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感应炉用耐火材料 1 感应炉坩埚的分类及对耐火材料的质量要求 1.1
感应炉坩埚的分类
坩埚是感应炉的重要组成部分。它除了用于盛装钢液进行冶炼之外，还起着绝热、绝缘和传递能量的作用。坩埚用耐火材料的材质除满足冶金要求以外，还必须具有一定的电气特性。感应冶炼使用的坩埚按其材质和制作方法进行分类。 1.1.1
坩埚按材质分类
按制作坩埚的耐火材料化学性质可分为碱性坩埚、酸性坩埚和中性坩埚三种。这三种坩埚分别用于不同的目的。
1.1.1.1碱性坩埚
碱性坩埚是用碱性耐火材料氧化物制作的坩埚。用于制作碱性坩埚的氧化物为
CaO、MgO、ZrO2和BeO等。其中，除MgO大量使用外，其他氧化物因成本高等原因，只限于制作供试验用的小坩埚。碱性坩埚可用于冶炼各种钢与合金，是应用最广泛的坩埚。目前，最大的碱性坩埚的容量为32吨。 1.1.1.2酸性坩埚
酸性坩埚是用酸性氧化物制作的坩埚。用于制作酸性坩埚的氧化物主要为SiO2。几乎所有的酸性坩埚都是以SiO2为主的耐火材料制作的，特别适用于5~30吨容量的大型感应炉。如熔炼铸铁全部采用酸性坩埚。 1.1.1.3
中性坩埚 中性坩埚是以中性氧化物或复合化合物如Al2O3、MgO·Al2O3、ZrO2·SiO2等制成的坩埚；用石墨制成的坩埚也属于此类。应用较多的中性坩埚是Al2O3和MgO·Al2O3等化合物制成的，多用于冶炼高合金钢和合金等。 1.1.2坩埚按制作方法分类 1.1.2.1炉外成型预制坩埚
这种坩埚的成型和烘干均在炉外进行。将砂料装入模具内部加压制成。这种方法只能生产小容量坩埚，目前炉外成型法可以生产容量在200公斤以下的坩埚。这种坩埚省料、更换方便，适用于实验室使用。 1.1.2.2
炉内成型坩埚
炉内成型坩埚是利用手工或机械的方法在炉内打结制作的。目前，100公斤至几十吨容量的坩埚多属此类。 1.1.2.3
砌筑式坩埚
利用特制的耐火砖和填料，在炉内砌筑成具有一定容量的坩埚即为砌筑式坩埚。这种砌筑式坩埚制作方便、省料，适合于大型坩埚。目前，用于炼钢的最大感应炉（60T）采用的是砌筑式酸性坩埚。 1.2坩埚的质量要求 1.2.1
耐火度
坩埚制品应具有高的耐火度，避免在坩埚材质内部过早出现液相，使坩埚熔损，降低了坩埚的最高允许工作温度。一般而言，炼钢用坩埚的耐火度为1700℃，冶炼镍基合金时为1600℃，熔炼铸铁是为1500℃。常用坩埚材料的允许最高工作温度如表1-1。 表1-1
常用坩埚材料的允许最高工作温度℃
1.2.2
物化稳定性
要求用于制作坩埚的耐火材料，必须具备优良的耐物化反应性。 1.2.3
抗炉渣的化学侵蚀 坩埚材料的碱度水平和炉渣组成的碱度差越大，坩埚就越容易被侵蚀。大多数坩埚的损坏都与化学侵蚀有关。目前，只能通过调整炉渣的流动性来加以控制。 1.2.4
抗钢液的化学侵蚀
钢液中的元素如C、Al、Ti、B、Re等在高温和真空的作用下均会与坩埚材料发生相互反应，使坩埚遭到侵蚀。耐火材料在真空下的稳定性与其材质纯度有很大关系，纯度越高，重量损失越小。 1.2.5
热震稳定性 坩埚在使用过程中，周期地经受加热和冷却的作用，随之而产生体积膨胀和收缩。这时坩埚内部相应地发生抗压应力，在应力的反复作用下会导致产生裂纹。裂纹发展下去将使坩埚破坏。 影响坩埚制品耐急冷急热的因素有坩埚砂料的配比、打结的致密程度。耐火材料的膨胀系数等。为了延长坩埚的寿命，要求坩埚制品具有良好的热震稳定性。 1.2.6
高温强度
冶炼过程中坩埚本身承受着各种力的作用，其中包括：炉料对坩埚的冲击力，钢液的静压力，电磁搅拌运动时的作用力以及坩埚内外温差应力，急冷急热变化产生的内部应力等。由于这些力的作用就要求坩埚在高温和室温时必须具有一定的强度，以防止开裂。坩埚的高温强度和耐火材料的种类，成型压力，烧结工艺，砂料粒度配比等因素有关。因此，必须从各方面采取措施来增加坩埚的高温强度，以保证坩埚的正常使用。 1.2.7
绝缘性能
由于钢液与感应圈之间保持一定的电压差（通常为几十伏到数百伏），为此，坩埚材料须有一定的绝缘性能，以免被击穿。但是，坩埚材料的绝缘电阻又不能太大，否则会影响炉子的电效率。因为磁力线通过坩埚壁时将有一部分磁能损失，坩埚壁的电阻越小，磁力线通过时损失越小。因此，在保证绝缘的前提下坩埚材料的比电阻率应尽量小一些，使它既保证绝缘性又满足提高电效率的要求。
常用坩埚材料的比电阻率随温度升高而下降。在炼钢温度范围比电阻率值为102~104欧姆.厘米。坩埚材料的纯度对绝缘性和比电阻率的影响最明显。其中铁磁性物质如Fe3O4,Fe2O3等能明显的降低绝缘性和比电阻率。其他能形成低熔点化合物的成分也起着相同的作用。为了确保坩埚在高温下安全工作，对绝缘性能的要求应放在首位，电效率可以通过调整坩埚壁的厚度来达到预期的效果。因此，在实际选择坩埚材料时，要求其纯度尽可能高一些，以保证高温下坩埚具有良好的绝缘性能。 1.2.8
导热性 冶炼过程坩埚内外之间的温差很大，最大是可达1400~1600℃。通过热平衡计算大约有10~15%的热量是由坩埚壁向外散失的，减少这部分热损失可以提高电阻率。因此
，要求坩埚材料的绝缘性能高，即坩埚材料的导热系数应当低。常用的坩埚材料，在冶炼温度下其导热系数约为1~2千卡/米.小时.
℃。导热系数太大的耐火材料由于导热损失大，不宜作为坩埚材料。 1.2.9无污染、无公害和低成本 坩埚材料在高温和高真空的作用下，会产生挥发，挥发物应不污染环境，对人体健康无害。有些坩埚材料，如氧化铍在使用时会产生有碍健康的含铍粉尘或铍蒸气。有时有的耐火材料会含有放射性元素，污染环境和影响健康。 坩埚是消耗品，在生产成本中有一定的比例。在选择供生产用的坩埚材料时，必须选择既符合质量要求又便宜的耐火材料。 2
坩埚的成型
坩埚的成型方法有下述几种。 2.1
炉外压力成型法 把配好的砂料加入模具中，加压后制成坩埚。图2~1表示炉外压力成型法的示意图。
图2～1坩埚炉外压力成型法 炉外压力成型后的坩埚，可以直接经过干燥后使用。坩埚成型是用各种压力机来完成的。炉外成型坩埚的安装方法如图2~2所示。
安装坩埚之前，先在感应器内铺衬一层石棉布或玻璃纤维布。然后，在底部放入填料，填料可以使用废旧的砂料；不加水分，不应含有铁磁性物质，用钢钎将底部捣打结实以后，再放入坩埚。
图2～2
炉外成型坩埚的安装方法 2.2
炉内人工打结成型法 炉内人工打结成型法主要应用于制作容量1吨以下的坩埚。 2.2.1打结坩埚前的准备工作 打结前应做好砂料的配制、感应器的清理和检查、坩埚型芯的准备以及打结用工具的准备工作。 2.2.1.1坩埚砂料的准备 打结用砂料按规定的粒度配制，并与添加剂混合均匀。如果采用湿法打结时，可加入1~2%的水分，拌合均匀后放置1~2小时再用。干法打结时砂料应平铺，不宜堆放，以免出现粗细颗粒分层。对于工作电压较高的高频感应炉坩埚用砂料，在拌料前还要仔细地进行磁选，以清除铁磁性物质。中频感应炉用砂料也可适当进行磁选。 为了得到致密稳定的坩埚，每只坩埚打结用砂料的重量必须固定。当打结后剩有余料时表明致密性差；无余料时正合适；砂料不够时表明过于致密。因此，通过对打结用砂料的重量控制，可以检验所打结之坩埚的致密程度。 2.2.1.2感应器的准备 首先检查感应器有无漏水、渗水和绝缘漆层破坏处，如发现有问题应立即处理。然后，检查紧固情况是否牢固。随后在感应器的内侧铺以玻璃纤维布筒和石棉布筒，使感应器与高温的坩埚之间有一定的绝缘性能。酸性坩埚材料在高温下比碱性坩埚的比电阻值小，因此要求较高的绝缘性能，在铺衬玻璃纤维布时酸性坩埚应多铺1~2层，必要时还需要增加1~2层云母绝缘纸。 2.2.1.3坩埚型芯的准备 型芯是用来控制坩埚形状和容积的胎具。随所用的烧结方法不同，型芯的结构和形式也不相同。低温烧结时使用由钢板或薄铁板加工制成的钢板型芯，其形状和尺寸如图2-3和表2-1。
图2-3
钢板型芯 表2-1 钢板型芯尺寸
高温烧结时，使用石墨制成的型芯，其尺寸如图2-4和表2-2所示。
图2-4
石墨型芯尺寸 型芯在使用前，应在其表面包覆草板纸，以便于烧结后取出型芯。 表2-2石墨型芯尺寸
2.2.1.4打结用工具 人工打结用工具采用直径为12~14毫米的尖头钢钎，其长度由坩埚容量而定。尖头钢钎对砂料产生的压强比平头锤要大得多。人工打结也可以采用风镐来捣打砂料，这时，钢钎的直径可以大一些，头部尖头可稍钝一些。使用的压缩空气气源的压强应大于5公斤/平方厘米。 2.2.2坩埚的打结 坩埚打结时，按炉底、坩埚壁、炉口三个部位顺序打结。 2.2.2.1炉底的打结 坩埚底部承受着全部钢液的静压力，尤其是坩埚底和坩埚壁的交界转角处是整个坩埚的最薄弱环节，要求有较高的打结质量。但是，由于此处坩埚砂料厚度变化大，散热条件不同，打结时不易均匀捣制，所以，转角处容易产生烧结裂纹导致漏钢。为了提高该处的捣打质量，在打结此处时可采用如图2-5所示的方法进行捣打。
图2-5 坩埚底部的打结方法
具体方法如下：首先分批加入砂料进行打结，待硬砂层上升到凹坑以上时，取出表层的松散砂料，在硬砂层中挖出和型芯底部形状吻合的凹坑，然后把型芯放入，对准中心后固定型芯开始打结坩埚壁。炉底打结加料次数为4~5次，每次打结时间为10~30分钟（坩埚容量越大，打结时间越长）。凹坑的底部位置是非常关键的，通常应处在从下面第二圈的上面。这样，可以保证坩埚底部温度不会偏低，防止炉底出现凝钢现象。 2.2.2.2坩埚壁的打结
炉底与炉口间的部位叫做坩埚壁，是坩埚的主要工作部位。它承受着钢液静压力、冲刷力、内外温差应力以及钢液的化学侵蚀作用等。所以，要求坩埚壁打结得均匀、致密，这样，烧结后才可得到优良的工作面，具有较高的使用寿命。
通常在打结坩埚壁时，砂料应分10~15次加入，每次打结时间应一定，一般在10~20分钟之间。每次加入砂料前应检查有无异物落入。干法打结时还要先加入少量细粉砂料，以免出现分层。湿法打结时，每次加料前应用钢钎划松表层，以免层次间连接不牢产生横向烧结裂纹。打结过程应经常检查型芯位置是否正中，以免型芯歪斜使坩埚壁厚薄不均，降低使用寿命。当硬砂层达到渣线以上，即从上面数第2~3感应圈位置时，即转入炉口的打结操作。 2.2.2.3炉口的打结和砌筑
渣线至出钢口之间的部位称为炉口。它处于感应线圈以上，钢液无法达到，不能进行高温加热。因此，炉口区不易烧结。此处虽然受力较小，但是其烧结质量不好，会在烧浇注时产生落砂，随钢流进入钢锭或铸件形成夹渣。为了得到结实的烧结炉口，必须在砂料中增加细粉料的比例，或添加适量的粘土、水玻璃等，以得到较结实的烧结炉口。
大型感应炉的炉口是用专门耐火材料砌筑而成，这种用异形砖砌筑的炉口可以确保浇注过程不会产生落砂，对冶炼质量的提高有很大的好处。炉口砌筑完毕后，坩埚打结即告完成。 2.3坩埚的振动成型法
振动成型法是炉内成型法中的一种，大容量感应炉坩埚若采用人工打结成型，质量不容易得到保证，必须采用其他方法来制作。振动成型法是最常用的一种方法。所用设备为振动筑炉机。振动筑炉机的形式很多，如高速振动筑炉机，这种振动筑炉机由三部分组成：气动振动机、炉底振动机、炉壁振动器（筑炉机）。炉壁振动机如图3-14。
振动筑炉机的作用原理是，通过压缩空气驱动的空气马达（振动机），产生每秒13000次的振动作为振动源。振动机可以产生3~5公斤/平方厘米振动力，通过炉底振动块和炉壁振动器把振动力传递给砂料，并使砂料达到高的填充密度。
气动振动机使用的压缩空气的压强应大于5公斤/平方厘米，振动力的大小由压缩空气的流量而定。不同容量范围的坩埚应选择相应型号的振动机。气动振动机可以拆装，根据筑炉工艺可安装在炉底振动块上，也可以安装在炉壁振动器上，分别作为制作炉底和炉壁时的振动源。
炉底振动块是供制作坩埚底部以下部位使用的，它是用铸铁或铸钢制成外径略小于感应器内径的圆形重块，其上有起重吊环和振动机安放座。制作坩埚底部时，将砂料装入后，将振动块平放在砂料上，接通压缩空气源使振动机启动，经过一定时间后，砂料填充密实停止振动，取出炉底振动块，转入制作坩埚壁。
炉壁振动器由千斤顶、手动油压泵、四个木质支撑块组成。炉壁振动器的工作如图2-6所示。
图2-6 炉壁振动器工作图 1-油压泵；2-油压千斤顶；3-木支撑块；4-钢板型芯；5-炉壁振动器；6-砂料；7-振动机
炉壁振动器上的四个木质支撑块，通过油压千斤顶可以伸缩以保持支撑块和钢板型芯间的压力，使炉壁振动器能固定在限定的位置上。当坩埚底以下部位制作完毕后，按人工打结法挖出底坑，安放好钢板型芯，装入砂料，安装炉壁振动器，随后可以接通压缩空气启动振动机，开始使坩埚壁振动成型。
使用振动法制作坩埚时，感应器、型芯的准备工作与人工打结法相同。不能采用干砂振动，因为干砂会在振动时产生强烈的分层，粗粒上浮细粒下沉。所以，使用该法时应在砂料中加入适量水分，以减轻分层现象。
炉口区的砂料填充密度较差，还需要以人工打结或采用砌筑法加以修整。
振动成型法制作坩埚具有许多优点，其中主要是改善劳动条件，节省制作时间，坩埚的填充密度均匀性不因操作人员不同而异，从而保证了坩埚的制作质量。 2.4砌筑法
砌筑法是使用特制的耐火砖，在炉内砌筑成坩埚。这种方法适用于热装料大型感应炉坩埚，5吨以下的坩埚也开始采用。这种砌筑坩埚方法的优点是制作时间短，更换方便，不需要筑炉的机械和型芯，采用预制的耐火砖可以保证质量稳定，减少烘烤时间。 砌筑法要求较高的筑炉技术，对填缝料的质量也有很高的要求。所用耐火材料多属碱性材质。 3坩埚的烧结 3.1坩埚的烧结结构 烧结的目的在于提高坩埚的致密性、强度和体积稳定性，以适应冶炼条件的需要。烧结过程是在高温下使砂料的接触面上出现液相熔合，形成连续的烧结网络，通过网络使整个砂料联成一个整体。烧结过程所需的热量，可以来自石墨型芯和钢板型芯因加热而放散的热量，也可以由钢液直接供给。烧结后坩埚的理想断面结构如图3~1所示，可分为烧结层、半烧结层和位烧结层等三个区域。
图3-1
烧结的坩埚断面结构示意图 3.2坩埚的烧结方法
烧结方法按烧结温度列分为低温烧结和高温烧结两种。低温烧结温度一般不超过1700℃，高温烧结温度为1700~1900℃。 3.2.1低温烧结方法
采用低温烧结法时，是用钢板型芯打结制作坩埚。在初烧时利用感应电流将钢板型芯加热，通过型芯把能量传给砂料。钢板型芯最高温度可达1300℃，当烧结温度达此温度后，停电取出型芯。然后，利用洗炉和冶炼过程钢液本身的温度进一步将砂料逐步烧结。绝大多数酸性坩埚和一部分碱性坩埚都使用这种烧结方法。低温烧结法最初因为烧结层很薄。容易产生裂纹而使坩埚破坏，所以在初期冶炼时应特别细心操作，严防“架桥”现象出现，避免重料冲出坩埚而使烧结层破坏。 3.2.2高温烧结方法 使用高温烧结方法的坩埚是用石墨型芯打结的坩埚。在感应电流的作用下，石墨型芯温度逐渐升高，直到所需要的烧结温度。高温烧结法适用于镁砂坩埚和镁铝尖晶石坩埚，而酸性坩埚很少使用高温烧结法。
如采用铁胎型芯，则坩埚打结完毕之后，即可取出铁胎型芯。然后进行烧结。
如果打结时采用石墨型芯，则在烧结温度达到1800℃左右，保温10分钟，停电。松动石墨型芯，直到温度下降到约1400~1500℃后，取出石墨型芯，检查坩埚内表面是否存在明显裂纹。如果无裂纹，清理后即可以装料进行洗炉。当发现坩埚内表面有明显裂纹时，应进行热补或修补后再投入使用。 如果采用钢板型芯，烧结时既可以在1200~1300℃时，停电取出型芯，也可以待型芯一直升温至1600℃左右，直至钢板型芯全部熔化掉。熔芯烧结的升温制度如下： 芯型温度
升温速率（
℃/小时）
保温时间（小时） 室温
~ 150℃
30 150℃
3 150℃~400℃
35
400℃
2 400℃~850℃
50
850℃
1 850℃~1200℃
30 1200℃~1650℃
50
1650℃
3 4坩埚的使用和维护 4.1坩埚的使用寿命及其影响因素 感应冶炼时，坩埚质量高低和使用寿命的长短，直接和产品质量与冶炼成本有着密切的关系。改善坩埚的质量，提高使用寿命是感应冶炼的主要技术问题之一。
影响坩埚使用寿命的因素是很复杂的，主要因素有如下几方面。 4.1.1坩埚材质的特性
坩埚材质的化学成分和物理、化学特性对坩埚的使用寿命有很大的影响。
耐火材料中的杂质，在高温下能形成低熔点的化合物，从而降低了耐火材料的耐火度。随着耐火材料中杂质含量的增加，耐火度降低，坩埚的使用寿命下降。为了延长坩埚的使用寿命要求耐火材料的纯度越高越好。
不同材质的耐火材料由于其物理化学性质不同，他们对冶炼条件的适应能力也不同，例如抗炉渣侵蚀能力、耐急冷急热性等。因此，坩埚的使用寿命差别很大。表4-1列出真空感应炉和非真空感应炉用的镁质和铝镁质坩埚的使用寿命。从表中数据可以看出：镁铝尖晶石坩埚比电熔镁砂坩埚的使用寿命高。其主要原因是镁铝尖晶石比镁砂的膨胀率低，耐急冷急热性好。镁铝质坩埚的烧结结构优于镁质坩埚，镁质坩埚的烧结层和半烧结层在高温下均产生体积收缩。镁铝质坩埚则不同，它的烧结层产生收缩时，半烧结层产生膨胀，这样来自烧结层的裂纹不会继续在半烧结层中延伸，从而提高了坩埚的使用寿命。 表4-1
坩埚的材质与炉龄
镁铝质坩埚中由于含有Al2O3，能和炉渣中的游离CaO和SiO2结合使炉衬受到侵蚀，因此，在选择坩埚材料时应考虑到相应的冶炼工艺。使用镁铝质坩埚时应选择低碱度炉渣，真空感应炉冶炼时采用镁铝质坩埚最适宜，200公斤真空感应炉用这种坩埚冶炼精密合金时寿命可达200炉次。
和碱性坩埚相比较，石英质酸性坩埚的耐火度低，体积膨胀率大，用于炼钢时，坩埚寿命较低。但是，由于石英砂的成本低，在大型感应炉还是得到了应用。在用于熔炼铸铁的工频感应炉连续作业时（坩埚温度保持在800~1000℃），其寿命高达数百炉。因此，工频感应炉几乎全部使用石英质坩埚。 4.1.2坩埚容量
感应炉坩埚的使用寿命随其容量的增大而下降。目前炼钢用非真空感应炉的坩埚使用寿命列于表4-2。真空感应炉因在没有炉渣的条件下工作，在相同容量下，比非真空感应炉坩埚寿命高。但是，随容量增大，坩埚的使用寿命也下降。
坩埚容量与使用寿命的关系是基于以下原因： 4.1.2.1随着坩埚容量的增大，钢液对坩埚壁的静压强增加
一般而言，1吨中频感应炉坩埚壁所承受的静压强是150公斤中频感应炉的1倍左右。10吨工频感应炉坩埚壁承受的静压强是500公斤感应炉的3.5倍左右。由此可见，坩埚容量越大，坩埚壁承受静压强也越大。因此，大型感应炉内钢液更容易向坩埚壁渗透，使坩埚很快被破坏。
表4-2
非真空感应炉碱性坩埚的使用寿命
4.1.2.2随着感应炉容量的增大，所用电源的频率下降
坩埚容量越大，所用的电源频率就越低。钢液中的电磁搅拌力与电源的频率的平方根成反比。频率越低搅拌力就越大，坩埚壁所承受的冲击力就大。3吨感应炉坩埚壁所承受的冲刷力为150公斤感应炉的5倍多。所以，随坩埚容量增大，坩埚壁承受的冲刷力增加。 4.1.2.3大型感应炉渣线部位的侵蚀比小型感应炉严重
随坩埚容量增大，自钢液表面散失的热量比例下降，炉渣温度比小容量坩埚高，炉渣的流动性好，因而对炉衬的侵蚀加剧。大型感应炉多采用钢渣混出的方法出钢，要求炉渣具有良好的流动性，才能适应出钢的条件。因此，沿渣线部位侵蚀严重，这是造成坩埚使用寿命下降的又一原因。
由于以上原因，大型感应炉坩埚的使用寿命低于中小型感应炉，从提高坩埚的使用寿命来说，应适当增加坩埚壁的厚度。但是，随着坩埚壁厚度的增加，电阻值增大，无功损失增高，电效率下降。因此，坩埚壁的厚度是限制在一定范围。因此，必须选定合理的壁厚，即保证了高的电效率又确保了坩埚的使用寿命。 4.1.3坩埚的工作状况
连续冶炼和间歇冶炼对坩埚的使用寿命有很大的影响。在连续冶炼时，坩埚始终是处于热状态，受温度剧变的影响小。间歇作业时，每冶炼一炉坩埚就从低温-高温-低温周期性的急冷急热地变化一次。这种急冷急热变化的结果就会产生裂纹，从而使坩埚寿命降低。除镁铝尖晶石型坩埚外，镁质和石英质坩埚的耐急冷急热性是很差的。其中石英砂坩埚尤其显著，在坩埚加热和冷却过程中，坩埚烧结层的线膨胀或收缩率约0.9%。也就是说每间歇冶炼1炉，坩埚的体积将产生一次膨胀和收缩。在800℃以下这种变化率最大，如果坩埚处于连续冶炼的条件下，坩埚壁的温度将不会低于800℃，这样坩埚体积的变化率是很小的，产生裂纹的时间也将推迟，坩埚的寿命得以提高。因此，为了延长坩埚的寿命，熔炼铸铁的大型工频炉停炉时，必须使坩埚温度保持在800℃以上。 4.1.4坩埚的制作工艺
制作坩埚的各个环节的操作质量对坩埚的使用寿命有着重要的影响。认真执行操作规程对保证坩埚质量，提高使用寿命起着重要作用。现将影响坩埚使用寿命的制作工艺操作分析如下。 4.1.4.1砂料粒度配比的影响
砂料的粒度配比应结合烧结工艺和使用条件选择。粗、中、细三种粒度配合不当将会降低坩使用寿命。表4-3为430公斤中频感应炉电熔镁砂坩埚因砂料配比不当对坩埚使用寿命的影响。 表4-3
430公斤电熔镁砂砂料粒度配比与使用寿命关系
4.1.4.2打结方法的影响
坩埚的打结质量好坏直接关系到烧结质量。要求打结时砂料的粒度均匀分布不产生粗细偏析，打结后的砂层致密度高。这样，烧结后产生裂纹的几率下降，有利于提高坩埚的使用寿命。
打结过程最常见的缺陷有致密度低、不均匀和粗细粒度砂料分层等现象。在含水较少或干法打结时尤其明显。表4-4列出镁砂坩埚干法捣打10分钟后松砂层中砂粒粒度的偏析情况。这种粗颗粒上浮细颗粒下沉的分层现象，是导致烧结后产生横向环状裂纹的根源。当坩埚加热时，这种横向裂纹无法弥合，严重地影响使用寿命。为了避免分层现象，在砂料中可加入少量水分，同时，每次加料前先加入适量的细粉以调整结合部的粒度配比，并且还应当控制捣打时间、每批砂料加入量和捣打力，以保证得到结构致密而均匀的坩埚。 表4-4
干法打结时砂料的偏析情况
4.1.4.3烧结工艺的影响 坩埚的烧结过程中，从低温区的升温速度到最后的烧结温度和保温时间，都对坩埚的烧结质量有着重要的影响。 低温烘烤时水蒸气的逸出速度不能太快，以免在砂料中出现早期裂纹。水分的来源有砂料吸附的水、结晶水和添加剂分解释放出的水分，在800℃以下这些水分全部排除。所以在此区间应控制升温速度。坩埚容量越大越要降低升温速率，以避免水蒸气急速地从砂料中逸出。 不同材质的砂料应选择相应的合适的烧结温度和保温时间，以便得到理想的烧结结构。高温烧结时坩埚的烧结结构是提高使用寿命的基础。烧结温度不够，烧结层厚度不足，会使坩埚的使用寿命明显的降低。为了获得使用寿命长的坩埚，必须预先得到理想的烧结结构。表4-5中数据是对使用寿命较长的不同类型坩埚使用后的断面结构分析结果。 图4-1为使用200炉以后的10吨工频感应炉石英质坩埚的断面结构。
图4-1
石英砂坩埚使用200炉后的断面结构（10吨工频感应炉） 表4-5
不同类型坩埚使用后的断面结构
*分子为厚度，分母为占坩埚壁厚度的百分比。
从表4-5中的数据可以看出，经高温烧结的坩埚，使用后的断面结构和原始结构相比差别不大，烧结层和半烧结层的厚度分别占壁厚的35~40%。而低温烧结时，烧结结构随冶炼炉次增加而变化，经过使用后坩埚的烧结层约为壁厚的40~50%，半烧结层约占30~35%。 4.1.5冶炼工艺影响 4.1.5.1冶炼温度的影响
冶炼钢液温度过热，造成炉渣温度升高，对坩埚的侵蚀加剧，使坩埚沿渣线过早的损坏。此外，高温钢液加速钢与坩埚之间反应，从而助长坩埚的化学侵蚀。总之，冶炼温度越高坩埚的使用寿命越低。 4.1.5.2冶炼钢种的影响
冶炼熔点低、流动性好的高碳和高锰钢时，钢液对坩埚的渗透作用加剧，会降低坩埚的使用寿命。冶炼低碳高镍铬流动性差的钢种时，坩埚具有比较高的使用寿命。因此，在安排冶炼钢种时应当在坩埚的后期冶炼高碳和高锰钢种。 4.1.5.3渣制度的影响
炉渣的碱度应当和坩埚材质相适应。镁质坩埚能被高CaO渣和SiO2渣侵蚀。炉渣中CaF2数量应进行控制，过量的CaF2会侵蚀碱性炉衬，使渣线区过早熔蚀。
碱性渣适用于镁质坩埚，酸性渣适用于石英质坩埚，镁铝质坩埚只能使用弱碱性或中性渣。应根据坩埚材质选择合适的炉渣。
真空下进行无渣冶炼时，坩埚的使用寿命大于非真空冶炼时的寿命，这就证明炉渣使坩埚使用寿命下降。 4.1.5.4冶炼操作的影响
熔化期炉料产生“架桥”现象对坩埚的使用寿命的影响最大。出现“架桥”时，炉料与钢液脱离，钢液温度会过热到很高的温度，严重影响坩埚的使用寿命，在处理“架桥”现象时，过重的振动锤击都会使坩埚遭到破坏。 4.2坩埚的维护 正确使用和维护坩埚是提高其使用寿命的重要途径。除注意上述影响坩埚寿命的因素外，还应从以下方面加强对坩埚的维护，以利于延长使用寿命。 4.2.1新坩埚的使用和维护 新坩埚使用初期应当加强维护，对于低温烧结的坩埚尤其重要。新坩埚的潜在缺陷会在最初冶炼的炉次中暴露出来，漏钢的事故往往在前几炉发生。因此，从装料、熔化直到冶炼温度等操作的控制必须特别仔细，保证冶炼过程顺利进行。初期要尽量避免冶炼流动性好的高碳、高锰钢种，而应安排低碳、低合金钢种；炉渣的黏度要大些，出钢后要仔细检查坩埚内壁是否有明显的裂纹。
使用新坩埚冶炼的过程中，要注意观察电参数的变化情况，坩埚正常时电压、电流是稳定的;如果坩埚不正常，电压和电流将发生变化，电压下降，电流上升。出现电参数异常时应立即停电进行检查和处理，以免产生漏钢事故。 4.2.2合理安排冶炼炉次
在间歇作业的情况下，应当尽量集中生产，减少停炉次数，以利于提高坩埚的使用寿命。坩埚在整个炉役期内，应全面安排冶炼的钢种。前期以冶炼低碳、低合金钢为主，中期以高合金钢为主，后期则以高碳钢种为主。
熔炼铸铁的工频感应炉，如果短期间断冶炼时，可采用保温措施，如用铁坩埚供电加热使坩埚温度保持在600~800℃，或保留一定量的铁水进行保温，以利于提高坩埚的使用寿命。 4.2.3及时的修补和清理坩埚内壁
坩埚漏钢，大多因有裂纹和局部侵蚀。出钢后应立即用专用除渣工具，铲除粘附于坩埚内壁上的残渣，并检查有无裂纹和局部侵蚀。发现裂纹和局部侵蚀后，要及时进行修补。等坩埚冷却下来，清除熔渣层露出烧结层，用含细粉较多的砂料与卤水（镁砂）、水玻璃（石英砂）混合均匀后进行修补并进行烘干，必要时还要进行烧结。侵蚀深度大于壁厚的1/3，裂纹深入半烧结层时，则应当拆除坩埚。 修补坩埚对酸性炉衬比较有效。工频感应炉通过中修炉衬，可以成倍地提高坩埚的使用寿命。碱性炉衬的修补效果较差，在渣线处可适当进行修补。 真空感应炉冶炼含铝、钛的钢或合金时，由于钢液的运动，氧化膜由中央向坩埚壁运动并粘附于坩埚内壁，以致使壁厚不断增加。最终降低了冶炼的电效率。因此，每炉都清除坩埚内壁粘附的残渣具有重要的意义。
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