感應(yīng)爐熔煉

上圖（4—1）是感應(yīng)爐爐體基本結(jié)構(gòu)簡圖,。這種熔爐是使用耐火材料搗制的坩堝盛裝爐料和鐵水。坩堝外圍裝有異形銅管或矩形銅管制成的螺旋形線圈,。當(dāng)交流電通過感應(yīng)線圈,，由于交變磁場的作用，裝入坩堝的爐料內(nèi)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流,，使?fàn)t料加熱,、熔化并使鐵水過熱,。按照輸入爐子的電流頻率，感應(yīng)熔爐分為工頻爐（50HZ）,、中頻爐（150---8000HZ）和高頻爐（大于10000HZ）,。按坩堝的耐火材料性質(zhì)，爐子分為酸性爐,、堿性爐和中性爐,。按爐子結(jié)構(gòu)，有無芯感應(yīng)爐和有芯感應(yīng)爐,。

我國自20世紀(jì)70年代以來廣泛使用感應(yīng)爐熔煉鑄鐵,。大型鑄造廠（如汽車鑄件鑄造廠）多使用以大型感應(yīng)爐為主體的雙聯(lián)熔煉。

感應(yīng)爐爐料包括生鐵,、廢鋼,、鑄件回爐料、鐵合金,、切屑和增碳劑等,。鐵水中非金屬夾雜物含量少。元素?zé)龘p率較低,，鐵水溫度和成分易于調(diào)整和控制而達(dá)到均勻穩(wěn)定,。有些鑄造廠還采用廢鋼和增碳劑熔煉合成鑄鐵。

由于鐵水溫度,、成分容易控制,，合金元素?fù)p耗少,，感應(yīng)爐可以用來熔煉高合金鐵水,，如高鉻鑄鐵、高鎳奧氏體鑄鐵原鐵水等,。鐵水比較純凈,，過熱溫度能達(dá)到1700℃以上，元素的熔損少于沖天爐,，對環(huán)境污染較輕,，勞動條件相對較好，而且可使用大量廢鋼作為爐料,，因此感應(yīng)爐用于熔煉各種球墨鑄鐵原鐵水,。但是感應(yīng)爐生產(chǎn)的原鐵水與沖天爐鐵水相比，石墨晶核和石墨球數(shù)較少,，鐵水的共晶過冷度較大,，產(chǎn)生白口傾向較強(qiáng)。溫度和碳當(dāng)量相同時,，鐵水流動性比沖天爐鐵水稍差,。

爐料在耐火材料搗制的坩堝內(nèi)熔化,。熔化一般球墨鑄鐵的坩堝加熱溫度在1550℃以下。熔煉熔點(diǎn)更高的鐵水時,，坩堝還要承受更高溫度,。如高鎳奧氏體球鐵的原鐵水，熔煉溫度需要達(dá)到1700攝氏度,。坩堝材料應(yīng)能在高溫下保持足夠的化學(xué)穩(wěn)定性,、良好的高溫強(qiáng)度和抗熱沖擊能力。酸性爐襯采用高純石英砂或電熔石英砂,。電熔石英砂熔點(diǎn)1700攝氏度,、鐵水熔煉溫度最高可達(dá)1600攝氏度，適用于熔化一般球墨鑄鐵爐料,。熔化溫度更高時,，還可采用鋯砂或鋁鎂尖晶石。鋯英砂的主要成分是二氧化鋯,，其中含有少量二氧化硅,。

二氧化鋯+二氧化硅大于或等于95%的鋯英砂熔點(diǎn)2500攝氏度，最高工作溫度1650攝氏度,。鎂鋁尖晶石是中性耐火材料,。采用燒結(jié)或電熔方法把含有三氧化二鋁和氧化鎂的礦物原料熔合在一起，制成合成耐火材料,。其理論礦物組成為三氧二鋁=71.8%,、氧化鎂=28.2.熔點(diǎn)為2135攝氏度，用以制成的坩堝耐火度能達(dá)到1900攝氏度,。

熔煉偏堿性球墨鑄鐵（如無磁性奧氏體錳鎳球墨鑄鐵）需要用堿性或中性耐火材料制造的坩堝,。常用的耐火材料是燒結(jié)鎂砂、電熔鎂砂和鎂鋁尖晶石,。

菱鎂礦經(jīng)過1300---1400攝氏度高溫?zé)Y(jié)能得到的一種以氧化鎂為主要成分的塊狀物,，經(jīng)過破碎、篩選后制成燒結(jié)鎂砂,。一般燒結(jié)鎂砂含95%--97%的氧化鎂,。氧化鏟平熔點(diǎn)2800攝氏度，優(yōu)質(zhì)燒結(jié)鎂砂在電弧爐內(nèi)再經(jīng)高溫熔化而制成含氧化鎂更高,、雜質(zhì)含量更少,，熱穩(wěn)定性和抗熱沖擊性能更佳的電熔鎂砂。

坩堝采用粒狀耐火材料經(jīng)過搗筑,、燒結(jié)后制成,。粒狀耐火材料的粒度需有合適配比。使各種粒度的顆粒互相嵌合,，使坩堝具有良好的緊實(shí)度和高溫強(qiáng)度,。

下表（4---1）列出兩組坩堝耐火材料的粒度配比實(shí)例。經(jīng)過多年實(shí)際應(yīng)用,，效果很好,，可供參考。

坩堝耐火材料中需加入有助于燒結(jié)的添加劑,。添加劑多采用硼酸,，加入添加劑可降低燒結(jié)溫度、使坩堝容易燒結(jié)成形,。

搗筑前需先在感應(yīng)器內(nèi)側(cè)和爐底鋪設(shè)隔熱層和絕緣層,。并放置定位坩堝胎具。然后把混拌均勻的耐火材料分批加入,，由爐底開始分層搗筑,。需要注意控制好影響輸入功率的爐底、爐壁厚度和均勻度,。爐底或爐壁過厚會限限制輸入爐內(nèi)的電功率,，使鐵水升溫緩慢或達(dá)不到應(yīng)有的過熱溫度。過薄則縮短坩堝壽命,。

大型感應(yīng)爐多使用電動或氣動筑爐機(jī)搗筑坩堝,。機(jī)械筑爐效率遠(yuǎn)高于手工筑爐，勞動條件好,，而且坩堝質(zhì)量比較可靠,，會用壽命長。

搗筑結(jié)束后進(jìn)行爐襯燒結(jié),。燒結(jié)使顆粒狀耐火材料形成能夠承受爐料撞擊,、抵抗鐵水和爐渣侵蝕的整體強(qiáng)固耐火坩堝。燒結(jié)開始階段滿意的以低功率向爐送電,，使鋼制的坩堝成形模具升溫并加熱耐火材料,。坩堝溫度保持在900攝氏度以下,，砂料及硼酸中的水分逐漸蒸發(fā),。石英砂在870攝氏度發(fā)生阿爾法石英向阿爾法磷石英的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，石英砂粒會出現(xiàn)很大的體積變化,，因此在此區(qū)間緩慢升溫十分必要,。900攝氏度升溫到1200攝氏度是燒結(jié)的主要階段，在此階段可向爐內(nèi)加入一些爐料,，利用爐粒吸收的熱量使坩堝升溫,。直到1300攝氏度時，坩堝已經(jīng)形成表面燒結(jié)層，此階段可適當(dāng)提高升溫速度,。在1300---1500攝氏度區(qū)間燒結(jié)層隨燒結(jié)時間加長而增厚,。

新坩堝燒結(jié)后應(yīng)連續(xù)進(jìn)行首次熔煉，其次熔煉需將鐵水緩慢加熱到1500攝氏度,，保溫?cái)?shù)小時后即可結(jié)束燒結(jié),。此時燒結(jié)硬化層應(yīng)達(dá)到爐壁厚度25%以上，半燒結(jié)層應(yīng)超過50%,。下表（4—2）列出熔煉普通球墨鑄鐵的石英砂坩堝加熱燒結(jié)時間,，可供參考。

當(dāng)前有些鑄造廠使用專業(yè)工廠預(yù)制好的坩堝,。更換坩堝時,，先預(yù)制坩堝放置在搗筑的爐層上，再搗筑周圍保護(hù)層,。采用預(yù)制坩堝顯著縮短更換時間,，而且預(yù)制坩堝質(zhì)量較好，使用壽命長,。比較適用于大型感應(yīng)爐,。

下表（4—3）列出我國球墨鑄鐵專用生鐵化學(xué)成分（BG/T1412—2005）。目前國內(nèi)鑄造廠制造球墨鑄鐵多使用這種生鐵,，也有少數(shù)工廠使用L04,、L08、L10煉鋼生鐵,。所列球墨鑄鐵專用生鐵所規(guī)定硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 是為了避免爐前處理使用含硅高的球化劑和孕育劑時鐵水含硅量超過標(biāo)準(zhǔn),。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定生鐵含碳量大于3.4%，全球使鐵水碳當(dāng)量達(dá)到共晶成分或過共晶成分,。錳促進(jìn)共晶碳化物和晶間碳化物生成,，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定處于較低水平。生鐵的磷,、硫以及強(qiáng)烈干擾球化的鈦含量都很低,。

用于熔煉鐵素體球墨鑄鐵水應(yīng)采用1級含磷量，生鐵中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對球墨鑄鐵的塑韌性有很大的影響,。一般球墨鑄鐵件含磷量不應(yīng)超過0.07%,。塑韌性要求較的鑄件通常規(guī)定磷小于0.06%。因此需使用4---3表中所列2級或1 級生鐵,。

Q10生鐵含硫量很低,，1類不超過0.02%。這種生鐵含錳量也很低,，可用于生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵,。球光體球墨鑄鐵則宜采用含錳較高的Q12，根據(jù)鑄件要求的力學(xué)性能選用2組或3組生鐵。

干擾元素含量也是選擇熔煉球墨鑄鐵所用生鐵的重要因素,。下表（4---4）列出我國一些鋼鐵廠所產(chǎn)生鐵的干擾元素含量,。

廢鋼用天降低原鐵水含碳量或用于生產(chǎn)合成鑄鐵。選用廢鋼主要應(yīng)注意它的來源,、化學(xué)成分和清潔度,。鋼結(jié)構(gòu)邊角料或鑄鋼回爐料是常用廢鋼。軋制件多數(shù)是低碳鋼,，含碳量一般不超過0.35%但要注意有些軋制件為合金鋼,，例如鋼軌的含磷量遠(yuǎn)超過普通結(jié)構(gòu)鋼，不宜用于生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵,。廢鋼必須經(jīng)過化驗(yàn)才能使用,。再如使用40鉻鋼鑄件作為回爐料，該鋼的含鉻量為1.05%,，加入20%就會帶入鐵水0.21%鉻,。而普通球墨鑄鐵允許含鉻為0.15%。使用鉻鋼作為部分回爐料時,，鑄件可能因晶間碳化物含量超過標(biāo)準(zhǔn)而報(bào)廢,。使用高錳鋼回爐料也會發(fā)生類似問題。爐料中混入2%高錳鋼就能使鐵水含錳量超過標(biāo)準(zhǔn),，已不適于澆注高韌性球墨鑄鐵件,。鑄鐵件回爐料也應(yīng)注意化學(xué)成分問題。

鐵合金種類繁多,，應(yīng)該實(shí)行分類管理,。保管中注意勿使其受潮或沾染泥少、油污,。使用前需根據(jù)產(chǎn)品出廠成分化驗(yàn)單配料,。鐵合金加入熔爐前均需在加熱爐內(nèi)烘烤，清除沾附的水分和油污,。

中頻感應(yīng)爐修爐結(jié)束后即可把爐料分批加入,。工頻爐冷起熔時，需首先加入起熔塊（重量占爐子容量10%--30%）,。熱爐則需保留前一爐部分鐵水,。分批加料時應(yīng)先加入熔點(diǎn)較低的爐料，盡快熔出鐵水,，這樣可以縮短熔煉時間,，減少熔化電耗。

鐵合金可在爐料熔化三分之二或四分之三時隨最后一批爐料加入,。熔點(diǎn)高、燒損率大的鐵合金應(yīng)盡早加入。熔點(diǎn)低,，燒損率小的合金可后加入,。加入鐵合金時盡量避免與爐渣接觸，減少鐵合金損失,。所有爐料均需經(jīng)過清理,。黏砂、潮濕,、銹蝕,、涂過油漆的爐料必須清理干凈后再加入鐵水。切屑可在爐料熔化一半后加入,，一次加入不要超過爐子容量的10%,。切屑必須清潔、無油污,、無銹蝕,，確知其來源和成分。

熔化中應(yīng)避免爐料在坩堝下部交叉支撐,，防止“搭橋”,，搭橋是感應(yīng)爐熔化作業(yè)中的危險(xiǎn)狀況。因?yàn)闋t料不能下降到坩堝下部已熔鐵水中,。輸入爐內(nèi)的電功率集中在坩堝下部少量鐵水,，使底部鐵水過度加熱，急劇侵蝕坩堝下部的爐襯,，可能造成漏爐事故,。發(fā)現(xiàn)紅熱狀態(tài)爐料交叉支撐阻礙爐料下落時，必須及時將期分離,。

爐料化清后應(yīng)及時除潭,，然后開始提高鐵水溫度，測定和調(diào)整鐵水成分,、進(jìn)行爐前檢測,。扒潭應(yīng)在1400---1500攝氏度以前進(jìn)行，因?yàn)槌^1450攝氏度,，部分熔渣變稀,，較難扒除。

鐵水化學(xué)成分合格并達(dá)到預(yù)期過熱溫度后,，應(yīng)盡快扒渣出爐,。鐵水在鐵水包中靜默數(shù)分鐘后即可開始澆注。