多年来，采用感应炉已经成为铸造企业技术改造、产品升级的主要措施之一。不仅众多中小企业（尤其是多牌号生产）青睐感应炉，就是生产风电铸件的大型工厂亦改为多台中频炉协同作业的方法。最近，玉柴集团打造世界最大的柴油机铸件生产基地，其铸造中心采用了单一感应炉熔炼，在保证质量的基础上，降低了炉料成本，减少了生产工艺和生产人员。
1 感应炉熔炼采用无芯中频炉
感应炉有有芯和无芯之分。感应炉熔炼应采用无芯炉。无芯炉变更铁液品种方便，可以冷炉料起动，提温迅速，生产率高，电磁搅拌作用好，筑炉修炉方便。频率采用中频范围。与工频炉相比，无需开炉块；功率密度大，起动和熔化快，节约电耗；功率可无级调节，且可在不同炉体间任意分配；可自动变频以适应炉料参数的变化；搅拌力度和“驼峰”可控；对炉料块度并无苛求，从块料到切屑均可。一般频率随炉子容量的增大而减小，例如0.1～60t炉子，频率在2500～150Hz。近年来，IGBT半桥串联逆变中频电源因其负载适应范围宽，熔炼过程中可保持恒功率运行，电源功率可以共享等高性能特点，在中型和小型炉子上得到了广泛应用。
工频有芯炉适宜作保温炉或浇注炉使用。某厂冲天炉铁液连续流入立式有芯炉，有芯炉根据造型浇注线的需要随时出铁。因此对于频繁出铁和平衡铁液供求关系十分有利。国外某厂是一个大冲天炉分别供应了3个有芯保温（储存）炉，再由铲车转运铁液至气压浇注炉进行浇注。有芯保温炉炉膛密封性好、元素烧失极少。作浇注炉使用时能准确控制浇注温度和浇注量。
2 感应炉熔炼的优势
感应炉熔炼具有以下优势：
(1) 感应炉热量产生于炉料内部，无需外界传导，因而热效率高，加热速度快。
(2) 铁液过热度容易调节，出铁温度高。
(3) 元素烧损少，铁液中气体含量和非金属夹杂物少。没有冲天炉铁液的焦炭硫污染问题。
(4) 由于电磁搅拌作用，铁液的化学成分和温度均匀。
(5) 熔炼工艺稳定、易控，铁液化学成分准确。
(6) 可以多用或全部使用废钢，用增碳的方法生产合成铸铁。
(7) 切屑和边角碎料等细小的难以在冲天炉内直接利用的廉价废料，在感应炉内借助电磁搅拌作用，很容易卷入铁液而迅速熔化，而氧化损耗却较少。若装料期加入，因切屑粒度小，感应电流分布于整个切屑的断面，熔解较快，但烧失较多。
(8) 感应炉的烟气和粉尘较少，噪音小，作业强度低，环保治理比较方便。
(9) 生产安排灵活，开炉、停炉方便。
(10) 容易实现自动化管理。
然而，感应炉熔炼亦存在一些不足和问题。如不能了解其冶金特点，采取相应的操作对策去扬长避短是难以获得优质铁液的。此时，非但不能得到所需的金相组织，还会恶化切削加工性能，产生某些收缩缺陷等。
3 感应炉熔炼的冶金特点
感应炉的冶金特点与冲天炉不同。
(1) 没有氧化性的燃烧炉气，又是采取批料间歇熔炼，因而元素损失少，化学成分准确、稳定。
(2) 电磁搅拌作用在一定程度上有利于非金属夹杂物的合并、上浮，并增加了与熔渣接触机率而为熔渣所收容。同时亦有利于铁液中溶解的H、N、O 的排除。
(3) 熔渣不能感应发热，渣温低。加之坩埚的高径比大，又没有冲天炉内铁滴与渣滴交互接触的机会。因此，熔渣内物理化学过程不活跃，熔渣的冶金功能极为有限。熔渣主要起覆盖保护和一定程度的收容夹杂物的作用。
(4) 感应炉熔炼后期，随着铁液温度的升高，当达到所谓平衡温度以上时，发生以下反应：
SiO2（炉衬）+2[C]→[Si]+ 2CO↑
( SiO2)（液中）+2[C]→[Si]+2CO↑
此时，对FeO、MnO 有类似的反应。感应炉内C 的还原作用是冲天炉无法比拟的。发生上列反应的条件一是高温，二是缺氧和没有氧化性气氛。冲天炉炉缸里只有在湿底（炉缸不过空气）时，才能满足Si、Mn、Fe 从氧化物中被C 还原的条件。冲天炉的炉缸较浅，铁液流经炉缸的时间比较短暂，反应没有感应炉内从容、充分。C 作为还原剂，产生的CO 造成熔池“自沸腾”，对铁液起到了脱气除杂的净化作用。
(5) 铁液的过冷倾向大。图1[2]表明，在相同CE 下，感应炉铁液的共晶过冷度比冲天炉铁液大。这是由于：①高温下，铁液中由生铁和回炉料带来的石墨的减少和消溶；②熔炼后期，铁液中SiO2 因与C 反应，而使可作为外来晶核的SiO2 减少，乃至丧失；③感应炉铁液的[S]、[O]明显低于冲天炉，一般[S]<0.05%，[O]<0.001 5%。如此低的O、S 含量，对于灰铸铁来说，是难以指望硫氧化物的外来晶核作用了。
铁液过冷倾向大，将导致以下情况出现：灰铸铁中出现过冷石墨，甚至产生自由渗碳体；将使球墨铸铁出现麻口组织、并减少石墨球数量；产生自由渗碳体的结果，使铸铁缩松缩孔倾向增大；使薄壁灰铸铁件出现渗漏；使切削加工性能恶化，降低机加工工效，增加刀具损耗，提高加工费用，这是用数控机床或加工中心大批量生产企业所十分忌讳的。
4 感应炉优质熔炼的控制要点
4.1 把化学成分控制工作做细
虽然与冲天炉相比，感应炉有元素烧失少，化学成分准确、稳定的先天优势，但如果后天失调，这个先天优势是会打折扣的。准确控制化学成分还需有四个前提。
(1) 用净料 炉料杂乱、不干净、锈蚀多，则元素烧失增大，也无法使烧失稳定。此外，感应炉炉渣的冶金功能差，也要求炉料纯净，严防P、S、O 和微量元素含量不明。
(2) 准确配料 根据元素的烧失规律，正确进行配料。特别不要忘记把熔炼后期的脱C 量考虑在配C 量之内。配料不准确，会延长熔炼时间，增加能耗。
(3) 配备多功能热分析仪和直读光谱仪 及时掌握化学成分和凝固等信息，进行炉内或炉前调剂。当感应炉与冲天炉或高炉双联时，适时而准确的测 更为重要。
(4) 把握火候，控制好终点 关于终点温度和时间的控制，后叙。
4.2 合理加料
七手八脚、胡乱加料、野蛮加料的现象，在一些工厂常有发生。有些“规程”只侧重于操作性的表述，如：
① 炉底垫轻薄料；
② 料块要合理，切忌厚大(电频率在100～500Hz时，最佳平均料径为230～100mm)；
③ 装料要紧密，但不能在熔化期发生棚料，等等。这些规定，对于保护炉底免受撞击和过热，炉料顺行和热利用，无疑是必要的。然而，从冶金学视角考虑，强调以下几点更为重要。
(1) 炉料装入顺序，应保证炉底尽早形成高碳熔池。令熔点低的回炉料先装，再装生铁，熔点高的废钢装在其上。这样，供电后炉底很快便形成熔池，废钢浸入其中，表面因增C 而降低熔点，起到了助熔作用。还必须指出，废钢比生铁易于氧化，当温度高于700℃以后，废钢表面氧化加速。若废钢能尽快熔于铁液，无疑对于减少氧化也是有益的。
化学成分对于熔点的影响是基于Fe-C 相图中液相线的变化：随着C 含量的提高，钢的熔点降低。同样的道理，一些高熔点铁合金，可以利用表面增Fe，降低液相线温度，来达到助熔的目的。笔者在熔炼有Mo、W、B、V 等的铸铁时，较早地将FeMo、FeW、FeB、FeV投入熔池，起到了助熔作用。借助电磁搅拌作用，铁液成分很快就均匀了。
(2) 熔炼初期切忌底部熔池过热，以免炉底因发生SiO2(炉衬)+2C=Si+2CO 反应而致的化学侵蚀。铁液的过热还会加剧元素的烧损和含气量的增加。
(3) 随着炉料的逐步熔解，应适时适度续料，前一批料尚未化尽前，投入后续料。投向熔池的炉料要干燥、无锈蚀，以防铁液氧化和气体含量增加。在冬季，往熔池加冷废钢，会“炸溅”，产生安全事故。切屑宜加入熔池。装料期加，会加大元素烧损。
(4) 装料初期应随着加金属料，加入适当的造渣剂（清渣剂），使炉底的熔池早早处于熔渣的保护之下。以后，在熔化期视需要，再补充渣料；炉料熔清后，可扒渣，再造渣。总之，熔炼过程中，提前造渣，造好渣，补渣换渣，是不可忽视的环节。
4.3 精益净化
电磁搅拌有助于金属料和增碳剂的加速熔解吸收，使化学成分和温度均匀化，也有利于脱气和去除非金属夹杂物。但脱气和去杂的作用是有限的。感应炉多采用单相供电，产生如图2 所示的两段四区电磁搅拌。由图可知，下部两区对于夹杂物的上浮有一定的抵消作用，也削弱了电磁搅拌的脱气作用。
平衡温度是决定反应SiO2+2C=Si+2CO方向的温度。当温度大于平衡温度时，反应向右进行，反之则反应向左进行。单质状态下，平衡温度为1645.8℃。铁液中的C含量和Si含量影响平衡温度；随着C含量的增加或Si含量的减少，平衡温度降低。在通常灰铸铁或球墨铸铁铁液成分下，平衡温度约在1425～1400℃，对于低温用铁素体球墨铸铁则约在1380℃左右。当熔池温度高于平衡温度时，反应产物CO 造成熔池沸腾。生产中为了保证足够的沸腾力度，一般取平衡温度以上50℃，称作沸腾温度。CO造成的沸腾是发生于整个熔池的，CO是往上逃逸的。因此，其净化作用是电磁搅拌无法比拟的。利用熔炼后期熔池的“自沸腾”净化是感应炉熔炼的一大特色。通过“自沸腾”能很好地降低铁液中H、N、O的溶解量，并在气泡上浮过程中，携带非金属夹杂物进入熔渣。
吹Ar净化是一种有效的辅助手段。通常可采用炉内或包内插管吹Ar 或炉底透气砖吹Ar，亦有在炉底安置气体扩散器，再在其上捣搐特定的耐火材料层，令Ar 通过这一可透气的烧结层达到净化目的。
研究表明，除N 是除气的重点。降低铁液中的N，不仅可以免除N 气孔，更主要的是提高球墨铸铁，乃至提高抗磨白口铸铁的韧性。
除了以上的方法可以除N 外，还有吹O2 或吹CO2 除N 和脱N 剂脱N 等的试验与实践。
4.4 防止后期H、N、O 回升即便进行了净化处理，如果此后操作不当，H、N、O 仍有回升的可能。为此，须特别注意几点。
(1) 后期不能投潮湿的物料。
(2) 选用O、N 低的增C 剂。
(3) 电磁搅拌力与输入功率成正比，与频率的平方根成反比。加入增C 剂后，一般可用调低频率的方法，促使增C 剂的溶吸。但搅拌力度（尤其是在无熔渣覆盖的情况下）不能过度。否则，“驼峰“高，氧化吸气风险大。
(4) “自沸腾”或吹Ar 等处理不能过于激烈。
(5) 铁液化学成分和温度合格后，停电扒完渣，要尽快倾炉出铁。出铁最好一次完成。分包出铁或遇意外情况，要对剩余铁液供电保温，无渣保护的铁液，氧化烧失和吸气问题会突出起来。
4.5 正确控制终点
炉料熔清后，熔池升温加快，经过平衡温度、沸腾温度、临界温度，而达到过热温度。所谓临界温度是指当超过这一温度时铁液中石墨核心数明显减少，铁液白口倾向增大，铸件或试样中石墨形态发生变异，产生过冷石墨甚至出现自由渗碳体。不同资料所提供的临界温度数据不甚一致，一般为1455～1510℃。临界温度与炉料状况及铁液化学成分有关，如生铁牌号高则临界温度高；废钢配比多，生铁用量少则临界温度低；铁液C、Si含量低则临界温度低等。此外，使用什么样的增C 剂也影响到临界温度。熔炼最终的过热温度视铸铁材质、铸件体量大小，以及炉料等情况的不同而定，一般为1490～1550℃。
经过1490～1550℃过热的铁液，淡化了炉料的不良遗传性影响，也加大了过冷倾向。但只要作好预处理和孕育处理，孕育效果会发挥得更好，有利于石墨和基体的细化。必须强调，过热温度切忌随意提高。必须指出，在过热温度下停留时间不能长。否则会产生“死铁液”（这种情况常在夜班保温，第二天早班使用的铁液中发生）和H、N、O回升的现象。
4.6 预处理
感应炉铁液的自发形核能力差，白口倾向大，必须认真做好孕育处理。与相同化学成分的冲天炉铁液相比，感应炉铁液的孕育量要多出0.1%～0.2%。对于高质量的铸件，出铁前还应该在炉内进行预处理。晶型石墨和SiC 的形核能力强，是应用最普遍的预处理剂，其次是孕育级的硅铁。
此外，还可在包内进行预处理。炉外预处理技术可查有关 道。对灰铸铁而言，感应炉铁液的S含量低，不利于孕育形核。需将提高至0.07%～0.10%。因此，从广义的预处理概念上讲，铁液增S 也是一种预处理。FeS的熔点为1193℃，它能全部溶于铁液。S的回收率视加入时机和加入状况而定，熔炼后期镜面加入时回收率可高于90%，装料期加入则回收率降低。为了降低费用，有的工厂使用黄铁矿增S。
4.7 节能快熔
“十二五”期间，单位 GDP能耗要降低16%。节能减排已被列入地方政府官员的业绩考核之中。熔炼工部节能是企业节能的重中之重。感应炉节能快熔可采取以下措施 。
(1) 提高比功率，以实现高的电效率和高的热效率并实现快速熔炼。目前0.5～60t 炉子的比功率设计为1000～600kW/t。
(2) 一拖二，即一套电源同时向两个炉体供电，功率在两个炉体间任意分配。整个熔炼过程以恒功率运行，功率利用系数几乎可达100%。
(3) 尽量安排在较大容量的炉子上熔炼。据测算，5t炉比2t炉的吨铁电耗可减少3%～4%。
(4) 作业制度上，采取连续熔炼。
(5) 增设炉盖，并减少开盖率。带盖作业与敞口作业相比，液面热损耗功率可降低50%～60%。
(6) 使用净料，禁止锈蚀料和含坭带砂料入炉。
(7) 掌握炉料成分，准确配料，免除成分超标而导致的不必要的调整工作。
(8) 设法缩短装料、熔化、取样和检测时间，提高功率利用率。
(9) 避免终点铁液温度过高。否则不但多耗电，还增加了降温时间。炉内静止降温很慢，3t炉在无覆盖的情况下，每分钟降温不超过3℃。
(10) 采用优质炉衬材料，延长炉龄。
(11) 在保证炉龄的前提下，炉衬不宜过厚。因为壁厚增加会降低电效率和感应器的输入功率，降低了生产效率，而且由于不易形成良好的初期烧结层，致使初期熔蚀加快。坩埚壁厚与炉子容量及坩埚直径的关系见表1。
注：d 为坩埚的平均直径。
(12) 合理的坩埚绝热层厚度。为了减少坩埚壁的散热，需要一定厚度的绝热层。但绝热层增厚时，绝热层内侧温度上升，会使烧结层或半烧结层扩展而缩小松散层。一般绝热层厚度取5～7mm。一旦要增加绝热层时，捣打料中的胶结剂加入量应减少。
(13) 调度上要避免感应炉被迫等待造型的情况。
(14) 熔炼工部天车配置要合理，防止熔炉等天车而造成窝工。在采取以上种种措施后，先进的指标可达到：电耗580～540kW/t；连续熔化，冷料至1500℃铁液的熔炼时间为35～54min/炉。
5 减少事故的措施
感应炉熔炼过程中出现的事故和问题，大多来自感应炉系统（中频电源及炉子）和炉台操作。好的感应炉系统可以免除许多烦恼，减少维修费用和停工损失。
5.1 正确配置感应炉系统
国内多家公司生产的感应炉已相当完善，达到无故障设备的水平。因此，有相当规模的铸造企业应从这些公司中寻找供货商，它们会提出详细的项目书。该感应炉系统对电源、炉体、倾炉系统和水冷系统等进行显示、 警、诊断和故障处理。根据炉内变化着的情况，变频器会处于高效运行状态。一个高度自动化的感应炉，人工操作仅限于接通电源、开启变频器和调定输入功率，无需设专人看守变频器或作其他操作调节。如果铸造企业受生产量和经济条件所限，在感应炉技术改造时，应听取行业组织和专家的建议，并向供应商重点了解几种情况：
②配件库的状况；
③服务能力和响应速度。
笔者发现，有铸造厂喜欢就近就熟（熟人）购买“便宜货”。这些供应商主要生产炉子，其余是“串起来”的。而且2t 炉还用铝壳。试想，这样的系统可靠性、耐用性会是怎样？按照国家发改委铲业结构调整指导目录(2011年本)》规定，无磁轭(≥0.25t)铝壳炉属于淘汰类产品。用铝壳炉也有违工信部《铸造行业准入条件》中，关于企业生产装备的要求的。
5.2 正确进行炉台操作
炉台操作不当，容易造成炉料搭棚，炉底熔池过热，“大象脚”和漏底等事故。这些事故多与炉料尺寸过大、野蛮装料、炉衬材料及烧结工艺不当、铁液过热温度过高，以及炉衬修补不及时等有关。企业管理者，不能把炉台操作看作体力活，一定要加强岗位培训，提高员工素质。
耐火材料的生产公司很多，著名的公司都有很好的服务，如推荐适用的耐火材料及辅料，指导筑炉和炉衬烧结，并对最低炉衬使用寿命做出保证等。
5.3 及时的信息测
对铁液的化学成分和凝固信息要作炉前测 ，以便及时指导生产，防止铸件质量事故。直读光谱仪的标准曲线，过一段时间应重新做，这是因为曲线会漂移，而且国产标样，其深层成分与浅层成分也会有所不同。热分析仪也应该定期校验。化学分析法虽然慢，用作炉后分析，准确性高。C、S、P、Mg等对光谱分析操作手法很敏感，应该用化学分析的结果进行比照。（摘自：《铸造》）
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