透氣磚

透氣磚是一種高壽命節能降耗新產品，結構設計合理，具有良好的熱穩定性、抗沖刷性、耐侵蝕性、和抗滲透性，具吹通率高，操作安全可靠，使用壽命長等特點。

基本介紹

• 中文名：透氣磚
• 外文名：Vent brick
• 類型：高壽命節能降耗新產品
• 特點：良好的熱穩定性、抗沖刷性
• 相關產品：尖晶石質透氣磚
• 學科：冶金工程

介紹

由於人們對鋼材質量的要求越來越高，需要對煉鋼技術和煉鋼工藝進行改善。爐外精煉技術是煉鋼過程中重要的精煉工藝部分，可以調節鋼成分及鋼液的溫度。而透氣磚是這一工藝能夠順利實施的最關鍵的功能元件，對爐外精煉的可靠性和完備性起著至關重要的作用。由於鋼包趨於大型化的發展，熔煉溫度和熔煉時間都相繼有所提高，使耐火材料在使用過程中所承受的環境越來越苛刻，因此需要進一步改善透氣磚的性能，以滿足當代煉鋼工藝和煉鋼技術對透氣磚的要求。

材質和結構

材質

為適應爐外精煉工藝的發展，研究了MgO 細粉的質量分數對剛玉-尖晶石透氣磚（磚芯）的熱震穩定性、重燒線變化、常溫抗折耐壓強度、侵蝕指數、滲透指數的影響。通過對性能的檢測分析表明，當MgO的質量分數增加時，由於MgO和Al₂O₃形成鎂鋁尖晶石相增加，使熱處理後的透氣磚的抗折強度增大。並且剛玉-尖晶石的熱震穩定性優於傳統的鉻鋼玉透氣磚，但是還存在一些不足，其體積穩定性不及鉻鋼玉磚。

通過在透氣磚中加入相應的添加劑，添加劑在熱處理的過程中發生相變，形成高溫固溶相，具有高溫強度高、難以被金屬熔體和熔渣潤濕等優點，使透氣磚的抗熱震性以及抗渣性等性能得到提高。

顆粒級配

配料中的骨料、細粉、結合劑或外加劑的顆粒級配不同，會對製作的透氣磚的強度、抗折、抗震等性能產生不同程度的影響。

通過最佳化顆粒級配，使透氣磚在熱處理過程後具有優異的燒後使用性能和物理性能。合理的級配對透氣磚的常溫和高溫使用性能均有所改善，達到煉鋼工藝的要求。

結構

透氣磚的結構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。

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。在實際生產中，通過向混合物中加入含碳化合物，由於該物質能在低溫下燃燒無剩餘，因此可用低溫燒盡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，在使用過程中當停止吹氣時，鋼包中的鋼和渣會通過這些氣孔滲入透氣磚內較深的區域，因此在工作面產生了固密的部位。當鋼包處於停包時或者當重新開始吹氣時，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生氣孔堵塞、吹不通或剝落現象。

2.直通定向型透氣磚直通定向型透氣磚的氣道設計為直通孔或者是直通狹縫型，轉爐主要用的透氣磚結構是直通孔型。由於鋼包用的直通孔型的透氣磚製作較為複雜，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。

3.狹縫定向型透氣磚狹縫定向型是透氣磚最普遍採用的結構形式，根據現場使用條件包括精煉鋼種、精煉工藝、鋼包的容量、溫度、鋼水靜壓力等設計合理的狹縫，可以使透氣磚的吹通效果達到最佳、在使用中的壽命增長、安全性能穩定。與國外透氣磚的性能進行比較時，該磚的透氣性、使用壽命優於國外的先進產品，滿足鋼包精煉生產對性能指標的要求。

針對傳統鋼包噴粉技術，研發出一種帶錐形流化室的狹縫式透氣磚，通過該結構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入到透氣磚的狹縫中；另一部分顆粒碰觸到耐火材料壁後，流動速度快速減退，回落並聚集在該透氣磚的狹縫內，阻礙氣流的流通。

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構在該溫度梯度下形成熱應力而使磚體狹縫的結構寬度有所增加，冶煉過程中的鋼水會流入狹縫結構中進而致使氣體流通量減小，到後期導致透氣磚狹縫完全堵塞。當透氣磚的狹縫數量和長度一定時，通過對透氣磚的位置進行合理的設計，能夠使冶煉過程中的鋼水得到快速的攪拌，進而提高鋼水成分、溫度的均勻性。

隨著煉鋼工藝對透氣磚的要求，彌散型透氣磚和直通型透氣磚使用較少，普遍套用狹縫式透氣磚代替前兩種磚，通過控制狹縫的數量和長度，保證良好的吹通率，延長其使用壽命。

使用性能

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加入Cr₂O₃或加入部分鉻鋼玉。Cr₂O₃和a-Al₂O₃具有相同的晶型結構，Cr₂O₃不僅改善了材料的抗渣性，更增大了材料與鋼液的潤濕角，對透氣磚因鋼液滲透而堵塞氣孔具有明顯改善。

利用Cr₂O₃細粉和Al₂O₃在高溫下形成的鋁鉻固溶體和獨立存在的含鉻玻璃相，與鋼水冶煉過程中的渣接觸時形成液相具有一定的粘度，進而阻礙鋼液中渣對透氣磚的侵蝕；同時可以吸收渣中的氧化鐵和氧化鎂，在透氣磚工作層形成緻密的尖晶石，使透氣磚的抗渣性有所提高。

但在材料中添加Cr₂O₃，高溫燒成或使用之後，Cr³⁺被氧化成Cr⁶⁺，Cr⁶⁺有毒性，會污染環境。因此，為了節能環保，應儘量避免使用Cr₂O₃，並通過更換原材料，使不添加Cr₂O₃後的高溫性能達到添加Cr₂O₃時的水平。

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有所提高。

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度，提高該磚的滲透性，抵抗了鋼包中熔渣對透氣磚的侵蝕。透氣磚經過高溫熱處理後，其使用性能得到改善，滿足其使用要求。

損毀機理

透氣磚損毀的原因主要有4 個方面：熱應力，機械磨損，機械應力，化學侵蝕。

熱應力作用

在實際生產中，鋼包的烘包溫度為1000 ℃，鋼水溫度達到1600℃，兩者接觸時的溫度差會產生較大的熱應力，進而造成非常大的熱震衝擊。鋼包處於一個周而復始的工作環境中，透氣磚在接觸鋼水和烘包時的溫度頻繁變化而產生的熱應力是造成透氣磚損毀的一個原因。透氣磚產生熱應力的關鍵因素是溫度的變化，並且透氣磚的不同部位溫度變化存在著差異。

機械磨損作用

卷流對透氣磚的沖刷大致分三種情況：

（1）透氣磚高於座磚時，透氣磚主要損毀的原因是鋼

包內鋼水形成卷流對透氣磚的側面產生巨大的剪下效應和沖刷效應。因此，沖刷力是透氣磚的座磚產生極大的損毀的原因之一，正常工作環境中，透氣座磚使用次數也就一次，一次之後高於座磚的部分即被沖刷掉。

（2）透氣磚與座磚持平時，座磚對透氣磚起到了保護的作用，鋼水形成的卷流首先沖刷座磚致使透氣磚的剪下力相應減小。

（3）透氣磚低於座磚時，在正常工作中該工作面上易積壓冷鋼，由於存留下來的冷鋼的粘度相對較大，對吹氣產生一定的阻礙作用，所以要滿足精煉要求就需要加大吹氣的壓力。這樣，氣流對透氣磚的沖刷作用力就相應加大，受到剪下、衝擊強度大，更易損毀。為了達到爐外精煉對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性能。

機械應力作用

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，在循環使用條件下，鋼包中的溫度一直處於變化狀態，包底耐火材料使用中由高溫到低溫會產生溫度差，耐火材料的原質層和變質層的膨脹係數存在差異，使透氣磚受到剪下應力作用，導致透氣磚出現橫向裂縫，甚至斷裂。

化學侵蝕作用

透氣磚的工作層與鋼渣、鋼水相互接觸的時間比較長，熔渣持續向透氣磚中侵蝕、滲透。鋼水、渣中的MnO，MgO，SiO₂，FeO，Fe₂O₃等氧化物與透氣磚中的耐火材料發生反應：

12CaO+7Al₂O₃=12CaO·7Al₂O₃（1）

FeO+Al₂O₃=FeO·Al₂O₃ （2）

2MnO+SiO₂+Al₂O₃=2（MnO）·SiO₂·Al₂O₃ （3）

鋼水對透氣磚工作層進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透氣磚持續的滲透所產生的化學侵蝕，是透氣磚損毀的最主要原因。因此，為了提高材料的抗熱震衝擊性能和抗渣性，需要改善透氣磚的韌性和滲透性。

吹氬工藝影響

鋼包底吹氬的技術不僅能有效使鋼液中的成分和溫度達到一個均衡的狀態，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產物上浮，提高清潔度。吹氬處理對提高鑄坯的質量和穩定鑄坯的工藝具有重要的作用。

對原有的精煉工藝的改善，使氬氣進入到鋼包中與鋼液有效接觸面積增加，並且使氬氣在鋼包中上升的流程和時間增加，可以得到滿足埋弧所需氣體供應的精煉效果；為了使脫氧和脫硫效果達到最佳狀態，在精煉過程中增強埋弧渣的脫氧，保證了埋弧渣w（FeO+MnO）<0.5%。

總結及展望

透氣磚的損毀與耐火材料自身的材質、形狀結構設計及使用環境有關。研究結果表明：

（1）最佳化的顆粒級配和合理的透氣磚結構設計，可以改善透氣磚的熱震穩定性和抗渣性，進而提高其使用性能。

（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致透氣磚損毀的重要原因。通過在基質中加入氮化矽、塞隆等添加劑，使透氣磚具有與鋼水不潤濕等特性，降低了蝕損率。

（3）合理設計吹氣的攪拌時間與攪拌強度可以降低透氣磚的損毀。

製備性能優異的鋼包用透氣磚，研究重點應該集中在以下幾個方面：

（1）在滿足精煉工藝的前提下，選擇優異的添加劑，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）研發新的燒結工藝，製備具有特殊性能的透氣磚。