jù)爐子容量大小，使用條件選用。對爐子精細維護，發(fā)現(xiàn)有損壞部位及時修補，是延長感應(yīng)爐使用壽命的重要途經(jīng)。應(yīng)該采用噴補技術(shù)，機械化作業(yè)，反復噴補，爭取做到用后耐火材料零排放，向永久內(nèi)襯方向發(fā)展。
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