從 1899 年第一臺用于熔煉合金的感應電爐問世，迄今還不到 120 年，在此期間，感應 電爐熔煉技術經歷了一段應用不斷擴大、設備不斷改進的持續、交互發展過程，在許多方面 都有了驚人的發展：在電源方面，從工頻電源供電到高頻發電機供電，進而到由靜態變頻電 源供電；在爐型方面，從水平熔溝式熔爐到垂直熔溝式熔爐，進而到無芯的坩堝爐；在熔煉 的合金方面，從各種有色合金到鑄鐵，進而到不同的鋼種，包括碳鋼、各種低中合金鋼、高 錳鋼、不銹鋼、耐熱鋼乃至鎳基高溫合金。 感應電爐的首創者應該是英國的 Ferranti，他提出的熔溝感應電爐設計方案，于 1887 年 獲得了第一項專利。1899 年，瑞典的 Franklin kjellin 制成了第一臺水平熔溝式工頻感應電爐， 后來，美國的 J. Wyatt 對此進行了改進工作，1916 年，制成了第一臺垂直熔溝式工頻感應電 爐，用于熔煉黃銅之類的有色合金。 大約也就在 1916 年前后，美國的 Ajax Northrop 公司開發了由變頻發電機供電的高頻坩 堝式感應電爐。這項創新隨即在美國得到了很快的發展，其應用很快就從熔煉有色合金到熔 煉鑄鐵，進而發展到煉鋼。 1930 年前后，變頻發電機供電的高頻坩堝式感應電爐，在美、歐一些工業國家（包括 前蘇聯）得到了廣泛的應用，很快就制造了容量 8t 的大型熔煉爐。 1930 年，美國 Pennsylvania 州 Lebanon 鑄鋼廠就有一臺高頻坩堝式感應電爐投入生產， 容量 2000 磅，熔煉的鋼種有碳鋼、低合金鋼、CA-6NM 馬氏體不銹鋼和 CF3M 奧氏體不銹 鋼。
　　1930 年，日本住友公司從美國 Ajax Electrothermic 公司購買了一臺高頻坩堝式感應電 爐（發動機功率 100kM，供電頻率 960Hz），用于熔煉銅合金及其他有色合金，這可能是日 本第一臺用于工業生產的感應電爐。1931 年，日本東京芝浦制作所從美國 Ajax Northrop 公 司購買了有關的專利技術，開始制造高頻感應電爐。其后，日本的三菱電機公司也著手生產 中頻感應電爐。在這種條件下，日本坩堝式感應電爐的應用發展很快，而且熔煉的合金品種 不斷增多，包括各種對冶金質量有嚴格要求的鋼種。
　　第二次世界大戰以后，隨著世界工業的發展，感應電爐熔煉技術也有了同步的發展：首 先是從發動機供電的高頻坩堝式感應電爐發展到中頻供電；同時又推出了靜態頻率倍增裝 置，可使工頻電源的頻率增大到原來的 3 倍或 5 倍。從而增強了中頻坩堝式感應電爐發展的 勢頭。 隨后，又開始了工頻坩堝式感應電爐推廣應用的新局面。從 50 年代初開始，歐洲比較 廣泛地將其用于熔煉鑄鐵，取代沖天爐。1970 年代，裝設了一臺容量 60t、功率 21MW 的工 頻坩堝式感應電爐，可以認為，這一發展過程也就大致達到了頂峰。 70 年代中期，晶閘管靜態變頻中頻電源問世，接著又開發了逆變變頻及其控制技術， 頻率轉換效率從早先的 60～80％提高到 97～98％，坩堝式感應電爐的熱效率可達到 70％， 充分顯現了新型變頻感應電爐的的優越性。 從 1980 年起，中頻變頻坩堝式感應電爐在世界各國的應用迅速擴展，很快就取代了坩 堝式工頻感應電爐。目前，用于生產鑄鋼件最大的感應電爐，可能是奧鋼聯 Voest-Alpine 鑄 造廠裝設的容量 38t 的爐子，功率 16MW，頻率 250Hz，是 ABP 公司的 IMF 系列產品。用 以生產渦輪機、壓縮機和重型裝備用的優質中、大型鑄鋼件。 鋼鐵行業采用感應電爐煉鋼的也日漸增多。目前，印度 Viraj 制鋼公司正在鄰近孟買的 馬哈拉施特拉邦的塔拉普爾工廠裝設 3 臺 IMF 型感應電爐，每臺容量 30t，功率 18MW。 一、感應電爐在鑄鋼業界中的應用 從上世紀 30 年代開始，一些主要工業國家就都有用感應電爐煉鋼的報道。早期，主要 用于熔模精密鑄造，也生產少數小型鑄鋼件。 靜態變頻電源問世以后，隨著變頻設備的不斷改善，感應電爐在各工業國家鑄鋼行業中 的應用進展很快：產品從一般的小型鑄件逐步擴展到重要的中、大型鑄件；熔煉的鋼種也從 碳鋼、低合金鋼逐步擴展到高錳鋼、工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼以及各種高溫合金。 在這種形勢下，1986 年，美國鑄造協會鑄鋼分會曾確立了一項關于發展感應電爐熔煉 的課題［1］。工作的第一階段是回顧并分析有關的文獻資料；工作的第二階段是擬訂一項推 薦性的“感應電爐煉鋼作業規程”，并在承擔這一課題的鑄造廠進行有目標的實際作業試驗， 從而對作業規程進行考核、評估。這項研究工作對感應電爐在鑄鋼行業中的應用是非常有益 的。 我國采用感應電爐煉鋼起步較晚，可查閱到的文獻資料也很少。有的書上提到：“我國 于 20 世紀 40 年代開始用感應電爐煉鋼。”但是，迄今還未能查閱到具體的文獻。 據我的一管之見，我國鑄鋼行業采用感應電爐熔煉大約起始于 50 年代后期。早期，基 本上都是用于熔模精密鑄造，產量也很有限。70 年代末期實行改革開放政策以后，從 80 年 代起，鑄造行業持續以驚人的速度發展，以感應電爐為熔煉設備、生產鑄鋼件的廠家日益增 多，工藝技術也不斷有所改善。起初，只是用于生產質量要求一般的小型鑄鋼件，90 年代 以后，鑄鋼件產品的檔次也逐步提高，現在已經可以生產各種優質的高合金鋼鑄件。 鑄鋼業界采用感應電爐作為熔煉設備，與用電弧爐熔煉相比，確有不少優點值得關注， 這也是其應用范圍不斷擴展的主要原因。但是，感應電爐熔煉也有不少必須正視的問題。鑄 鋼企業選用熔煉設備時，應該根據企業的具體條件、鑄件產品的特點，從多方面作可行性分 析，不能簡單地追逐潮流。
　　盡管奧鋼聯 Voest-Alpine 鑄造廠已經用 38t 的爐子生產鑄鋼件，但是，考慮到耐火爐襯 和冶金質量方面的制約，我個人認為鑄鋼業界用的爐子還是 10t 以下的小型爐子為宜。在與 爐外精煉設備配合使用的條件下，才可以采用更大的爐型。 確定選用感應電爐后，還要按照產品的質量要求，選定爐襯制備方案、制訂熔煉作業的 規程。 但是，我國鑄鋼業界在感應電爐熔煉方面的經驗畢竟還是不多，據我所知，到目前為止， 未能掌握感應電爐熔煉要點的鑄鋼廠家仍然不少，有的是爐襯材料選用不當，有的是熔煉作 業不符合冶金要求。其中，不少企業不規范的程度已經越過了保證質量的底線，這種情況當 然會影響產品的質量和檔次。特別要提出的是：在我國鑄鋼業界，感應電爐煉鋼不加爐蓋可 說是已成為常態，而這種作業方式是不能容忍的。首先是，由于輻射損失的熱量多，導致煉 鋼的能耗增加 10％以上。再就是，增強了鋼液與大氣的接觸，對冶金質量的負面影響很大， 如：鋼液氧化的程度增強；鋼液自大氣吸收的氣體增多；合金元素的燒損增多、收得率不穩 定；鋼中非金屬夾雜物含量增多等等。 為了切實幫助企業掌握感應電爐煉鋼的特點，切實做到在節能、降耗的基礎上提高產品 的質量和檔次，在采用感應電爐熔煉日益增多的今天，我覺得協會的鑄鋼分會有必要參照美 國協會鑄鋼分會的作法，建立一個課題組，編制推薦性的《感應電爐熔煉鑄鋼的工藝要點》。
　　二、感應電爐煉鋼的長處和短處 近 30 年來，感應電爐在鑄鋼業界的應用發展很快，當然是由于其具有不少長處，但是， 另一方面，它也有很多短處。選用其作為熔煉設備，一定要進行全面的分析、研究，力求揚 其所長、避其所短，切不可湊熱鬧、趕潮流。設備選定以后，就應該對其特性有比較全面的 了解，力求在節能、減排的基礎上不斷提高鑄件產品的質量。 以下，就感應電爐熔煉鑄鋼的長處和短處作簡單的分析，供參考。
　　1、長處 在鑄鋼熔煉方面，與電弧爐熔煉相比，采用坩鍋式感應電爐有不少長處，如： （1）感應電爐雖然也是高功率的耗電設備，但是對電網的干擾比電弧爐小得多；
　　（2）在對 環境的影響方面  熔煉過程中噪音小、排放的煙、氣、粉塵和廢渣都比較少； （3）在資源的利用方面  裝爐材料（包括加入的各種合金元素）的燒損少、收得率較 高。造渣材料的用量小得多，而且不用電極；
　　（4）在冶金功能方面  由于有電磁攪拌作用，鋼液的成分比較均勻，鋼液的溫度也比 較均勻，溫度控制也比較方便，沒有因電極而致的增碳問題。由于沒有電弧的高溫作用，也 沒有氮在高溫下離解而易于被鋼液吸收的問題；
　　（5）設備的投資較少，占用場地的面積也比較小；
　　（6）較易于實現作業的自動化。
　　2、短處 由于具有上述長處，自從上世紀 80 年代以來，坩鍋式感應電爐在鑄鋼方面的應用發展 很快，但是，坩鍋式感應電爐也有其特有的短處，制約它的發展。‘如何避短？’是工藝技 術人員必需面對的課題。要避短，就應該對這些短處有充分的了解。 （1）耐火爐襯方面的問題 耐火爐襯是坩鍋式感應電爐的重要組成部分，確保其正常運行，對設備作業的可靠性、 經濟效益、安全性乃至鑄鋼產品的冶金質量都至關重要。 坩鍋式感應電爐熔煉所用的能量，是由感應線圈產生的磁通量、通過耐火爐襯傳送到爐 內金屬的。耐火爐襯的厚度增大，則漏磁通增大，感應器輸出的功率、功率因數和電效率都 隨之降低。為了盡量減少平衡電容對無功功率的補償、提高電效率，必需盡可能地使耐火爐 襯的厚度減到最小。因而，在煉鋼用的各種熔爐中，感應電爐耐火爐襯的厚度，比任何爐型的爐襯都小得多，但是，其作業條件卻又比其他爐型的爐襯苛刻得多。 1）爐襯的內表面接觸熔融的鋼液、溫度很高，外表面則與水冷的感應線圈相接，薄薄 的爐襯中溫度梯度卻非常之大。 2）爐內的鋼液因電磁作用而不斷攪拌，增強了鋼液對爐襯的沖涮，也增強了其中懸浮 的氧化物對爐襯的侵蝕，而且攪拌作用也使鋼液吸收氣體的可能性增大。 3）如果爐襯打結的緊實度不夠，或燒結不好，熔爐過程中有鋼液滲入爐襯的裂隙，滲 入的鋼液因為有感應加熱的作用，不會在裂隙中凝固，而要在裂隙中繼續深入，直到接觸線 圈、引起短路，甚至造成重大的安全事故。 因而，對爐襯耐火材料的性能、粒度級配、爐襯的修筑、爐襯的燒結都必須嚴格要求， 不能有絲毫馬虎。
　　（2）冶金功能方面的問題 坩鍋式感應電爐熔煉鑄鋼，其冶金功能比電弧爐熔煉差得多，因此，早期只能用于熔煉 冶金質量要求一般的鋼種，制造小型鑄鋼件。上世紀 80 年代以后，隨著設備和耐火材料的 不斷改進，可以在熔煉過程中實施溫和的氧化沸騰，增強其冶金功能，適用范圍也逐步擴大 到優質低合金鋼、高合金鋼，乃至超低碳不銹鋼和各種高溫合金。但是，感應電爐熔煉在冶 金功能低的問題仍然不能忽視。
　　1）感應電爐熔煉，爐渣是靠鋼液傳導的熱量使之熔化的，爐渣的溫度低于鋼液的溫度， 不能像電弧爐熔煉那樣，經由鋼液-爐渣之間的多種冶金反應，實施氧化精煉和擴散脫氧。     2）電弧爐熔煉，熔池是淺盆型，渣線部位的直徑大約是熔池深度的 4～5 倍；坩堝式感 應電爐熔煉，熔池是圓筒形，熔池的直徑小于其深度，二者之比大約 0.6～0.75。由此可見， 感應電爐熔煉時，鋼液-爐渣接觸的界面比電弧爐熔煉時小得多，根本就不可能利用鋼液爐渣之間的冶金反應進行冶煉作業。 因此，鑄鋼企業采用感應電爐熔煉時，對爐料的要求必須非常嚴格：各種原材料都要確 知其化學成分；裝爐材料的用量都要由計算確定；廢鋼和回爐料都必須干燥、無泥沙、無油 污；裝爐材料的最大尺寸不能大于坩堝內腔尺寸的 1/2。 三、爐襯 耐火材料爐襯，是坩堝式感應電爐重要組件，影響爐子的熔煉功能、鋼的冶金質量，尤 其關鍵的是作業安全。由于坩堝式感應電爐適用于各種鑄造合金的熔煉，如鑄鐵、鑄鋼、銅 合金、鋁合金和鋅合金等，小型感應電爐，爐襯可購買成型的預制坩堝。實際生產中用于鑄 鋼的坩堝式感應電爐，一般都由鑄造廠根據熔煉合金的品種選購適用的耐火材料，自行修筑 爐襯，并做好燒結的作業。 1、爐襯用耐火材料的基本情況 常用于坩堝式感應電爐的幾種耐火材料，基本成分和耐火性能見表 1。
　　表 1   幾種常用耐火材料的基本成分和耐火性能 材料名稱 硅砂 電熔鎂砂 冶金鎂砂 氧化鋁質材料 鎂鋁尖晶石
　　化學成分(概略值)(％) SiO2≥95 MgO≥96 MgO≥88 Al2O3≥90 Al2O3﹕MgO(71.8﹕28.2)
　　耐火度(概略值)  (℃) 1700 2300 2000 2000 2135
　　最高作業溫度    (℃) 1550 1800 1700 1800 1900
　　2、適用于煉鋼用爐的襯耐火材料 隨著感應電爐在鑄鋼業界應用的發展，自上世紀 80 年代起，鋁鎂尖晶石型爐襯材料的 應用逐步受到重視，目前，各工業國家鑄鋼業界所用的坩堝式感應電爐，基本上都采用尖晶 石型爐襯。
　　近年來，我國也有一些鑄鋼企業采用了尖晶石型爐襯材料，其中，有些廠家是購買國外 廠商預配好的材料，雖然使用效果很好，但生產成本提高很多，而且對它的特性不甚了解。 在此，我主要是想介紹一些有關尖晶石型耐火爐襯的特性，供業界同仁自行配制爐襯材料、 進一步改進爐襯材料時參考。同時，鑒于目前硅砂爐襯、鎂砂爐襯、氧化鋁質爐襯在我國鑄 鋼業界還都有應用，也順便對這些材料的特性作一點簡單的介紹，供參考。
　　（1）硅砂爐襯 以硅砂為基本耐火材料修筑的爐襯，通常也稱為酸性爐襯。硅砂的優點很多：首先是 是 資源豐富、價格低廉；而且以硅砂為基本耐火材料制成的坩堝，在接近其熔點的高溫下仍具 有很好的強度，耐驟冷、驟熱的性能好；特別應該提到的是，爐襯燒結過程中，硅砂的石英 相變膨脹能彌補燒結過程中的體積收縮，從而提高燒結層的致密度,降低爐襯燒結層中的孔 隙率。因此，各國鑄造行業中，用于熔煉各種鑄鐵的坩堝式感應電爐都廣泛采用以硅砂為基 礎的爐襯材料。 但是，SiO2的耐火度低，基本上就不能適應煉鋼溫度。而且，SiO2在高溫下的化學活性 很強，能與煉鋼過程中的各種堿性氧化物乃至中性氧化物作用，例如，FeO 與硅砂接觸后易 于生成熔點為 1205℃的鐵橄欖石（Fe2SiO4），鐵橄欖石還能進一步與 SiO2或 FeO 作用，生成 熔點為 1130℃的共晶組分。此外，SiO2 還可能被鋼液中一些活性較強的元素還原。因此， 硅砂爐襯用于煉鋼，既不能保證鋼的冶金質量，也不能保證爐襯的壽命。從上世紀 80 年代 后期起，各工業國家用感應電爐生產鑄鋼件的鑄造廠，就已經不用硅砂爐襯。據我所知，我 國迄今仍有一些企業采用硅砂爐襯熔煉鑄鋼，這種狀況是亟待改進的。
　　（2）鎂砂爐襯 常用的爐襯材料是 MgO 含量為 86％以上的冶金鎂砂，是由菱鎂礦經高溫煅燒制成的。 如果將冶金鎂砂置電弧爐中重熔，可使其中 SiO2、Fe2O3 等雜質的含量降低，得到純度更高 （MgO 含量在 96％以上）的電熔鎂砂。電熔鎂砂多用于制作真空感應電爐的爐襯。 冶金鎂砂的耐火度很高，是堿性電弧煉鋼爐的常規爐襯材料，雖然其熔點很高，不容易 燒結，而且膨脹系數大，但是由于電弧爐的爐襯很厚，借助于加入大量的粘結材料、用濕法 打結，完全可以彌補這方面的不足。 如果將冶金鎂砂作為感應電爐的爐襯材料，則由于爐襯厚度的制約，又不宜用濕法打結， 這些不足之處的負面作用就非常明顯，因而。氧化鎂材料的制成的坩堝容易產生龜裂，間歇 作業的爐子情況尤為嚴重。
　　（3）氧化鋁質爐襯 氧化鋁和鋯砂都屬于中性耐火材料，其中應用最廣泛的是氧化鋁，很少采用鋯砂作爐襯 材料。 單用氧化鋁作爐襯材料，抗裂和防止酸性爐渣侵蝕的能力較強，但不適于造堿性爐渣。 而且，由于其耐火度高、燒結性能較差，爐襯壽命也不很高。
　　（4）尖晶石型爐襯 尖晶石礦物具有類質同象的特征，品種很多，成分也比較復雜，其分子式可以寫成   Ｍ２＋Ｏ·Ｍ３＋２Ｏ３，式中：Ｍ２＋代表一些二價金屬原子，如 Mg、Fe、Zn、Mn 等；Ｍ３＋代表 一些三價金屬原子，如 Mg、Fe、Zn 等。因而，也可寫成(Mg,Fe,Zn,Mn)O·(Al,Cr,Fe)2O3 。 尖晶石類礦物所含的二價金屬原子中，Mg２＋和 Fe２＋可以任何比例互相取代；所含的三 價金屬原子中，以 Al３＋居多，但 Cr３＋可以任何比例取代 Al３＋，Fe３＋則只能在一定的限度內 取代 Al３＋或 Cr３＋。常見的尖晶石有以下幾種： 鎂鋁尖晶石  MgO·Al2O3         鐵鋁尖晶石  FeO·Al2O3 鉻鐵礦（鐵鉻尖晶石）FeO·Cr2O3    磁鐵礦（鐵尖晶石）FeO·Fe2O3 鎂鐵尖晶石 (Mg,Fe)O·(Al,Fe)2O3   鋅鋁尖晶石 ZnO·Al2O
　　鎂鉻尖晶石 MgO·Cr2O3        鋅鐵尖晶石 ZnO·Fe2O3 錳鉻尖晶石 FeO·Cr2O3        錳鋁尖晶石 MnO·Al2O3 目前，在各工業國家中，用作煉鋼用感應電爐爐襯材料的，主要是鎂鋁尖晶石（MgO·Al2O3） , 通常簡稱為‘尖晶石’。純鎂鋁尖晶石中，MgO 含量只不過是 28.2％，但仍屬于堿性耐火材 料。 鎂鋁尖晶石系材料的耐火度高，熱膨脹系數小，高溫下的熱穩定性好、抗堿性爐渣侵蝕 的能力強。尤其應該提到的是：MgO 和 Al2O3在燒結形成尖晶石的過程中有 7.9％的體積膨脹， 可以彌補燒結過程中的體積收縮，減少燒結層的孔隙率，這一點與硅砂爐襯的重要優點是一 致的。 鎂鋁尖晶石基本上沒有天然的礦產，都是由人工合成的，制備的方法有電熔和燒結兩種 方式。我國冶金行業于 1997 年即參照美國鋁業化學公司 MR66 和 AR76 材料的規格，制定了 YB/T 131-1997《燒結鎂鋁尖晶石》行業標準。  尖晶石型爐襯材料，實際上并不是全部由尖晶石構成，而是以粒狀 Al2O3或粒狀 MgO 材 料為基礎，在其中配加相應的粉狀、或細粒狀尖晶石形成材料，使之均勻分布在顆粒耐火材 料之間，燒結過程中在氧化鋁顆粒之間形成鎂鋁尖晶石網絡，起結合作用。此外，還需要加 入少量硼酸或硼酐，使之能在較低的溫度（1300℃左右）即形成尖晶石網絡。 美國聯合礦產公司、法國米納克礦業公司、Calderys 公司等知名的耐火材料供應廠商， 都有多種預配的尖晶石爐襯材料供應，可根據企業的爐型和熔煉的鋼種選用，但價格都比較 高。 我以為最好的解決方案是：各鑄鋼企業，根據自己的各項具體條件，通過試驗優化、選 定最適宜的配比，自行配制爐襯材料。這樣，既可以確保爐襯壽命長、鋼的冶金質量高，還 可以較大幅度地降低生產成本。 至于爐襯材料的組成配比，應該根據所用各種原材料的實際成分選取，并經試驗確定。 確定爐襯材料配比時，可按以下的目標成分計算： 以氧化鋁為基礎顆粒材料時  保持爐襯材料中 Al2O3的質量分數為 85～88％左右， MgO 的質量分數為 22％左右； 以氧化鎂為基礎顆粒材料時  保持爐襯材料中 MgO 的質量分數為 75～85％左右，Al2O3 的質量分數為 15～～22％左右. 3、爐襯材料的粒度級配 坩堝的致密程度對其使用壽命有極為重要的影響，為了使坩堝致密，使孔隙率盡可能地 低，必須重視耐火材料的粒度級配，使大顆粒耐火材料的空隙之間能由細粒材料充填。 為了讓大家顆粒狀材料打結以后的空隙率有比較具體的印象，這里，以理想球體堆壘的 情況作作簡單的說明。 1）緊實度一般的情況 尺寸相同的球體，以正方交錯排列方式堆壘的情況如圖 1 所示。每一球與相鄰的 6 球接 觸（周圍 4 球，上下各 1 球）， 孔隙率為 47.64%。