从 1899 年第一台用于熔炼合金的感应电炉问世，迄今还不到 120 年，在此期间，感应 电炉熔炼技术经历了一段应用不断扩大、设备不断改进的持续、交互发展过程，在许多方面 都有了惊人的发展：在电源方面，从工频电源供电到高频发电机供电，进而到由静态变频电 源供电；在炉型方面，从水平熔沟式熔炉到垂直熔沟式熔炉，进而到无芯的坩埚炉；在熔炼 的合金方面，从各种有色合金到铸铁，进而到不同的钢种，包括碳钢、各种低中合金钢、高 锰钢、不锈钢、耐热钢乃至镍基高温合金。 感应电炉的首创者应该是英国的 Ferranti，他提出的熔沟感应电炉设计方案，于 1887 年 获得了第一项专利。1899 年，瑞典的 Franklin kjellin 制成了第一台水平熔沟式工频感应电炉， 后来，美国的 J. Wyatt 对此进行了改进工作，1916 年，制成了第一台垂直熔沟式工频感应电 炉，用于熔炼黄铜之类的有色合金。 大约也就在 1916 年前后，美国的 Ajax Northrop 公司开发了由变频发电机供电的高频坩 埚式感应电炉。这项创新随即在美国得到了很快的发展，其应用很快就从熔炼有色合金到熔 炼铸铁，进而发展到炼钢。 1930 年前后，变频发电机供电的高频坩埚式感应电炉，在美、欧一些工业国家（包括 前苏联）得到了广泛的应用，很快就制造了容量 8t 的大型熔炼炉。 1930 年，美国 Pennsylvania 州 Lebanon 铸钢厂就有一台高频坩埚式感应电炉投入生产， 容量 2000 磅，熔炼的钢种有碳钢、低合金钢、CA-6NM 马氏体不锈钢和 CF3M 奥氏体不锈 钢。
　　1930 年，日本住友公司从美国 Ajax Electrothermic 公司购买了一台高频坩埚式感应电 炉（发动机功率 100kM，供电频率 960Hz），用于熔炼铜合金及其他有色合金，这可能是日 本第一台用于工业生产的感应电炉。1931 年，日本东京芝浦制作所从美国 Ajax Northrop 公 司购买了有关的专利技术，开始制造高频感应电炉。其后，日本的三菱电机公司也着手生产 中频感应电炉。在这种条件下，日本坩埚式感应电炉的应用发展很快，而且熔炼的合金品种 不断增多，包括各种对冶金质量有严格要求的钢种。
　　第二次世界大战以后，随着世界工业的发展，感应电炉熔炼技术也有了同步的发展：首 先是从发动机供电的高频坩埚式感应电炉发展到中频供电；同时又推出了静态频率倍增装 置，可使工频电源的频率增大到原来的 3 倍或 5 倍。从而增强了中频坩埚式感应电炉发展的 势头。 随后，又开始了工频坩埚式感应电炉推广应用的新局面。从 50 年代初开始，欧洲比较 广泛地将其用于熔炼铸铁，取代冲天炉。1970 年代，装设了一台容量 60t、功率 21MW 的工 频坩埚式感应电炉，可以认为，这一发展过程也就大致达到了顶峰。 70 年代中期，晶闸管静态变频中频电源问世，接着又开发了逆变变频及其控制技术， 频率转换效率从早先的 60～80％提高到 97～98％，坩埚式感应电炉的热效率可达到 70％， 充分显现了新型变频感应电炉的的优越性。 从 1980 年起，中频变频坩埚式感应电炉在世界各国的应用迅速扩展，很快就取代了坩 埚式工频感应电炉。目前，用于生产铸钢件最大的感应电炉，可能是奥钢联 Voest-Alpine 铸 造厂装设的容量 38t 的炉子，功率 16MW，频率 250Hz，是 ABP 公司的 IMF 系列产品。用 以生产涡轮机、压缩机和重型装备用的优质中、大型铸钢件。 钢铁行业采用感应电炉炼钢的也日渐增多。目前，印度 Viraj 制钢公司正在邻近孟买的 马哈拉施特拉邦的塔拉普尔工厂装设 3 台 IMF 型感应电炉，每台容量 30t，功率 18MW。 一、感应电炉在铸钢业界中的应用 从上世纪 30 年代开始，一些主要工业国家就都有用感应电炉炼钢的报道。早期，主要 用于熔模精密铸造，也生产少数小型铸钢件。 静态变频电源问世以后，随着变频设备的不断改善，感应电炉在各工业国家铸钢行业中 的应用进展很快：产品从一般的小型铸件逐步扩展到重要的中、大型铸件；熔炼的钢种也从 碳钢、低合金钢逐步扩展到高锰钢、工具钢、不锈钢、耐热钢以及各种高温合金。 在这种形势下，1986 年，美国铸造协会铸钢分会曾确立了一项关于发展感应电炉熔炼 的课题［1］。工作的第一阶段是回顾并分析有关的文献资料；工作的第二阶段是拟订一项推 荐性的“感应电炉炼钢作业规程”，并在承担这一课题的铸造厂进行有目标的实际作业试验， 从而对作业规程进行考核、评估。这项研究工作对感应电炉在铸钢行业中的应用是非常有益 的。 我国采用感应电炉炼钢起步较晚，可查阅到的文献资料也很少。有的书上提到：“我国 于 20 世纪 40 年代开始用感应电炉炼钢。”但是，迄今还未能查阅到具体的文献。 据我的一管之见，我国铸钢行业采用感应电炉熔炼大约起始于 50 年代后期。早期，基 本上都是用于熔模精密铸造，产量也很有限。70 年代末期实行改革开放政策以后，从 80 年 代起，铸造行业持续以惊人的速度发展，以感应电炉为熔炼设备、生产铸钢件的厂家日益增 多，工艺技术也不断有所改善。起初，只是用于生产质量要求一般的小型铸钢件，90 年代 以后，铸钢件产品的档次也逐步提高，现在已经可以生产各种优质的高合金钢铸件。 铸钢业界采用感应电炉作为熔炼设备，与用电弧炉熔炼相比，确有不少优点值得关注， 这也是其应用范围不断扩展的主要原因。但是，感应电炉熔炼也有不少必须正视的问题。铸 钢企业选用熔炼设备时，应该根据企业的具体条件、铸件产品的特点，从多方面作可行性分 析，不能简单地追逐潮流。
　　尽管奥钢联 Voest-Alpine 铸造厂已经用 38t 的炉子生产铸钢件，但是，考虑到耐火炉衬 和冶金质量方面的制约，我个人认为铸钢业界用的炉子还是 10t 以下的小型炉子为宜。在与 炉外精炼设备配合使用的条件下，才可以采用更大的炉型。 确定选用感应电炉后，还要按照产品的质量要求，选定炉衬制备方案、制订熔炼作业的 规程。 但是，我国铸钢业界在感应电炉熔炼方面的经验毕竟还是不多，据我所知，到目前为止， 未能掌握感应电炉熔炼要点的铸钢厂家仍然不少，有的是炉衬材料选用不当，有的是熔炼作 业不符合冶金要求。其中，不少企业不规范的程度已经越过了保证质量的底线，这种情况当 然会影响产品的质量和档次。特别要提出的是：在我国铸钢业界，感应电炉炼钢不加炉盖可 说是已成为常态，而这种作业方式是不能容忍的。首先是，由于辐射损失的热量多，导致炼 钢的能耗增加 10％以上。再就是，增强了钢液与大气的接触，对冶金质量的负面影响很大， 如：钢液氧化的程度增强；钢液自大气吸收的气体增多；合金元素的烧损增多、收得率不稳 定；钢中非金属夹杂物含量增多等等。 为了切实帮助企业掌握感应电炉炼钢的特点，切实做到在节能、降耗的基础上提高产品 的质量和档次，在采用感应电炉熔炼日益增多的今天，我觉得协会的铸钢分会有必要参照美 国协会铸钢分会的作法，建立一个课题组，编制推荐性的《感应电炉熔炼铸钢的工艺要点》。
　　二、感应电炉炼钢的长处和短处 近 30 年来，感应电炉在铸钢业界的应用发展很快，当然是由于其具有不少长处，但是， 另一方面，它也有很多短处。选用其作为熔炼设备，一定要进行全面的分析、研究，力求扬 其所长、避其所短，切不可凑热闹、赶潮流。设备选定以后，就应该对其特性有比较全面的 了解，力求在节能、减排的基础上不断提高铸件产品的质量。 以下，就感应电炉熔炼铸钢的长处和短处作简单的分析，供参考。
　　1、长处 在铸钢熔炼方面，与电弧炉熔炼相比，采用坩锅式感应电炉有不少长处，如： （1）感应电炉虽然也是高功率的耗电设备，但是对电网的干扰比电弧炉小得多；
　　（2）在对 环境的影响方面  熔炼过程中噪音小、排放的烟、气、粉尘和废渣都比较少； （3）在资源的利用方面  装炉材料（包括加入的各种合金元素）的烧损少、收得率较 高。造渣材料的用量小得多，而且不用电极；
　　（4）在冶金功能方面  由于有电磁搅拌作用，钢液的成分比较均匀，钢液的温度也比 较均匀，温度控制也比较方便，没有因电极而致的增碳问题。由于没有电弧的高温作用，也 没有氮在高温下离解而易于被钢液吸收的问题；
　　（5）设备的投资较少，占用场地的面积也比较小；
　　（6）较易于实现作业的自动化。
　　2、短处 由于具有上述长处，自从上世纪 80 年代以来，坩锅式感应电炉在铸钢方面的应用发展 很快，但是，坩锅式感应电炉也有其特有的短处，制约它的发展。‘如何避短？’是工艺技 术人员必需面对的课题。要避短，就应该对这些短处有充分的了解。 （1）耐火炉衬方面的问题 耐火炉衬是坩锅式感应电炉的重要组成部分，确保其正常运行，对设备作业的可靠性、 经济效益、安全性乃至铸钢产品的冶金质量都至关重要。 坩锅式感应电炉熔炼所用的能量，是由感应线圈产生的磁通量、通过耐火炉衬传送到炉 内金属的。耐火炉衬的厚度增大，则漏磁通增大，感应器输出的功率、功率因数和电效率都 随之降低。为了尽量减少平衡电容对无功功率的补偿、提高电效率，必需尽可能地使耐火炉 衬的厚度减到最小。因而，在炼钢用的各种熔炉中，感应电炉耐火炉衬的厚度，比任何炉型的炉衬都小得多，但是，其作业条件却又比其他炉型的炉衬苛刻得多。 1）炉衬的内表面接触熔融的钢液、温度很高，外表面则与水冷的感应线圈相接，薄薄 的炉衬中温度梯度却非常之大。 2）炉内的钢液因电磁作用而不断搅拌，增强了钢液对炉衬的冲涮，也增强了其中悬浮 的氧化物对炉衬的侵蚀，而且搅拌作用也使钢液吸收气体的可能性增大。 3）如果炉衬打结的紧实度不够，或烧结不好，熔炉过程中有钢液渗入炉衬的裂隙，渗 入的钢液因为有感应加热的作用，不会在裂隙中凝固，而要在裂隙中继续深入，直到接触线 圈、引起短路，甚至造成重大的安全事故。 因而，对炉衬耐火材料的性能、粒度级配、炉衬的修筑、炉衬的烧结都必须严格要求， 不能有丝毫马虎。
　　（2）冶金功能方面的问题 坩锅式感应电炉熔炼铸钢，其冶金功能比电弧炉熔炼差得多，因此，早期只能用于熔炼 冶金质量要求一般的钢种，制造小型铸钢件。上世纪 80 年代以后，随着设备和耐火材料的 不断改进，可以在熔炼过程中实施温和的氧化沸腾，增强其冶金功能，适用范围也逐步扩大 到优质低合金钢、高合金钢，乃至超低碳不锈钢和各种高温合金。但是，感应电炉熔炼在冶 金功能低的问题仍然不能忽视。
　　1）感应电炉熔炼，炉渣是靠钢液传导的热量使之熔化的，炉渣的温度低于钢液的温度， 不能像电弧炉熔炼那样，经由钢液-炉渣之间的多种冶金反应，实施氧化精炼和扩散脱氧。     2）电弧炉熔炼，熔池是浅盆型，渣线部位的直径大约是熔池深度的 4～5 倍；坩埚式感 应电炉熔炼，熔池是圆筒形，熔池的直径小于其深度，二者之比大约 0.6～0.75。由此可见， 感应电炉熔炼时，钢液-炉渣接触的界面比电弧炉熔炼时小得多，根本就不可能利用钢液炉渣之间的冶金反应进行冶炼作业。 因此，铸钢企业采用感应电炉熔炼时，对炉料的要求必须非常严格：各种原材料都要确 知其化学成分；装炉材料的用量都要由计算确定；废钢和回炉料都必须干燥、无泥沙、无油 污；装炉材料的最大尺寸不能大于坩埚内腔尺寸的 1/2。 三、炉衬 耐火材料炉衬，是坩埚式感应电炉重要组件，影响炉子的熔炼功能、钢的冶金质量，尤 其关键的是作业安全。由于坩埚式感应电炉适用于各种铸造合金的熔炼，如铸铁、铸钢、铜 合金、铝合金和锌合金等，小型感应电炉，炉衬可购买成型的预制坩埚。实际生产中用于铸 钢的坩埚式感应电炉，一般都由铸造厂根据熔炼合金的品种选购适用的耐火材料，自行修筑 炉衬，并做好烧结的作业。 1、炉衬用耐火材料的基本情况 常用于坩埚式感应电炉的几种耐火材料，基本成分和耐火性能见表 1。
　　表 1   几种常用耐火材料的基本成分和耐火性能 材料名称 硅砂 电熔镁砂 冶金镁砂 氧化铝质材料 镁铝尖晶石
　　化学成分(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
　　最高作业温度    (℃) 1550 1800 1700 1800 1900
　　2、适用于炼钢用炉的衬耐火材料 随着感应电炉在铸钢业界应用的发展，自上世纪 80 年代起，铝镁尖晶石型炉衬材料的 应用逐步受到重视，目前，各工业国家铸钢业界所用的坩埚式感应电炉，基本上都采用尖晶 石型炉衬。
　　近年来，我国也有一些铸钢企业采用了尖晶石型炉衬材料，其中，有些厂家是购买国外 厂商预配好的材料，虽然使用效果很好，但生产成本提高很多，而且对它的特性不甚了解。 在此，我主要是想介绍一些有关尖晶石型耐火炉衬的特性，供业界同仁自行配制炉衬材料、 进一步改进炉衬材料时参考。同时，鉴于目前硅砂炉衬、镁砂炉衬、氧化铝质炉衬在我国铸 钢业界还都有应用，也顺便对这些材料的特性作一点简单的介绍，供参考。
　　（1）硅砂炉衬 以硅砂为基本耐火材料修筑的炉衬，通常也称为酸性炉衬。硅砂的优点很多：首先是 是 资源丰富、价格低廉；而且以硅砂为基本耐火材料制成的坩埚，在接近其熔点的高温下仍具 有很好的强度，耐骤冷、骤热的性能好；特别应该提到的是，炉衬烧结过程中，硅砂的石英 相变膨胀能弥补烧结过程中的体积收缩，从而提高烧结层的致密度,降低炉衬烧结层中的孔 隙率。因此，各国铸造行业中，用于熔炼各种铸铁的坩埚式感应电炉都广泛采用以硅砂为基 础的炉衬材料。 但是，SiO2的耐火度低，基本上就不能适应炼钢温度。而且，SiO2在高温下的化学活性 很强，能与炼钢过程中的各种碱性氧化物乃至中性氧化物作用，例如，FeO 与硅砂接触后易 于生成熔点为 1205℃的铁橄榄石（Fe2SiO4），铁橄榄石还能进一步与 SiO2或 FeO 作用，生成 熔点为 1130℃的共晶组分。此外，SiO2 还可能被钢液中一些活性较强的元素还原。因此， 硅砂炉衬用于炼钢，既不能保证钢的冶金质量，也不能保证炉衬的寿命。从上世纪 80 年代 后期起，各工业国家用感应电炉生产铸钢件的铸造厂，就已经不用硅砂炉衬。据我所知，我 国迄今仍有一些企业采用硅砂炉衬熔炼铸钢，这种状况是亟待改进的。
　　（2）镁砂炉衬 常用的炉衬材料是 MgO 含量为 86％以上的冶金镁砂，是由菱镁矿经高温煅烧制成的。 如果将冶金镁砂置电弧炉中重熔，可使其中 SiO2、Fe2O3 等杂质的含量降低，得到纯度更高 （MgO 含量在 96％以上）的电熔镁砂。电熔镁砂多用于制作真空感应电炉的炉衬。 冶金镁砂的耐火度很高，是碱性电弧炼钢炉的常规炉衬材料，虽然其熔点很高，不容易 烧结，而且膨胀系数大，但是由于电弧炉的炉衬很厚，借助于加入大量的粘结材料、用湿法 打结，完全可以弥补这方面的不足。 如果将冶金镁砂作为感应电炉的炉衬材料，则由于炉衬厚度的制约，又不宜用湿法打结， 这些不足之处的负面作用就非常明显，因而。氧化镁材料的制成的坩埚容易产生龟裂，间歇 作业的炉子情况尤为严重。
　　（3）氧化铝质炉衬 氧化铝和锆砂都属于中性耐火材料，其中应用最广泛的是氧化铝，很少采用锆砂作炉衬 材料。 单用氧化铝作炉衬材料，抗裂和防止酸性炉渣侵蚀的能力较强，但不适于造碱性炉渣。 而且，由于其耐火度高、烧结性能较差，炉衬寿命也不很高。
　　（4）尖晶石型炉衬 尖晶石矿物具有类质同象的特征，品种很多，成分也比较复杂，其分子式可以写成   Ｍ２＋Ｏ·Ｍ３＋２Ｏ３，式中：Ｍ２＋代表一些二价金属原子，如 Mg、Fe、Zn、Mn 等；Ｍ３＋代表 一些三价金属原子，如 Mg、Fe、Zn 等。因而，也可写成(Mg,Fe,Zn,Mn)O·(Al,Cr,Fe)2O3 。 尖晶石类矿物所含的二价金属原子中，Mg２＋和 Fe２＋可以任何比例互相取代；所含的三 价金属原子中，以 Al３＋居多，但 Cr３＋可以任何比例取代 Al３＋，Fe３＋则只能在一定的限度内 取代 Al３＋或 Cr３＋。常见的尖晶石有以下几种： 镁铝尖晶石  MgO·Al2O3         铁铝尖晶石  FeO·Al2O3 铬铁矿（铁铬尖晶石）FeO·Cr2O3    磁铁矿（铁尖晶石）FeO·Fe2O3 镁铁尖晶石 (Mg,Fe)O·(Al,Fe)2O3   锌铝尖晶石 ZnO·Al2O
　　镁铬尖晶石 MgO·Cr2O3        锌铁尖晶石 ZnO·Fe2O3 锰铬尖晶石 FeO·Cr2O3        锰铝尖晶石 MnO·Al2O3 目前，在各工业国家中，用作炼钢用感应电炉炉衬材料的，主要是镁铝尖晶石（MgO·Al2O3） , 通常简称为‘尖晶石’。纯镁铝尖晶石中，MgO 含量只不过是 28.2％，但仍属于碱性耐火材 料。 镁铝尖晶石系材料的耐火度高，热膨胀系数小，高温下的热稳定性好、抗碱性炉渣侵蚀 的能力强。尤其应该提到的是：MgO 和 Al2O3在烧结形成尖晶石的过程中有 7.9％的体积膨胀， 可以弥补烧结过程中的体积收缩，减少烧结层的孔隙率，这一点与硅砂炉衬的重要优点是一 致的。 镁铝尖晶石基本上没有天然的矿产，都是由人工合成的，制备的方法有电熔和烧结两种 方式。我国冶金行业于 1997 年即参照美国铝业化学公司 MR66 和 AR76 材料的规格，制定了 YB/T 131-1997《烧结镁铝尖晶石》行业标准。  尖晶石型炉衬材料，实际上并不是全部由尖晶石构成，而是以粒状 Al2O3或粒状 MgO 材 料为基础，在其中配加相应的粉状、或细粒状尖晶石形成材料，使之均匀分布在颗粒耐火材 料之间，烧结过程中在氧化铝颗粒之间形成镁铝尖晶石网络，起结合作用。此外，还需要加 入少量硼酸或硼酐，使之能在较低的温度（1300℃左右）即形成尖晶石网络。 美国联合矿产公司、法国米纳克矿业公司、Calderys 公司等知名的耐火材料供应厂商， 都有多种预配的尖晶石炉衬材料供应，可根据企业的炉型和熔炼的钢种选用，但价格都比较 高。 我以为最好的解决方案是：各铸钢企业，根据自己的各项具体条件，通过试验优化、选 定最适宜的配比，自行配制炉衬材料。这样，既可以确保炉衬寿命长、钢的冶金质量高，还 可以较大幅度地降低生产成本。 至于炉衬材料的组成配比，应该根据所用各种原材料的实际成分选取，并经试验确定。 确定炉衬材料配比时，可按以下的目标成分计算： 以氧化铝为基础颗粒材料时  保持炉衬材料中 Al2O3的质量分数为 85～88％左右， MgO 的质量分数为 22％左右； 以氧化镁为基础颗粒材料时  保持炉衬材料中 MgO 的质量分数为 75～85％左右，Al2O3 的质量分数为 15～～22％左右. 3、炉衬材料的粒度级配 坩埚的致密程度对其使用寿命有极为重要的影响，为了使坩埚致密，使孔隙率尽可能地 低，必须重视耐火材料的粒度级配，使大颗粒耐火材料的空隙之间能由细粒材料充填。 为了让大家颗粒状材料打结以后的空隙率有比较具体的印象，这里，以理想球体堆垒的 情况作作简单的说明。 1）紧实度一般的情况 尺寸相同的球体，以正方交错排列方式堆垒的情况如图 1 所示。每一球与相邻的 6 球接 触（周围 4 球，上下各 1 球）， 孔隙率为 47.64%。