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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
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