感应电炉设备结构
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高温熔炼设备。按结构分,有无芯感应炉（坩埚式）和有芯感应炉（沟槽式）两大类，如图3-1~图3-3所示。
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，因此在铸造、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以及长寿命耐火材料的限制。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以及感应炉，向大容量、高功率方向发展，应用领域不断扩展，工作条件日益苛刻，从而对耐火材料提出了更高的要求。
感应电炉对耐火材料的要求
感应炉用耐火材料处于相对单薄的断面（见图3-2)和许多熔炼操作的强侵蚀性环境的使用条件下，而经常成了停炉的原因。这表明感应炉已成了所有耐火材料应用场合中最具有挑战性的一个。
感应炉炼钢方法按耐火材料性质分为酸性冶炼法和碱性冶炼法。酸性冶炼法冶炼时造酸性渣，所以耐火材料主要为石英砂和锆英石，其打结、供烤、烧结过程与冶炼铸铁时相近。石英砂或者锆英石炉衬一般用于低碳钢或者低合金钢的冶炼。碱性冶炼法冶炼时造碱性渣，所以耐火材料为中性、碱性耐火材料或者石墨坩埚等，适用于高合金钢、特殊钢、精密合金钢等钢种的冶炼。
在历史上，有多种系列耐火材料用于感应炉内衬,其中SiO2质和锆英石质由于其酸性曾经偶尔被采用，并延续至今，但更流行的感应炉炼钢用耐火材料主要是高铝质、MgO-CaO质和由Spinel组成的耐火材料。
感应炉由于功能的多样化，需要多种高性能耐火材料与之相适应。也就是说，耐火材料在感应炉中的应用，不仅需考虑炉型、炉体结构和熔炼工艺，而且也要考虑耐火材料的材质及其从常温到工作温度之间的矿物相、物理性能变化过程和变化机理；同时还要根据应用要求，特别是革新设备的应用要求进行耐火材料的选择和材料性能的改进。
在炼钢应用炉日趋大型化和高功率化的今天，重点则采用A12O3基耐火材料并尽量提高其使用性能。由于“配料熔炼”(使用直接还原铁球作添加料等）无芯感应炉的侵蚀性环境和极严峻的热震条件，必须向A12O3基耐火材料中配入MgO、铬矿(包括Cr2O3粉）和预合成Spinel等，以优化材料的性能。
有芯感应炉用耐火材料
炉膛用耐火材料
在有芯感应炉熔炼灰铁或球墨铸铁时，与无芯感应炉不同，炉膛寿命主要取决于所用耐火材料与熔渣中侵蚀性成分之间的反应，而耐火材料本身的物理特性对炉膛寿命的影响则居于次要地位。对于灰铁保温炉、熔化炉而言，炉渣是酸性的；对于球墨铸铁保温炉、熔化炉而言，炉渣的酸碱性随冶炼过程变化而交替变化，但普遍的情况，其球化过程的炉渣为酸性，这就表明炉衬应主要选用中性耐火材料。
熔炼灰铁和球铁的有芯感应炉的操作温度为1450~1550℃,炉膛内衬损毁原因主要是渣线部位受渣渗透和侵蚀导致内衬变质，产生变质层，其致密度、强度和杨氏模量与原质层都不同，从而导致裂纹和结构剥落，或者形成低熔相而导致内衬耐火材料熔蚀、流失。例如：进铁口和出铁口部位因受铁液冲刷，熔渣侵蚀，尤以进铁口部位损毁严重，常常导致隔墙倒塌或烘炉烧结期间严重裂纹或剥落；中途更换感应圈时，倾炉倒空铁水，温度下降（700~1200℃)，也容易产生热震损伤。
所有上述情况都说明，有芯感应炉炉膛里衬应选用抗蚀性、抗冲刷、抗渗透、化学稳定性高的耐火材料。通常，选用电熔刚玉作骨料，配入适量烧结氧化铝细粉，并用以高铝水泥为结合剂的低水泥和超低水泥作耐火浇注料。为了改善内衬的抗热震性并考虑到炉内多为还原性气氛这一情况，可在浇注料中添加一定数量含铁低的SiC,而获得含SiC的高技术AI2O3-SiC质耐火浇注料。这种高技术耐火浇注料作为有芯感应炉炉膛内衬耐火材料时可获得很高的使用寿命，但他却取决于感应圈的寿命和更换次数，一般感应圈两年更换一次。
感应器用耐火材料
感应器用耐火材料包括熔沟部位耐火材料、封口料和隔离料。熔沟与水套之间最薄处的厚度约为70mm，而该处温度又最高，达1600~1700丈，感应器炉壳以及线圈均强制水冷，因而炉子内衬内部温度梯度很大。此外，熔沟材料还受高速铁液冲刷、强烈电磁搅拌和铁液静荷载的作用，因此，这一部位耐火材料处于苛刻的操作条件之中，所以要求内衬耐火材料具有高温强度大、化学稳定性高、体积稳定性好而且致密等特点。考虑到熔沟的复杂形状以及耐火材料所处的工作环境，一般采用以电熔镁砂或者Al2O3-MgO砂为原料的耐火浇注料或打结料(主要为干式打结料）。
封口料的设计与熔沟内衬材质相同。封口料主要是使对接面的感应器在常温下具有一定的强度，对接后使感应炉与炉体紧密无缝。选用A12O3质封口料时，可选用高铝水泥或者H3PO4作为结合剂，而在快速更换感应器时则以H3PO4作为结合剂,因其具有热硬化性，可有效地防止现场最容易出现的结合面料爆裂事故发生，提高对接速度和效率。
隔离料使用Cr2O3粉是因为它与炉膛里衬材料（Al2O3质）或感应器料（Al2O3-MgO质）的烧结温度高，在使用温度下基本上不产生陶瓷烧结层，从而有利于感应器和炉体喉部耐火材料的分离。
炉盖用耐火材料
炉盖一般由保温层和热面层构成、前者以高铝轻质砖砌筑或Al2O3空心球颗粒为主原料，用以高铝水泥为结合剂的耐火浇注料筑成；而后者则以AS-85/SO熟料为骨料和细粉，并配人适量镁砂细粉，用以高铝水泥作为结合剂的耐火浇注料筑成。在实际筑衬时辅以锚固砖或者耐热锚固件，以提高内盖内衬抵抗高温气流冲蚀的能力，提高抗热震性和耐用性能，延长使用寿命。
熔炼有色金属用耐火材料
在有色金属加工厂可采用有芯感应炉对其进行熔炼加工。当用有芯感应炉培炼铜时，其操作温度介于1200~1350℃），感应器熔沟部位温度高达1350~1450℃。由于铜的熔点低，铜液黏度小（接近水的黏度），密度大，具有极强的渗透性。并且，渗透的铜易氧化，伴有体积增大，当向这种材料中添加适量钢纤维时便可提高其抗剥落性能。
熔化Cu的有芯感应炉的感应器熔沟部位耐火材料则选用致密铝矾土熟料为主要原料，考虑到Cu的强渗透性，向配料中添加细粒SiC，以提高材料的抗润湿性。内衬砌筑方法有打结（以H3PO4为结合剂）或者干法震动成型（加烧结剂）。
Al和Zn的溶点低，溶体黏度小，渗透能力很强。铝的化学活性高，高温下为强还原剂,易与耐火材料成分发生化学反应。尤其在耐火材料一铝液一气相三相交界处，Al及其合金元素，如Mg、Si、Mn等易渗透进人耐火材料基体中，发生氧化还原反应，导致耐火材料变质、结构疏松而损毁，因此，一般选用以铝矾土（AS-85/88)为原料制成的耐火材料筑衬。通常采用浇筑成型，以获得致密的整体炉衬。而炼铝用槽型感应式电炉内衬，也可采用A12O3含量为60%的矾土熟料-MgO(2%)大砖砌筑。
结论
感应炉是所有耐火材料应用场合中最具挑战性的一种。大批量感应炼钢装置的装配成功急需提高耐火材料的使用性能，结果则促进了感应炼钢用耐火材料性能的不断改进。
感应炉用耐火材料需要根据炉型、炉子结构、所熔炼的钢铁种类、熔炼工艺和操作条件等进行选择，同时也应考虑耐火材料的材质从室温到工作温度之间的物相和物理性能的变化过程和变化机理，以及耐火材料应用条件等。
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高温熔炼设备。按结构分,有无芯感应炉（坩埚式）和有芯感应炉（沟槽式）两大类，如图3-1~图3-3所示。
感应炉用耐火材料处于相对单薄的断面（见图3-2)和许多熔炼操作的强侵蚀性环境的使用条件下，而经常成了停炉的原因。这表明感应炉已成了所有耐火材料应用场合中最具有挑战性的一个。
感应炉炼钢方法按耐火材料性质分为酸性冶炼法和碱性冶炼法。酸性冶炼法冶炼时造酸性渣，所以耐火材料主要为石英砂和锆英石，其打结、供烤、烧结过程与冶炼铸铁时相近。石英砂或者锆英石炉衬一般用于低碳钢或者低合金钢的冶炼。碱性冶炼法冶炼时造碱性渣，所以耐火材料为中性、碱性耐火材料或者石墨坩埚等，适用于高合金钢、特殊钢、精密合金钢等钢种的冶炼。
在历史上，有多种系列耐火材料用于感应炉内衬,其中SiO2质和锆英石质由于其酸性曾经偶尔被采用，并延续至今，但更流行的感应炉炼钢用耐火材料主要是高铝质、MgO-CaO质和由Spinel组成的耐火材料。
感应炉由于功能的多样化，需要多种高性能耐火材料与之相适应。也就是说，耐火材料在感应炉中的应用，不仅需考虑炉型、炉体结构和熔炼工艺，而且也要考虑耐火材料的材质及其从常温到工作温度之间的矿物相、物理性能变化过程和变化机理；同时还要根据应用要求，特别是革新设备的应用要求进行耐火材料的选择和材料性能的改进。
在炼钢应用炉日趋大型化和高功率化的今天，重点则采用A12O3基耐火材料并尽量提高其使用性能。由于“配料熔炼”(使用直接还原铁球作添加料等）无芯感应炉的侵蚀性环境和极严峻的热震条件，必须向A12O3基耐火材料中配入MgO、铬矿(包括Cr2O3粉）和预合成Spinel等，以优化材料的性能。
有芯感应炉用耐火材料
在有芯感应炉熔炼灰铁或球墨铸铁时，与无芯感应炉不同，炉膛寿命主要取决于所用耐火材料与熔渣中侵蚀性成分之间的反应，而耐火材料本身的物理特性对炉膛寿命的影响则居于次要地位。对于灰铁保温炉、熔化炉而言，炉渣是酸性的；对于球墨铸铁保温炉、熔化炉而言，炉渣的酸碱性随冶炼过程变化而交替变化，但普遍的情况，其球化过程的炉渣为酸性，这就表明炉衬应主要选用中性耐火材料。
熔炼灰铁和球铁的有芯感应炉的操作温度为1450~1550℃,炉膛内衬损毁原因主要是渣线部位受渣渗透和侵蚀导致内衬变质，产生变质层，其致密度、强度和杨氏模量与原质层都不同，从而导致裂纹和结构剥落，或者形成低熔相而导致内衬耐火材料熔蚀、流失。例如：进铁口和出铁口部位因受铁液冲刷，熔渣侵蚀，尤以进铁口部位损毁严重，常常导致隔墙倒塌或烘炉烧结期间严重裂纹或剥落；中途更换感应圈时，倾炉倒空铁水，温度下降（700~1200℃)，也容易产生热震损伤。
所有上述情况都说明，有芯感应炉炉膛里衬应选用抗蚀性、抗冲刷、抗渗透、化学稳定性高的耐火材料。通常，选用电熔刚玉作骨料，配入适量烧结氧化铝细粉，并用以高铝水泥为结合剂的低水泥和超低水泥作耐火浇注料。为了改善内衬的抗热震性并考虑到炉内多为还原性气氛这一情况，可在浇注料中添加一定数量含铁低的SiC,而获得含SiC的高技术AI2O3-SiC质耐火浇注料。这种高技术耐火浇注料作为有芯感应炉炉膛内衬耐火材料时可获得很高的使用寿命，但他却取决于感应圈的寿命和更换次数，一般感应圈两年更换一次。
感应器用耐火材料
感应器用耐火材料包括熔沟部位耐火材料、封口料和隔离料。熔沟与水套之间最薄处的厚度约为70mm，而该处温度又最高，达1600~1700丈，感应器炉壳以及线圈均强制水冷，因而炉子内衬内部温度梯度很大。此外，熔沟材料还受高速铁液冲刷、强烈电磁搅拌和铁液静荷载的作用，因此，这一部位耐火材料处于苛刻的操作条件之中，所以要求内衬耐火材料具有高温强度大、化学稳定性高、体积稳定性好而且致密等特点。考虑到熔沟的复杂形状以及耐火材料所处的工作环境，一般采用以电熔镁砂或者Al2O3-MgO砂为原料的耐火浇注料或打结料(主要为干式打结料）。
封口料的设计与熔沟内衬材质相同。封口料主要是使对接面的感应器在常温下具有一定的强度，对接后使感应炉与炉体紧密无缝。选用A12O3质封口料时，可选用高铝水泥或者H3PO4作为结合剂，而在快速更换感应器时则以H3PO4作为结合剂,因其具有热硬化性，可有效地防止现场最容易出现的结合面料爆裂事故发生，提高对接速度和效率。
隔离料使用Cr2O3粉是因为它与炉膛里衬材料（Al2O3质）或感应器料（Al2O3-MgO质）的烧结温度高，在使用温度下基本上不产生陶瓷烧结层，从而有利于感应器和炉体喉部耐火材料的分离。
炉盖用耐火材料
炉盖一般由保温层和热面层构成、前者以高铝轻质砖砌筑或Al2O3空心球颗粒为主原料，用以高铝水泥为结合剂的耐火浇注料筑成；而后者则以AS-85/SO熟料为骨料和细粉，并配人适量镁砂细粉，用以高铝水泥作为结合剂的耐火浇注料筑成。在实际筑衬时辅以锚固砖或者耐热锚固件，以提高内盖内衬抵抗高温气流冲蚀的能力，提高抗热震性和耐用性能，延长使用寿命。
熔炼有色金属用耐火材料
在有色金属加工厂可采用有芯感应炉对其进行熔炼加工。当用有芯感应炉培炼铜时，其操作温度介于1200~1350℃），感应器熔沟部位温度高达1350~1450℃。由于铜的熔点低，铜液黏度小（接近水的黏度），密度大，具有极强的渗透性。并且，渗透的铜易氧化，伴有体积增大，当向这种材料中添加适量钢纤维时便可提高其抗剥落性能。
熔化Cu的有芯感应炉的感应器熔沟部位耐火材料则选用致密铝矾土熟料为主要原料，考虑到Cu的强渗透性，向配料中添加细粒SiC，以提高材料的抗润湿性。内衬砌筑方法有打结（以H3PO4为结合剂）或者干法震动成型（加烧结剂）。
Al和Zn的溶点低，溶体黏度小，渗透能力很强。铝的化学活性高，高温下为强还原剂,易与耐火材料成分发生化学反应。尤其在耐火材料一铝液一气相三相交界处，Al及其合金元素，如Mg、Si、Mn等易渗透进人耐火材料基体中，发生氧化还原反应，导致耐火材料变质、结构疏松而损毁，因此，一般选用以铝矾土（AS-85/88)为原料制成的耐火材料筑衬。通常采用浇筑成型，以获得致密的整体炉衬。而炼铝用槽型感应式电炉内衬，也可采用A12O3含量为60%的矾土熟料-MgO(2%)大砖砌筑。
结论
感应炉是所有耐火材料应用场合中最具挑战性的一种。大批量感应炼钢装置的装配成功急需提高耐火材料的使用性能，结果则促进了感应炼钢用耐火材料性能的不断改进。
感应炉用耐火材料需要根据炉型、炉子结构、所熔炼的钢铁种类、熔炼工艺和操作条件等进行选择，同时也应考虑耐火材料的材质从室温到工作温度之间的物相和物理性能的变化过程和变化机理，以及耐火材料应用条件等。
