近年來，由于人們對鋼材質量的要求越來越高，需要對煉鋼技術和煉鋼工藝進行改善。爐外精煉技術是煉鋼過程中重要的精煉工藝部分，可以調節鋼成分及鋼液的溫度。而透氣磚是這一工藝能夠順利實施的最關鍵的功能元件，對爐外精煉的可靠性和完備性起著至關重要的作用[1]。目前，由于鋼包趨于大型化的發展，熔煉溫度和熔煉時間都相繼有所提高，使耐火材料在使用過程中所承受的環境越來越苛刻，因此需要進一步改善透氣磚的性能，以滿足當代煉鋼工藝和煉鋼技術對透氣磚的要求。
本文通過對透氣磚的材質、顆粒級配、結構、使用性能、損毀機理等方面的文獻進行總結，提出相應的改善其抗渣性和抗熱震穩定性的方法。
透氣磚材質和結構
1.1材質
為適應爐外精煉工藝的發展，李遠兵[2]和梁向榮[3]研究了MgO細粉的質量分數對剛玉-尖晶石透氣磚(磚芯)的熱震穩定性、重燒線變化、常溫抗折耐壓強度、侵蝕指數、滲透指數的影響。通過對性能的檢測分析表明，當MgO的質量分數增加時，由于MgO和Al2O3形成鎂鋁尖晶石相增加，使熱處理后的透氣磚的抗折強度增大。并且剛玉-尖晶石的熱震穩定性優于傳統的鉻鋼玉透氣磚，但是還存在一些不足，其體積穩定性不及鉻鋼玉磚。
張圣鑫等以ZrO2為添加劑，利用ZrO2在高溫下的相變增韌和微裂紋增韌，提高剛玉質澆注料的韌性，當外加量為3%時，對鋼包用透氣磚的熱震穩定性有明顯提高的作用。
宮尚寶研究了氧化鉻微粉對板狀剛玉為主料的鋼包用的鉻鋼玉質透氣磚的性能影響。實驗表明，適量的氧化鉻微粉可以減小透氣磚蝕損和提高熱震穩定性。
通過在透氣磚中加入相應的添加劑，添加劑在熱處理的過程中發生相變，形成高溫固溶相，具有高溫強度高、難以被金屬熔體和熔渣潤濕等優點，使透氣磚的抗熱震性以及抗渣性等性能得到提高。
1.2顆粒級配
配料中的骨料、細粉、結合劑或外加劑的顆粒級配不同，會對制作的透氣磚的強度、抗折、抗震等性能產生不同程度的影響。
Ko研究了細粉(<0074mm)的質量分數對剛玉-尖晶石澆注料抗熱震穩定性性能的影響，結果表明當細粉的質量分數逐漸增加時，熱震后剛玉-尖晶石澆注料的殘余強度明顯下降。
丁鈺等研究了不同的顆粒配比對板狀剛玉顆粒、白剛玉細粉、a-Al2O3微粉為主要原料透氣磚性能的影響，結果表明當(質量比)1~0.5mm顆粒：0.5~0.3mm顆粒：細粉=57：29：12時，透氣磚的常溫性能達到理想狀態，在高溫燒結時起到促燒結作用。通過優化顆粒級配，使透氣磚在熱處理過程后具有優異的燒后使用性能和物理性能。合理的級配對透氣磚的常溫和高溫使用性能均有所改善，達到煉鋼工藝的要求。
1.3結構
目前透氣磚的結構主要有彌散型透氣磚、直通定向型透氣磚、狹縫定向型透氣磚，如圖1所示。
1.3.1彌散型透氣磚
彌散型透氣磚具有較高的孔隙率和滲透性。在實際生產中，通過向混合物中加入含碳化合物，由于該物質能在低溫下燃燒無剩余，因此可用低溫燒盡中間材料的方法得到起初的孔隙率。彌散型透氣磚中分布著不同尺寸的相互貫通的氣孔，在使用過程中當停止吹氣時，鋼包中的鋼和渣會通過這些氣孔滲入透氣磚內較深的區域，因此在工作面產生了固密的部位。當鋼包處于停包時或者當重新開始吹氣時，透氣磚的工作表面部位受到鋼水周期性的滲透作用和侵蝕沖刷而發生氣孔堵塞、吹不通或剝落現象。
張美杰等利用現有的測試設備，提出了透氣磚阻力系數的測量方法，采用因次分析法和多元線性回歸法，發現測量得到的數據和實驗值相對比時，測量結果和實驗值極度相近，而且得出影響透氣磚阻力系數的關鍵參數。
佐板采用球狀的氧化鋁為原料，通過增加透氣的氣孔數量，降低氣孔的大小，對抑制鋼水滲透起到很好的效果。
1.3.2直通定向型透氣磚
直通定向型透氣磚的氣道設計為直通孔或者是直通狹縫型，轉爐主要用的透氣磚結構是直通孔型。由于鋼包用的直通孔型的透氣磚制作較為復雜，而且該透氣磚的氣孔通氣率小，因此直通狹縫型透氣磚代替了直通孔型的透氣磚。
研究了不同貫穿孔透氣磚及其高密度結構材質，對其制品的抗熱震穩定性、抗氧化鐵腐蝕性、常溫強度等性能進行檢測，發現貫穿孔透氣磚既能保持高的鼓泡可靠性、又提高了磚的耐用性。
1.3.3狹縫定向型透氣磚
目前狹縫定向型是透氣磚最普遍采用的結構形式，根據現場使用條件包括精煉鋼種、精煉工藝、鋼包的容量、溫度、鋼水靜壓力等設計合理的狹縫，可以使透氣磚的吹通效果達到最佳、在使用中的壽命增長、安全性能穩定。
寇志奇等以電熔剛玉、氧化鉻為主要原料的透氣磚為對象，研究了增加原料與鋼水之間的潤濕角，降低縫寬，提高狹縫式透氣磚透氣性能參數和抗侵蝕性能參數。研究表明：與國外透氣磚的性能進行比較時，該磚的透氣性、使用壽命優于國外的先進產品，滿足鋼包精煉生產對性能指標的要求。
王龍等采用跳桌法測定澆注料的流動值，檢測體積密度、常溫抗折強度及1500℃熱處理后的線膨脹率。研究表明，與條形縫式透氣磚相比，環形縫式透氣磚可以使其透氣性有所加強，并且能夠使該透氣磚的使用壽命延長，吹通率達到100%。
潘時松等針對傳統鋼包噴粉技術，研發出一種帶錐形流化室的狹縫式透氣磚，通過該結構在鋼包底部噴吹噴粉。一部分噴吹的粉粒隨著噴吹的氣流進入到透氣磚的狹縫中;另一部分顆粒碰觸到耐火材料壁后，流動速度快速減退，回落并聚集在該透氣磚的狹縫內，阻礙氣流的流通。
朱波等研究了鋼包透氣磚在實際循環使用過程中的情況，發現鋼水接觸到的工作面和永久層存在一定的溫度差，致使透氣磚的狹縫結構在該溫度梯度下形成熱應力而使磚體狹縫的結構寬度有所增加，冶煉過程中的鋼水會流入狹縫結構中進而致使氣體流通量減小，到后期導致透氣磚狹縫完全堵塞。當透氣磚的狹縫數量和長度一定時，通過對透氣磚的位置進行合理的設計，能夠使冶煉過程中的鋼水得到快速的攪拌，進而提高鋼水成分、溫度的均勻性。
隨著煉鋼工藝對透氣磚的要求，彌散型透氣磚和直通型透氣磚使用較少，普遍應用狹縫式透氣磚代替前兩種磚，通過控制狹縫的數量和長度，保證良好的吹通率，延長其使用壽命。
透氣磚使用性能
2.1抗渣性
為了提高材料的抗渣性能與抗鋼液滲透能力，剛玉尖晶石透氣磚中通常會加入Cr2O3或加入部分鉻鋼玉。Cr2O3和a-Al2O3具有相同的晶型結構，Cr2O3不僅改善了材料的抗渣性，更增大了材料與鋼液的潤濕角，對透氣磚因鋼液滲透而堵塞氣孔具有明顯改善。
王會先等研究利用Cr2O3細粉和Al2O3在高溫下形成的鋁鉻固溶體和獨立存在的含鉻玻璃相，與鋼水冶煉過程中的渣接觸時形成液相具有一定的粘度，進而阻礙鋼液中渣對透氣磚的侵蝕;同時可以吸收渣中的氧化鐵和氧化鎂，在透氣磚工作層形成致密的尖晶石，使透氣磚的抗渣性有所提高。
但在材料中添加Cr2O3，高溫燒成或使用之后，Cr3+被氧化成Cr6+，Cr6+有毒性，會污染環境。因此，為了節能環保，應盡量避免使用Cr2O3，并通過更換原材料，使不添加Cr2O3后的高溫性能達到添加Cr2O3時的水平。
2.2抗熱震性能
透氣磚最主要的損毀方式是熱震損毀。隨著出鋼溫度的不斷提高，透氣磚的工作面在工作和間歇之間存在較大的溫差，要求材料具有極高的抗熱震性能。在澆注料中引入尖晶石相，透氣磚的抗熱震性能會有所提高。
熊飛等[18]研究通過在鎂鋁尖晶石中加入單斜氧化鋯，使其在低溫下形成相應的透氣磚。研究顯示，低溫熱處理的透氣磚與燒成透氣磚性能比較，經過低溫熱處理的透氣磚的抗熱震性提高，是因為氧化鋯的加入對透氣磚的高溫抗折、抗熱震性等性能有所提高。
張剛等研究了剛玉質材料與鋯基材料的熱膨脹系數之間的差異。利用該熱膨脹系數之間的差異，使透氣磚在在高溫熱處理的狀態下形成微小縫隙，從而吸取和緩解主裂紋局部能量來減少應力的集中，克制裂紋的擴充，提高了透氣磚的韌性并且改善了透氣磚的熱震穩定性。
郭海珠等研究亞微米級的a-Al2O3在快速燒結的過程中，由于a-Al2O3重結晶形成的粗大晶體中包含5~15μm的圓形封閉球狀氣孔，發現板狀剛玉的常溫強度較高，使透氣磚體積穩定性和抗熱震能力得到改善。
張暉等研究鎂鋁質透氣磚在使用前后的熱震參數、彈性模量和高溫抗折強度存在明顯的差異，利用脈沖激振法、三點彎曲法測量其存在的參數變化。研究表明：透氣磚熱震性的提高是由于鎂鋁質原料中的細小的晶體之間相互交叉的網狀結構。
文獻探討在原料加入不同SiAlON含量對透氣磚的影響，研究發現：隨著SiAlON的增加，成型后澆注料的常溫性能有所下降，然而在1500℃高溫熱處理之后，抗熱震性得到明顯的改善。
透氣磚中加入的氧化物或非氧化物在高溫下與骨料形成固溶相，增加了該磚的高溫強度，提高該磚的滲透性，抵抗了鋼包中熔渣對透氣磚的侵蝕。透氣磚經過高溫熱處理后，其使用性能得到改善，滿足其使用要求。
透氣磚損毀機理
透氣磚損毀的原因主要有4個方面：熱應力，機械磨損，機械應力，化學侵蝕。
3.1熱應力作用
在實際生產中，鋼包的烘包溫度為1000℃，鋼水溫度達到1600℃，兩者接觸時的溫度差會產生較大的熱應力，進而造成非常大的熱震沖擊。鋼包處于一個周而復始的工作環境中，透氣磚在接觸鋼水和烘包時的溫度頻繁變化而產生的熱應力是造成透氣磚損毀的一個原因。透氣磚產生熱應力的關鍵因素是溫度的變化，并且透氣磚的不同部位溫度變化存在著差異。
李秉強等對比了透氣磚的內部各部位所產生的熱應力和其同一位置的溫度變化所產生的差異。發現工作面附近的熱應力在一定程度上超過透氣磚自身的結合強度。透氣磚受到較強的熱震作用，導致透氣磚工作面附近層狀剝落造成透氣磚損毀。
王志剛等對鋼水進出鋼包時在包底形成的溫度場和鋼水所產生的應力場進行數值模擬分析，并對其進行數值檢測。研究發現，若要鋼包到達“準穩態”，需要對預熱后的鋼包進行數次的熱循環，由于鋼包包底在靠近包壁處的工作層的應力比靠近中心的部位高，為了削減該處所產生的熱應力，可以在包壁附近增加保溫裝置緩解該現象。
3.2機械磨損作用
卷流對透氣磚的沖刷大致分三種情況：
(1)透氣磚高于座磚時，透氣磚主要損毀的原因是鋼包內鋼水形成卷流對透氣磚的側面產生巨大的剪切效應和沖刷效應。因此，沖刷力是透氣磚的座磚產生極大的損毀的原因之一，正常工作環境中，透氣座磚使用次數也就一次，一次之后高于座磚的部分即被沖刷掉。
(2)透氣磚與座磚持平時，座磚對透氣磚起到了保護的作用，鋼水形成的卷流首先沖刷座磚致使透氣磚的剪切力相應減小。
(3)透氣磚低于座磚時，在正常工作中該工作面上易積壓冷鋼，由于存留下來的冷鋼的粘度相對較大，對吹氣產生一定的阻礙作用，所以要滿足精煉要求就需要加大吹氣的壓力。這樣，氣流對透氣磚的沖刷作用力就相應加大，受到剪切、沖擊強度大，更易損毀。為了達到爐外精煉對吹通率和使用壽命的要求，透氣磚必須具有良好的抗沖刷能力和高溫力學性能。
程瑛等討論了在不同的精煉條件下，通過對骨料和基質進行適當的配比來消釋侵蝕、滲透對透氣磚吹通率和使用壽命的影響。
3.3機械應力作用
在使用過程中，鋼包底部透氣磚工作面和高溫鋼水直接接觸，在循環使用條件下，鋼包中的溫度一直處于變化狀態，包底耐火材料使用中由高溫到低溫會產生溫度差，耐火材料的原質層和變質層的膨脹系數存在差異，使透氣磚受到剪切應力作用，導致透氣磚出現橫向裂縫，甚至斷裂[29]。
3.4化學侵蝕作用
透氣磚的工作層與鋼渣、鋼水相互接觸的時間比較長，熔渣持續向透氣磚中侵蝕、滲透。鋼水、渣中的MnO，MgO，SiO2，FeO，Fe2O3等氧化物與透氣磚中的耐火材料發生反應
12CaO+7Al2O3=12CaO·7Al2O3(1)
FeO+Al2O3=FeO·Al2O3(2)
2MnO+SiO2+Al2O3=2(MnO)·SiO2·Al2O3(3)
鋼水對透氣磚工作層進行的熔損和剝落引起的物理蝕損，冶煉過程中鋼渣和鋼水對透氣磚持續的滲透所產生的化學侵蝕，是透氣磚損毀的最主要原因。因此，為了提高材料的抗熱震沖擊性能和抗渣性，需要改善透氣磚的韌性和滲透性。
吹氬工藝對透氣磚的影響
鋼包底吹氬的技術不僅能有效使鋼液中的成分和溫度達到一個均衡的狀態，而且彌散的小氣泡還能使煉鋼過程中鋼渣與耐火材料的反應產物上浮，提高清潔度。吹氬處理對提高鑄坯的質量和穩定鑄坯的工藝具有重要的作用。
王忠英等討論了對原有的精煉工藝的改善，使氬氣進入到鋼包中與鋼液有效接觸面積增加，并且使氬氣在鋼包中上升的流程和時間增加，可以得到滿足埋弧所需氣體供應的精煉效果;為了使脫氧和脫硫效果達到最佳狀態，在精煉過程中增強埋弧渣的脫氧，保證了埋弧渣w(FeO+MnO)<0.5%。
張道華等研究表明由于噴補料的頻繁噴補，利用透氣磚剩下的殘余溫度對其噴補料進行燒結，重復該過程多次后，形成了蘑菇狀的“蜂巢”，可以使透氣磚的透氣性到正常工作狀態，又可以防止鋼水的浸入;采用的外裝底吹氬透氣磚，既可以滿足鋼包底吹氬工藝的需要，又可以減少不必要的鋼包停罐次數。
曾昆等設計了鋼包底吹氬透氣磚布置位置的優化方案，通過VOF多相流模型進行數值模擬，仿真證明了設計方案能使鋼包的侵蝕速率變小，包齡增加。
李翔等通過水模型和優質真空泵油模擬實驗，研究了雙透氣磚底吹氬位置和流量對鋼液的影響，并不同吹氣位置對鋼液裸露面積進行了比較。實驗顯示，雙孔夾角為180°、吹氣孔位于各自半徑0.6R圓周上時，混勻時間短且鋼水的裸露面積小，對包壁的沖刷更小。
李學佳介紹了采用狹縫式透氣磚應用于底吹工藝，透氣性能好，安裝簡便，使用壽命長，完全可替代頂吹氬工藝，同時為ANS-OB吹氬工藝的實現提供了保證。
總結及展望
透氣磚的損毀與耐火材料自身的材質、形狀結構設計及使用環境有關。研究結果表明：
(1)優化的顆粒級配和合理的透氣磚結構設計，可以改善透氣磚的熱震穩定性和抗渣性，進而提高其使用性能。
(2)影響透氣磚使用壽命的因素諸多，但熱剝落和氧氣清洗是導致透氣磚損毀的重要原因。通過在基質中加入氮化硅、塞隆等添加劑，使透氣磚具有與鋼水不潤濕等特性，降低了蝕損率。
(3)合理設計吹氣的攪拌時間與攪拌強度可以降低透氣磚的損毀。
制備性能優異的鋼包用透氣磚，研究重點應該集中在以下幾個方面：
(1)在滿足精煉工藝的前提下，選擇優異的添加劑，添加劑和骨料在熱處理過程中形成高溫固溶相，提高材料的抗熱震性。
(2)研發新的燒結工藝，制備具有特殊性能的透氣磚。
上一篇：工業氧化鋁價格持續三連漲 下一篇：高爐爐腹及冷卻壁的設計和砌筑施
TAG標簽：
耐火磚
河南耐火磚
高鋁磚
剛玉磚
耐火磚價格
河南耐火材料廠
