摘 要 精炼钢包用透气砖作为底吹氩工艺中最关键的功能元件，它的使用性能对底吹氩工艺的顺利，保证炉外精炼工艺的可靠性和安全性至关重要。本文以国内精炼钢包用透气套砖为依托，探讨了炉外精炼用透气套砖的发展现状和趋势。
关键词 透气砖 透气座砖 炉外精炼 钢包
1.前言
利用透气砖向炼钢容器中喷吹惰性气体搅拌钢液，已成为现代冶金的重要手段。钢包透气砖作为炉外精炼关键的功能元件，其作用是加速冶金物化反应的进行，均匀钢水温度和成分，缩短冶炼时间，同时促进钢液中夹杂物随气体上浮，减少钢液中非金属夹杂，洁净钢水，提高钢的质量，它的使用效果直接影响到精炼操作能否顺利、安全地实施。钢包透气砖的损毁形式有承受急冷急热的热应力，钢液的冲刷磨损，烧氧操作引起的侵蚀和残钢残渣渗透堵塞狭缝等，因此，要求透气砖具有体积稳定性、耐热震性和抗侵蚀性都兼具的优良特性[1]。
而与之配套的钢包底吹氩座砖主要是保护透气砖，其使用条件也很苛刻，不仅受到热应力和钢水及渣的侵蚀、渗透作用，还受到高温钢水强烈的冲刷、磨损及剪切作用，其使用寿命一般都不高，尤其是精炼比例较高的钢包[2]。因此，透气座砖应具备较好的高温耐侵蚀性、高温耐磨性、耐剥落性[3]。
2.常见的透气砖耐火材料
透气砖的材料研究主要集中在刚玉-尖晶石体系和刚玉-氧化铬体系，虽然非氧化物体系研究比较多，但由于在实际应用中钢厂操作习惯等问题，应用效果并不理想。 2.1刚玉-尖晶石体系
单相刚玉质浇注料的抗渣性和抗热震性均不理想，而尖晶石材料具有良好的抗渣侵蚀性，按复相改性改善耐火材料性能的原理，在刚玉浇注料中加入高纯电熔尖晶石，改善刚玉浇注料的性能[4]。 原料方面以板状刚玉为颗粒料，以电熔白刚玉、尖晶石、活性α-Al2O3微粉等为细粉，铝酸钙水泥为结合剂。其优点是抗热震性、抗渣性明显提高；缺点是透气砖经高温处理过程中，尖晶石发生体积变化，造成透气砖体积稳定性差，生产过程中不易 控制。
2.2刚玉-氧化铬体系
为了进一步提高透气砖抵抗钢渣的侵蚀能力，制品中加入一定量的氧化铬微粉。其主要原料以板状刚玉为颗粒料，板状刚玉细粉、氧化铬微粉为细粉，铝酸钙水泥为结合剂。在高温下氧化铬、氧化铝形成高温固溶体，同时与少量的氧化镁形成部分固溶体MgO·Cr2O3-MgO·Al2O3[5]。这种固溶体对Fe2O3或炉渣的侵蚀及抵抗性显著增强，且粘度非常大，从而在高温下能够有效地阻止钢渣的渗透和侵蚀[6]。同时，少量的Cr2O3还能够抑制Al2O3过分增长，也减少了晶体内应力，提高材料的物理性能。但如果加入量太多，刚玉晶粒生长受到过大的抑制，也将产生内应力，从而降低材料的物理性能[7]。此外，Cr2O3价格比较高，加入量太多会大幅度增加成本；另一方面，Cr2O3对环境造成严重污染。
3.常见的透气座砖
3.1刚玉-尖晶石体系透气座砖
刚玉-尖晶石体系透气座砖时应用最为广泛的材质，主要原料以板状刚玉、α-Al2O3微粉、尖晶石为主，纯铝酸钙水泥结合。其优点是由于尖晶石抵抗酸和碱的能力比较强，并且是高熔点化合物，具有良好的性能[8]。铝镁尖晶石抵抗碱性熔渣的能力强，对铁氧化物的作用也较稳定，在高温下与磁铁矿接触时会发生反应而形成固溶体，透气座砖高温耐侵蚀性得以提高；同时，固溶MgO或Al2O3的尖晶石由于矿物之间膨胀系数的差异，其热震稳定性更好[9]。缺点是MgO与Al2O3按理论组成形成尖晶石时，产生约8%的体积膨胀，因而烧成时较难致密化，透气座砖体积变化难以控制。
3.2刚玉-氧化铬体系透气座砖
刚玉-氧化铬体系透气座砖时在刚玉-尖晶石体系基础上，为了提高透气座砖高温耐剥落性而产生。主要原料以板状刚玉、α-Al2O3微粉、工业氧化铬、尖晶石为主，纯铝酸钙水泥结合。其优点是在尖晶石提高座砖性能的基础上，通过Al2O3-Cr2O3形成的固溶体对氧化铁炉渣的侵蚀抵抗性显著增加，加入少量Cr2O3能抑制氧化铝晶体过分增长，从而减小了晶体内部应力，提高透气座砖的热震稳定性、抗冲刷性及耐侵蚀性[10]。缺点是Cr2O3加入过多，刚玉晶粒成长速度受到严重影响，从而降低材料的物理性能；另一方面，Cr2O3对
环境污染严重，违背了国家可持续发展的要求。
4.我国精炼钢包用透气套砖的生产现状和发展趋势
4.1我国精炼钢包用透气套砖生产现状
随着我国钢铁行业的迅猛发展，也带动我国耐火材料行业兴起，我国耐火材料产量和消费量已多年稳居世界第一，是耐火材料生产大国、消费大国、出口大国，占世界耐火材料总产量的50%以上。数据显示，近6年来我国耐火材料产量增长率超过20%，销售收入增长率超过30%，利润总额增长率超过30%。
目前，我国精炼钢包透气套砖生产企业较多，市场竞争也比较激烈，但整体研发实力较弱，能够生产高端透气砖的企业较少。精炼钢包透气套砖生产企业分布较广，主要分布在河南、浙江、湖北、江苏、四川等省份。本文根据市场影响力、区域分布，选取了部分具有代表性的生产工厂来概述我国精炼钢包用透气砖套装生产现状。
表1 国内部分透气套砖生产工厂状况
生产工厂 | 生产能力 | 市场分布 | 备注 |
濮耐股份 | 20万支 | 全国 | 数据来源招股说明书 |
北京利尔 | 1.5万支 | 华北地区 | 作者调查 |
中钢洛耐院 | 1.5万支 | 不详 | 作者调查 |
营口欣立 | 0.4万支 | 东北 | 作者调查 |
成都府天 | | 西部、华北 | 作者调查 |
武汉瑞升 | 0.7万支 | 华中 | 作者调查 |
无锡南方 | 0.5万支 | 华东 | 作者调查 |
浙江自立 | 2万支5-氯-2-戊酮 | 华东 | 作者调查 | 曲嘉瑞
| 纯铝酸钙水泥>风速辅助 | | |
以表1为代表的生产单位可以满足国内炼钢工艺，完全取代进口产品，具了解部分产品出口到俄罗斯、美国、韩国、东南亚地区，透气套砖生产技术与工艺可以与国外先进水平媲美。根据在转炉与电炉钢包使用情况统计，钢包吨钢消耗透气套砖为0.123公斤，按照2009年5.678亿吨钢来估算，全国需要6.98万吨，按照每块100公斤来估算，需要69.8万支透气套砖，市场潜力还是具有空间。由于客户对耐火材料采购模式由采购单体耐火材料转向整体耐火材料承包采购，如以单独透气套砖为主要产品的经营模式，日趋会失去直接市场。表1所列大部分生产公司都是综合配套能力较强的公司。
4.2未来我国精炼钢包用透气砖发展趋势
目前，我国透气砖的应用研究主要集中在透气砖材质的改进、透气砖成形方式的优化、防漏结构设计等三个方面。
4.2.1透气砖材质的改进
1、纳米耐火材料的研究在我国也比较流行，主要集中在纳米溶胶的应用和直接加入纳米溶
胶提高材料的机械强度和力学性能上。通过在透气砖材质中引进纳米溶胶类材料通，提高材料的抗折强度和耐压强度，并且使得材料的显气孔率达到最小，体积密度最大。
2、由于使用铝酸钙水泥为结合剂会导致高温下生成尖晶石和六铝酸钙，产生的体积效应使透气砖的尺寸难以控制，烧成废品率高，使用中也会出现狭缝变小的情况。因此，采用ρ-Al2O3为结合剂，避免引入CaO，以提高透气砖的抗渣性及高温强度。
3、在透气砖材质中引入ZrO2原料,一方面利用ZrO2与刚玉热膨胀系数的差异，在材质内部形成微裂纹，提高热震稳定性；另一方面，ZrO2破坏刚玉、尖晶石、铝酸钙水泥形成晶体，增加材质韧性。
4.2.2透气砖成型方式的优化
1、开发贯穿孔透气砖，在高密度砖内设置一定尺寸的贯穿孔，在保持稳定透气性的同时，使砖体高密度化，以减少用氧清洗时发生的损毁，从而提高砖的耐用性。
2、开发环形狭缝透气砖，减少狭缝数量，提高砖芯强度，增大透气量调节范围，简化制造工艺。
4.2.3防漏结构设计
1、通过在透气砖的吹气管上加单向阀，防止渗钢。
2、通过在座砖里设置材质为铜活不锈钢的习惯，来防止漏钢，如果漏钢，就会先熔化细管，细管中的钢水凝固，从而保证安全。
4.3未来我国精炼钢包用透气座砖发展趋势
未来我国耐火材料的产品结构也将进一步调整，耐火材料要向更长寿、更节能、无污染、功能化的方向发展。透气座砖作为功能性耐火材料，研究与发展趋势也将紧密围绕国家发展目标。
1、由于脆性材料的微裂纹前端存在着应力场，它有利于未稳定的四方ZrO2晶相向单斜ZrO2晶相转变，相变区域的体积膨胀在材料中形成压应力，在这些微裂纹处于主裂纹前端作用区时，吸收或释放了主裂纹的一部分能量，增加主裂纹扩展所需能量，减少了住裂纹端部的应力集中，抑制了主裂纹的扩展，从而提高了材料的韧性，抑制了裂纹的扩展。在透气座砖中引入ZrO2能起到相变增韧和微裂纹增韧作用，提高透气座砖热震稳定性。
2、透气座砖质量的好坏是决定透气砖使用寿命的主要因素，当透气座砖无法正常保护透气砖时，透气砖使用寿命必然降低。据市场调查表明，目前国内尚无修补座砖的先例，专门的座砖修补料买不到，通过粘结力较强的耐火材料粉料与高强度骨料结合作为修补料，在降低耐火材料消耗方面将取得一定的效果。
4.结语
在未来几年，随着钢铁工业朝着“高洁净、高均匀化、超细晶”的技术要求发展，作为向钢包内提供惰性气体的功能耐火材料元件，透气套砖在炉外处理工艺中起着越来越重要的作用，随着更深入的研究，新原料、新工艺的引入，透气套砖将发挥越来越重要的作用。
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[10]关岩，王壮，孙家润.不同粒度分布的α-Al2O3微粉对透气座砖的性能影响.冶金能源.20
08:40-43
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