近年來，由于人們對(duì)鋼材質(zhì)量的要求越來越高，需要對(duì)煉鋼技術(shù)和煉鋼工藝進(jìn)行改善。爐外精煉技術(shù)是煉鋼過程中重要的精煉工藝部分，可以調(diào)節(jié)鋼成分及鋼液的溫度。而透氣磚是這一工藝能夠順利實(shí)施的最關(guān)鍵的功能元件，對(duì)爐外精煉的可靠性和完備性起著至關(guān)重要的作用[1]。目前，由于鋼包趨于大型化的發(fā)展，熔煉溫度和熔煉時(shí)間都相繼有所提高，使耐火材料在使用過程中所承受的環(huán)境越來越苛刻，因此需要進(jìn)一步改善透氣磚的性能，以滿足當(dāng)代煉鋼工藝和煉鋼技術(shù)對(duì)透氣磚的要求。
本文通過對(duì)透氣磚的材質(zhì)、顆粒級(jí)配、結(jié)構(gòu)、使用性能、損毀機(jī)理等方面的文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，提出相應(yīng)的改善其抗渣性和抗熱震穩(wěn)定性的方法。
透氣磚材質(zhì)和結(jié)構(gòu)
1.1材質(zhì)
為適應(yīng)爐外精煉工藝的發(fā)展，李遠(yuǎn)兵[2]和梁向榮[3]研究了MgO細(xì)粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)剛玉-尖晶石透氣磚(磚芯)的熱震穩(wěn)定性、重?zé)€變化、常溫抗折耐壓強(qiáng)度、侵蝕指數(shù)、滲透指數(shù)的影響。通過對(duì)性能的檢測(cè)分析表明，當(dāng)MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，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(qiáng)度增大。并且剛玉-尖晶石的熱震穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)的鉻鋼玉透氣磚，但是還存在一些不足，其體積穩(wěn)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?cè)鲰g和微裂紋增韌，提高剛玉質(zhì)澆注料的韌性，當(dāng)外加量為3%時(shí)，對(duì)鋼包用透氣磚的熱震穩(wěn)定性有明顯提高的作用。
宮尚寶研究了氧化鉻微粉對(duì)板狀剛玉為主料的鋼包用的鉻鋼玉質(zhì)透氣磚的性能影響。實(shí)驗(yàn)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(wěn)定性。
通過在透氣磚中加入相應(yīng)的添加劑，添加劑在熱處理的過程中發(fā)生相變，形成高溫固溶相，具有高溫強(qiáng)度高、難以被金屬熔體和熔渣潤(rùn)濕等優(yōu)點(diǎn)，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(jí)配
配料中的骨料、細(xì)粉、結(jié)合劑或外加劑的顆粒級(jí)配不同，會(huì)對(duì)制作的透氣磚的強(qiáng)度、抗折、抗震等性能產(chǎn)生不同程度的影響。
Ko研究了細(xì)粉(<0074mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)剛玉-尖晶石澆注料抗熱震穩(wěn)定性性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)細(xì)粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加時(shí)，熱震后剛玉-尖晶石澆注料的殘余強(qiáng)度明顯下降。
丁鈺等研究了不同的顆粒配比對(duì)板狀剛玉顆粒、白剛玉細(xì)粉、a-Al2O3微粉為主要原料透氣磚性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)(質(zhì)量比)1~0.5mm顆粒：0.5~0.3mm顆粒：細(xì)粉=57：29：12時(shí)，透氣磚的常溫性能達(dá)到理想狀態(tài)，在高溫?zé)Y(jié)時(shí)起到促燒結(jié)作用。通過優(yōu)化顆粒級(jí)配，使透氣磚在熱處理過程后具有優(yōu)異的燒后使用性能和物理性能。合理的級(jí)配對(duì)透氣磚的常溫和高溫使用性能均有所改善，達(dá)到煉鋼工藝的要求。
1.3結(jié)構(gòu)
目前透氣磚的結(jié)構(gòu)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(shí)際生產(chǎn)中，通過向混合物中加入含碳化合物，由于該物質(zhì)能在低溫下燃燒無剩余，因此可用低溫?zé)M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(dāng)停止吹氣時(shí)，鋼包中的鋼和渣會(huì)通過這些氣孔滲入透氣磚內(nèi)較深的區(qū)域，因此在工作面產(chǎn)生了固密的部位。當(dāng)鋼包處于停包時(shí)或者當(dāng)重新開始吹氣時(shí)，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(fā)生氣孔堵塞、吹不通或剝落現(xiàn)象。
張美杰等利用現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備，提出了透氣磚阻力系數(shù)的測(cè)量方法，采用因次分析法和多元線性回歸法，發(fā)現(xiàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)值相對(duì)比時(shí)，測(cè)量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值極度相近，而且得出影響透氣磚阻力系數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。
佐板采用球狀的氧化鋁為原料，通過增加透氣的氣孔數(shù)量，降低氣孔的大小，對(duì)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(shè)計(jì)為直通孔或者是直通狹縫型，轉(zhuǎn)爐主要用的透氣磚結(jié)構(gòu)是直通孔型。由于鋼包用的直通孔型的透氣磚制作較為復(fù)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(jié)構(gòu)材質(zhì)，對(duì)其制品的抗熱震穩(wěn)定性、抗氧化鐵腐蝕性、常溫強(qiáng)度等性能進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)合理的狹縫，可以使透氣磚的吹通效果達(dá)到最佳、在使用中的壽命增長(zhǎng)、安全性能穩(wěn)定。
寇志奇等以電熔剛玉、氧化鉻為主要原料的透氣磚為對(duì)象，研究了增加原料與鋼水之間的潤(rùn)濕角，降低縫寬，提高狹縫式透氣磚透氣性能參數(shù)和抗侵蝕性能參數(shù)。研究表明：與國(guó)外透氣磚的性能進(jìn)行比較時(shí)，該磚的透氣性、使用壽命優(yōu)于國(guó)外的先進(jìn)產(chǎn)品，滿足鋼包精煉生產(chǎn)對(duì)性能指標(biāo)的要求。
王龍等采用跳桌法測(cè)定澆注料的流動(dòng)值，檢測(cè)體積密度、常溫抗折強(qiáng)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(huán)形縫式透氣磚可以使其透氣性有所加強(qiáng)，并且能夠使該透氣磚的使用壽命延長(zhǎng)，吹通率達(dá)到100%。
潘時(shí)松等針對(duì)傳統(tǒng)鋼包噴粉技術(shù)，研發(fā)出一種帶錐形流化室的狹縫式透氣磚，通過該結(jié)構(gòu)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(jìn)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(dòng)速度快速減退，回落并聚集在該透氣磚的狹縫內(nèi)，阻礙氣流的流通。
朱波等研究了鋼包透氣磚在實(shí)際循環(huán)使用過程中的情況，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)在該溫度梯度下形成熱應(yīng)力而使磚體狹縫的結(jié)構(gòu)寬度有所增加，冶煉過程中的鋼水會(huì)流入狹縫結(jié)構(gòu)中進(jìn)而致使氣體流通量減小，到后期導(dǎo)致透氣磚狹縫完全堵塞。當(dāng)透氣磚的狹縫數(shù)量和長(zhǎng)度一定時(shí)，通過對(duì)透氣磚的位置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，能夠使冶煉過程中的鋼水得到快速的攪拌，進(jìn)而提高鋼水成分、溫度的均勻性。
隨著煉鋼工藝對(duì)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(yīng)用狹縫式透氣磚代替前兩種磚，通過控制狹縫的數(shù)量和長(zhǎng)度，保證良好的吹通率，延長(zhǎng)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(huì)加入Cr2O3或加入部分鉻鋼玉。Cr2O3和a-Al2O3具有相同的晶型結(jié)構(gòu)，Cr2O3不僅改善了材料的抗渣性，更增大了材料與鋼液的潤(rùn)濕角，對(duì)透氣磚因鋼液滲透而堵塞氣孔具有明顯改善。
王會(huì)先等研究利用Cr2O3細(xì)粉和Al2O3在高溫下形成的鋁鉻固溶體和獨(dú)立存在的含鉻玻璃相，與鋼水冶煉過程中的渣接觸時(shí)形成液相具有一定的粘度，進(jìn)而阻礙鋼液中渣對(duì)透氣磚的侵蝕;同時(shí)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?zé)苫蚴褂弥螅珻r3+被氧化成Cr6+，Cr6+有毒性，會(huì)污染環(huán)境。因此，為了節(jié)能環(huán)保，應(yīng)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(dá)到添加Cr2O3時(shí)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(huì)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(yīng)的透氣磚。研究顯示，低溫?zé)崽幚淼耐笟獯u與燒成透氣磚性能比較，經(jīng)過低溫?zé)崽幚淼耐笟獯u的抗熱震性提高，是因?yàn)檠趸喌募尤雽?duì)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(zhì)材料與鋯基材料的熱膨脹系數(shù)之間的差異。利用該熱膨脹系數(shù)之間的差異，使透氣磚在在高溫?zé)崽幚淼臓顟B(tài)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(yīng)力的集中，克制裂紋的擴(kuò)充，提高了透氣磚的韌性并且改善了透氣磚的熱震穩(wěn)定性。
郭海珠等研究亞微米級(jí)的a-Al2O3在快速燒結(jié)的過程中，由于a-Al2O3重結(jié)晶形成的粗大晶體中包含5~15μm的圓形封閉球狀氣孔，發(fā)現(xiàn)板狀剛玉的常溫強(qiáng)度較高，使透氣磚體積穩(wěn)定性和抗熱震能力得到改善。
張暉等研究鎂鋁質(zhì)透氣磚在使用前后的熱震參數(shù)、彈性模量和高溫抗折強(qiáng)度存在明顯的差異，利用脈沖激振法、三點(diǎn)彎曲法測(cè)量其存在的參數(shù)變化。研究表明：透氣磚熱震性的提高是由于鎂鋁質(zhì)原料中的細(xì)小的晶體之間相互交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
文獻(xiàn)探討在原料加入不同SiAlON含量對(duì)透氣磚的影響，研究發(fā)現(xiàn)：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?zé)崽幚碇?，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(qiáng)度，提高該磚的滲透性，抵抗了鋼包中熔渣對(duì)透氣磚的侵蝕。透氣磚經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，其使用性能得到改善，滿足其使用要求。
透氣磚損毀機(jī)理
透氣磚損毀的原因主要有4個(gè)方面：熱應(yīng)力，機(jī)械磨損，機(jī)械應(yīng)力，化學(xué)侵蝕。
3.1熱應(yīng)力作用
在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼包的烘包溫度為1000℃，鋼水溫度達(dá)到1600℃，兩者接觸時(shí)的溫度差會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，進(jìn)而造成非常大的熱震沖擊。鋼包處于一個(gè)周而復(fù)始的工作環(huán)境中，透氣磚在接觸鋼水和烘包時(shí)的溫度頻繁變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力是造成透氣磚損毀的一個(gè)原因。透氣磚產(chǎn)生熱應(yīng)力的關(guān)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(qiáng)等對(duì)比了透氣磚的內(nèi)部各部位所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和其同一位置的溫度變化所產(chǎn)生的差異。發(fā)現(xiàn)工作面附近的熱應(yīng)力在一定程度上超過透氣磚自身的結(jié)合強(qiáng)度。透氣磚受到較強(qiáng)的熱震作用，導(dǎo)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(duì)鋼水進(jìn)出鋼包時(shí)在包底形成的溫度場(chǎng)和鋼水所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，若要鋼包到達(dá)“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”，需要對(duì)預(yù)熱后的鋼包進(jìn)行數(shù)次的熱循環(huán)，由于鋼包包底在靠近包壁處的工作層的應(yīng)力比靠近中心的部位高，為了削減該處所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，可以在包壁附近增加保溫裝置緩解該現(xiàn)象。
3.2機(jī)械磨損作用
卷流對(duì)透氣磚的沖刷大致分三種情況：
(1)透氣磚高于座磚時(shí)，透氣磚主要損毀的原因是鋼包內(nèi)鋼水形成卷流對(duì)透氣磚的側(cè)面產(chǎn)生巨大的剪切效應(yīng)和沖刷效應(yīng)。因此，沖刷力是透氣磚的座磚產(chǎn)生極大的損毀的原因之一，正常工作環(huán)境中，透氣座磚使用次數(shù)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(shí)，座磚對(duì)透氣磚起到了保護(hù)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(yīng)減小。
(3)透氣磚低于座磚時(shí)，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(duì)較大，對(duì)吹氣產(chǎn)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(duì)透氣磚的沖刷作用力就相應(yīng)加大，受到剪切、沖擊強(qiáng)度大，更易損毀。為了達(dá)到爐外精煉對(duì)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(xué)性能。
程瑛等討論了在不同的精煉條件下，通過對(duì)骨料和基質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浔葋硐屒治g、滲透對(duì)透氣磚吹通率和使用壽命的影響。
3.3機(jī)械應(yīng)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(huán)使用條件下，鋼包中的溫度一直處于變化狀態(tài)，包底耐火材料使用中由高溫到低溫會(huì)產(chǎn)生溫度差，耐火材料的原質(zhì)層和變質(zhì)層的膨脹系數(shù)存在差異，使透氣磚受到剪切應(yīng)力作用，導(dǎo)致透氣磚出現(xiàn)橫向裂縫，甚至斷裂[29]。
3.4化學(xué)侵蝕作用
透氣磚的工作層與鋼渣、鋼水相互接觸的時(shí)間比較長(zhǎng)，熔渣持續(xù)向透氣磚中侵蝕、滲透。鋼水、渣中的MnO，MgO，SiO2，F(xiàn)eO，F(xiàn)e2O3等氧化物與透氣磚中的耐火材料發(fā)生反應(yīng)
12CaO+7Al2O3=12CaO·7Al2O3(1)
FeO+Al2O3=FeO·Al2O3(2)
2MnO+SiO2+Al2O3=2(MnO)·SiO2·Al2O3(3)
鋼水對(duì)透氣磚工作層進(jìn)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(duì)透氣磚持續(xù)的滲透所產(chǎn)生的化學(xué)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(duì)透氣磚的影響
鋼包底吹氬的技術(shù)不僅能有效使鋼液中的成分和溫度達(dá)到一個(gè)均衡的狀態(tài)，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(yīng)產(chǎn)物上浮，提高清潔度。吹氬處理對(duì)提高鑄坯的質(zhì)量和穩(wěn)定鑄坯的工藝具有重要的作用。
王忠英等討論了對(duì)原有的精煉工藝的改善，使氬氣進(jìn)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(shí)間增加，可以得到滿足埋弧所需氣體供應(yīng)的精煉效果;為了使脫氧和脫硫效果達(dá)到最佳狀態(tài)，在精煉過程中增強(qiáng)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(bǔ)料的頻繁噴補(bǔ)，利用透氣磚剩下的殘余溫度對(duì)其噴補(bǔ)料進(jìn)行燒結(jié)，重復(fù)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(tài)，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(shù)。
曾昆等設(shè)計(jì)了鋼包底吹氬透氣磚布置位置的優(yōu)化方案，通過VOF多相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，仿真證明了設(shè)計(jì)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(yōu)質(zhì)真空泵油模擬實(shí)驗(yàn)，研究了雙透氣磚底吹氬位置和流量對(duì)鋼液的影響，并不同吹氣位置對(duì)鋼液裸露面積進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)顯示，雙孔夾角為180°、吹氣孔位于各自半徑0.6R圓周上時(shí)，混勻時(shí)間短且鋼水的裸露面積小，對(duì)包壁的沖刷更小。
李學(xué)佳介紹了采用狹縫式透氣磚應(yīng)用于底吹工藝，透氣性能好，安裝簡(jiǎn)便，使用壽命長(zhǎng)，完全可替代頂吹氬工藝，同時(shí)為ANS-OB吹氬工藝的實(shí)現(xiàn)提供了保證。
總結(jié)及展望
透氣磚的損毀與耐火材料自身的材質(zhì)、形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及使用環(huán)境有關(guān)。研究結(jié)果表明：
(1)優(yōu)化的顆粒級(jí)配和合理的透氣磚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以改善透氣磚的熱震穩(wěn)定性和抗渣性，進(jìn)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(dǎo)致透氣磚損毀的重要原因。通過在基質(zhì)中加入氮化硅、塞隆等添加劑，使透氣磚具有與鋼水不潤(rùn)濕等特性，降低了蝕損率。
(3)合理設(shè)計(jì)吹氣的攪拌時(shí)間與攪拌強(qiáng)度可以降低透氣磚的損毀。
制備性能優(yōu)異的鋼包用透氣磚，研究重點(diǎn)應(yīng)該集中在以下幾個(gè)方面：
(1)在滿足精煉工藝的前提下，選擇優(yōu)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(fā)新的燒結(jié)工藝，制備具有特殊性能的透氣磚。
