钢包透气砖的性能要求及未来发展方向

在钢包底部安装透气砖，往钢包内吹入惰性气体，对钢液搅拌，促使钢液中夹杂物上浮至渣层，均匀钢液成分和温度。因此，透气砖是钢包精炼的重要功能元件。随着钢材质量、纯净度等各项指标的要求越来越高，透气砖也凸显出其重要的作用，同时也决定着炼钢的生产节奏及炼钢成本。

近年来，针对狭缝式透气砖，较多学者研究了尖晶石微粉、熔融锆刚玉、TiO₂以及镁砂等添加剂对透气砖性能的影响，改变其显微结构，通过微裂纹增韧、相变增韧等机制提高透气砖的抗热震性。针对弥散式透气砖，研究了添加物、颗粒组成等对其性能的影响，对提高弥散式透气砖的性能提供了理论基础;通过有限单元法进行模拟，详细分析了透气砖内部热应力的产生，通过数学模拟对透气砖吹氩过程中其内部进行热应力分析,给透气砖研究工作者提供了如何降低透气砖内部热应力的理论依据，以提高透气砖的使用寿命。目前，透气砖成为进一步提高钢包使用寿命和安全运行的瓶颈，需做更深层次的改进。为此，综述了钢包用透气砖的研究现状，指出其未来的发展方向。

钢包用透气砖的性能要求

1.1 抗热震性

钢包在使用过程中透气砖经受频繁的热震作用，因此，抗热震性是透气砖最主要的性能之一。透气砖的工作面与1600℃钢液直接接触，与此同时，从其尾部吹入接近常温的氩气，在透气砖内部形成较大的温度梯度，产生较大的热应力。在热应力作用下，容易导致透气砖工作面发生断层、剥落、开裂等情况，从而影响其使用效果。

1.2 抗渣侵蚀性

钢包用透气砖要经受钢渣的侵蚀作用，特别是透气砖的使用前期，其工作面会与熔渣进行接触，熔渣中CaO、SiO等成分会与透气砖中的Al₂O₃反应生成CaO·Al₂O₃、3CaO·Al₂O₃、12CaO·7Al₂O₃、CaO·AlO₂O₃·2SiO₂、2CaO·Al₂O₃·SiO2等低熔点物。低熔点物可能造成透气砖工作面透气通道的堵塞;此外，低熔点物与高温钢液接触时会被冲刷掉，造成透气砖的熔损，导致其使用寿命降低。

1.3 抗冲刷性

在精炼过程中，氩气通过透气砖进入钢包内部对钢液进行搅拌，钢液的高速流动与气流形成“卷流”，对透气砖的冲刷作用较强，会加剧透气砖的熔损。因此要求透气砖具有较强的耐剥落性、高温强度和耐高温性能，以保证其抗冲刷性能。

1.4 耐烧氧性

钢包在连铸平台浇钢完毕后，为保证透气砖的透气性，需要对透气砖工作面的残钢和残渣进行烧氧处理，残钢遇到氧气氧化以及氧管燃烧所产生的热量，熔化其工作面的残钢和残渣，达到清理透气砖工作面的目的。烧氧时氧枪端头温度极高，可达2000℃以上，高于透气砖的耐火度，烧氧过程中透气砖工作面易产生低熔点相，需严格把控烧氧，防止出现过度烧氧损伤透气砖。因此透气砖需保证高纯度原料，提高耐火度，以提高耐烧氧性。

钢包用透气砖的种类及性能

针对钢包用透气砖，常见的透气砖有狭缝式、弥散式等，存在透气通道堵塞、侵蚀剥落以及高温强度低等问题，需深入探寻切实可行的改进措施，力求实现透气砖性能的显著提升，从而更好地满足钢铁精炼工艺的严苛要求。

2.1 狭缝式透气砖

通过在浇注料中预埋可燃的聚酯条，高温下被氧化后形成透气通道，视为狭缝式透气砖，狭缝式透气砖目前依然是国内外钢包用透气砖的主流产品。

2.1.1狭缝对狭缝式透气砖性能的影响

刘辉敏等利用有限单元法，对透气砖使用过程中其内部热应力的分布进行模拟，结果表明：透气砖中心为等应力区，高应力区位于狭缝周围;狭缝径向位置对透气砖最大热应力影响不大;当狭缝偏转角度为30°~45°时，有利于降低透气砖内部的热应力。

刘辉敏等研究了狭缝尺寸和数量对透气砖热应力的影响，结果表明：缩短狭缝长度能够降低透气砖的整体热应力;适当增大狭缝宽度可以降低其端部热应力;增加狭缝数量可以降低其端部热应力，但同时会造成透气砖其他区域热应力的增大。

刘辉敏等研究了狭缝位置对透气砖热态工作过程中热应力的影响，结果表明：透气砖内部热应力分布不均，狭缝端部及其周围均为高应力区;狭缝端部与透气砖边缘距离大于5mm时，狭缝径向位置对热应力影响不大;狭缝沿径向呈辐射状分布较为合理;透气砖直径以140mm左右为宜，热应力较小。

薛军柱等将透气砖狭缝设计为圆弧段状环形结构，圆弧状缝隙的分布1~3环，认为此种透气狭缝的设计，能够有效缓解使用过程中的热应力，减少透气砖断砖情况的发生。

王龙等将透气砖狭缝设计为环形，内外环之间部分区域浇注料贯通连接，保证内外环的紧密结合，试验期间较低吹开压力下即可实现强搅拌;同时与普通狭缝式透气砖相比较寿命可提高3～4次，试验过程中实现了100%吹穿率。

通过对狭缝式透气砖狭缝的合理设计和布局，在一定程度上能够降低透气砖在吹氩过程中内部的热应力，提高抗热震性，以提高其使用寿命。

2.1.2添加剂对狭缝式透气砖性能的影响

有学者研究在透气砖原材料中加入氧化镁，高温下氧化镁与透气砖中的氧化铝微粉或刚玉细粉生成原位尖晶石，因原位尖晶石的膨胀作用，在原位尖晶石的周围会产生微裂纹，降低主裂纹扩展的能量。根据微裂纹增韧原理，原位尖晶石的生成有利于提高抗热震性;但过量氧化镁的加入，使得微裂纹发展成为破坏性裂纹，降低材料强度的同时抗热震性减弱。

ZrO₂随温度变化发生相变，且此相变为可逆过程，诱发基质产生微裂纹，在ZrO₂和刚玉相交接处产生微裂纹，从而提高透气砖的抗热震性，但其常温和高温强度会略有降低。高翔等将纳米ZrO₂引入到氧化铝材料中，在烧结过程中纳米ZrO₂颗粒扩散速率相对基体Al₂O₃颗粒较小，ZrO₂主要存在于氧化铝晶体内部和晶界处，位于晶界的ZrO₂颗粒由于其对裂纹及位错的“钉扎”作用而使晶界强化;同时因微裂纹增韧作用，对氧化铝质材料的抗热震性起到加强作用。纳米ZrO₂可考虑加入透气砖用料中，理论上会有积极的使用效果。

因钛酸铝(Al₂O₃·TiO₂)的热膨胀系数较小，接近于零，且钛酸铝微观结构上的差异使其各晶轴方向的热膨胀率不同，降温过程中易产生晶界微裂纹，起到增韧的作用。TiO₂的引入能够促进刚玉-尖晶石质浇注料的烧结，促使网状结构的CA₆生成，能提高刚玉-尖晶石质透气砖的抗热震性。有学者研究以板状刚玉、活性氧化铝微粉、铝酸钙水泥为主要原料，制备刚玉浇注料，加入质量分数占比为0.5%的纳米TiO₂,能够加速浇注料中CA₆的生成，有利于浇注料中温强度的提升，高温烧后呈现微膨胀，抗热震性提高;若加入过量，体系内会生成较多的液相，提高强度的同时，抗热震性降低。

将陶瓷材料与金属进行复合，使其既有金属的韧性，又有陶瓷材料的高温强度、高温抗氧化、抗腐蚀性能，将二者优点结合的材料，称为金属陶瓷材料。徐平坤提出将Al₂O₃、Al(OH)₃、Cr、Cr₂O₃按一定比例混合，同时加入适量的Mo,中温到室温之间风冷的热震次数可提高至1000次以上;缺点是其高温蠕变性能变差。刘红康将金属铝粉与氧化铬细粉混合，在密封、绝热的环境中，采用铝热反应，生成金属Cr与Al₂O₃，再采用表面氧化方式，表面金属Cr部分氧化为Cr₂O并部分固熔到氧化铝中，保证了金属Cr和氧化铝颗粒的紧密结合，所生产的刚玉质透气砖热震后，其抗折强度保持率可提高20%~30%，常温抗折强度可达到22.1MPa。同时也有人研究金属钨、金属铁对氧化铝质材料性能的影响，均对其高温性能有一定提高，应根据具体需要做出选择。

2.2 弥散式透气砖

将物料通过颗粒不紧密堆积形成贯通气孔，并以其为透气通道，所生产的透气砖视为弥散式透气砖。薛正良等研究了弥散式透气砖在钢液精炼过程中可产生直径较小的气泡，以提高气泡对夹杂物颗粒的俘获概率，有利于洁净钢的生产，但其缺点是不耐烧氧、强度低。

2.2.1添加剂对弥散式透气砖性能的影响

邱鑫等研究了MgCO3对弥散式透气砖的影响，MgCO3在约350℃开始分解，900℃分解完全，生成MgO和CO₂，继续升温过程中MgO与Al₂O₃原位反应生成尖晶石，使得常温性能及抗热震性得到提高;但过多的MgCO加入，产生过多CO₂气体，导致材料的显气孔率增加以及颗粒之间结合程度降低;此外，过量的MgO，高温烧后会导致低熔点相的含量增加，造成试样抗热震性降低。

邱鑫研究了CaCO₃微粉对刚玉质弥散式透气砖性能的影响，高温下CaCO₃分解成高活性的CaO，CaO与基质中刚玉细粉或者活性α-Al₂O₃微粉反应生成CA₆，网状结构的CA₆能够强化基质间的结合程度，提高试样的抗热震性能。

刘馨等研究了锆英石加入量对弥散式透气砖的影响，结果表明，当锆英石质量分数为2%时，高温下生成低熔点相及莫来石相能够促进基质中颗粒之间的结合程度，进而提高试样的强度和透气度，综合性能较优。

Xiong等研究了La₂O₃对弥散式透气砖性能的影响，La₂O₃与Al₂O₃反应原位生成六铝酸，起到活化烧结，细化氧化铝晶粒等作用，使得裂纹发生偏转或分支，提高刚玉质透气材料的抗热震性能;适当增大骨料堆积气孔的尺寸和相对体积分数，可改善弥散式透气砖的综合性能。

蓝振华等研究了将适量ZrB₂引入到透气砖中，因ZrB₂具有极好的热导率，可减少透气砖的温度梯度，从而改善材料的抗热震性。将ZrB₂以ZrB₂-刚玉复合粉的形式加入，成型后埋碳烧结生产透气砖，用于铝熔液的冶炼，未发生透气通道堵塞情况，使用寿命超出预期，此透气砖可考虑在钢包上进行试验。

刘晨辉等研究了以板状刚玉、电熔白刚玉粉、硅粉、金属铝粉和α-Al₂O₃微粉等为原料，经1500℃保温3h氮化烧成制备的β-SiAlON结合刚玉材料;随着β-SiAlON含量的增加，刚玉材料的显气孔率逐渐减小，高温抗折强度、抗热震性、抗渣侵蚀性均明显提高。此方法可以借鉴用在透气砖上进行试验。

2.2.2颗粒级配对弥散式透气砖性能的影响

颗粒级配/形貌直接决定着弥散式透气砖中贯通气孔的分布均匀程度以及气孔的大小，对弥散式透气砖性能有着重要的影响。

丁钰等研究了以板状刚玉粗颗粒(1~0.5mm)、中颗粒(0.5~0.3mm)、白刚玉细粉(≤0.074mm),以及活性氧化铝微粉为原料，其质量比为57:29:12,采用黏土为结合剂时，生产的弥散式透气砖物理性能最佳。

Xiong等和熊鑫通过对板状刚玉颗粒(1~0.5mm)进行整形处理，发现处理后刚玉颗粒的圆形度较高，堆积密度增大;且随着骨料整形程度的增大，材料的常温性能呈增大趋势;还可以提高多孔透气材料中骨料堆积气孔的结构稳定性。

贾高洋等以电熔白刚玉、广西白泥、氧化铝微粉、氧化铬微粉等为原料，制备了弥散式刚玉质透气砖，研究骨料颗粒级配对弥散式透气砖性能的影响。结果表明：随着0.5~0.3mm白刚玉颗粒加入量的增加，其常温和高温抗折强度逐步增加;当0.5~0.3mm白刚玉颗粒质量分数为10%时，随着1.25~1mm白刚玉颗粒加入量增加，试样的显气孔率、透气度和抗热震性均提高;白刚玉颗粒1.25~1与0.5～0.3mm质量比为30:60时，透气砖材料的综合性能最优。

使用刚玉粒度分布更为精细的号砂代替段砂，通过稳定弥散砖用刚玉颗粒的粒度，达到细化弥散砖内气孔孔径，均匀气孔分布，提高强度等优点，保证透气量的前提下确保透气砖质量的稳定性。

2.3 其他类型透气砖

拼缝式透气砖是利用将有凹槽的陶瓷片拼接后，形成透气通道，利用陶瓷片组合后所产生的微小缝隙缓冲热应力,因此拼缝式透气砖在使用过程中的断层较少，能够保证其透气性。陶瓷片可以为刚玉-莫来石质、刚玉-尖晶石质、铬刚玉-尖晶石质等。目前有厂家生产的拼缝式透气砖已在部分钢厂使用，因其可以减少烧氧次数甚至免烧氧的特点，能够避免现场对透气砖进行热修烧氧产生烟雾而造成环境污染，同时降低了工人的操作强度，赢得钢厂的青睐。

利用钢液对圆孔的润湿原理,相对于狭缝，钢液不易渗入圆形孔内，可将透气砖内部透气通道设计为直通圆形孔，制作直通孔式透气砖，通过控制其渗钢，减少热修时的烧氧程度，以提高透气砖的使用寿命。透气砖内部的直通圆形孔，可以通过三种方式实现：1)在浇注料中置入圆柱状的聚酯条，在经过养护、干燥后进行烧成，预留出直通孔;2)用挤泥成型方式生产内部含10~20个直径为0.1~0.5mm直通微孔的陶瓷管，将4～8根陶瓷管置入透气砖浇注料中@;3)借鉴转炉用透气砖的思路，在透气砖内置入10～40根内径为0.1~0.15mm的细钢管。

为了保证钢包的使用寿命和安全性，综合整体式和分体式透气砖的共同优点，设计“双胞胎”透气砖，即在座砖内部置入两块透气砖，当其中一块透气砖安全可用部分使用完毕后，可倒用另一块透气砖继续使用，同时用修补料对第一块透气砖位置进行封堵，确保“双胞胎”透气砖的安全使用。“双胞胎”透气砖的使用，避免了分体式透气砖的冷装和热换操作，可使得钢包在安全运行的前提下，提高使用寿命。根据这一思路，在“双胞胎”透气砖的基础上继续拓展，国外某钢厂目前在使用“三胞胎”,以后可能还会有“多胞胎”透气砖应用在钢包上。此类透气砖的使用易造成吹氩位置偏移，需利用计算机软件数值仿真模拟或水模拟试验，并对模拟结果进行评判，选择合理布局，确保不会对钢包精炼效果以及其他部位耐材造成影响。

钢包透气砖的发展方向

3.1 添加物对透气砖性能的影响

将纳米粉体或其前驱体引入耐火材料中，既可起到填充作用，又能促进烧结、改变内部结构，可进一步提升耐火材料的性能。可进一步研究纳米ZrO₂、纳米TiO₂等纳米级添加剂对透气砖性能的研究。

3.2 开发环境友好型透气砖

环境友好型透气砖应做到以下几点：1)对环境有污染的原材料需避免或减少使用，如含氧化铬的材料;2)大力发展低温烧成透气砖，减少生产过程中的高温烧成，减少能源浪费的同时降低生产成本;3)透气砖应尽量避免或减少烧氧，减少对环境的污染。

3.3 设备对透气砖性能的影响

采用智能自动化设备生产透气砖，尽最大可能减少人为造成的不确定因素;采用除尘设备、密封的高速混砂设备，防止粉尘污染确保物料的均匀性;对养护窑、干燥窑以及高温烧成窑等均采用计算机自动控制，确保窑内各部位条件的统一性，以保证透气砖产品质量的稳定性。

目前，部分炼钢厂在现场安装红外监测设备，通过红外监测设备测量钢包外壳温度，可自动计算出耐火材料残衬厚度，对于存在异常问题会自动报警，钢包可及时下线处理，确保安全运行。

在钢包热修烧氧处设置声光警报装置，热修烧氧时，当达到透气量要求时，声光警报装置会及时提醒热修操作人员停止烧氧。

透气砖良好的使用效果，不仅需要合理的生产配方、生产工艺，同时需要客户现场一系列的密切配合，包括砌筑、养护、烘烤、稳定氩气压力等，才能在保证透气砖安全使用的前提下争取高寿命。

结语与展望

阐述了透气砖的研究现状，提出了改善透气砖性能的措施，指出透气砖的发展方向：1)研究纳米材料及非氧化物等添加剂对透气砖性能的影响;2)开发环境友好型透气砖;3)优化透气砖生产方案的同时配合先进的生产设备，可使得透气砖高寿命的同时确保安全运行。

结合新技术、生产过程、现场使用及操作等多方面因素，生产出高品质的透气砖，以提高钢铁的质量，降低冶炼成本，推动钢铁行业的高质量发展。

文章来源：耐火材料