无芯感应炉内衬耐火材料的厚度通常只有70 ~110mm, 内侧与高温金属液体接触，外侧紧贴水冷线圈，耐火材料内外侧存在很大温度差，无芯感应炉内衬结构示意图。

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、烘烤、烧结过程与冶炼铸铁时相近。无芯感应炉用耐火材料见下表：

炼铁用耐火材料

当无芯感应炉熔炼铸铁(球铁、灰铁以及可锻铸铁)和有 色金属时，其内衬耐火材料一般选用石英砂或者锆英石质，或 者选用二者混合材料的干式打结料，以硼酸或者硼砂作为烧结剂。

由下图看出，ZrO2加入硅质材料中，对其溶化温度降低 的影响非常有限，而且ZrO2 . SiO2在1677℃分解为ZrO2和SiO2，前者以微粒状态存在于玻璃相中，有利于提高其黏度和抗 蚀性能，同时提高材料的高温塑性，提高抗热震性，从而延长使用寿命。

由SiO2-B2O3二元系相图(图3-5)可知，B2O3的熔点 为450℃，SiO2-B2O3系最低共熔温度为327℃。当向SiO2中补入不超过5%的B2O3时，SiO2-B2O3混合料的熔化温度由SiO2熔点(1723℃)下降到1480℃.该图还表明，以B2O3作为石英质干式打结料的烧结剂时，在372℃就会出现液相。

虽然B2O3对SiO2熔化温度的影响极为明显，但由于石英玻璃的黏度很大(见下图，在1730℃时约为2xl06Pa.s)，而B2O3本身亦为玻璃网络结构形成物，所以少量B2O3加进SiO2材料中不会造成SiO2玻璃网络结构产生大的破坏而影响SiO2熔体的黏度。这表明，硅质干式打结料采用B2O3作烧结剂时，既 能使感应炉内衬工作表面在较低温度下烧结，又能保证在高温 使用时工作表面为一高黏滞层。这种工作表面能阻止金属熔体和熔渣的渗透、冲刷和侵蚀。

硅质干式打结料中B₂O₃的加入量，大约为0.8% ~ 1.5% (当采用硼砂代替B₂O₃时，其加入量为85%B₂O₃的量)。

考虑硅质干式打结料在烧结剂(B₂O₃或硼砂)的存在下，烘烤、烧结过程中的SiO2晶型转化问题(参见下图二氧化硅的自由能变化)，认为各阶段升温速度不应超过50℃/h，并在晶型转化温度附近实施保温操作;在高温(1500 ~1550℃)阶段则应实施预烧结2~4h 以保证获得适宜的烧结层厚度。

硅质干式打结内衬的损毁主要是SiO₂同铁液中的[C]反应：

对于球铁而言，式(3-1)反应式为：

反应平衡温度T=1467℃。这说明，当熔炼温度超过Te时，感应炉内衬中的SiO₂会被[C]还原，导致内衬变质、损毁。相反，当熔炼温度低于Te时，炉料中混入的Si和铁液中[Si]则会与O₂反应：

生成的SiO₂在熔炼时被吸附到内衬工作表面形成炉瘤，使 内衬变厚。由于铁液中[C]、[Si]含量不同，反应平衡温度介于1470〜1600℃ (T铸铁=1470℃，T灰铁=1540℃，T可锻铁=1580℃ ) 。

炼钢用耐火材料

当采用酸性炼钢法时，由于冶炼时造酸渣，所以无芯感应 炉里衬主要用石英砂(有时也选用锆英石)，其筑衬方法、供烤 制度和烧结过程与冶炼铸铁时几乎相同。

当采用碱性炼钢法炼钢时，内衬则选用中性或碱性耐火材 料以及石墨坩埚等。这种冶炼方法主要适用于高合金钢、特种 钢、精密合金钢等。

碱性炼钢，由于石灰、萤石和各种铁合金(硅铁、锰铁、铬铁和钼铁等)的加入，同熔炼铸铁相比，熔渣成分复杂，润 湿性大，冶炼温度高，对耐火材料的侵蚀严重。其中小型感应 炉普遍采用镁质耐火材料筑衬。然而，由于MgO的膨胀系数大， 抗热震性差，而且存在容易被熔渣渗透，导致结构剥落的问题， 因而不适于大容量、间歇性操作感应炉的使用条件。为了能与 大容量、间歇性操作的感应炉的使用条件相适应，可向镁砂中添加适量的Al2O3细粉，利用反应：

MgO+Al₂O₃→MgO·Al₂O₃(Spinel) (式3-4)

生成Spinel来抑制龟裂;或采用MgO-Spinel质干式打结料，得用Spinel的低热膨胀性缓冲高温压力，提高 内衬的抗热震性。由下图所示，这类MgO-Al₂O₃质或MgO-Spinel质耐火材料属于MgO-Al₂O₃系统。这些混合料经高温受热后，其矿物相均为方镁石和尖晶石，2050℃以上则为方镁石和液相，因而具有优异的高温性能。

中型无芯感应炉用耐火材料

以多种废钢为原料炼钢的中型无芯感应炉，以前使用以 棕刚玉为主要原料并添加4% MgO的耐火材料，其使用寿命 较低，因为钢液渗入这种Mg0-Al₂O₃质内衬耐火材料基体， 并汇集于耐火内衬的空隙中而导致耐火内衬损毁，表明这种 耐火材料容易被钢液广泛渗透而难以同相应的使用条件相适应。

为了改进上述Mg0-Al₂O₃质耐火材料的性能，可采用白刚玉作骨料，同时增加MgO细粉含量，来提高其高温性能。由于 材料在高温受热时生成了大量的Spinel,从而提高了材料的抗渗 透性能。根据上图(MgO-Al₂O₃相图),适应上述操作条件使用的Mg0-Al₂O₃质耐 火材料，其骨料应选用高纯优质刚玉原料，细粉则选用相当于 Spinel组成的Mg0-Al₂O₃混合细粉料。例如，一种成分为 89.0% Al₂O₃、10% MgO的炉衬材料在以多种废钢为原料炼钢 的中型无芯感应炉中使用时，比棕刚玉-MgO(4% )的耐火材料 寿命高一倍以上。

然而，当以直接还原铁球作为添加料而改变了中型无芯感 应炉熔渣的化学反应，从而导致大量氧化铁渗入Al₂O₃-Mg0 (10%)质耐火材料基体内，结果则使其寿命显著降低。在这种 情况下，可向Al₂O₃-MgO混合料中加入铬矿以使其在使用时就 地全部形成镁、铝、铬呈复合尖晶石形态的Al₂O₃-复合尖晶石质耐火材料。在这种耐火材料中，由于基质中含有Cr₂O₃，因而材料的基质得到了强化，有利于抵抗氧化铁的渗透。例如，含有Al₂O₃ 84. 0%、MgO8. 5%、Cr₂O₃ 5%、Fe₂O₃ 2%、SiO₂ 0.5%的耐火材料作为以直接还原球铁为添加料的中型无芯感应 炉内衬耐火材料使用时，对高铁熔渣的化学侵蚀显示出极强的抵抗力，只有极少量氧化铁渗透和轻微侵蚀，表明其适应性较强。

大型无芯感应炉用耐火材料

带有连铸机的中型无芯感应炉特别是大型无芯感应炉炼钢 的熔炼操作，由于废钢量大，而且含有大量的金属氧化物，结 果导致白刚玉-MgO(10%)质内衬基体内渗入氧化锰和氧化铁，产生严重的结构剥落，使用寿命很低。原因是高含量氧化 猛和氧化铁渣同内衬耐火材料基体内过量的Al₂O₃反应生成富Mn与Fe的尖晶石，伴有非常大的体积膨胀而导致片状剥落。

在这种情况下，可采用全预合成Spinel制成的耐火材料。使 用结果表明，这种Spinel耐火材料(含30% MgO)用于真空感应 炉熔炼操作非常成功。对用后残衬的研究发现:这种耐火材料实质上阻止了氧化锰和氧化铁的渗透，热面反应带基本上消除了。

上述情况表明，以富镁Spinel (含30% MgO)为原料制成 的Spinel质耐火材料抗锰铁氧化物的渗透能力得到提髙，对于大型无芯感应炉熔炼，特别在“配料熔炼”的化学和物理方面 的适用性也有所强化。

从上述结果中可以推出：大型无芯感应炉内衬耐火材料也能按MgO-Spinel.(预合成-原位Spinel)方案设计，即以镁砂为粗颗粒，以预合成Spinel为中颗粒和细颗粒同时配入Al₂O3和 MgO细粉，混合物在高温受热时就地形成Spinel (原位Spinel)。 通过对基质中预合成Spinel/原位Spinel比例进行精心平衡，便能获得高性能的MgO-Spinel质耐火材料。

图 11 表示了由 MgO-SPinel-Al₂O₃混合料制成的MgO-Spinel 质试样的抗热震性能，即将试样于1550℃熔炼铁水内浸20s，取 出冷却并重复试验至试样破坏为止的剥落次数与Spinel含量的关 系。图中表明，MgO-Spinel质耐火试样的抗热震性(剥落性)随 Spinel含量的上升呈直线增加，而且含化学计量Spinel材料的抗 热震性更佳。这与材料中Spinel含量增加，其杨氏模量下降(图12)和热膨胀系数减少的结果(图13)是相吻合的。

采用砌衬方法在1750℃的高频电炉内进行4h的侵蚀试验的 结果列入图14和图15中。

这两幅图表明，虽然Spinel含量 增加，抗蚀性有下降的趋势，但对抗渗透性提高却是非常有效的。

根据以上4幅图，可以认为MgO-Spinel质耐火材料特别是以镁砂为粗颗粒而以Spinel为中颗粒和细粉、同时配入Al2O3和 MgO细粉、通过精心平衡基质中的预合成Spinel (原位Spinel) 按比例而制成的MgO-Spinel质耐火材料能够同大型无芯感应炉的操作条件相适应。