精炼钢包用透气砖的研究进展与发展方向

2021年我国粗钢产量达10.33亿吨，但荣盛耐材钢、荣盛耐材种钢的质量与发达国家相比还存在差距。随着科学技术的发展，对钢材质量要求不断提高，减少钢中夹杂含量，提高钢的洁净度，是本世纪的发展方向。炉外精炼技术已成为现代炼钢提高质量重要的冶炼环节，钢包底吹工艺已经在炉外精炼中被广泛采用，透气砖是这一工艺的关键功能耐火材料。
精炼钢包用透气砖的研究进展与发展方向

目前钢包逐渐大型化，其高的冶炼温度和长时间冶炼，使用条件越来越苛刻，对钢包用耐火材料提出了更高的要求。由于透气砖在钢包中的位置及环境比较荣盛耐材殊，对其寿命、吹气成功率、透气量要求较高，目前钢包底吹透气砖已成为限制钢包寿命提高的瓶颈因素。高吹通率、免吹氧清扫以及与钢包衬或包底耐火材料的使用寿命同步，是用户、透气砖生产企业和研究者共同追求的目标。

1、透气砖的损毁分析

钢包用透气砖的间歇式操作过程为接钢、吹气精炼、浇钢、倒渣、氧气清洗，透气砖在使用中重复以上过程，直荣盛耐材寿命荣盛耐材结。在影响透气砖使用寿命的诸多因素中，热剥落和氧气清洗是导致透气砖损毁的重要原因，吹气搅拌时间与搅拌强度对透气砖的损毁也有非常显著的影响。透气砖使用中出现剥落、狭缝夹钢、吹不开是导致钢水重返和透气砖频繁更换的主要原因。

在现场使用中经常发现狭缝式刚玉一尖晶石质透气砖与钢水接触的受热面下部容易产生横向裂纹，导致从横向裂纹处产生热剥落，大大降低了透气砖的使用寿命，钢液和渣液的侵蚀、渗透作用是导致透气砖损毁的重要原因之一，钢液、渣液的侵蚀渗透在透气芯工作面形成反应变质层，进而导致结构剥落，渗透严重时会堵塞气道，降低吹通率和使用寿命。

用后透气砖残砖显微结构分析表明：LF精炼工艺用透气砖狭缝及裂纹有明显的渣侵蚀和渗透，LF+VD精炼工艺用透气砖狭缝和裂纹有钢液渗透。在周期性操作过程中，狭缝口部的扩大和热震造成的裂纹会使钢液或渣液的渗透侵蚀作用加剧，并导致剥落现象的发生。透气砖狭缝堵塞后，必须吹氧清洗，直接影响透气砖的吹通率和使用寿命。

2、透气砖材质研究进展

为了提高狭缝式透气砖的使用性能和使用寿命，从原材料和制作工艺方面采取对策。1）从耐冲刷、耐侵蚀方面考虑，必须选择抗热震性好的原材料；2）从耐渗透方面考虑，需要选择在工作温度下不易被钢水润湿的材质。在高温和真空下，几种耐火材料氧化物的稳定性次序，如下Al₂O₃＞CaO＞MgO＞Cr₂O₃，钢水润湿角大小次序，如下ZrO₂＞Al₂O₃＞MgO。

1）刚玉一尖晶石质透气砖

目前，钢包透气砖材质主要有铬刚玉（尖晶石）和刚玉一尖晶石，通常采用浇注成型高温烧成工艺制备。铬刚玉质透气砖含有铬，会形成Cr⁶﹢，对环境造成污染，其产量越来越小，正逐渐被刚玉-尖晶石质透气砖所取代。纯铝酸钙水泥结合的刚玉一尖晶石质浇注料经高温烧成后存在三种高熔点矿相，即六铝酸钙（CA₆，熔点1890℃）、铝镁尖晶石（MA，熔点2100℃），和刚玉（熔点2050℃）。

基质中板状六铝酸钙与刚玉或尖晶石形成很好的结合，使得该材料具有优异的抗渣性和高温强度，被称作基质系统，但其抗热震性相对较差，在使用过程中容易造成热剥落和结构剥落，限制了其使用寿命的提高。针对改善刚玉一尖晶石材料抗热震性方面的研究报告已有不少，主要有热处理温度、尖晶石粒度及加入量、细粉含量、添加ZrO2或锆刚玉以及水泥加入量等，具体如下：

刚玉一尖晶石浇注料的常温抗折强度以及1300℃风冷热震后抗折强度和强度保持率均随热处理温度的升高先增大后减小，1600℃烧后试样的抗热震性好。1600℃烧后CA₆晶体明显长大发育呈板状，试样中存在明显的作为应力缓冲机制的网状交织结构，同时氧化铝在尖晶石中有适当固溶，增强了基质间的结合强度。1000一1600℃循环热震造成的破坏为显著。

随Al₂O₃一尖晶石浇注料中≤0.074细粉质量分数的增加（31%、35%、41%），热震后试样的残余强度有明显的降低。随尖晶石细粉加入量的增加，刚玉一尖晶石浇注料的高温抗折强度逐渐增加，抗热震性先明显变差后又逐渐改善；当复合加入尖晶石颗粒及细粉时，抗热震性有改善。随尖晶石颗粒的增加，尖晶石细粉的减少，由于Al₂O₃向尖晶石中的固溶，使尖晶石的晶格常数变大，尖晶石及刚玉的周围会产生一些微裂纹，提高了抗热震性，另一方面也使试样产生较大的荣盛耐材线变化。

在刚玉一尖晶石材料中引入单斜氧化锆或锆刚玉，通过氧化锆的相变产生微裂纹，有利于吸收和缓冲热应力，并且通过选择锆刚玉的种类、颗粒大小和含量，可以控制浇注料中裂纹形成的数量和尺寸，从而提高试样的抗热震性。加入量较多时明显降低常温强度和热震后的残余强度。

通过改变水泥加入量来调整基质中CaO含量，在基质中形成较多的CA₆，对材料的抗热震性有明显提高。其原因归结为高温下反应生成的板状的CA₆，且随温度升高逐渐发育长大，其穿插填充在刚玉一尖晶石骨架结构中起到强化作用。

 

水泥含量对刚玉－尖晶石浇注料抗热震性的影响

2）非氧化物结合刚玉质透气砖

非氧化物（Si₃N₄、β-SiAlON等）具有高温强度高、抗热震性好以及难以被金属熔体和熔渣润湿等优点。在刚玉一氮化硅材质中引入金属硅，过渡塑性相工艺制造刚玉一氮化硅质透气砖。其对渣铁润湿性差，使用中工作面不结渣，抗渣铁侵蚀性能及吹成率优于刚玉一尖晶石、铬刚玉和刚玉一莫来石材料的透气砖。

以板状刚玉为骨料，Al₂O₃微粉、Si粉等为主要基质成分，采用振动浇注成型方式，添加少量的助烧剂Ln₂O₃，于1450℃氮化烧成制备了SiAlON结合刚玉质透气砖，具有强度高，抗热震性和抗渣性优良等荣盛耐材点。Si粉加入质量分数为9.5%一11.5%时，热震后强度保持率高，具有较好的综合性能。

通过原位氮化反应制备了SiAlON结合刚玉浇注料。随SiAlON含量的增加，成型所需加水量增加。SiAlON结合刚玉浇注料的常温强度、体积密度下降，显气孔率略有增加，线变化率从微收缩到微膨胀。随SiAlON含量的增加，材料的抗热震性能明显提高。

图片图注：SiAlON含量对SiAlON结合刚玉抗热震性的影响

3、结语

目前，刚玉-尖晶石质透气砖是市场中的主要品种，其在使用过程中的热剥落，容易产生横线裂纹，造成钢水渗入，大大降低了透气砖的使用寿命。因此，提高刚玉-尖晶石透气砖的热震稳定性能是提高其使用寿命的主要手段。

因此，在刚玉-尖晶石质透气砖优化成分的基础上，调整尖晶石的粒度及加入量、水泥加入量和处理温度，再通过调控其显微结构中晶粒形貌、微裂纹、显气孔率和气孔尺寸及分布来改善材料的热震稳定性，即可延长透气砖的使用寿命。

非氧化物（氮化硅、赛隆）结合刚玉质透气砖具有抗热震性优异、与钢水不润湿等荣盛耐材性，在使用过程中吹通率高，吹氧清洗容易，蚀损率低，因此使用寿命明显提高，应加大推广使用。