中频感应电炉熔炼铁液，不仅能够精确控制铁液质量和化学成分， 还能够有效降低熔化能耗，符合国际和国内低碳排放量环境发展要求[1-3]。 近年来，感应电炉发展迅速，基本取代了冲天炉，成为铸铁熔炼的主要设备。
某公司于2014 年3 月引进4 台德国某品牌中频感应电炉设备，进行球墨铸铁熔炼，该感应电炉具有高功率、高效和节电的优势。但该设备投入使用以来，经常发生感应线圈击穿故障，线圈击穿轻则局部点状渗水，重则穿孔引起大量漏水。 若发现不及时，对人员和设备存在重大安全隐患。另外，线圈击穿故障维修周期长，造成生产中断，严重影响公司效益。
近年来，张梅涛等[4]通过对进口中频电炉感应线圈修复，总结了一套线圈修复技术。 刘玉芳等[5]通过对炉体加固区、保温区进行有效改进，并结合生产采取相关操作措施，提高了炉衬使用寿命。 邓朝军[6]通过采取洁净和干燥炉料，控制放料速度，严格筑炉工艺和提高筑炉质量等措施消除或减缓炉衬失效，并达到提高炉衬寿命的目的。 曾向海[7]通过分析中频炉感应线圈变形形成原因，制定了相应的处置措施，解决了感应线圈变形问题。 毛有武等[8]通过提高中频感应电炉功率质量比，使得熔化效率显著提高。 程建龙[9]阐述了中频感应电炉在熔炼过程中的节能降耗及应采取的相应措施。 国内研究主要聚焦于炉衬寿命、效率提升或节能降耗等方面，针对感应电炉线圈击穿机理研究较少。
本文在对中频感应电炉结构、组成和工作原理深入分析的基础上，通过SEM、EDS、红外光谱检测和拉曼检测等手段，对线圈外层附着物进行理化分析，进一步探究线圈与炉体、炉内物质的相互作用机理，以期找到线圈击穿问题的根本原因，为提升中频感应电炉的可靠性提供理论依据和技术支持。
1 中频无芯感应电炉炉体结构和工作原理
无芯感应电炉的剖面结构如图1 所示。 电炉最内侧一层为炉衬， 直接与炉内的熔炼金属接触，由石英砂、硼酐混合后烧结而成。 其中，石英砂主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3 等组成，硼酐主要由B2O3 组成。由于热侵蚀和化学侵蚀的作用，炉衬材料需要每月更换1 次。 炉衬外侧为耐火浆料，具有保温、绝热作用，其主要成分为Al2O3 和CaO。感应线圈是炉体最核心部件，采用矩形铜管双管绕制而成，使用交变电流，同时内部不断地通水冷却，避免线圈温度过高。 同电位线圈匝间距为3 mm，跨电位相邻线圈匝间距为6 mm，表面喷涂H 级高强度绝缘漆,绝缘漆的主要成分是环氧树脂，其分子式为(C11H12O3)n。 线圈匝间用云母片搭桥绝缘连接，云母片的主要成分为SiO2 和Al2O3。 线圈外侧为Isoplan 绝缘板和硅酸盐绝缘布，其作用是绝缘、防止生产中粉尘和细铁料被线圈吸附。 Isoplan 绝缘板由Al2O3、SiO2、Fe2O3 和ZrO2 组成，硅酸盐绝缘布由Na2O、SiO2、Al2O3 和MgO组成。 各组件的化学成分如表1 所示。
图1 无芯感应电炉剖面结构示意
Fig.1 Section structure diagram of the coreless induction furnace
表1 中频无芯感应电炉相关材料成分
Tab.1 Composition of related materials in the mediumfrequency coreless induction furnace
PartChemical composition Liquid ironFeCSiMn Li ningSiO2Al2O3Fe2O3CaO Refractory paintAl2O3CaO--Induction coilCu---Insulation varnishes(C11H12O3)n---Mica sheetsSiO2Al2O3--Cooling waterH2O---Isoplan insulation boardAl2O3SiO2Fe2O3ZrO2 Silicate insulation clothNa2OSiO2Al2O3MgO
中频感应电炉主要通过感应线圈来实现炉料加热熔化， 基本工作原理为电磁感应原理和电流热效应原理。当感应线圈通过交变电流时(感应电流的最大频率为244 Hz，最大电流为15 000 A)，线圈周围产生交变磁场， 处于交变磁场中的金属炉料内部产生感应电动势，在感应电动势作用下，金属炉料产生感应电流，根据焦耳-楞次定律，流经炉料的电流转换为热能，使金属炉料加热熔化[10-11]。
2 线圈击穿现象及附着物检测
2.1 线圈击穿描述
在生产过程中， 中频感应电炉线圈击穿故障多发生在炉衬烧结完成后第3 炉以后的熔化阶段。 击穿位置常发生在线圈底部1～5 匝之间， 以及线圈表面绝缘漆已被破坏处。 线圈击穿位置往往有黑色物质附着，如图2 所示。 经现场观察发现，线圈表面黑色物质附着区域大小不同。另外，未击穿部位的线圈也有少量黑色物质附着。
图2 感应线圈击穿实物
Fig.2 Induction coil breakdown diagram
电炉生产厂家团队历时6 年， 先后多次采取不同措施，如在炉顶安装防尘装置、增大线圈匝间距(线圈匝间距由同相位3 mm、异相位6 mm，改为同相位6 mm、异相位9 mm)和线圈表面由原来的喷涂H 级绝缘漆改为陶瓷绝缘漆等一系列措施， 并进行技术攻关，问题仍未得到有效解决，线圈击穿故障仍持续发生。 报修数据表明，感应线圈使用寿命为1～6 个月，6 年内线圈击穿故障累计约为90 余次，造成了极大经济负担。
2.2 取样及制样
对感应线圈的击穿部位进行取样，线圈表面喷涂乳白色绝缘漆，取样过程中，试样往往带有少量绝缘漆。黑色附着物试样呈薄片状，且极易碎。利用ZXQ-5 自动镶嵌机对黑色附着物进行镶嵌处理，并制样，镶嵌材料为环氧树脂，镶嵌试样流程如图3所示。
图3 镶嵌流程
Fig.3 Inlay process
2.3 SEM 及EDS 测试分析
采用德国蔡司Sigma300 场发射扫描电镜观察黑色附着物的微观形貌。 黑色附着物表面分布着大量黑色凹坑和形状不规则的细小微裂纹，如图4a 所示。 高倍观察发现，表面分布着大量不规则状颗粒，相互镶嵌堆叠在一起，如图4b 所示。
图4 黑色附着物的SEM 像：(a)低倍；(b)高倍
Fig.4 SEM images of black attachment:(a)low magnification;(b)high magnification
采用EDS 分析黑色附着物的元素成分及含量，结果如图5 所示。可以看出，黑色附着物的主要成分为C 元素，质量分数为62.2%，原子分数为71%，C元素的含量是O 元素的3 倍多。 此外，黑色附着物中存在少量的Si 元素和Cu 元素， 质量分数分别为7.5%和4.1%，Si 来源于耐火材料中的SiO2， Cu 来源于纯铜线圈。 其他含量较低的S、Ca、Cr、K 和Mg等元素，质量分数均小于2%，其主要来自黑色附着物上黏着的少量绝缘漆(如图3)。C 元素游离状物质为黑色， 而Si、Cu、S、Ca 等其他元素游离物的颜色均不是黑色，且含量较低。由此判定线圈表面黑色附着物是一种碳物质。
图5 附着物EDS 结果：(a)附着物EDS 谱；(b)附着物所含元素质量分数和原子分数
Fig.5 EDS results of black attachment:(a)EDS spectra;(b)mass and atomic proportions of all the elements
2.4 红外检测分析
为了验证绝缘漆是否对黑色附着物造成影响，在线圈表面取粉末状黑色附着物进行傅里叶红外检测，结果如图6 所示。 从图中可以看到， 位于～3 783 cm-1波长处的红外特征峰归属于游离-OH， 来源于炉衬中的水分影响， 而位于～3 571 和3 480 cm-1 处的红外特征峰归属于-N-H 键及分子内氢键等。 此外，位于2 356 cm-1 波长位置的红外特征峰归属于O=C=O 键，同时，在双键振动区内位于～1 590 cm-1 波长的特征峰对应于-N=N=。 值得注意的是，在碳氢伸缩振动区(3 000～2 700 cm-1)内，样品中未出现-CH3(2 960和2 870 cm-1)和-CH2-(2 930 和2 850 cm-1)的相关特征峰，表明样品中未出现C-H 键，说明绝缘漆对黑色附着物的产生没有影响。
图6 附着物红外检测结果
Fig.6 Infrared detection results of attachment
2.5 拉曼光谱分析
采用Renishaw inVia Reflex 显微共聚焦拉曼光谱仪，所选拉曼激光参数为：激光波长532 nm，功率0.8 mW，物镜100×，光斑尺寸约1 μm。 通过对光谱数据进行基线处理和平滑滤波，得到的拉曼光谱如图7 所示。黑色附着物在1 348 和1 582 cm-1 处呈现显著特征峰，分别对应碳材料的D 峰与G 峰，且D 峰与G 峰强度比：ID/IG＜1。值得注意的是，在2 700 -1 处同样检测到2D 峰， 由此可以证实碳结构中存在少层石墨烯。
图7 附着物的拉曼检测结果
Fig.7 Raman detection result of attachment
3 线圈击穿原因及机理分析
3.1 线圈积碳原因及机理
在熔炼铸铁过程中，炉内铁液存在一系列的化学反应，如铁液中Si 元素与铁渣中FeO 发生反应，生成SiO2 和Fe[12-13]，如下式所示：
铁液中的C 元素与SiO2 发生化学反应， 如式(2)所示，SiO2 的来源主要为炉衬，少量由反应式(1)提供[14]。
炉内铁液的温度分布并不均匀， 由上至下温度逐渐升高， 炉体底部相较于其他部位温度最高。 因此，炉体底部产生的CO 气体含量相较于上部更多。炉衬中上层反应产生的较少CO 气体向上扩散。 然而， 炉衬底部反应产生的大量CO 气体在铁液压力作用下，较难向上扩散。 同时，由于熔炼前期烧结层较薄， 炉衬底部反应的CO 气体能够穿过炉衬近距离向外扩散(图8)，铁液中的C 元素以CO 的形式转移至炉衬中。
图8 CO 气体生成及扩散方向示意图
Fig.8 Generation and diffusion direction diagram of CO
在炉衬使用初期，炉衬内含水量较多，烧结过程中，随着炉衬温度的升高，炉衬中的水分受热变成水蒸气， 向炉体外部扩散。 新炉衬的水分占比约为0.5%，一台8 t 熔炼炉所需石英砂2.8 t，经计算炉衬中的含水量约为14 kg。
相邻线圈电动势通过下式[15]计算获得：
式中，U 为相邻线圈电动势；U总为线圈两端电压；n为线圈匝数。
相关文献表明，在一定电动势及高温下水蒸气发生电解反应，生成氢气和氧气，表达式[16-17]为：
因此，在强电动势和高温条件下，炉衬中的水蒸气能够发生电解，生成H2 和O2，而且高温高电动势可以提高水蒸气的电解速率。
当CO 和水蒸气共存于炉衬中并能够克服化学反应能垒时，即会发生水煤气变换反应，如式(5)所示。 该反应是一个放热反应，低温下具有接近100%的CO 平衡转换率， 当石英砂中存在微量金属氧化物催化剂(Fe2O3、Al2O3)时，能够降低反应活化能并促进水煤气反应向右进行[18-20]。
炉衬中CO 和H2 会反应生成C 和H2O， 如式(6)所示，该反应是放热反应，H2 的来源由水蒸气电解反应和水煤气变换反应提供。 另外，CO 自身也会发生歧化反应，如式(7)所示，在较低温度易进行。 由反应式(6)和(7)可知，CO 氢还原反应和CO 歧化反应都会生成游离态的碳[21-22]。
3.2 线圈击穿原因分析
根据上述分析，由于炉衬底部温度较高、铁液压力等原因，造成底部CO 和H2 浓度更高，因此，在炉衬底部游离碳的生成量更多。 特别是打结电炉炉衬时， 主要利用电动振锤捣打的方式把石英砂捣实，该过程容易造成石英砂密实性不均匀。 当炉衬局部松散时， 炉衬与铁液反应产生的CO 气体容易从炉衬松散的位置向外部扩散，形成气体通道。 由于炉衬内表面直接与高温铁液接触，外表面受到线圈的冷却作用，造成炉衬的温度在垂直切面方向存在很大的温度梯度。因此，在炉衬的松散层位置CO 氢还原反应和CO 歧化反应开始反应生成游离态的碳。 由于低温有利于反应的进行， 混合气体(CO、H2O、CO2、O2、H2)一边向外扩散，一边发生反应产生更多游离态的碳， 游离碳被气体携带着向炉体外部迁移。 炉衬松散层的孔隙率高有利于碳和混合气体的扩散。
由于线圈匝间的云母片采用搭桥连接方式，从而使混合气体易向外扩散。感应线圈温度为50～60 ℃。一部分混合气体和游离的碳遇到低温感应线圈，容易凝结、沉积在线圈表面。另一部分混合气体和碳穿过线圈向外扩散的过程中， 由于受到线圈外部的Isoplan 绝缘板阻碍，只能聚集在线圈和绝缘板之间狭小空间内，造成大量游离碳附着线圈表面，如图9示。线圈表面积碳的不均匀性与炉衬密实性相关，当炉衬局部位置密实性差时， 混合气体容易从该位置向外部扩散， 造成炉衬密实性差位置处对应的外部线圈表面积碳量较多。 碳的产生和沉积在任何时间都会发生，但在烧结期间特别迅速，由于新炉衬的烧结层较薄(透气性高)，尤其在电炉下半部炉衬局部密实性差的位置提供了足够的CO 和水蒸气。
图9 线圈表面积碳过程
Fig.9 Carbon deposition process on the coil surface area
在感应电炉使用过程中， 线圈长期处于水汽和碳沉积的环境中，使得线圈匝间绝缘程度下降。线圈匝间上下表面的碳不断沉积， 当线圈上下表面的附着碳积累到一定程度后，由于碳具有良好的导电性，相邻线圈之间会产生高压放电形成短路， 造成打火击穿故障。
4 结论
(1)线圈击穿位置的黑色沉积物以游离碳为主，拉曼光谱证实碳结构中存在少层石墨烯。
(2)CO 氢还原反应和CO 歧化反应产生游离碳，混合气体携带着碳向外扩散的过程中受到Isoplan绝缘板的阻碍，造成大量游离碳附着于线圈表面。
(3)线圈长期处于水汽和碳沉积的环境中，使得线圈匝间绝缘程度下降，导致相邻线圈之间产生高压放电，进而造成线圈击穿。
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