在鋼包底部安裝透氣磚，往鋼包內(nèi)吹入惰性氣體，對鋼液攪拌，促使鋼液中夾雜物上浮至渣層，均勻鋼液成分和溫度。因此，透氣磚是鋼包精煉的重要功能元件。隨著鋼材質(zhì)量、純凈度等各項指標(biāo)的要求越來越高，透氣磚也凸顯出其重要的作用，同時也決定著煉鋼的生產(chǎn)節(jié)奏及煉鋼成本。

近年來，針對狹縫式透氣磚，較多學(xué)者研究了尖晶石微粉、熔融鋯剛玉、TiO?以及鎂砂等添加劑對透氣磚性能的影響，改變其顯微結(jié)構(gòu)，通過微裂紋增韌、相變增韌等機制提高透氣磚的抗熱震性。針對彌散式透氣磚，研究了添加物、顆粒組成等對其性能的影響，對提高彌散式透氣磚的性能提供了理論基礎(chǔ);通過有限單元法進行模擬，詳細分析了透氣磚內(nèi)部熱應(yīng)力的產(chǎn)生，通過數(shù)學(xué)模擬對透氣磚吹氬過程中其內(nèi)部進行熱應(yīng)力分析,給透氣磚研究工作者提供了如何降低透氣磚內(nèi)部熱應(yīng)力的理論依據(jù)，以提高透氣磚的使用壽命。目前，透氣磚成為進一步提高鋼包使用壽命和安全運行的瓶頸，需做更深層次的改進。為此，綜述了鋼包用透氣磚的研究現(xiàn)狀，指出其未來的發(fā)展方向。

鋼包用透氣磚的性能要求

1.1 抗熱震性

鋼包在使用過程中透氣磚經(jīng)受頻繁的熱震作用，因此，抗熱震性是透氣磚最主要的性能之一。透氣磚的工作面與1600℃鋼液直接接觸，與此同時，從其尾部吹入接近常溫的氬氣，在透氣磚內(nèi)部形成較大的溫度梯度，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力作用下，容易導(dǎo)致透氣磚工作面發(fā)生斷層、剝落、開裂等情況，從而影響其使用效果。

1.2 抗渣侵蝕性

鋼包用透氣磚要經(jīng)受鋼渣的侵蝕作用，特別是透氣磚的使用前期，其工作面會與熔渣進行接觸，熔渣中CaO、SiO等成分會與透氣磚中的Al?O?反應(yīng)生成CaO·Al?O?、3CaO·Al?O?、12CaO·7Al?O?、CaO·AlO?O?·2SiO?、2CaO·Al?O?·SiO2等低熔點物。低熔點物可能造成透氣磚工作面透氣通道的堵塞;此外，低熔點物與高溫鋼液接觸時會被沖刷掉，造成透氣磚的熔損，導(dǎo)致其使用壽命降低。

1.3 抗沖刷性

在精煉過程中，氬氣通過透氣磚進入鋼包內(nèi)部對鋼液進行攪拌，鋼液的高速流動與氣流形成“卷流”，對透氣磚的沖刷作用較強，會加劇透氣磚的熔損。因此要求透氣磚具有較強的耐剝落性、高溫強度和耐高溫性能，以保證其抗沖刷性能。

1.4 耐燒氧性

鋼包在連鑄平臺澆鋼完畢后，為保證透氣磚的透氣性，需要對透氣磚工作面的殘鋼和殘渣進行燒氧處理，殘鋼遇到氧氣氧化以及氧管燃燒所產(chǎn)生的熱量，熔化其工作面的殘鋼和殘渣，達到清理透氣磚工作面的目的。燒氧時氧槍端頭溫度極高，可達2000℃以上，高于透氣磚的耐火度，燒氧過程中透氣磚工作面易產(chǎn)生低熔點相，需嚴(yán)格把控?zé)?，防止出現(xiàn)過度燒氧損傷透氣磚。因此透氣磚需保證高純度原料，提高耐火度，以提高耐燒氧性。

鋼包用透氣磚的種類及性能

針對鋼包用透氣磚，常見的透氣磚有狹縫式、彌散式等，存在透氣通道堵塞、侵蝕剝落以及高溫強度低等問題，需深入探尋切實可行的改進措施，力求實現(xiàn)透氣磚性能的顯著提升，從而更好地滿足鋼鐵精煉工藝的嚴(yán)苛要求。

2.1 狹縫式透氣磚

通過在澆注料中預(yù)埋可燃的聚酯條，高溫下被氧化后形成透氣通道，視為狹縫式透氣磚，狹縫式透氣磚目前依然是國內(nèi)外鋼包用透氣磚的主流產(chǎn)品。

2.1.1狹縫對狹縫式透氣磚性能的影響

劉輝敏等利用有限單元法，對透氣磚使用過程中其內(nèi)部熱應(yīng)力的分布進行模擬，結(jié)果表明：透氣磚中心為等應(yīng)力區(qū)，高應(yīng)力區(qū)位于狹縫周圍;狹縫徑向位置對透氣磚最大熱應(yīng)力影響不大;當(dāng)狹縫偏轉(zhuǎn)角度為30°~45°時，有利于降低透氣磚內(nèi)部的熱應(yīng)力。

劉輝敏等研究了狹縫尺寸和數(shù)量對透氣磚熱應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：縮短狹縫長度能夠降低透氣磚的整體熱應(yīng)力;適當(dāng)增大狹縫寬度可以降低其端部熱應(yīng)力;增加狹縫數(shù)量可以降低其端部熱應(yīng)力，但同時會造成透氣磚其他區(qū)域熱應(yīng)力的增大。

劉輝敏等研究了狹縫位置對透氣磚熱態(tài)工作過程中熱應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：透氣磚內(nèi)部熱應(yīng)力分布不均，狹縫端部及其周圍均為高應(yīng)力區(qū);狹縫端部與透氣磚邊緣距離大于5mm時，狹縫徑向位置對熱應(yīng)力影響不大;狹縫沿徑向呈輻射狀分布較為合理;透氣磚直徑以140mm左右為宜，熱應(yīng)力較小。

薛軍柱等將透氣磚狹縫設(shè)計為圓弧段狀環(huán)形結(jié)構(gòu)，圓弧狀縫隙的分布1~3環(huán)，認(rèn)為此種透氣狹縫的設(shè)計，能夠有效緩解使用過程中的熱應(yīng)力，減少透氣磚斷磚情況的發(fā)生。

王龍等將透氣磚狹縫設(shè)計為環(huán)形，內(nèi)外環(huán)之間部分區(qū)域澆注料貫通連接，保證內(nèi)外環(huán)的緊密結(jié)合，試驗期間較低吹開壓力下即可實現(xiàn)強攪拌;同時與普通狹縫式透氣磚相比較壽命可提高3～4次，試驗過程中實現(xiàn)了100%吹穿率。

通過對狹縫式透氣磚狹縫的合理設(shè)計和布局，在一定程度上能夠降低透氣磚在吹氬過程中內(nèi)部的熱應(yīng)力，提高抗熱震性，以提高其使用壽命。

2.1.2添加劑對狹縫式透氣磚性能的影響

有學(xué)者研究在透氣磚原材料中加入氧化鎂，高溫下氧化鎂與透氣磚中的氧化鋁微粉或剛玉細粉生成原位尖晶石，因原位尖晶石的膨脹作用，在原位尖晶石的周圍會產(chǎn)生微裂紋，降低主裂紋擴展的能量。根據(jù)微裂紋增韌原理，原位尖晶石的生成有利于提高抗熱震性;但過量氧化鎂的加入，使得微裂紋發(fā)展成為破壞性裂紋，降低材料強度的同時抗熱震性減弱。

ZrO?隨溫度變化發(fā)生相變，且此相變?yōu)榭赡孢^程，誘發(fā)基質(zhì)產(chǎn)生微裂紋，在ZrO?和剛玉相交接處產(chǎn)生微裂紋，從而提高透氣磚的抗熱震性，但其常溫和高溫強度會略有降低。高翔等將納米ZrO?引入到氧化鋁材料中，在燒結(jié)過程中納米ZrO?顆粒擴散速率相對基體Al?O?顆粒較小，ZrO?主要存在于氧化鋁晶體內(nèi)部和晶界處，位于晶界的ZrO?顆粒由于其對裂紋及位錯的“釘扎”作用而使晶界強化;同時因微裂紋增韌作用，對氧化鋁質(zhì)材料的抗熱震性起到加強作用。納米ZrO?可考慮加入透氣磚用料中，理論上會有積極的使用效果。

因鈦酸鋁(Al?O?·TiO?)的熱膨脹系數(shù)較小，接近于零，且鈦酸鋁微觀結(jié)構(gòu)上的差異使其各晶軸方向的熱膨脹率不同，降溫過程中易產(chǎn)生晶界微裂紋，起到增韌的作用。TiO?的引入能夠促進剛玉-尖晶石質(zhì)澆注料的燒結(jié)，促使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的CA?生成，能提高剛玉-尖晶石質(zhì)透氣磚的抗熱震性。有學(xué)者研究以板狀剛玉、活性氧化鋁微粉、鋁酸鈣水泥為主要原料，制備剛玉澆注料，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為0.5%的納米TiO?,能夠加速澆注料中CA?的生成，有利于澆注料中溫強度的提升，高溫?zé)蟪尸F(xiàn)微膨脹，抗熱震性提高;若加入過量，體系內(nèi)會生成較多的液相，提高強度的同時，抗熱震性降低。

將陶瓷材料與金屬進行復(fù)合，使其既有金屬的韌性，又有陶瓷材料的高溫強度、高溫抗氧化、抗腐蝕性能，將二者優(yōu)點結(jié)合的材料，稱為金屬陶瓷材料。徐平坤提出將Al?O?、Al(OH)?、Cr、Cr?O?按一定比例混合，同時加入適量的Mo,中溫到室溫之間風(fēng)冷的熱震次數(shù)可提高至1000次以上;缺點是其高溫蠕變性能變差。劉紅康將金屬鋁粉與氧化鉻細粉混合，在密封、絕熱的環(huán)境中，采用鋁熱反應(yīng)，生成金屬Cr與Al?O?，再采用表面氧化方式，表面金屬Cr部分氧化為Cr?O并部分固熔到氧化鋁中，保證了金屬Cr和氧化鋁顆粒的緊密結(jié)合，所生產(chǎn)的剛玉質(zhì)透氣磚熱震后，其抗折強度保持率可提高20%~30%，常溫抗折強度可達到22.1MPa。同時也有人研究金屬鎢、金屬鐵對氧化鋁質(zhì)材料性能的影響，均對其高溫性能有一定提高，應(yīng)根據(jù)具體需要做出選擇。

2.2 彌散式透氣磚

將物料通過顆粒不緊密堆積形成貫通氣孔，并以其為透氣通道，所生產(chǎn)的透氣磚視為彌散式透氣磚。薛正良等研究了彌散式透氣磚在鋼液精煉過程中可產(chǎn)生直徑較小的氣泡，以提高氣泡對夾雜物顆粒的俘獲概率，有利于潔凈鋼的生產(chǎn)，但其缺點是不耐燒氧、強度低。

2.2.1添加劑對彌散式透氣磚性能的影響

邱鑫等研究了MgCO3對彌散式透氣磚的影響，MgCO3在約350℃開始分解，900℃分解完全，生成MgO和CO?，繼續(xù)升溫過程中MgO與Al?O?原位反應(yīng)生成尖晶石，使得常溫性能及抗熱震性得到提高;但過多的MgCO加入，產(chǎn)生過多CO?氣體，導(dǎo)致材料的顯氣孔率增加以及顆粒之間結(jié)合程度降低;此外，過量的MgO，高溫?zé)髸?dǎo)致低熔點相的含量增加，造成試樣抗熱震性降低。

邱鑫研究了CaCO?微粉對剛玉質(zhì)彌散式透氣磚性能的影響，高溫下CaCO?分解成高活性的CaO，CaO與基質(zhì)中剛玉細粉或者活性α-Al?O?微粉反應(yīng)生成CA?，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的CA?能夠強化基質(zhì)間的結(jié)合程度，提高試樣的抗熱震性能。

劉馨等研究了鋯英石加入量對彌散式透氣磚的影響，結(jié)果表明，當(dāng)鋯英石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，高溫下生成低熔點相及莫來石相能夠促進基質(zhì)中顆粒之間的結(jié)合程度，進而提高試樣的強度和透氣度，綜合性能較優(yōu)。

Xiong等研究了La?O?對彌散式透氣磚性能的影響，La?O?與Al?O?反應(yīng)原位生成六鋁酸，起到活化燒結(jié)，細化氧化鋁晶粒等作用，使得裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)或分支，提高剛玉質(zhì)透氣材料的抗熱震性能;適當(dāng)增大骨料堆積氣孔的尺寸和相對體積分?jǐn)?shù)，可改善彌散式透氣磚的綜合性能。

藍振華等研究了將適量ZrB?引入到透氣磚中，因ZrB?具有極好的熱導(dǎo)率，可減少透氣磚的溫度梯度，從而改善材料的抗熱震性。將ZrB?以ZrB?-剛玉復(fù)合粉的形式加入，成型后埋碳燒結(jié)生產(chǎn)透氣磚，用于鋁熔液的冶煉，未發(fā)生透氣通道堵塞情況，使用壽命超出預(yù)期，此透氣磚可考慮在鋼包上進行試驗。

劉晨輝等研究了以板狀剛玉、電熔白剛玉粉、硅粉、金屬鋁粉和α-Al?O?微粉等為原料，經(jīng)1500℃保溫3h氮化燒成制備的β-SiAlON結(jié)合剛玉材料;隨著β-SiAlON含量的增加，剛玉材料的顯氣孔率逐漸減小，高溫抗折強度、抗熱震性、抗渣侵蝕性均明顯提高。此方法可以借鑒用在透氣磚上進行試驗。

2.2.2顆粒級配對彌散式透氣磚性能的影響

顆粒級配/形貌直接決定著彌散式透氣磚中貫通氣孔的分布均勻程度以及氣孔的大小，對彌散式透氣磚性能有著重要的影響。

丁鈺等研究了以板狀剛玉粗顆粒(1~0.5mm)、中顆粒(0.5~0.3mm)、白剛玉細粉(≤0.074mm),以及活性氧化鋁微粉為原料，其質(zhì)量比為57:29:12,采用黏土為結(jié)合劑時，生產(chǎn)的彌散式透氣磚物理性能最佳。

Xiong等和熊鑫通過對板狀剛玉顆粒(1~0.5mm)進行整形處理，發(fā)現(xiàn)處理后剛玉顆粒的圓形度較高，堆積密度增大;且隨著骨料整形程度的增大，材料的常溫性能呈增大趨勢;還可以提高多孔透氣材料中骨料堆積氣孔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

賈高洋等以電熔白剛玉、廣西白泥、氧化鋁微粉、氧化鉻微粉等為原料，制備了彌散式剛玉質(zhì)透氣磚，研究骨料顆粒級配對彌散式透氣磚性能的影響。結(jié)果表明：隨著0.5~0.3mm白剛玉顆粒加入量的增加，其常溫和高溫抗折強度逐步增加;當(dāng)0.5~0.3mm白剛玉顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，隨著1.25~1mm白剛玉顆粒加入量增加，試樣的顯氣孔率、透氣度和抗熱震性均提高;白剛玉顆粒1.25~1與0.5～0.3mm質(zhì)量比為30:60時，透氣磚材料的綜合性能最優(yōu)。

使用剛玉粒度分布更為精細的號砂代替段砂，通過穩(wěn)定彌散磚用剛玉顆粒的粒度，達到細化彌散磚內(nèi)氣孔孔徑，均勻氣孔分布，提高強度等優(yōu)點，保證透氣量的前提下確保透氣磚質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2.3 其他類型透氣磚

拼縫式透氣磚是利用將有凹槽的陶瓷片拼接后，形成透氣通道，利用陶瓷片組合后所產(chǎn)生的微小縫隙緩沖熱應(yīng)力,因此拼縫式透氣磚在使用過程中的斷層較少，能夠保證其透氣性。陶瓷片可以為剛玉-莫來石質(zhì)、剛玉-尖晶石質(zhì)、鉻剛玉-尖晶石質(zhì)等。目前有廠家生產(chǎn)的拼縫式透氣磚已在部分鋼廠使用，因其可以減少燒氧次數(shù)甚至免燒氧的特點，能夠避免現(xiàn)場對透氣磚進行熱修燒氧產(chǎn)生煙霧而造成環(huán)境污染，同時降低了工人的操作強度，贏得鋼廠的青睞。

利用鋼液對圓孔的潤濕原理,相對于狹縫，鋼液不易滲入圓形孔內(nèi)，可將透氣磚內(nèi)部透氣通道設(shè)計為直通圓形孔，制作直通孔式透氣磚，通過控制其滲鋼，減少熱修時的燒氧程度，以提高透氣磚的使用壽命。透氣磚內(nèi)部的直通圓形孔，可以通過三種方式實現(xiàn)：1)在澆注料中置入圓柱狀的聚酯條，在經(jīng)過養(yǎng)護、干燥后進行燒成，預(yù)留出直通孔;2)用擠泥成型方式生產(chǎn)內(nèi)部含10~20個直徑為0.1~0.5mm直通微孔的陶瓷管，將4～8根陶瓷管置入透氣磚澆注料中@;3)借鑒轉(zhuǎn)爐用透氣磚的思路，在透氣磚內(nèi)置入10～40根內(nèi)徑為0.1~0.15mm的細鋼管。

為了保證鋼包的使用壽命和安全性，綜合整體式和分體式透氣磚的共同優(yōu)點，設(shè)計“雙胞胎”透氣磚，即在座磚內(nèi)部置入兩塊透氣磚，當(dāng)其中一塊透氣磚安全可用部分使用完畢后，可倒用另一塊透氣磚繼續(xù)使用，同時用修補料對第一塊透氣磚位置進行封堵，確?！半p胞胎”透氣磚的安全使用?！半p胞胎”透氣磚的使用，避免了分體式透氣磚的冷裝和熱換操作，可使得鋼包在安全運行的前提下，提高使用壽命。根據(jù)這一思路，在“雙胞胎”透氣磚的基礎(chǔ)上繼續(xù)拓展，國外某鋼廠目前在使用“三胞胎”,以后可能還會有“多胞胎”透氣磚應(yīng)用在鋼包上。此類透氣磚的使用易造成吹氬位置偏移，需利用計算機軟件數(shù)值仿真模擬或水模擬試驗，并對模擬結(jié)果進行評判，選擇合理布局，確保不會對鋼包精煉效果以及其他部位耐材造成影響。

鋼包透氣磚的發(fā)展方向

3.1 添加物對透氣磚性能的影響

將納米粉體或其前驅(qū)體引入耐火材料中，既可起到填充作用，又能促進燒結(jié)、改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可進一步提升耐火材料的性能?？蛇M一步研究納米ZrO?、納米TiO?等納米級添加劑對透氣磚性能的研究。

3.2 開發(fā)環(huán)境友好型透氣磚

環(huán)境友好型透氣磚應(yīng)做到以下幾點：1)對環(huán)境有污染的原材料需避免或減少使用，如含氧化鉻的材料;2)大力發(fā)展低溫?zé)赏笟獯u，減少生產(chǎn)過程中的高溫?zé)?，減少能源浪費的同時降低生產(chǎn)成本;3)透氣磚應(yīng)盡量避免或減少燒氧，減少對環(huán)境的污染。

3.3 設(shè)備對透氣磚性能的影響

采用智能自動化設(shè)備生產(chǎn)透氣磚，盡最大可能減少人為造成的不確定因素;采用除塵設(shè)備、密封的高速混砂設(shè)備，防止粉塵污染確保物料的均勻性;對養(yǎng)護窯、干燥窯以及高溫?zé)筛G等均采用計算機自動控制，確保窯內(nèi)各部位條件的統(tǒng)一性，以保證透氣磚產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

目前，部分煉鋼廠在現(xiàn)場安裝紅外監(jiān)測設(shè)備，通過紅外監(jiān)測設(shè)備測量鋼包外殼溫度，可自動計算出耐火材料殘襯厚度，對于存在異常問題會自動報警，鋼包可及時下線處理，確保安全運行。

在鋼包熱修燒氧處設(shè)置聲光警報裝置，熱修燒氧時，當(dāng)達到透氣量要求時，聲光警報裝置會及時提醒熱修操作人員停止燒氧。

透氣磚良好的使用效果，不僅需要合理的生產(chǎn)配方、生產(chǎn)工藝，同時需要客戶現(xiàn)場一系列的密切配合，包括砌筑、養(yǎng)護、烘烤、穩(wěn)定氬氣壓力等，才能在保證透氣磚安全使用的前提下爭取高壽命。

結(jié)語與展望

闡述了透氣磚的研究現(xiàn)狀，提出了改善透氣磚性能的措施，指出透氣磚的發(fā)展方向：1)研究納米材料及非氧化物等添加劑對透氣磚性能的影響;2)開發(fā)環(huán)境友好型透氣磚;3)優(yōu)化透氣磚生產(chǎn)方案的同時配合先進的生產(chǎn)設(shè)備，可使得透氣磚高壽命的同時確保安全運行。

結(jié)合新技術(shù)、生產(chǎn)過程、現(xiàn)場使用及操作等多方面因素，生產(chǎn)出高品質(zhì)的透氣磚，以提高鋼鐵的質(zhì)量，降低冶煉成本，推動鋼鐵行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

文章來源：耐火材料