熔模铸造的熔炼设备为500kg中频感应电炉，以生产铸钢件为主。由于铸钢合金材料的熔点高，熔模铸造又大多生产的是小件，出炉温度一般在1620℃以上，个别材料出炉温度（如耐热钢等）高达1700℃。因此，炉衬材料使用寿命很短，平均只有30～40炉。炉衬材料寿命短导致频繁的筑炉、烘炉，给生产和成本控制带来很大影响。炉衬材料在整个熔化周期内，承担着全部的化学和机械蚀损，不仅温度高，温差变化大，还遭受着强烈的炉渣侵蚀和激烈的电磁搅拌，很容易损伤、损坏，最后失效扒掉。当前，在铸造行业市场竞争十分激烈的情况下，降低成本是企业的重要工作，延长中频感应电炉的炉衬材料寿命，减少筑炉频次是熔炼行业研究的新课题。几年来，笔者公司进行了大量的试验、研究和实践，取得了很大成果。
1 炉衬材料失效的分类
根据历年炉衬材料使用情况的分析统计，炉衬材料失效主要表现为炉衬材料全部或局部区域过薄，炉衬材料的最上部和底部损坏较小，而中下部出现较大烧蚀区，俗称“大象腿”；炉衬材料多处有较大面积的崩裂；炉衬材料存在过深裂纹且无法修补，钢液穿透炉衬材料发生漏炉以及炉衬材料整体或局部烧蚀过大等。
2 影响炉衬材料使用寿命的因素
2.1 炉衬材料
在高温状态下，炉衬材料和被熔化的钢液将发生坩埚反应，即炉衬材料中的SiO2被钢液中的C还原，沸腾分解（SiO2+2C→Si+2CO）。
钢液中的（C）量越高，w（Si）量越低，则与钢液反应的沸腾分解开始温度越低，由耐火材料造成的炉衬材料蚀损越加剧。
2.2 炉渣
在熔化过程中始终会有炉渣生成，炉渣的具体成分取决于电炉内主要炉渣生成源。由于电炉的熔炼工艺、添加合金种类、废钢的成分以及熔炼温度不同，需要分别进行分析。常规炉渣由于其生成源的多样性，使其具有范围非常广的化学成分。这些生成源可以是锈蚀的废钢（提供了FeO）、带有砂和土等杂质的废钢（提供SiO2、Al2O3等）、未能及时从炉内扒出的聚渣剂（提供SiO2、Al2O3、CaO、、K2O、Na2O等）、被氧化的合金元素（提供合金氧化物，其中MnO是最严重的一种）、粘有制壳砂的回炉料（提供SiO2、Al2O3、Na2O）。可见，虽然炉渣的化学成分不同，但大部分炉渣的成分在以下范围内：w（SiO2）50%~80%、w（MgO）0~15%、w（Al2O3）、w（CaO）0~10%、w（FeO）0~20%、w（MnO）。这些氧化物的存在，说明了炉渣侵蚀性的严重程度。炉渣与炉衬材料的反应会一直进行，直至饱和为止。如果温度升高，原来在较低温度下生成的饱和炉渣将会熔蚀更多的炉衬材料材料。侵蚀性的炉渣或氧化物在熔炼期间持续的生成，造成了炉渣对炉衬材料的持续侵蚀。
2.3 不洁净的废钢和回炉料
许多边角料、切屑等废钢经常带有严重锈蚀，如不清理掉，入炉后的FeO将与炉衬材料反应，形成熔点约为1200℃的铁橄榄石。浇、冒口等回炉料经常带有造型砂或粘有陶瓷过滤网，而造型砂通常含有SiO2、Na2SiO4等成分，这些成分进入炉渣，与炉衬材料反应，具有很强的侵蚀性。如果浇、冒口回炉料加入量较大，形成相当数量的炉渣，这些炉渣会粘附在炉衬材料侧壁上形成结瘤。这种结瘤通常含有高熔点的莫来石（3Al2O3·2SiO2），强度很高，牢固地粘附在炉衬材料上很难分离除掉。
2.4 聚渣剂
通常用作聚渣剂的材料是一种火山岩石的膨胀物，其化学成分为w（SiO2）75%、w（Al2O3）10%~15%、w（Fe2O3）0.5%、w（MgO）0~8%。聚渣剂用来使炉渣变稠容易处理，但其熔点非常低，所含的氧化物在温度升高时会与炉衬材料起反应而损蚀炉衬材料。
2.5 合金元素的氧化合金元素与空气和炉衬材料之间存在着化学反应。如Mn，通常以Mn-Fe形式存在，浮在钢液表面，很容易被氧化成MnO，其局部浓度会很高。
Mn与炉衬材料中的Si质会迅速反应，生成熔点约为1200℃的MnO·SiO2。MnO对炉衬材料的这种化学侵蚀非常严重，即使中等w（Mn）量的钢液在保温时也会引起金属液面线处的炉衬材料侵蚀。再如Zn，笔者公司的打包废钢中很多钢板是镀Zn的，Zn的熔点仅为406℃，沸点也仅为920℃。Zn与空气极快的发生反应生成ZnO，在炉衬材料烧结阶段的蒸气，会在炉衬材料未能完全烧结时进入炉衬材料空隙，从而妨碍空隙周围的炉衬材料颗粒正常烧结。在熔炼时，熔融钢液会溶解这部分Zn/ZnO，浸润到炉衬材料空隙，缩短炉衬材料使用寿命甚至造成漏炉。
2.6 钢液在高温的停留时间
钢液在高温下停留时间越长，各种氧化物与炉衬材料的反应越加剧，炉衬材料的使用寿命越短。如钢液在1600℃高温下停留20min时，正常状况下的炉龄为40炉；在1650℃高温下停留时，正常状况下的炉龄将降低为30炉。
2.7 电炉作业制度
电炉作业制度的安排是连续生产还是间歇性生产，对炉衬材料使用寿命有很大影响。间歇生产会使炉衬材料频繁的热胀冷缩，大大降低炉衬材料的强度。按电炉作业班次的安排，炉衬材料使用寿命依次为：三班作业炉龄＞二班作业炉龄＞单班作业炉龄。
3 提高炉衬材料寿命的措施
3.1 耐火材料的选用
炉衬耐火材料必须保证有良好的性能：要具有很高的耐火度，抵抗高温热负荷作用，不软化、不熔融；要具有较好的体积稳定性，在高温下体积不收缩和仅有均匀膨胀，以免因反复的温差效应产生膨胀或裂纹；要具有相当高的高温强度、荷重软化温度，在高温热负荷和重负荷的共同作用下不丧失强度，不发生蠕变和坍塌；要具有很好的耐热震性，能抵抗温度急剧变化，不开裂、不剥落；所含杂质要低，因为杂质在高温下能形成低熔点化合物而降低耐火度；要具有良好的抗渣性；还要和所熔炼金属的炉渣酸碱度相适应，采用MgO质的碱性材料或Si质的酸性材料以及Al2O3质的中性材料。
目前，国内的中频炉炉衬材料材料大多采用石英砂和高铝土料。对于大中型中频炉熔炼铸铁，石英砂料较合适。笔者公司熔炼铸钢需要较高的熔炼温度，必须采用较高烧结温度的炉衬材料材料，且是小型中频炉，选用中性的高铝土料效果较好。
3.2 炉衬材料材料的粒度配比
粒度配比对炉衬材料使用寿命的影响很大。合理的粒度配比可以在筑炉过程中形成密度高、气孔率小、烧结性好、强度高、热稳定性好的炉衬材料。材料的粒度不同，其作用也不同。砂料的粒度可分个等级，即粗粒度、中等粒度和细粒度。粗粒度的砂料在炉衬材料中起骨架作用，使炉衬材料有一定的强度以承受各种外力的作用，所占比例应为25％～25％。中等粒度砂料的作用是填充粗粒的间隙，增加堆积密度，可改善炉衬材料的烧结性能，提高强度，所占比例应为20％～25％。细粒度砂料（粉料）的作用是保证炉衬材料的高密度和烧结网络的连续性，使炉衬材料具有良好的致密性和烧结强度，所占比例为40％～50％，比例过高反而会增加炉衬材料的裂纹倾向，降低耐急冷急热的性能。
使用的耐火材料粒度分别为7～9mm、4～6目、6～12目、12～20目、20～40目、200～240目。
3.3 炉衬材料材料粘结剂
有的公司先后使用过的炉衬材料材料粘结剂为水玻璃、卤水、磷酸和硼酸。实践证明，对于中性材料的高Al2O3砂炉衬材料，磷酸效果好。但是磷酸材料大多都是小企业生产，质量不稳定，且化学成分检测困难。另外，磷酸在气温低的冬季，如储存在外面会凝固，每次使用均需融化，融化后效果很不好。因此，通过试验对比，最后改用硼酸，效果很好。无论用什么粘结剂，使用量一定不能过大，否则会造成炉衬材料组织疏松，引起炉衬材料的密度和耐压强度降低。
3.4 坩埚模的制作
制作坩埚模时要合理设计排气孔，以利于烘炉过程中水气的排出，转角处应为圆弧，避免出现锐角，外侧的焊缝必须打磨光滑，坩埚模的壁厚应合适，要能保障其刚度，又不能过厚。对于中频炉，钢板厚度一般在3～4mm即可。
3.5 烘炉和烧结
筑好的中频炉炉衬材料要及时烘炉，烘炉时要控制好加热速度。烘炉的第一阶段（500℃以下），主要作用是排除水分，使硼酸变为硼酐放出结晶水，如果加热速度过快，炉衬材料中的水分排出过快，则容易使炉衬材料形成裂纹，大大缩短炉衬材料使用寿命；进入500～℃阶段，砂子的周界出现液相，为防止硼酸蒸发，应加快升温速度；在850～1250℃时，进入初步烧结阶段，为了使炉衬材料材料产生缓慢且完全的相变，应减慢升温速度；达到1500~1550℃时，要保温2～3h。
烘炉后，只是初步烧结完成，还要在熔炼中形成一定厚度的烧结层。刚开始熔化时，要严格控制温度变化，防止温度变化幅度过大，使炉衬材料产生裂纹，保持炉衬材料的整体性和可靠性。要在低温时缓慢升温，在高温时达到满炉烧结。具体烧结温度要根据所用耐火材料的种类确定，一般希望得到厚度为炉衬材料厚30%的烧结层，烧结温度应高于钢液温度50～100℃。新筑好的炉衬材料必须连续使用7～8炉以上，以达到烧结层的厚度。靠钢液侧为烧结层，中间为半烧结层，近感应器侧是未烧结的松散层。
3.6 熔炼操作
（1）用较洁净的金属炉料，尽量避免成分复杂、铁锈严重、油污较多的材料。这些未清理净的炉料在高温下形成的各种氧化物之间存在着复杂的穿插互溶作用，极易形成粘渣，侵蚀炉壁，使炉壁损蚀。
（2）合理装料，及时加料、捣料。装料的松紧程度关系到炉料的熔化速度，为了快速加热和熔化，装料要力求紧实。当金属液面过低时，要特别注意加料，如果加入大块料而电炉又输入过高功率，炉底部将产生严重过热，会加剧对炉衬材料的侵蚀。因为整个炉衬材料的中下部承受的静压力最大，温度最高，冲刷也最严重。要及时捣料，避免熔化过程中出现“搭桥”现象，否则会使下部已熔化的金属液过热，这样不但增加合金元素的烧损，延长熔化时间，还在高温和剧烈涡流下严重侵蚀炉壁。
（3）熔炼温度不要过高。金属液温度过高，会造成熔渣对炉衬材料的加剧侵蚀，也会使金属液流动性增加，向炉衬材料裂纹处渗透，产生漏炉倾向。虽然高温出炉、低温浇注是一般熔化操作的准则，但每一种铸件及材料都有其熔化工艺要求，在达到适合的温度后，不要过度超温，要经常观察炉况，尽量控制过高熔炼温度，不要出现长时间保温等待浇注的情况，过高的温度使合金烧损严重，进而损伤炉衬材料。
（4）减少熔渣对炉壁的侵蚀。炉渣中存在的各种氧化物、碳化物及各种形态的复合化合物，大部分会和炉衬材料发生化学反应，生成不同熔点的新化合物。生成的一些低熔点氧化物[如铁橄榄石（FeO·SiO2）、锰橄榄石（MnO·SiO2）等]，熔点一般在1200℃左右，具有极好的流动性，会形成助熔剂作用，使炉衬材料产生剧烈的化学侵蚀，降低炉衬材料的使用寿命。而生成的高熔点渣[如莫来石（3Al2O3·2SiO2）、镁橄榄石（2MgO·SiO2）等]，熔点可达1800℃以上，这些材料和低熔点渣之间有着复杂的互溶作用，产生的熔渣极易粘附在炉壁上形成累积，造成严重粘渣，影响炉衬材料寿命。所以应根据炉衬材料材料和所熔合金材料确定合适的加料顺序，减少杂质和炉衬材料接触的机会。脱O时要采用多元素复合脱氧剂来代替单一元素脱氧剂，如AlSiFe、AlBaCa等。新型脱氧剂脱O能力强，脱O后产物是液态质点，容易上浮除去。熔化过程中，更要多造渣、打渣、打净渣。
3.7 炉衬材料的维护
（1）炉子使用过程中要注意经常观察炉衬材料状况，熔化加料前和出炉后检查炉壁有无裂纹、掉块、凸瘤和凹坑等现象，出现异常及时处理。
（2）新打的炉衬材料熔炼时前几炉应避免最大功率送电，这样会使炉内产生很大的电磁搅拌力，把还没有完全牢固的炉衬材料烧结层冲刷掉。
（3）因节假日、维修等原因需要长时间停炉时，应将炉内的钢液倒空，避免钢液冷凝时对炉衬材料产生拉裂作用而使炉衬材料损坏。
（4）在停炉冷却时，为了避免炉衬材料骤冷以及在冷却过程中上下温差过大而产生裂纹，应加盖炉盖，使炉衬材料缓慢冷却、均匀冷却。
（5）炉子冷却后炉衬材料会出现微小、垂直的裂纹，所以冷炉启动时，最好先低温烘炉，再进行熔化，从而使裂纹能先弥合，避免钢液渗入炉衬材料。
4 提高炉衬材料寿命的效果
通过近几年的试验研究和实践，笔者公司中频感应电炉熔炼铸钢的炉衬材料寿命已由30～40炉提高到60炉以上，大多数炉次达到了80炉以上。因减少筑炉频次每吨铸件降低生产成本150元。
将笔者公司改进前、后的炉衬材料表面及横截面进行对比，可以明显看出现有炉衬材料材料的致密度和整体性能都有很大提高。原有炉衬材料只使用了31炉，现在的新炉衬材料已使用了68炉。
5 结论
（1）必须根据炉衬材料、筑炉工艺、烘炉工艺及熔炼操作对炉衬材料的失效机理进行全面分析。
（2）提高炉衬材料使用寿命的主要措施是针对所熔炼的合金材料，选用合理的炉衬材料材料，制定合适的打筑工艺、烘炉和烧结工艺。
（3）熔化操作和炉衬材料使用中的维护对炉衬材料寿命也是至关重要。
（4）炉衬材料寿命的延长，大大提高生产效率，显著降低铸件生产成本。
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