钱 立
(河北工业大学，天津300021)

多年来，采用感应炉已经成为铸造企业技术改造、产品升级的主要措施之一。不仅众多中小企业（尤其是多牌号生产）青睐感应炉，就是生产风电铸件的大型工厂亦改为多台中频炉协同作业的方法。最近，玉柴集团打造世界最大的柴油机铸件生产基地，其铸造中心采用了单一感应炉熔炼，在保证质量的基础上，降低了炉料成本，减少了生产工艺和生产人员。
1 感应炉熔炼采用无芯中频炉
感应炉有有芯和无芯之分。感应炉熔炼应采用无芯炉。无芯炉变更铁液品种方便，可以冷炉料起动，提温迅速，生产率高，电磁搅拌作用好，筑炉修炉方便。频率采用中频范围。与工频炉相比，无需开炉块；功率密度大，起动和熔化快，节约电耗；功率可无级调节，且可在不同炉体间任意分配；可自动变频以适应炉料参数的变化；搅拌力度和“驼峰”可控；对炉料块度并无苛求，从块料到切屑均可。一般频率随炉子容量的增大而减小，例如0.1～60 t 炉子，频率在2500～150 Hz。近年来，IGBT 半桥串联逆变中频电源因其负载适应范围宽，熔炼过程中可保持恒功率运行，电源功率可以共享等高性能特点，在中型和小型炉子上得到了广泛应用。
熔炼灰铸铁和球墨铸铁时，采用酸性炉衬，炉衬材料来源广、价格较为便宜。天然石英砂最高工作温度为1 650℃，熔融石英砂则为1 660℃。
工频有芯炉适宜作保温炉或浇注炉使用。某厂冲天炉铁液连续流入立式有芯炉，有芯炉根据造型浇注线的需要随时出铁。因此对于频繁出铁和平衡铁液供求关系十分有利。国外某厂是一个大冲天炉分别供应了3 个有芯保温（储存）炉，再由铲车转运铁液至气压浇注炉进行浇注。有芯保温炉炉膛密封性好、元素烧失极少。作浇注炉使用时能准确控制浇注温度和浇注量。
本文以下提到的感应炉均指无芯中频感应炉。
2 感应炉熔炼的优势
感应炉熔炼具有以下优势[1]：
(1)感应炉热量产生于炉料内部，无需外界传导，因而热效率高，加热速度快。
(2)铁液过热度容易调节，出铁温度高。
(3)元素烧损少，铁液中气体含量和非金属夹杂物少。没有冲天炉铁液的焦炭硫污染问题。
(4)由于电磁搅拌作用，铁液的化学成分和温度均匀。
(5)熔炼工艺稳定、易控，铁液化学成分准确。
(6)可以多用或全部使用废钢，用增碳的方法生产合成铸铁。
(7)切屑和边角碎料等细小的难以在冲天炉内直接利用的廉价废料，在感应炉内借助电磁搅拌作用，很容易卷入铁液而迅速熔化，而氧化损耗却较少。若装料期加入，因切屑粒度小，感应电流分布于整个切屑的断面，熔解较快，但烧失较多。
(8)感应炉的烟气和粉尘较少，噪音小，作业强度低，环保治理比较方便。
(9)生产安排灵活，开炉、停炉方便。
(10)容易实现自动化管理。
然而，感应炉熔炼亦存在一些不足和问题。如不能了解其冶金特点，采取相应的操作对策去扬长避短是难以获得优质铁液的。此时，非但不能得到所需的金相组织，还会恶化切削加工性能，产生某些收缩缺陷等。
3 感应炉熔炼的冶金特点
感应炉的冶金特点与冲天炉不同。
(1)没有氧化性的燃烧炉气，又是采取批料间歇熔炼，因而元素损失少，化学成分准确、稳定。
(2)电磁搅拌作用在一定程度上有利于非金属夹杂物的合并、上浮，并增加了与熔渣接触机率而为熔渣所收容。同时亦有利于铁液中溶解的H、N、O 的排除。
(3)熔渣不能感应发热，渣温低。加之坩埚的高径比大，又没有冲天炉内铁滴与渣滴交互接触的机会。因此，熔渣内物理化学过程不活跃，熔渣的冶金功能极为有限。熔渣主要起覆盖保护和一定程度的收容夹杂物的作用。
(4)感应炉熔炼后期，随着铁液温度的升高，当达到所谓平衡温度以上时，发生以下反应：

SiO2（炉衬）+2[C]→[Si]+ 2CO↑
( SiO2)（液中）+2[C]→[Si]+2CO↑
此时，对FeO、MnO 有类似的反应。感应炉内C 的还原作用是冲天炉无法比拟的。发生上列反应的条件一是高温，二是缺氧和没有氧化性气氛。冲天炉炉缸里只有在湿底（炉缸不过空气）时，才能满足Si、Mn、Fe 从氧化物中被C 还原的条件。冲天炉的炉缸较浅，铁液流经炉缸的时间比较短暂，反应没有感应炉内从容、充分。C 作为还原剂，产生的CO 造成熔池“自沸腾”，对铁液起到了脱气除杂的净化作用。
(5)铁液的过冷倾向大。图1[2]表明，在相同CE 下，感应炉铁液的共晶过冷度比冲天炉铁液大。这是由于：①高温下，铁液中由生铁和回炉料带来的石墨的减少和消溶；②熔炼后期，铁液中SiO2 因与C 反应，而使可作为外来晶核的SiO2 减少，乃至丧失；③感应炉铁液的[S]、[O]明显低于冲天炉，一般[S]<0.05%，[O]<0.001 5%。如此低的O、S 含量，对于灰铸铁来说，是难以指望硫氧化物的外来晶核作用了。

铁液过冷倾向大，将导致以下情况出现：灰铸铁中出现过冷石墨，甚至产生自由渗碳体；将使球墨铸铁出现麻口组织、并减少石墨球数量；产生自由渗碳体的结果，使铸铁缩松缩孔倾向增大；使薄壁灰铸铁件出现渗漏；使切削加工性能恶化，降低机加工工效，增加刀具损耗，提高加工费用，这是用数控机床或加工中心大批量生产企业所十分忌讳的。
4 感应炉优质熔炼的控制要点
4.1 把化学成分控制工作做细
虽然与冲天炉相比，感应炉有元素烧失少，化学成分准确、稳定的先天优势，但如果后天失调，这个先天优势是会打折扣的。准确控制化学成分还需有四个前提。
(1)用净料 炉料杂乱、不干净、锈蚀多，则元素烧失增大，也无法使烧失稳定。此外，感应炉炉渣的冶金功能差，也要求炉料纯净，严防P、S、O 和微量元素含量不明。
(2)准确配料 根据元素的烧失规律，正确进行配料。特别不要忘记把熔炼后期的脱C 量考虑在配C 量之内。配料不准确，会延长熔炼时间，增加能耗。
(3)配备多功能热分析仪和直读光谱仪 及时掌握化学成分和凝固等信息，进行炉内或炉前调剂。当感应炉与冲天炉或高炉双联时，适时而准确的测报更为重要。

(4)把握火候，控制好终点 关于终点温度和时间的控制，后叙。
4.2 合理加料
七手八脚、胡乱加料、野蛮加料的现象，在一些工厂常有发生。有些“规程”只侧重于操作性的表述，如①炉底垫轻薄料；②料块要合理，切忌厚大(电频率在100～500 Hz 时，最佳平均料径为230～100 mm)；③装料要紧密，但不能在熔化期发生棚料，等等。这些规定，对于保护炉底免受撞击和过热，炉料顺行和热利用，无疑是必要的。然而，从冶金学视角考虑，强调以下几点更为重要。
(1)炉料装入顺序，应保证炉底尽早形成高碳熔池。令熔点低的回炉料先装，再装生铁，熔点高的废钢装在其上。这样，供电后炉底很快便形成熔池，废钢浸入其中，表面因增C 而降低熔点，起到了助熔作用。还必须指出，废钢比生铁易于氧化，当温度高于700℃以后，废钢表面氧化加速。若废钢能尽快熔于铁液，无疑对于减少氧化也是有益的。
化学成分对于熔点的影响是基于Fe-C 相图中液相线的变化：随着C 含量的提高，钢的熔点降低。同样的道理，一些高熔点铁合金，可以利用表面增Fe，降低液相线温度，来达到助熔的目的。笔者在熔炼有Mo、W、B、V 等的铸铁时，较早地将FeMo、FeW、FeB、FeV投入熔池，起到了助熔作用。借助电磁搅拌作用，铁液成分很快就均匀了。
(2)熔炼初期切忌底部熔池过热，以免炉底因发生SiO2(炉衬)+2C=Si+2CO 反应而致的化学侵蚀。铁液的过热还会加剧元素的烧损和含气量的增加。
(3)随着炉料的逐步熔解，应适时适度续料，前一批料尚未化尽前，投入后续料。投向熔池的炉料要干燥、无锈蚀，以防铁液氧化和气体含量增加。在冬季，往熔池加冷废钢，会“炸溅”，产生安全事故。切屑宜加入熔池。装料期加，会加大元素烧损。
(4)装料初期应随着加金属料，加入适当的造渣剂（清渣剂），使炉底的熔池早早处于熔渣的保护之下。以后，在熔化期视需要，再补充渣料；炉料熔清后，可扒渣，再造渣。总之，熔炼过程中，提前造渣，造好渣，补渣换渣，是不可忽视的环节。
4.3 精益净化
研究表明，仅仅关注铸铁的基本化学成分和组织是不够的。铸铁性能的发挥和铸件的失效，往往与铸件中的铸造缺陷、组织缺陷、某些同溶元素和晶界脆性相的存在密不可分。而所有这些，多数与铸铁中的非金属夹杂物及气体有关。因此，必须发挥感应炉内的精益净化作用。
电磁搅拌有助于金属料和增碳剂的加速熔解吸收，使化学成分和温度均匀化，也有利于脱气和去除非金属夹杂物。但脱气和去杂的作用是有限的。感应炉多采用单相供电，产生如图2 所示的两段四区电磁搅拌。由图可知，下部两区对于夹杂物的上浮有一定的抵消作用，也削弱了电磁搅拌的脱气作用。

平衡温度是决定反应SiO2+2C=Si+2CO 方向的温度。当温度大于平衡温度时，反应向右进行，反之则反应向左进行。单质状态下，平衡温度为1 645.8℃。铁液中的C 含量和Si 含量影响平衡温度：随着C 含量的增加或Si 含量的减少，平衡温度降低。在通常灰铸铁或球墨铸铁铁液成分下，平衡温度约在1 425～1 400℃，对于低温用铁素体球墨铸铁则约在1380℃左右。当熔池温度高于平衡温度时，反应产物CO 造成熔池沸腾。生产中为了保证足够的沸腾力度，一般取平衡温度以上50℃，称作沸腾温度。CO 造成的沸腾是发生于整个熔池的，CO 是往上逃逸的。因此，其净化作用是电磁搅拌无法比拟的。利用熔炼后期熔池的“自沸腾”净化是感应炉熔炼的一大特色。通过“自沸腾”能很好地降低铁液中H、N、O 的溶解量，并在气泡上浮过程中，携带非金属夹杂物进入熔渣。
吹Ar 净化是一种有效的辅助手段。通常可采用炉内或包内插管吹Ar 或炉底透气砖吹Ar，亦有在炉底安置气体扩散器，再在其上捣搐特定的耐火材料层，令Ar 通过这一可透气的烧结层达到净化目的。
研究表明，除N 是除气的重点。降低铁液中的N，不仅可以免除N 气孔，更主要的是提高球墨铸铁，乃至提高抗磨白口铸铁的韧性。
除了以上的方法可以除N 外，还有吹O2 或吹CO2 除N 和脱N 剂脱N 等的试验与实践。
4.4 防止后期H、N、O 回升即便进行了净化处理，如果此后操作不当，H、N、O 仍有回升的可能。为此，须特别注意几点。
(1)后期不能投潮湿的物料。
(2)选用O、N 低的增C 剂。
(3)电磁搅拌力与输入功率成正比，与频率的平方根成反比。加入增C 剂后，一般可用调低频率的方法，促使增C 剂的溶吸。但搅拌力度（尤其是在无熔渣覆盖的情况下）不能过度。否则，“驼峰“高，氧化吸气风险大。
(4)“自沸腾”或吹Ar 等处理不能过于激烈。
(5)铁液化学成分和温度合格后，停电扒完渣，要尽快倾炉出铁。出铁最好一次完成。分包出铁或遇意外情况，要对剩余铁液供电保温，无渣保护的铁液，氧化烧失和吸气问题会突出起来。
4.5 正确控制终点
炉料熔清后，熔池升温加快，经过平衡温度、沸腾温度、临界温度，而达到过热温度。所谓临界温度是指当超过这一温度时铁液中石墨核心数明显减少，铁液白口倾向增大，铸件或试样中石墨形态发生变异，产生过冷石墨甚至出现自由渗碳体。不同资料所提供的临界温度数据不甚一致，一般为1 455～1 510℃。临界温度与炉料状况及铁液化学成分有关，如生铁牌号高则临界温度高；废钢配比多，生铁用量少则临界温度低；铁液C、Si 含量低则临界温度低等。此外，使用什么样的增C 剂也影响到临界温度。熔炼最终的过热温度视铸铁材质、铸件体量大小，以及炉料等情况的不同而定，一般为1490～1 550℃。
经过1 490～1 550℃过热的铁液，淡化了炉料的不良遗传性影响，也加大了过冷倾向。但只要作好预处理和孕育处理，孕育效果会发挥得更好，有利于石墨和基体的细化。必须强调，过热温度切忌随意提高。必须指出，在过热温度下停留时间不能长。否则会产生“死铁液”（这种情况常在夜班保温，第二天早班使用的铁液中发生）和H、N、O 回升的现象。
4.6 预处理
感应炉铁液的自发形核能力差，白口倾向大，必须认真做好孕育处理。与相同化学成分的冲天炉铁液相比，感应炉铁液的孕育量要多出0.1%～0.2%。对于高质量的铸件，出铁前还应该在炉内进行预处理。晶型石墨和SiC 的形核能力强，是应用最普遍的预处理剂，其次是孕育级的硅铁。
此外，还可在包内进行预处理。炉外预处理技术可查有关报道。对灰铸铁而言，感应炉铁液的S 含量低，不利于孕育形核。需将提高至0.07%～0.10%。因此，从广义的预处理概念上讲，铁液增S 也是一种预处理。FeS 的熔点为1 193℃，它能全部溶于铁液。S 的回收率视加入时机和加入状况而定，熔炼后期镜面加入时回收率可高于90%，装料期加入则回收率降低。为了降低费用，有的工厂使用黄铁矿增S。
4.7 节能快熔
“十二五”期间，单位 GDP 能耗要降低16%。节能减排已被列入地方政府官员的业绩考核之中。熔炼工部节能是企业节能的重中之重。感应炉节能快熔可采取以下措施网。
(1)提高比功率，以实现高的电效率和高的热效率并实现快速熔炼。目前0.5～60 t 炉子的比功率设计为1 000～600 kW/t。
(2)一拖二，即一套电源同时向两个炉体供电，功率在两个炉体间任意分配。整个熔炼过程以恒功率运行，功率利用系数几乎可达100%。
(3)尽量安排在较大容量的炉子上熔炼。据测算，5t 炉比2t 炉的吨铁电耗可减少3%～4%。
(4)作业制度上，采取连续熔炼。
(5)增设炉盖，并减少开盖率。带盖作业与敞口作业相比，液面热损耗功率可降低50%～60%。
(6)使用净料，禁止锈蚀料和含坭带砂料入炉。
(7)掌握炉料成分，准确配料，免除成分超标而导致的不必要的调整工作。
(8)设法缩短装料、熔化、取样和检测时间，提高功率利用率。
(9)避免终点铁液温度过高。否则不但多耗电，还增加了降温时间。炉内静止降温很慢，3t 炉在无覆盖的情况下，每分钟降温不超过3℃。
(10)采用优质炉衬材料，延长炉龄。
(11)在保证炉龄的前提下，炉衬不宜过厚。因为壁厚增加会降低电效率和感应器的输入功率，降低了生产效率，而且由于不易形成良好的初期烧结层，致使初期熔蚀加快。坩埚壁厚与炉子容量及坩埚直径的关系见表1。

注：d 为坩埚的平均直径。
(12)合理的坩埚绝热层厚度。为了减少坩埚壁的散热，需要一定厚度的绝热层。但绝热层增厚时，绝热层内侧温度上升，会使烧结层或半烧结层扩展而缩小松散层。一般绝热层厚度取5～7 mm。一旦要增加绝热层时，捣打料中的胶结剂加入量应减少。
(13)调度上要避免感应炉被迫等待造型的情况。
(14)熔炼工部天车配置要合理，防止熔炉等天车而造成窝工。在采取以上种种措施后，先进的指标可达到：电耗580～540 kW/t；连续熔化，冷料至1500℃铁液的熔炼时间为35～54 min/炉。
5 减少事故的措施
感应炉熔炼过程中出现的事故和问题，大多来自感应炉系统（中频电源及炉子）和炉台操作。好的感应炉系统可以免除许多烦恼，减少维修费用和停工损失。
5.1 正确配置感应炉系统
国内多家公司生产的感应炉已相当完善，达到无故障设备的水平。因此，有相当规模的铸造企业应从这些公司中寻找供货商，它们会提出详细的项目书。该感应炉系统对电源、炉体、倾炉系统和水冷系统等进行显示、报警、诊断和故障处理。根据炉内变化着的情况，变频器会处于高效运行状态。一个高度自动化的感应炉，人工操作仅限于接通电源、开启变频器和调定输入功率，无需设专人看守变频器或作其他操作调节。如果铸造企业受生产量和经济条件所限，在感应炉技术改造时，应听取行业组织和专家的建议，并向供应商重点了解几种情况：①所用可控硅、控制板、集成块、元器件、绝缘材料以及液压缸、水泵、冷却设备等辅机的来源和配套情况；②配件库的状况；③服务能力和响应速度。
笔者发现，有铸造厂喜欢就近就熟（熟人）购买“便宜货”。这些供应商主要生产炉子，其余是“串起来”的。而且2t 炉还用铝壳。试想，这样的系统可靠性、耐用性会是怎样？按照国家发改委铲业结构调整指导目录(2011 年本)》规定，无磁轭(≥0.25 t)铝壳炉属于淘汰类产品。用铝壳炉也有违工信部《铸造行业准入条件》中，关于企业生产装备的要求的。
5.2 正确进行炉台操作
炉台操作不当，容易造成炉料搭棚，炉底熔池过热，“大象脚”和漏底等事故。这些事故多与炉料尺寸过大、野蛮装料、炉衬材料及烧结工艺不当、铁液过热温度过高，以及炉衬修补不及时等有关。企业管理者，不能把炉台操作看作体力活，一定要加强岗位培训，提高员工素质。
耐火材料的生产公司很多，著名的公司都有很好的服务，如推荐适用的耐火材料及辅料，指导筑炉和炉衬烧结，并对最低炉衬使用寿命做出保证等。
5.3 及时的信息测报
对铁液的化学成分和凝固信息要作炉前测报，以便及时指导生产，防止铸件质量事故。直读光谱仪的标准曲线，过一段时间应重新做，这是因为曲线会漂移，而且国产标样，其深层成分与浅层成分也会有所不同。热分析仪也应该定期校验。化学分析法虽然慢，用作炉后分析，准确性高。C、S、P、Mg 等对光谱分析操作手法很敏感，应该用化学分析的结果进行比照。

（摘自：《铸造》）