原材料种类对感应炉用耐火材料的影响
研究
材料0902 赵书奇 指导老师 杨春利
摘要
耐火材料是高温领域的基础材料，其中应用最为普遍的是在各种热工设备和
高温熔炉中作为抵抗高温作用的结构材料和内衬。感应炉是利用电磁场感应原理
将电能转化为热能, 使金属炉料发热熔化的设备。现在感应炉向大容量、高功
率方向发展, 应用领域不断拓展, 工作条件日益苛刻, 从而对耐火材料性能
提出了更高的要求。本文综述研究原材料种类对感应炉耐火材料的影响，
讨论纤维，莫来石以及矾土对其性能的作用。
关键词：耐火材料，感应炉，纤维，莫来石，矾土
Abstract Refractory material is the basic materials of high temperature field,
which used the most common is in all kinds of thermal technology equipment
and high temperature resistance to high temperature melting pot as effect
of the structure materials and lining. Induction furnace is to use the
principle of electromagnetic field induction electric energy into heat
fever of molten metal foundry equipment. Now induction furnace to large
capacity and high power direction development, application field to
develop unceasingly, harsh working conditions, and on the refractory
material performance put forward higher request. This paper reviewed the
research raw material type on the induction furnace refractories
influence, discuss fiber, mullite and alumina on the properties of the
role.
Keywords : refractory materials, induction furnace, fiber, mullite,
alumina
1 引言
金属的冶炼方法多种多样，其窑炉种类繁多，一般可分为熔炼炉、精炼炉和
熔铸炉三大类，每类中又分为若干类型，但都离不开耐火材料。对于熔炼金属来
说，感应炉的应用越来越广泛，现在感应炉向大容量、高功率方向发展, 应用
领域不断拓展, 工作条件日益苛刻, 从而对耐火材料性能提出了更高的要
求。所以感应炉的寿命在熔炼过程中至关重要，例如，炼铜生产中，熔渣的侵
蚀和冰铜的渗透导致耐火材料损毁，使用寿命有限，经济效益降低。因此，有必
要研究如何提高感应炉中耐火材料的使用寿命，是对今后优质耐火材料的开发和
提高炉衬的使用寿命具有重大意义。原材料是组成耐火材料的关键部分，其中的
种类和配比的不同对于耐火材料本身有很大的影响，因此，本文综述原材料种类
对于感应炉用耐火材料的影响，即纤维、莫来石等原材料对于感应炉耐火材料的
作用，从而总结出对于其性能和寿命的有哪些方面的影响，这样对于今后的学习
和研究都有一定的帮助。
2 感应炉简介
2.1概述
感应炉是利用电磁场感应原理将电能转化为热能, 使金属炉料发热熔化的设
备。感应炉按结构分为有芯感应炉(沟槽式，见图1) 和无芯感应炉(坩埚式，见图
2) 两大类。感应炉具有高效、节能、低污染、成分易调节(无芯炉) 、气氛易控制
等优点, 因而在铸造、炼钢、有色熔炼、精密合金生产等方面得到了广泛应用。
然而, 感应炉的发展在一定程度上却受高功率电源及长寿命耐火材料发展的限
制。近年来, 随着大功率晶闸管变频电源的开发和可靠性的提高, 中频感应
电炉逐步取代工频感应电炉; 感应炉向大容量、高功率方向发展, 应用领域
不断拓展, 工作条件日益苛刻, 从而对耐火材料性能提出了更高的要求。
不论是用于无芯感应炉，还是有芯感应炉，其工作条件的共同特点都为：
（1）炉衬厚度薄，炉衬材料的温度梯度很大。
（2）炉中金属液电磁搅拌能力强，会对炉衬耐火材料产生机械蚀损。
（3
）炉衬耐火材料反复受到急冷急热。
图1 有芯感应路炉衬结构示意图
图2 无芯感应炉结构示意图
感应炉的主要部件有感应器、炉体、电源、电容和控制系统等。在感应炉中
的交变电磁场作用下，物料内部产生涡流从而达到加热或者融化的效果。在这种
交变磁场的搅拌作用下，炉中材质的成分和温度均较均匀，锻造加热温度可达
1250℃，熔炼温度可达1650℃。感应炉除能在大气中加热或熔炼外，还能在真
空和氩、氖等保护气氛中加热或熔炼，以满足特殊质量的要求。感应炉在透热或
熔炼软磁合金、高阻合金、铂族合金、耐热、耐蚀、耐磨合金以及纯金属方面具
有突出的优点。感应炉通常分为感应加热炉和熔炼炉。熔炼炉有芯感应炉和无芯
感应炉两类。
2.2 感应炉对耐火材料的要求
2.2.1 有心感应熔锌炉中感应体熔沟对耐火材料的要求
(1) 化学稳定性良好
感应体熔沟中的温度比炉内锌液温度高150℃以上, 温度的升高使得锌的活
性大大增加, 锌及锌的氧化物容易与耐火材料反应在炉衬表面沉积引起结瘤、鼓
包, 造成熔沟截面减小; 或发生熔蚀, 在电动力的冲刷下造成熔沟截面扩大。因此,
为了保证熔沟截面在较长时间内保持不变, 耐火材料必须具有优良的化学稳定
性。
(2) 机械强度高
感应体的位置一般位于电炉的下部, 熔沟耐火材料承受着来自炉内锌液的静
压力; 同时, 熔沟内的锌液以一定的速度流动, 其中双沟感应体内锌液流速可达
- 1 1m ·s , 炉衬材料受到锌液的冲刷和磨损, 因此要求炉衬材料具有高的耐压强度
和抗弯强度。
(3) 热膨胀系数低, 抗热震性好
为了提高感应体的电效率, 熔沟至冷却套的厚度一般在60～80mm ,耐火材料
内外层之间的温差很大, 致使各层之间存在较大的应力差, 从而使得微裂纹容易
生成和扩展; 感应体运行期间, 始终处于工频微幅振动状态之中, 热态振动疲劳是
微裂纹生长扩展最后导致感应体损坏的主要原因。另外, 含水锌片进炉后频繁放
炮引起的热冲击疲劳也是导致感应体损坏的直接原因。
(4) 致密度高, 不易被金属润湿
锌的熔点低, 且随着温度升高, 锌液的粘度急剧降低, 到800℃时粘度急剧降
低到0.17 Pa·s ,与水的粘度0.1Pa ·s 十分接近, 流动性和渗透性急剧增加, 同
时加大了锌与炉衬材料的润湿性。锌对炉衬材料的渗透性能, 不仅取决于金属液
体的性能, 而且更取决于炉衬耐火材料成型体的气孔率以及气孔的大小和结构。
由此可见, 提高炉衬成型体的致密度, 降低气孔率, 选用与金属液体润湿性差的原
材料或添加剂, 是减少锌对炉衬材料渗透的关键。熔沟炉衬耐火材料成型体或多
或少总会含一定的气孔, 因此渗透必然发生。加之来自炉内锌液的压力和感应电
动力的共同作用, 锌液渗透势必得到加强。渗入耐火材料内部气孔或裂纹中的锌
液, 虽然也受到电磁感应被加热, 但随着炉衬温度的降低或感应体功率的减小而
凝固。固态金属锌的热膨胀系数远远大于耐火材料的热膨胀系数, 在温度出现变
化时(例如感应体功率变化) ,气孔中的锌发生膨胀, 撑裂气孔产生裂纹, 当温度
高时锌熔化, 向前渗透, 温度低时又重新凝固。在其它因素(压力、热振动、电动
力等) 的综合作用下, 这样循环往复, 直到某处裂纹贯通锌, 最终导致感应体损
坏。
影响有心感应熔锌炉寿命的关键因素之一是炉衬材料, 尤其是感应体熔沟的
耐火材料。它除了具有一般感应炉熔沟耐火材料的特点, 如耐高温、抗冲刷、抗
腐蚀、热稳定性和体积稳定性好等之外, 还必须具有如下特性:1、由于锌液粘性
小, 流动性好, 且极易汽化, 渗透能力非常强, 所以要求耐火材料必须具有更高的
致密度和强度, 以抵抗锌液及锌蒸汽的侵蚀和穿透。2、由于锌本身熔点较低, 热
容量比较小, 一旦遇到紧急停电极易发生冻结而堵塞熔沟, 因此要求耐火材料具
备良好的化学稳定性和体积稳定性, 保证其不与锌液反应、不挂渣, 从而确保熔沟
[1]中金属液流动顺利通畅。
2.2.2 有心感应熔铝炉中感应体熔沟对耐火材料的要求
对于有心感应熔铝炉来说，好的感应炉炉衬材料, 应该具备两方面的要求,
即好的电热利用率和经济可行性。而从电气上的紧密祸合上讲, 要求炉衬越薄越
好, 最大可能地将电磁能转换成电能, 磁损尽可能地小。但这种薄炉壁要直接和
高温铝水接触, 外侧围绕着水冷感应器, 温度梯度大, 工作条件相当恶劣。生产过
程中, 还存在着各种外力撞击, 反复地加热和冷却过程, 这就要求炉衬材料必须具
有良好的热稳定性, 足够高的耐火度、较高的机械性能和好的化学稳定性、较小
的热膨胀系数, 另外还必须绝缘性能好、施工性能好。石英砂是比较好的酸性炉
衬材料。在低温(600℃-800℃) 就完成其膨胀变化, 而在此温度之上体积变化微
小、热稳定性能好、高温机械强度高, 而且资源丰富, 成本低廉, 对铝污染小, 能
适用于合金熔炼的间断作业。石英砂具有多种同素异晶现象。[2]
以上是两种感应炉对于其中耐火材料的要求，总的来说，感应炉炉衬其热面
直接与高温金属液接触，背面受感应线圈冷却水的冷却，炉衬材料存在很大的温
度梯度；同时炉中金属液的电磁搅拌及电炉周期性的倒空作业，使炉衬材料产生
强烈的机械蚀损和反复的急热急冷冲击。因此优良的炉衬材料应具有足够高的耐
火度和荷重软化温度，不与熔化金属、熔渣等发生化学反应，具有良好的热稳定
性，较高的高温机械强度，良好的保温和绝缘性，同时资源丰富、价格低廉，施
工、维护方便。[3]
3 耐火材料原料的影响作用
3.1 概述
耐火材料是由各种不同种类的耐火原料在特定的工艺条件下加工生产而成
的。耐火材料在使用过程中会受到不同外界条件的单独或复合作用，因此要有多
种具有不同特性的耐火材料来满足使用条件，故所使用的耐火原料的种类和性质
也是多种多样的。
大部分耐火材料是以天然矿石（主要有耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云石、
石英、硅藻石、蜡石、黏土、铝矾土、蓝晶石族矿物原料、石灰石、镁橄榄石、
蛇纹石、滑石、绿泥石、锆英石、斜锆石、珍珠岩、铬铁矿和天然石墨等）为原
料制造的。天然原料杂质较多，成分不稳定，性能波动较大，只有少部分原料可
直接使用，大部分原料需要经过提纯、分级甚至加工后才能满足耐火材料的生产
[4]要求。
3.2 纤维在耐火材料中的作用
3.2.1 概述
在耐火材料方面, 很早就开始利用纤维制造隔热材料, 并用于不定形耐火材
料以改善其抗破裂性能近来，纤维复合材料的开发盛行起来, 定形耐火材料中也
已用纤维来改善耐火材料的强度和抗热冲击性等性能。
耐火材料是一种由不同特性和粒度的原料组合而成的复合材料, 可以说本来
就是一种耐火性、耐蚀性、强度和抗热冲击性等取得平衡的优良材料。耐火材料
的改进和开发, 就是针对其用途和使用条件来实现上述特性的。
耐火材料是变形性差的脆性材料, 为了使板状和片状耐火材料具有一定的可
挠性以应付变形, 可添加纤维。添加纤维有分散和牵制裂缝的效果, 故能防止龟裂
的发展并使强度提高进而提高耐火材料的变形能力。与纤维复合耐火材料不同,
有机纤维也可以掺入耐火混合物中, 成形后烧成, 有机物被烧掉, 从而得到透气性
耐火材料, 这是纤维的另一种利用形式。[5]
[5]
3.2.2 多晶莫来石纤维与陶瓷纤维的作用和影响
硅酸铝耐火纤维又称陶瓷纤维, 其主要化学成分是Al 2O 3 和SiO 2 , 属非晶质纤
维。高铝硅酸铝纤维, 在900℃以下是以玻璃态存在, 当温度超过900℃以后, 纤
维开始析出莫来石晶体, 在大于1150℃后, 不但莫来石析晶猛增, 而且析出的晶
体急剧生长, 导致纤维体积收缩, 纤维模块砌成的墙面上出现缝隙, 高温火焰
或烟气透过缝隙烧蚀锚固件, 使陶纤失支支撑点, 在自身重力的作用下发生局
部脱落。这是造成炉墙耐火纤维损坏变形并存在较多局部热点的主要原因。
多晶莫来石纤维是氧化铝基纤维的主要品种, 在结构上主要是以莫来石微晶
相的形式存在。与一般氧化铝基纤维相比, 莫来石纤维具有更好的耐高温性, 使用
温度可高达1500-1600℃，特别是高温抗蠕变性和抗热震性均有很大提高, 是当今
国内外新型的超轻质高温耐热纤维。它的熔点为1840℃, 热导率是传统耐火砖的
1/6,容重只有其1/25,是高温炉的理想用料. [6]
表2 多晶莫来石纤维与高铝硅酸铝纤维的主要性能比较 [6]
3.2.3钢纤维的作用和影响
耐火材料的致命弱点是它的脆性, 由于是脆性使它抗急冷急热性抗机械冲击
性差, 因而剥落脆断是耐火材料使用寿命短的重要原因之一。目前, 国际上改善耐
火材料脆性的方法有两种, 其中最广泛采用的方法是在耐火材料中加入钢纤维,
形式钢纤维增强耐火材料。这种方法工艺简单, 价格便宜, 效果好, 比不加钢纤维
耐火材料的使用寿命要增加2-6倍。
钢纤维在耐火材料的作用概活起来说主要是三个方面, 一是增强, 二是增韧,
三是抗裂。它的增强和增韧的机理与钢纤维增强混凝土的机理基本上是相似的,
只不过前者是在高温下和各种腐蚀气氛下工作, 而后者是在常温和大气下工作而
已。抗裂性是钢纤维在脆性的混凝土基体中阻滞裂缝扩展的作用, 而不是阻止裂
缝的发生, 因为纤维对微裂缝的引发几乎不起作用。[7]
因此，在研究感应炉炉衬耐火材料的时需要考虑纤维对材料本身属性的影
响，例如钢纤维对材料的耐压、抗折能力；以及有机纤维对材料内气孔率的影响。
3.3 矾土、莫来石在耐火材料原料中的作用
3.3.1铝矾土的化学组成与矿物组成
主要化学成分有Al 2O 3、SiO 2、Fe 2O 3、TiO 2，约占总成分的95%。Al 2O 3在铝矾
土中的存在形式主要是铝的氢氧化物，其次还有铝硅酸盐即黏土矿物，SiO 2一般以黏土矿物的形式存在。
铝矾土的主要矿物组成为一水硬铝石、一水软铝石、三水铝石等三种铝的氢氧化物所组成，常含高岭石、铁矿物和钛矿物等杂质。[8]
3.3.2 铝矾土的性质和作用
高铝矾土熟料耐火度高、膨胀系数小、抗热冲击能力强，性能稳定，熔炼过程中合金元素烧损少，价格低廉而在中频感应炉中得到了广泛应用。但其炉衬寿命因使用条件、筑炉工艺、操作水平的高低而长短不一，少则一二十炉，多则上百炉，在一定程度上制约了高铝矾土熟料在中频感应炉炉衬上的推广应用。经过多年的生产实践，在感应炉中成功地采用高铝矾土熟料中性炉衬，其寿命长、适用多种金属熔炼、合金元素烧损少、劳动强度低，取得了良好的经济效益。高铝质耐火原料是指Al 2O 3含量大于48%的Al 2O 3-SiO 2系耐火原料，主要包括铝矾土、
蓝晶石族矿物以及合成莫来石等，是传统耐火材料的主体原料之一。
高铝矾土属硅铝质耐火材料，当Al 2O 3>=78.1%时经高温锻烧其组成相为莫来石刚玉，耐火度高达1810°C 其热膨胀系数小而均匀(1400°C 时热膨胀系数为0.17%，而镁砂和石英砂分别为2.0%,1.2~1.5%)。但其成分中Al 2O 3含量取决于原料成分和锻烧温度，因此未透烧的高铝矾土熟料，其耐火度和致密性较低，应严格筛选；不合格不能用于炉衬材料。硼酸使用一般的工业一级硼酸，应干净无杂质、无结块、使用前应过细筛（>=80目）。有条件的情况应尽量选用硼酐，以减少炉衬烘干时的水分，有利获得组织致密的炉衬并减少炉衬烧结时间，其用
[9] 量为硼酸加入量的53%左右。
高铝矾土熟料耐火度高、膨胀系数小、抗热冲击能力强，性能稳定，熔炼过程中合金元素烧损少，价格低廉。此时，若炉料的粒度配比恰当，还能使炉衬的抗热冲击能力强，气孔率低、烧结致密，对炉衬的寿命有很大的帮助。[9]
3.3.3 莫来石的化学组成和矿物组成
莫来石是一系列由铝硅酸盐组成的矿物统称，这一类矿物比较稀少。莫来石是铝硅酸盐在高温下生成的矿物。合成莫来石中氧化铝和氧化硅的总含量通常为97-88.5%,此外，再加入Fe 2O 3、TiO 2、Na 2O 、CaO 。莫来石的化学组成
为3Al 2O 3·2SiO 2，琴射线分析资料指出, 莫来石含量为90-95%，化学分析含量为
80-90%, 还含有10%的刚玉, 近5%的玻璃相。
3.3.4 莫来石的性质和作用
莫来石是Al 2O 3-SiO 2二元相图系统中唯一稳定的结晶硅酸铝, 其有极好的化
学稳定性。莫来石熔点高, 热膨胀系数小, 荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点，是优良的耐火材料和陶瓷基复合材料的重要基体材料。[]莫来石在高温下能保持一定的体积, 具有抗渣和抗金属作用的特性, 并耐侵蚀。其缺点是, 在还原介质（特别是氢介质）中稳定性比较差。[10]
莫来石具有很高的耐火度和高温下对酸性渣有良好的耐侵蚀性, 以及耐高温荷重性、耐磨性、抗剥落性等[11], 实践证明[12]：用莫来石做成的耐火材料制品具有很高的机械强度, 高的密度和荷重变形温度, 较小的气孔率, 抗热震性好以及在热膨胀曲线上不存在异常现象等特点。因此莫来石作为高品质耐火材料, 其应用
越来越广泛。
单纯的莫来石在有的方面已经不能满足工业上的要求了，因此发展出来许多以莫来石为基体材料的材料，这些又能再次使用在耐火材料原料之中，提高耐火材料的性能，为达到延长感应炉寿命的目的，例如前面所提到的多晶莫来石纤维等等，莫来石质的耐火材料越来越广泛的被运用，例如现在有芯感应熔铜炉熔沟广泛采用莫来石质、刚玉石质等耐火材料。材料普遍具有优良的抗铜侵蚀性能, 其使用寿命, 熔化炉一般在6～12个月, 最长达4年以上; 保温炉在4 年以上。其耐火材料均具有耐贮性, 一般保质期在12个月以上。[13]
4 结论
通过对纤维、莫来石以及矾土对感应炉耐火材料性能影响的研究讨论，可以看出：钢纤维对于增加耐火材料的机械强度有很好的作用，改善了耐火材料的一个弊端，提高了感应炉的使用寿命；多晶莫来石纤维是高温炉的理想用料，能弥补陶瓷纤维在高温条件下出现损坏变形和许多局部热点等缺陷，物理性能和化学性能都能达到提高感应炉使用寿命的目标；莫来石提高了耐火材料耐腐蚀性以及其机械强度等理化性能，针对感应炉在使用过程中的机械蚀损和金属对炉衬材料渗透等减缓寿命的情况，都能有效的改善；铝矾土的耐高温性能好，膨胀系数小，抗热冲击能力强，性能稳定，而且铝矾土在我国储量较大，对于感应炉来说既提高了自身性能又降低了成本，有很好的经济效益。
感应炉炉衬耐火材料质量提高是提高感应炉寿命的基础。提高炉龄可以降低生产成本、增加产量、降低工人的劳动强度。同时也对生产、技术、管理起到带动和促进作用。
致谢
为期两周的科技论文写作至今已经结束，在这次科技论文写作中我收获颇多，不仅掌握了感应炉耐火材料的有关知识，开拓了视野，还学会了论文写作的方法与技巧，并体会到科技工作的严谨。为此，必须感谢杨春利老师的细心指导，对我的论文提出了许多建设性建议，对论文的完善提供了宝贵的帮助。
参考文献
[1] 凌晖，肖国春，周毅 .45t有心熔锌感应炉的设计与运行 .工业加热.1998 年第2 期 :22-24
[2] 赵敬忠，周永新. 熔锌感应炉熔沟用浇注料的研制. 耐火材料.2001 . 35 ( 5 ) : 279-280
[3] 欧阳卫兵. 熔铝用无芯工频感应炉炉衬寿命的探讨. 轻合金加工技术.1999.11.27 No.5:5
[4] 宋希文，侯谨. 耐火材料工艺学. 北京：化学工业出版社 2008.1
[5]（日）塚本昇 纤维在定形耐火材料中的应用 武钢技术1993.3:3
[6] 吴刚, 多晶莫来石纤维耐火材料在乙烯裂解炉上的应用, 石油化工设备技术,2005,26(3):30-31,35
[7] 祁克成, 李习涛. 钢纤维强化耐火捣打抖研究. 能源研究与信息. 第八卷第一
期:17-24
[8] 黄维琳. 译自《耐火材料》1975年第6 期(俄文) 戴玉龙. 李春滨校
[9] 杨森. 高铝矾土熟料在中频感应炉中的应用及提高寿命的措施. 工业加热. 2003第3期:50-52
[10] Teinhauser US,Braue W,Goring J,etal.A new concept for thermal
protection of al-lmullite composites in combustion chambers. Journal of the European Ceramic Society,2000,20: 651-658
[11] 魏坤. 莫来石耐火材料及稀土的应用. 稀有金属与硬质合金.1997年9月. 总第130期：45-49
[12] hawkes W H .Trans Brit Cerarm Soc. 1962.61(1) :1
[13] 李学俊, 汪济川. 如何提高工频有芯感应炉的使用寿命. 电线电缆. 200110月第5期:40-42
年
原材料种类对感应炉用耐火材料的影响
研究
材料0902 赵书奇 指导老师 杨春利
摘要
耐火材料是高温领域的基础材料，其中应用最为普遍的是在各种热工设备和
高温熔炉中作为抵抗高温作用的结构材料和内衬。感应炉是利用电磁场感应原理
将电能转化为热能, 使金属炉料发热熔化的设备。现在感应炉向大容量、高功
率方向发展, 应用领域不断拓展, 工作条件日益苛刻, 从而对耐火材料性能
提出了更高的要求。本文综述研究原材料种类对感应炉耐火材料的影响，
讨论纤维，莫来石以及矾土对其性能的作用。
关键词：耐火材料，感应炉，纤维，莫来石，矾土
Abstract Refractory material is the basic materials of high temperature field,
which used the most common is in all kinds of thermal technology equipment
and high temperature resistance to high temperature melting pot as effect
of the structure materials and lining. Induction furnace is to use the
principle of electromagnetic field induction electric energy into heat
fever of molten metal foundry equipment. Now induction furnace to large
capacity and high power direction development, application field to
develop unceasingly, harsh working conditions, and on the refractory
material performance put forward higher request. This paper reviewed the
research raw material type on the induction furnace refractories
influence, discuss fiber, mullite and alumina on the properties of the
role.
Keywords : refractory materials, induction furnace, fiber, mullite,
alumina
1 引言
金属的冶炼方法多种多样，其窑炉种类繁多，一般可分为熔炼炉、精炼炉和
熔铸炉三大类，每类中又分为若干类型，但都离不开耐火材料。对于熔炼金属来
说，感应炉的应用越来越广泛，现在感应炉向大容量、高功率方向发展, 应用
领域不断拓展, 工作条件日益苛刻, 从而对耐火材料性能提出了更高的要
求。所以感应炉的寿命在熔炼过程中至关重要，例如，炼铜生产中，熔渣的侵
蚀和冰铜的渗透导致耐火材料损毁，使用寿命有限，经济效益降低。因此，有必
要研究如何提高感应炉中耐火材料的使用寿命，是对今后优质耐火材料的开发和
提高炉衬的使用寿命具有重大意义。原材料是组成耐火材料的关键部分，其中的
种类和配比的不同对于耐火材料本身有很大的影响，因此，本文综述原材料种类
对于感应炉用耐火材料的影响，即纤维、莫来石等原材料对于感应炉耐火材料的
作用，从而总结出对于其性能和寿命的有哪些方面的影响，这样对于今后的学习
和研究都有一定的帮助。
2 感应炉简介
2.1概述
感应炉是利用电磁场感应原理将电能转化为热能, 使金属炉料发热熔化的设
备。感应炉按结构分为有芯感应炉(沟槽式，见图1) 和无芯感应炉(坩埚式，见图
2) 两大类。感应炉具有高效、节能、低污染、成分易调节(无芯炉) 、气氛易控制
等优点, 因而在铸造、炼钢、有色熔炼、精密合金生产等方面得到了广泛应用。
然而, 感应炉的发展在一定程度上却受高功率电源及长寿命耐火材料发展的限
制。近年来, 随着大功率晶闸管变频电源的开发和可靠性的提高, 中频感应
电炉逐步取代工频感应电炉; 感应炉向大容量、高功率方向发展, 应用领域
不断拓展, 工作条件日益苛刻, 从而对耐火材料性能提出了更高的要求。
不论是用于无芯感应炉，还是有芯感应炉，其工作条件的共同特点都为：
（1）炉衬厚度薄，炉衬材料的温度梯度很大。
（2）炉中金属液电磁搅拌能力强，会对炉衬耐火材料产生机械蚀损。
（3
）炉衬耐火材料反复受到急冷急热。
图1 有芯感应路炉衬结构示意图
图2 无芯感应炉结构示意图
感应炉的主要部件有感应器、炉体、电源、电容和控制系统等。在感应炉中
的交变电磁场作用下，物料内部产生涡流从而达到加热或者融化的效果。在这种
交变磁场的搅拌作用下，炉中材质的成分和温度均较均匀，锻造加热温度可达
1250℃，熔炼温度可达1650℃。感应炉除能在大气中加热或熔炼外，还能在真
空和氩、氖等保护气氛中加热或熔炼，以满足特殊质量的要求。感应炉在透热或
熔炼软磁合金、高阻合金、铂族合金、耐热、耐蚀、耐磨合金以及纯金属方面具
有突出的优点。感应炉通常分为感应加热炉和熔炼炉。熔炼炉有芯感应炉和无芯
感应炉两类。
2.2 感应炉对耐火材料的要求
2.2.1 有心感应熔锌炉中感应体熔沟对耐火材料的要求
(1) 化学稳定性良好
感应体熔沟中的温度比炉内锌液温度高150℃以上, 温度的升高使得锌的活
性大大增加, 锌及锌的氧化物容易与耐火材料反应在炉衬表面沉积引起结瘤、鼓
包, 造成熔沟截面减小; 或发生熔蚀, 在电动力的冲刷下造成熔沟截面扩大。因此,
为了保证熔沟截面在较长时间内保持不变, 耐火材料必须具有优良的化学稳定
性。
(2) 机械强度高
感应体的位置一般位于电炉的下部, 熔沟耐火材料承受着来自炉内锌液的静
压力; 同时, 熔沟内的锌液以一定的速度流动, 其中双沟感应体内锌液流速可达
- 1 1m ·s , 炉衬材料受到锌液的冲刷和磨损, 因此要求炉衬材料具有高的耐压强度
和抗弯强度。
(3) 热膨胀系数低, 抗热震性好
为了提高感应体的电效率, 熔沟至冷却套的厚度一般在60～80mm ,耐火材料
内外层之间的温差很大, 致使各层之间存在较大的应力差, 从而使得微裂纹容易
生成和扩展; 感应体运行期间, 始终处于工频微幅振动状态之中, 热态振动疲劳是
微裂纹生长扩展最后导致感应体损坏的主要原因。另外, 含水锌片进炉后频繁放
炮引起的热冲击疲劳也是导致感应体损坏的直接原因。
(4) 致密度高, 不易被金属润湿
锌的熔点低, 且随着温度升高, 锌液的粘度急剧降低, 到800℃时粘度急剧降
低到0.17 Pa·s ,与水的粘度0.1Pa ·s 十分接近, 流动性和渗透性急剧增加, 同
时加大了锌与炉衬材料的润湿性。锌对炉衬材料的渗透性能, 不仅取决于金属液
体的性能, 而且更取决于炉衬耐火材料成型体的气孔率以及气孔的大小和结构。
由此可见, 提高炉衬成型体的致密度, 降低气孔率, 选用与金属液体润湿性差的原
材料或添加剂, 是减少锌对炉衬材料渗透的关键。熔沟炉衬耐火材料成型体或多
或少总会含一定的气孔, 因此渗透必然发生。加之来自炉内锌液的压力和感应电
动力的共同作用, 锌液渗透势必得到加强。渗入耐火材料内部气孔或裂纹中的锌
液, 虽然也受到电磁感应被加热, 但随着炉衬温度的降低或感应体功率的减小而
凝固。固态金属锌的热膨胀系数远远大于耐火材料的热膨胀系数, 在温度出现变
化时(例如感应体功率变化) ,气孔中的锌发生膨胀, 撑裂气孔产生裂纹, 当温度
高时锌熔化, 向前渗透, 温度低时又重新凝固。在其它因素(压力、热振动、电动
力等) 的综合作用下, 这样循环往复, 直到某处裂纹贯通锌, 最终导致感应体损
坏。
影响有心感应熔锌炉寿命的关键因素之一是炉衬材料, 尤其是感应体熔沟的
耐火材料。它除了具有一般感应炉熔沟耐火材料的特点, 如耐高温、抗冲刷、抗
腐蚀、热稳定性和体积稳定性好等之外, 还必须具有如下特性:1、由于锌液粘性
小, 流动性好, 且极易汽化, 渗透能力非常强, 所以要求耐火材料必须具有更高的
致密度和强度, 以抵抗锌液及锌蒸汽的侵蚀和穿透。2、由于锌本身熔点较低, 热
容量比较小, 一旦遇到紧急停电极易发生冻结而堵塞熔沟, 因此要求耐火材料具
备良好的化学稳定性和体积稳定性, 保证其不与锌液反应、不挂渣, 从而确保熔沟
[1]中金属液流动顺利通畅。
2.2.2 有心感应熔铝炉中感应体熔沟对耐火材料的要求
对于有心感应熔铝炉来说，好的感应炉炉衬材料, 应该具备两方面的要求,
即好的电热利用率和经济可行性。而从电气上的紧密祸合上讲, 要求炉衬越薄越
好, 最大可能地将电磁能转换成电能, 磁损尽可能地小。但这种薄炉壁要直接和
高温铝水接触, 外侧围绕着水冷感应器, 温度梯度大, 工作条件相当恶劣。生产过
程中, 还存在着各种外力撞击, 反复地加热和冷却过程, 这就要求炉衬材料必须具
有良好的热稳定性, 足够高的耐火度、较高的机械性能和好的化学稳定性、较小
的热膨胀系数, 另外还必须绝缘性能好、施工性能好。石英砂是比较好的酸性炉
衬材料。在低温(600℃-800℃) 就完成其膨胀变化, 而在此温度之上体积变化微
小、热稳定性能好、高温机械强度高, 而且资源丰富, 成本低廉, 对铝污染小, 能
适用于合金熔炼的间断作业。石英砂具有多种同素异晶现象。[2]
以上是两种感应炉对于其中耐火材料的要求，总的来说，感应炉炉衬其热面
直接与高温金属液接触，背面受感应线圈冷却水的冷却，炉衬材料存在很大的温
度梯度；同时炉中金属液的电磁搅拌及电炉周期性的倒空作业，使炉衬材料产生
强烈的机械蚀损和反复的急热急冷冲击。因此优良的炉衬材料应具有足够高的耐
火度和荷重软化温度，不与熔化金属、熔渣等发生化学反应，具有良好的热稳定
性，较高的高温机械强度，良好的保温和绝缘性，同时资源丰富、价格低廉，施
工、维护方便。[3]
3 耐火材料原料的影响作用
3.1 概述
耐火材料是由各种不同种类的耐火原料在特定的工艺条件下加工生产而成
的。耐火材料在使用过程中会受到不同外界条件的单独或复合作用，因此要有多
种具有不同特性的耐火材料来满足使用条件，故所使用的耐火原料的种类和性质
也是多种多样的。
大部分耐火材料是以天然矿石（主要有耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云石、
石英、硅藻石、蜡石、黏土、铝矾土、蓝晶石族矿物原料、石灰石、镁橄榄石、
蛇纹石、滑石、绿泥石、锆英石、斜锆石、珍珠岩、铬铁矿和天然石墨等）为原
料制造的。天然原料杂质较多，成分不稳定，性能波动较大，只有少部分原料可
直接使用，大部分原料需要经过提纯、分级甚至加工后才能满足耐火材料的生产
[4]要求。
3.2 纤维在耐火材料中的作用
3.2.1 概述
在耐火材料方面, 很早就开始利用纤维制造隔热材料, 并用于不定形耐火材
料以改善其抗破裂性能近来，纤维复合材料的开发盛行起来, 定形耐火材料中也
已用纤维来改善耐火材料的强度和抗热冲击性等性能。
耐火材料是一种由不同特性和粒度的原料组合而成的复合材料, 可以说本来
就是一种耐火性、耐蚀性、强度和抗热冲击性等取得平衡的优良材料。耐火材料
的改进和开发, 就是针对其用途和使用条件来实现上述特性的。
耐火材料是变形性差的脆性材料, 为了使板状和片状耐火材料具有一定的可
挠性以应付变形, 可添加纤维。添加纤维有分散和牵制裂缝的效果, 故能防止龟裂
的发展并使强度提高进而提高耐火材料的变形能力。与纤维复合耐火材料不同,
有机纤维也可以掺入耐火混合物中, 成形后烧成, 有机物被烧掉, 从而得到透气性
耐火材料, 这是纤维的另一种利用形式。[5]
[5]
3.2.2 多晶莫来石纤维与陶瓷纤维的作用和影响
硅酸铝耐火纤维又称陶瓷纤维, 其主要化学成分是Al 2O 3 和SiO 2 , 属非晶质纤
维。高铝硅酸铝纤维, 在900℃以下是以玻璃态存在, 当温度超过900℃以后, 纤
维开始析出莫来石晶体, 在大于1150℃后, 不但莫来石析晶猛增, 而且析出的晶
体急剧生长, 导致纤维体积收缩, 纤维模块砌成的墙面上出现缝隙, 高温火焰
或烟气透过缝隙烧蚀锚固件, 使陶纤失支支撑点, 在自身重力的作用下发生局
部脱落。这是造成炉墙耐火纤维损坏变形并存在较多局部热点的主要原因。
多晶莫来石纤维是氧化铝基纤维的主要品种, 在结构上主要是以莫来石微晶
相的形式存在。与一般氧化铝基纤维相比, 莫来石纤维具有更好的耐高温性, 使用
温度可高达1500-1600℃，特别是高温抗蠕变性和抗热震性均有很大提高, 是当今
国内外新型的超轻质高温耐热纤维。它的熔点为1840℃, 热导率是传统耐火砖的
1/6,容重只有其1/25,是高温炉的理想用料. [6]
表2 多晶莫来石纤维与高铝硅酸铝纤维的主要性能比较 [6]
3.2.3钢纤维的作用和影响
耐火材料的致命弱点是它的脆性, 由于是脆性使它抗急冷急热性抗机械冲击
性差, 因而剥落脆断是耐火材料使用寿命短的重要原因之一。目前, 国际上改善耐
火材料脆性的方法有两种, 其中最广泛采用的方法是在耐火材料中加入钢纤维,
形式钢纤维增强耐火材料。这种方法工艺简单, 价格便宜, 效果好, 比不加钢纤维
耐火材料的使用寿命要增加2-6倍。
钢纤维在耐火材料的作用概活起来说主要是三个方面, 一是增强, 二是增韧,
三是抗裂。它的增强和增韧的机理与钢纤维增强混凝土的机理基本上是相似的,
只不过前者是在高温下和各种腐蚀气氛下工作, 而后者是在常温和大气下工作而
已。抗裂性是钢纤维在脆性的混凝土基体中阻滞裂缝扩展的作用, 而不是阻止裂
缝的发生, 因为纤维对微裂缝的引发几乎不起作用。[7]
因此，在研究感应炉炉衬耐火材料的时需要考虑纤维对材料本身属性的影
响，例如钢纤维对材料的耐压、抗折能力；以及有机纤维对材料内气孔率的影响。
3.3 矾土、莫来石在耐火材料原料中的作用
3.3.1铝矾土的化学组成与矿物组成
主要化学成分有Al 2O 3、SiO 2、Fe 2O 3、TiO 2，约占总成分的95%。Al 2O 3在铝矾
土中的存在形式主要是铝的氢氧化物，其次还有铝硅酸盐即黏土矿物，SiO 2一般以黏土矿物的形式存在。
铝矾土的主要矿物组成为一水硬铝石、一水软铝石、三水铝石等三种铝的氢氧化物所组成，常含高岭石、铁矿物和钛矿物等杂质。[8]
3.3.2 铝矾土的性质和作用
高铝矾土熟料耐火度高、膨胀系数小、抗热冲击能力强，性能稳定，熔炼过程中合金元素烧损少，价格低廉而在中频感应炉中得到了广泛应用。但其炉衬寿命因使用条件、筑炉工艺、操作水平的高低而长短不一，少则一二十炉，多则上百炉，在一定程度上制约了高铝矾土熟料在中频感应炉炉衬上的推广应用。经过多年的生产实践，在感应炉中成功地采用高铝矾土熟料中性炉衬，其寿命长、适用多种金属熔炼、合金元素烧损少、劳动强度低，取得了良好的经济效益。高铝质耐火原料是指Al 2O 3含量大于48%的Al 2O 3-SiO 2系耐火原料，主要包括铝矾土、
蓝晶石族矿物以及合成莫来石等，是传统耐火材料的主体原料之一。
高铝矾土属硅铝质耐火材料，当Al 2O 3>=78.1%时经高温锻烧其组成相为莫来石刚玉，耐火度高达1810°C 其热膨胀系数小而均匀(1400°C 时热膨胀系数为0.17%，而镁砂和石英砂分别为2.0%,1.2~1.5%)。但其成分中Al 2O 3含量取决于原料成分和锻烧温度，因此未透烧的高铝矾土熟料，其耐火度和致密性较低，应严格筛选；不合格不能用于炉衬材料。硼酸使用一般的工业一级硼酸，应干净无杂质、无结块、使用前应过细筛（>=80目）。有条件的情况应尽量选用硼酐，以减少炉衬烘干时的水分，有利获得组织致密的炉衬并减少炉衬烧结时间，其用
[9] 量为硼酸加入量的53%左右。
高铝矾土熟料耐火度高、膨胀系数小、抗热冲击能力强，性能稳定，熔炼过程中合金元素烧损少，价格低廉。此时，若炉料的粒度配比恰当，还能使炉衬的抗热冲击能力强，气孔率低、烧结致密，对炉衬的寿命有很大的帮助。[9]
3.3.3 莫来石的化学组成和矿物组成
莫来石是一系列由铝硅酸盐组成的矿物统称，这一类矿物比较稀少。莫来石是铝硅酸盐在高温下生成的矿物。合成莫来石中氧化铝和氧化硅的总含量通常为97-88.5%,此外，再加入Fe 2O 3、TiO 2、Na 2O 、CaO 。莫来石的化学组成
为3Al 2O 3·2SiO 2，琴射线分析资料指出, 莫来石含量为90-95%，化学分析含量为
80-90%, 还含有10%的刚玉, 近5%的玻璃相。
3.3.4 莫来石的性质和作用
莫来石是Al 2O 3-SiO 2二元相图系统中唯一稳定的结晶硅酸铝, 其有极好的化
学稳定性。莫来石熔点高, 热膨胀系数小, 荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点，是优良的耐火材料和陶瓷基复合材料的重要基体材料。[]莫来石在高温下能保持一定的体积, 具有抗渣和抗金属作用的特性, 并耐侵蚀。其缺点是, 在还原介质（特别是氢介质）中稳定性比较差。[10]
莫来石具有很高的耐火度和高温下对酸性渣有良好的耐侵蚀性, 以及耐高温荷重性、耐磨性、抗剥落性等[11], 实践证明[12]：用莫来石做成的耐火材料制品具有很高的机械强度, 高的密度和荷重变形温度, 较小的气孔率, 抗热震性好以及在热膨胀曲线上不存在异常现象等特点。因此莫来石作为高品质耐火材料, 其应用
越来越广泛。
单纯的莫来石在有的方面已经不能满足工业上的要求了，因此发展出来许多以莫来石为基体材料的材料，这些又能再次使用在耐火材料原料之中，提高耐火材料的性能，为达到延长感应炉寿命的目的，例如前面所提到的多晶莫来石纤维等等，莫来石质的耐火材料越来越广泛的被运用，例如现在有芯感应熔铜炉熔沟广泛采用莫来石质、刚玉石质等耐火材料。材料普遍具有优良的抗铜侵蚀性能, 其使用寿命, 熔化炉一般在6～12个月, 最长达4年以上; 保温炉在4 年以上。其耐火材料均具有耐贮性, 一般保质期在12个月以上。[13]
4 结论
通过对纤维、莫来石以及矾土对感应炉耐火材料性能影响的研究讨论，可以看出：钢纤维对于增加耐火材料的机械强度有很好的作用，改善了耐火材料的一个弊端，提高了感应炉的使用寿命；多晶莫来石纤维是高温炉的理想用料，能弥补陶瓷纤维在高温条件下出现损坏变形和许多局部热点等缺陷，物理性能和化学性能都能达到提高感应炉使用寿命的目标；莫来石提高了耐火材料耐腐蚀性以及其机械强度等理化性能，针对感应炉在使用过程中的机械蚀损和金属对炉衬材料渗透等减缓寿命的情况，都能有效的改善；铝矾土的耐高温性能好，膨胀系数小，抗热冲击能力强，性能稳定，而且铝矾土在我国储量较大，对于感应炉来说既提高了自身性能又降低了成本，有很好的经济效益。
感应炉炉衬耐火材料质量提高是提高感应炉寿命的基础。提高炉龄可以降低生产成本、增加产量、降低工人的劳动强度。同时也对生产、技术、管理起到带动和促进作用。
致谢
为期两周的科技论文写作至今已经结束，在这次科技论文写作中我收获颇多，不仅掌握了感应炉耐火材料的有关知识，开拓了视野，还学会了论文写作的方法与技巧，并体会到科技工作的严谨。为此，必须感谢杨春利老师的细心指导，对我的论文提出了许多建设性建议，对论文的完善提供了宝贵的帮助。
参考文献
[1] 凌晖，肖国春，周毅 .45t有心熔锌感应炉的设计与运行 .工业加热.1998 年第2 期 :22-24
[2] 赵敬忠，周永新. 熔锌感应炉熔沟用浇注料的研制. 耐火材料.2001 . 35 ( 5 ) : 279-280
[3] 欧阳卫兵. 熔铝用无芯工频感应炉炉衬寿命的探讨. 轻合金加工技术.1999.11.27 No.5:5
[4] 宋希文，侯谨. 耐火材料工艺学. 北京：化学工业出版社 2008.1
[5]（日）塚本昇 纤维在定形耐火材料中的应用 武钢技术1993.3:3
[6] 吴刚, 多晶莫来石纤维耐火材料在乙烯裂解炉上的应用, 石油化工设备技术,2005,26(3):30-31,35
[7] 祁克成, 李习涛. 钢纤维强化耐火捣打抖研究. 能源研究与信息. 第八卷第一
期:17-24
[8] 黄维琳. 译自《耐火材料》1975年第6 期(俄文) 戴玉龙. 李春滨校
[9] 杨森. 高铝矾土熟料在中频感应炉中的应用及提高寿命的措施. 工业加热. 2003第3期:50-52
[10] Teinhauser US,Braue W,Goring J,etal.A new concept for thermal
protection of al-lmullite composites in combustion chambers. Journal of the European Ceramic Society,2000,20: 651-658
[11] 魏坤. 莫来石耐火材料及稀土的应用. 稀有金属与硬质合金.1997年9月. 总第130期：45-49
[12] hawkes W H .Trans Brit Cerarm Soc. 1962.61(1) :1
[13] 李学俊, 汪济川. 如何提高工频有芯感应炉的使用寿命. 电线电缆. 200110月第5期:40-42
年