无芯感应炉用耐火材料：体系、机理与性能优化

无芯感应炉因其独特的加热方式，对其炉衬耐火材料提出了极为苛刻的要求。炉衬厚度通常仅为70-110mm，内壁直接承受高温熔融金属的冲刷与侵蚀，而外壁则紧贴水冷感应线圈，形成了巨大的温度梯度。这种严峻的工作环境，使得炉衬材料的选择与优化，成为决定熔炼效率、成本控制和安全生产的核心技术问题。本文将系统梳理无芯感应炉在不同应用场景下（炼铁、炼钢）的耐火材料体系，并深入探讨其性能演进的内在机理。

一、 炼铁用酸性炉衬：硅质材料的优化与局限

在熔炼铸铁（如球铁、灰铁、可锻铸铁）及部分有色金属时，酸性的石英砂基或锆英石基干式打结料是主流选择，通常以硼酸或硼砂作为烧结剂。

向硅质材料中引入ZrO₂，并非为了显著降低其熔点。从ZrO₂-SiO₂相图（图1）可以看出，二者的共熔影响有限。其真正的价值在于，锆英石（ZrO₂·SiO₂）在1677°C时会分解为ZrO₂和SiO₂。分解出的ZrO₂以微粒形态弥散于玻璃相中，能够有效提升熔体黏度、抗侵蚀性以及材料的高温塑性，进而改善抗热震性能，延长炉衬寿命。

图1 ZrO₂-SiO₂ 相平衡图

烧结剂的选择则对炉衬的低温烧结行为至关重要。以B₂O₃为例，其自身熔点仅为450°C。从SiO₂-B₂O₃二元系相图（图2）可知，该体系的最低共熔点低至327°C。向SiO₂中添加少量B₂O₃（不超过5%），混合料的熔化温度便可从纯SiO₂的1723°C大幅降至1480°C。这意味着，在低至372°C时，炉衬工作面便开始出现液相，促进了烧结层的形成。

图2 SiO₂-B₂O₃ 相图

有趣的是，尽管B₂O₃显著降低了烧结温度，但它并不会严重损害材料的高温性能。原因在于，石英玻璃本身黏度极高（图3，1730°C时约2×10⁶ Pa·s），而B₂O₃自身也是一种玻璃网络形成物。少量B₂O₃的加入，不足以破坏SiO₂的玻璃网络结构，从而维持了熔体的高黏度。这就形成了一个理想的炉衬工作面：在较低温度下完成烧结，而在高温使用时则形成一层高黏滞的保护层，有效抵御金属液和熔渣的渗透与冲刷。根据经验，B₂O₃的加入量一般控制在0.8%~1.5%之间。

图3 SiO₂ 黏度与温度的关系

硅质炉衬的损毁，其核心化学机理在于SiO₂与铁液中碳的反应：

SiO₂ + [C] → [Si] + 2CO_(g)

该反应的平衡温度是决定炉衬寿命的关键。以球铁为例（图4），通过自由焓计算，其反应平衡温度Te约为1467°C。当熔炼温度超过此值，反应将正向进行，炉衬中的SiO₂被还原，导致结构破坏；反之，当温度低于Te，铁液中的[Si]会与O₂反应生成SiO₂，附着在炉壁上形成“炉瘤”，反而使内衬增厚。根据铁液成分的不同，这一平衡温度通常在1470°C到1600°C之间浮动（例如，灰铁约1540°C）。因此，精确的温度控制是延长硅质炉衬寿命的不二法门。

图4 二氧化硅的自由能变化

二、 炼钢用中性及碱性炉衬：从MgO到MgO-Al₂O₃体系的演进

炼钢工艺与炼铁截然不同。酸性炼钢法由于产生酸性渣，仍可沿用石英砂基炉衬。但对于高合金钢、特种钢等采用的碱性炼钢法，情况就复杂得多。石灰、萤石及各种铁合金的加入，使得熔渣成分复杂、润湿性强、温度更高，对炉衬的侵蚀极为严重。

此时，必须采用中性或碱性耐火材料，如镁质（MgO）材料。然而，纯MgO材料存在一个致命弱点：热膨胀系数大，导致抗热震性极差，在间歇性操作的大容量感应炉中，极易因温度剧变而开裂、剥落。

为了解决这一难题，材料科学家们将目光投向了尖晶石（Spinel）。通过向镁砂中添加适量的Al₂O₃细粉，在高温下原位生成镁铝尖晶石（MgO·Al₂O₃）：

MgO + Al₂O₃ → MgO·Al₂O₃ (Spinel)

尖晶石相的引入，凭借其较低的热膨胀性，能够有效缓冲材料内部的高温应力，抑制裂纹扩展，从而显著提升炉衬的抗热震性。从MgO-Al₂O₃相图（图5）可以看出，该体系材料在高温下由方镁石和尖晶石相组成，在2050°C以上才出现液相，保证了其优异的高温服役性能。

图5 MgO-Al₂O₃ 相图

三、 应对复杂工况：中型炉用尖晶石质材料的性能迭代

随着冶炼需求的不断升级，耐火材料的技术也在持续迭代。以废钢为主要原料的中型感应炉，早先采用的棕刚玉基添加4% MgO的材料，寿命并不理想。其主要失效模式是钢液沿气孔渗透并汇集，最终导致结构性损毁。

改进的路径是提升材料的致密性和抗渗透性。一种有效的方案是采用更高纯度的白刚玉作为骨料，并增加MgO细粉的含量（如提升至10%），以促进更多尖晶石相的生成。这种以Al₂O₃为主、含有约10% MgO的炉衬材料，其寿命相比前者可提升一倍以上。

然而，当炉料中加入直接还原铁（DRI）球时，新的挑战出现了。熔渣化学性质的改变导致大量氧化铁渗入炉衬基体，使得上述Al₂O₃-MgO(10%)材料的寿命急剧下降。在这种工况下，引入第三种组分——铬矿（Cr₂O₃）成为破局的关键。通过向Al₂O₃-MgO混合料中添加铬矿，可在使用过程中原位形成更复杂的镁-铝-铬复合尖晶石。这种复合尖晶石强化了材料的基质，极大增强了对高铁熔渣的抵抗力。例如，一款含84.0% Al₂O₃、8.5% MgO和5% Cr₂O₃的材料，在处理含DRI的炉料时表现出卓越的抗侵蚀能力。

图6 MgO-Al₂O₃-Cr₂O₃ 系统相图（液相线温度）

从MgO-Al₂O₃-Cr₂O₃三元相图（图6、图7）可以看出，Cr₂O₃的加入不仅提高了材料的耐火度，更重要的是形成了化学稳定性更高的复合尖晶石相，从而有效应对了高侵蚀性熔渣的挑战。

图7 1700℃的 MgO-Al₂O₃-Cr₂O₃ 系统

四、 大型炉的挑战与高性能解决方案：预合成与原位尖晶石的平衡

对于大型无芯感应炉，特别是与连铸机配套使用的场景，废钢用量巨大，熔渣中含有大量的氧化锰（MnO）和氧化铁，这对炉衬是毁灭性的。高含量的MnO和FeO会与Al₂O₃-MgO(10%)这类材料中过量的Al₂O₃反应，生成富Mn、Fe的低熔点尖晶石，并伴随巨大的体积膨胀，最终导致炉衬发生严重的片状剥落。

面对这种极端工况，研究人员开发了以富镁尖晶石（如含30% MgO）为主要原料制成的耐火材料。对用后炉衬的剖析发现，这类材料几乎完全阻止了MnO和FeO的渗透，热面反应带基本消失。这表明，通过调整尖晶石的化学计量比，可以显著提升其对特定熔渣的抗渗透能力。

基于此，一种更为精巧的设计方案被提出：预合成-原位复合尖晶石方案。该方案采用镁砂作为粗颗粒骨料，以预先合成的尖晶石作为中、细颗粒，同时配入适量的Al₂O₃和MgO超细粉。在高温下，超细粉会反应形成“原位尖晶石”，填充于颗粒间隙。通过精确调控基质中预合成尖晶石与原位尖晶石的比例，可以对材料的宏观性能进行精细定制，从而获得与严苛操作条件完美匹配的高性能MgO-Spinel质耐火材料。

准确评估和表征这些高级耐火材料的微观结构、相组成以及热-力学性能，对于材料开发和质量控制至关重要。这往往需要借助专业的分析检测手段，以确保材料设计能够转化为实际的炉衬寿命提升。

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五、 镁-尖晶石质材料性能剖析

尖晶石的引入，本质上是在各项性能之间进行权衡与优化。

• 抗热震性：如图8所示，随着尖晶石含量的增加，材料的抗热震性（以1550°C铁水浸淬循环次数衡量）呈线性显著提升。这与尖晶石含量增加导致材料杨氏模量下降（图9）和热膨胀系数降低（图10）的趋势完全吻合。更低的模量和热膨胀意味着更小的高温应力，从而不易开裂。

图8 镁-尖晶石材料的尖晶石含量与抗剥落性关系

图9 镁-尖晶石材料的尖晶石含量与杨氏模量关系

图10 镁-尖晶石材料的尖晶石含量与热膨胀系数关系

• 抗侵蚀与抗渗透性：然而，性能的提升并非没有代价。在高频电炉中进行的侵蚀试验结果（图11和图12）表明，虽然尖晶石含量的增加会使材料的抗化学侵蚀性略有下降，但其对抗熔渣渗透性的提升效果却极为显著。

图11 镁-尖晶石材料的尖晶石含量与熔渣侵蚀关系

图12 镁-尖晶石材料的尖晶石含量与熔渣渗透率关系

综合来看，在大型无芯感应炉的应用中，防止熔渣渗透和结构剥落是首要矛盾。因此，通过增加尖晶石含量，牺牲部分抗化学侵蚀性来换取卓越的抗热震性和抗渗透性，是一种明智且高效的设计策略。特别是前述的预合成与原位复合尖晶石方案，为实现这种性能的精细平衡提供了有力的技术路径，能够更好地适应大型感应炉的复杂操作条件。