2021年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量達(dá)10.33億噸，占全世界粗鋼產(chǎn)量的56%，為世界第一產(chǎn)鋼大國(guó)。但優(yōu)質(zhì)鋼、特種鋼的質(zhì)量與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在差距。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋼材質(zhì)量要求不斷提高，減少鋼中夾雜含量，提高鋼的潔凈度，是本世紀(jì)的發(fā)展方向。爐外精煉技術(shù)已成為現(xiàn)代煉鋼提高質(zhì)量最重要的冶煉環(huán)節(jié)，鋼包底吹工藝已經(jīng)在爐外精煉中被廣泛采用，透氣磚是這一工藝的關(guān)鍵功能耐火材料。
圖注：透氣磚
目前鋼包逐漸大型化，其高的冶煉溫度和長(zhǎng)時(shí)間冶煉，使用條件越來越苛刻，對(duì)鋼包用耐火材料提出了更高的要求。由于透氣磚在鋼包中的位置及環(huán)境比較特殊，對(duì)其壽命、吹氣成功率、透氣量要求較高，目前鋼包底吹透氣磚已成為限制鋼包壽命提高的瓶頸因素。高吹通率、免吹氧清掃以及與鋼包襯或包底耐火材料的使用壽命同步，是用戶、透氣磚生產(chǎn)企業(yè)和研究者共同追求的目標(biāo)。
1、透氣磚的損毀分析
鋼包用透氣磚的間歇式操作過程為接鋼、吹氣精煉、澆鋼、倒渣、氧氣清洗，透氣磚在使用中重復(fù)以上過程，直至壽命終結(jié)。在影響透氣磚使用壽命的諸多因素中，熱剝落和氧氣清洗是導(dǎo)致透氣磚損毀的重要原因，吹氣攪拌時(shí)間與攪拌強(qiáng)度對(duì)透氣磚的損毀也有非常顯著的影響。透氣磚使用中出現(xiàn)剝落、狹縫夾鋼、吹不開是導(dǎo)致鋼水重返和透氣磚頻繁更換的主要原因。
在現(xiàn)場(chǎng)使用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)狹縫式剛玉一尖晶石質(zhì)透氣磚與鋼水接觸的受熱面下部容易產(chǎn)生橫向裂紋，導(dǎo)致從橫向裂紋處產(chǎn)生熱剝落，大大降低了透氣磚的使用壽命，鋼液和渣液的侵蝕、滲透作用是導(dǎo)致透氣磚損毀的重要原因之一，鋼液、渣液的侵蝕滲透在透氣芯工作面形成反應(yīng)變質(zhì)層，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剝落，滲透嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞氣道，降低吹通率和使用壽命。
用后透氣磚殘磚顯微結(jié)構(gòu)分析表明：LF精煉工藝用透氣磚狹縫及裂紋有明顯的渣侵蝕和滲透，LF+VD精煉工藝用透氣磚狹縫和裂紋有鋼液滲透。在周期性操作過程中，狹縫口部的擴(kuò)大和熱震造成的裂紋會(huì)使鋼液或渣液的滲透侵蝕作用加劇，并導(dǎo)致剝落現(xiàn)象的發(fā)生。透氣磚狹縫堵塞后，必須吹氧清洗，直接影響透氣磚的吹通率和使用壽命。
2、透氣磚材質(zhì)研究進(jìn)展
為了提高狹縫式透氣磚的使用性能和使用壽命，從原材料和制作工藝方面采取對(duì)策。1）從耐沖刷、耐侵蝕方面考慮，必須選擇抗熱震性好的原材料；2）從耐滲透方面考慮，需要選擇在工作溫度下不易被鋼水潤(rùn)濕的材質(zhì)。在高溫和真空下，幾種耐火材料氧化物的穩(wěn)定性次序，如下Al?O?＞CaO＞MgO＞Cr?O?，鋼水潤(rùn)濕角大小次序，如下ZrO?＞Al?O?＞MgO。
1）剛玉一尖晶石質(zhì)透氣磚
目前，鋼包透氣磚材質(zhì)主要有鉻剛玉（尖晶石）和剛玉一尖晶石，通常采用澆注成型高溫?zé)晒に囍苽洹ｃt剛玉質(zhì)透氣磚含有鉻，會(huì)形成Cr?﹢，對(duì)環(huán)境造成污染，其產(chǎn)量越來越小，正逐漸被剛玉-尖晶石質(zhì)透氣磚所取代。純鋁酸鈣水泥結(jié)合的剛玉一尖晶石質(zhì)澆注料經(jīng)高溫?zé)珊蟠嬖谌N高熔點(diǎn)礦相，即六鋁酸鈣（CA?，熔點(diǎn)1890℃）、鋁鎂尖晶石（MA，熔點(diǎn)2100℃），和剛玉（熔點(diǎn)2050℃）。
基質(zhì)中板狀六鋁酸鈣與剛玉或尖晶石形成很好的結(jié)合，使得該材料具有優(yōu)異的抗渣性和高溫強(qiáng)度，被稱作最佳基質(zhì)系統(tǒng)，但其抗熱震性相對(duì)較差，在使用過程中容易造成熱剝落和結(jié)構(gòu)剝落，限制了其使用壽命的提高。針對(duì)改善剛玉一尖晶石材料抗熱震性方面的研究報(bào)告已有不少，主要有熱處理溫度、尖晶石粒度及加入量、細(xì)粉含量、添加ZrO2或鋯剛玉以及水泥加入量等，具體如下：
剛玉一尖晶石澆注料的常溫抗折強(qiáng)度以及1300℃風(fēng)冷熱震后抗折強(qiáng)度和強(qiáng)度保持率均隨熱處理溫度的升高先增大后減小，1600℃燒后試樣的抗熱震性最好。1600℃燒后CA?晶體明顯長(zhǎng)大發(fā)育呈板狀，試樣中存在明顯的作為應(yīng)力緩沖機(jī)制的網(wǎng)狀交織結(jié)構(gòu)，同時(shí)氧化鋁在尖晶石中有適當(dāng)固溶，增強(qiáng)了基質(zhì)間的結(jié)合強(qiáng)度。1000一1600℃循環(huán)熱震造成的破壞最為顯著。
隨Al?O?一尖晶石澆注料中≤0.074細(xì)粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加（31%、35%、41%），熱震后試樣的殘余強(qiáng)度有明顯的降低。隨尖晶石細(xì)粉加入量的增加，剛玉一尖晶石澆注料的高溫抗折強(qiáng)度逐漸增加，抗熱震性先明顯變差后又逐漸改善；當(dāng)復(fù)合加入尖晶石顆粒及細(xì)粉時(shí)，抗熱震性有改善。隨尖晶石顆粒的增加，尖晶石細(xì)粉的減少，由于Al?O?向尖晶石中的固溶，使尖晶石的晶格常數(shù)變大，尖晶石及剛玉的周圍會(huì)產(chǎn)生一些微裂紋，提高了抗熱震性，另一方面也使試樣產(chǎn)生較大的永久線變化。
在剛玉一尖晶石材料中引入單斜氧化鋯或鋯剛玉，通過氧化鋯的相變產(chǎn)生微裂紋，有利于吸收和緩沖熱應(yīng)力，并且通過選擇鋯剛玉的種類、顆粒大小和含量，可以控制澆注料中裂紋形成的數(shù)量和尺寸，從而提高試樣的抗熱震性。加入量較多時(shí)明顯降低常溫強(qiáng)度和熱震后的殘余強(qiáng)度。
通過改變水泥加入量來調(diào)整基質(zhì)中CaO含量，在基質(zhì)中形成較多的CA?，對(duì)材料的抗熱震性有明顯提高。其原因歸結(jié)為高溫下反應(yīng)生成的板狀的CA?，且隨溫度升高逐漸發(fā)育長(zhǎng)大，其穿插填充在剛玉一尖晶石骨架結(jié)構(gòu)中起到強(qiáng)化作用。
圖注：水泥含量對(duì)剛玉－尖晶石澆注料抗熱震性的影響
2）非氧化物結(jié)合剛玉質(zhì)透氣磚
非氧化物（Si?N?、β-SiAlON等）具有高溫強(qiáng)度高、抗熱震性好以及難以被金屬熔體和熔渣潤(rùn)濕等優(yōu)點(diǎn)。在剛玉一氮化硅材質(zhì)中引入金屬硅，過渡塑性相工藝制造剛玉一氮化硅質(zhì)透氣磚。其對(duì)渣鐵潤(rùn)濕性差，使用中工作面不結(jié)渣，抗渣鐵侵蝕性能及吹成率優(yōu)于剛玉一尖晶石、鉻剛玉和剛玉一莫來石材料的透氣磚。
以板狀剛玉為骨料，Al?O?微粉、Si粉等為主要基質(zhì)成分，采用振動(dòng)澆注成型方式，添加少量的助燒劑Ln?O?，于1450℃氮化燒成制備了SiAlON結(jié)合剛玉質(zhì)透氣磚，具有強(qiáng)度高，抗熱震性和抗渣性優(yōu)良等特點(diǎn)。Si粉加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.5%一11.5%時(shí)，熱震后強(qiáng)度保持率高，具有較好的綜合性能。
通過原位氮化反應(yīng)制備了SiAlON結(jié)合剛玉澆注料。隨SiAlON含量的增加，成型所需加水量增加。SiAlON結(jié)合剛玉澆注料的常溫強(qiáng)度、體積密度下降，顯氣孔率略有增加，線變化率從微收縮到微膨脹。隨SiAlON含量的增加，材料的抗熱震性能明顯提高。
圖注：SiAlON含量對(duì)SiAlON結(jié)合剛玉抗熱震性的影響
3、結(jié)語
目前，剛玉-尖晶石質(zhì)透氣磚是市場(chǎng)中的主要品種，其在使用過程中的熱剝落，容易產(chǎn)生橫線裂紋，造成鋼水滲入，大大降低了透氣磚的使用壽命。因此，提高剛玉-尖晶石透氣磚的熱震穩(wěn)定性能是提高其使用壽命的主要手段。
因此，在剛玉-尖晶石質(zhì)透氣磚優(yōu)化成分的基礎(chǔ)上，調(diào)整尖晶石的粒度及加入量、水泥加入量和處理溫度，再通過調(diào)控其顯微結(jié)構(gòu)中晶粒形貌、微裂紋、顯氣孔率和氣孔尺寸及分布來改善材料的熱震穩(wěn)定性，即可延長(zhǎng)透氣磚的使用壽命。
非氧化物（氮化硅、賽?。┙Y(jié)合剛玉質(zhì)透氣磚具有抗熱震性優(yōu)異、與鋼水不潤(rùn)濕等特性，在使用過程中吹通率高，吹氧清洗容易，蝕損率低，因此使用壽命明顯提高，應(yīng)加大推廣使用。