陳 盧 許遠(yuǎn)超 郭 鵬 張 暉 魏昌晟 賈慶偉

中鋼集團(tuán)洛陽(yáng)耐火材料研究院有限公司先進(jìn)耐火材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

透氣磚是鋼包二次精煉底吹氬工藝至關(guān)重要的功能元件。透氣磚兼具均化和凈化鋼液的冶金功效，一方面，通過(guò)吹入氬氣的攪拌，使鋼包內(nèi)不同部位鋼液的溫度和成分趨于一致；另一方面，借助真空泵原理，氬氣泡表面吸附Al2O3、SiO2、MA等細(xì)小的非金屬夾雜物，氣泡內(nèi)部抽吸鋼液中的氮、氫、氧等有害氣體，氣泡在上浮過(guò)程中逐漸匯聚長(zhǎng)大，最終被渣層捕獲。因此，透氣磚是潔凈鋼冶煉不可或缺的關(guān)鍵耐火材料，其服役性能直接影響鋼液純凈度。此外，透氣磚使用壽命是制約鋼包小修壽命的瓶頸之一，其使用壽命穩(wěn)定是確保鋼包生產(chǎn)順行的前提。為此，簡(jiǎn)要回顧了鋼包透氣磚材質(zhì)更替和結(jié)構(gòu)演變歷程，分析了彌散型、芯板型和陶瓷管型三類復(fù)合透氣磚的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和冶金功效，重點(diǎn)闡述了復(fù)合透氣磚的損毀機(jī)制。

1 透氣磚的結(jié)構(gòu)演變

1．1 單一結(jié)構(gòu)透氣磚

20世紀(jì)60年代，彌散型透氣磚最早被發(fā)明出來(lái)，反向運(yùn)用顆粒緊密堆積理論，大量采用等粒徑顆粒，并引入燒蝕材料，巧妙地預(yù)制了大量非定向貫通氣孔［1］，磚體由液壓或振動(dòng)加壓而成，受成型方式的制約，高度一般不超過(guò)270 mm［2］。因高鋁質(zhì)或鎂質(zhì)彌散透氣磚的抗沖刷性能較差，且高度受限，不能滿足使用壽命需求。20世紀(jì)80年代，直通孔型透氣磚問(wèn)世，在磚內(nèi)預(yù)埋數(shù)根直徑1～3 mm的不銹鋼管，磚體澆注成型，其使用壽命比彌散型的更長(zhǎng)。進(jìn)入90年代，沿著耐火制品不定形化的發(fā)展趨勢(shì)，引入超微粉以及高效分散劑，低水泥鉻剛玉澆注料顯現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能，直通孔型透氣磚在底吹氬鋼包應(yīng)用中逐漸減少，最終被剛玉－尖晶石或鉻剛玉澆注料制備的狹縫型透氣磚取代，選用厚度0．15～0．25 mm的聚酯膜薄片高溫?zé)g后構(gòu)造狹縫［3］。

彌散型、直通孔型、狹縫型等單一氣道結(jié)構(gòu)的透氣磚（其示意圖見圖1）很難普遍適用于各種冶煉工況，尤其傳統(tǒng)彌散型、直通孔型已被鋼包透氣磚市場(chǎng)淘汰。在實(shí)際應(yīng)用中，單一結(jié)構(gòu)的透氣磚往往暴露出難以克服的缺陷［3－6］：高溫?zé)瑟M縫型透氣磚抗熱震性差，在距離工作面50 mm以內(nèi)熱應(yīng)力集中，經(jīng)受頻繁急冷急熱沖擊時(shí)，易產(chǎn)生縱向和橫向裂紋，鋼液滲入狹縫和橫斷面后，導(dǎo)致流量下降甚至不透氣；傳統(tǒng)彌散型透氣磚致密度較低，抗鋼液沖刷磨損能力差，抗氧氣清洗能力差，壽命較低，且一體成型的傳統(tǒng)彌散型磚無(wú)法設(shè)計(jì)安全報(bào)警裝置。

圖1 單一結(jié)構(gòu)透氣磚的示意圖

1．2 復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚

氣道結(jié)構(gòu)復(fù)合化可以使不同結(jié)構(gòu)透氣磚優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。目前市場(chǎng)上技術(shù)成熟度較高的幾種復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚，按主要?dú)獾澜Y(jié)構(gòu)類型，可劃分為彌散型、芯板型、陶瓷管型三大類。差異化的市場(chǎng)需求促使單一結(jié)構(gòu)透氣磚往復(fù)合結(jié)構(gòu)方向發(fā)展［7］。彌散型復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚在日本、韓國(guó)、越南等鋼廠頗受青睞，芯板型復(fù)合透氣磚在歐洲、美國(guó)以及中東地區(qū)鋼廠較為普及，陶瓷管型復(fù)合透氣磚在俄羅斯等鋼廠廣受好評(píng)。

三種復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚都具有單一結(jié)構(gòu)透氣磚無(wú)法比擬的使用特性：1）彌散型復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚吹出的氣泡直徑比狹縫型透氣磚細(xì)小，同等流量下氣泡的數(shù)量更多，與非金屬夾雜物和有害氣體碰撞的概率顯著增加，吸附細(xì)小夾雜物和吸收有害氣體的效率提高［8－9］，是冶煉高品質(zhì)潔凈鋼的優(yōu)選方案；2）因板片狀芯板拼接時(shí)存在釋能空間以及剛玉－莫來(lái)石材質(zhì)膨脹率低，賦予了芯板型透氣磚優(yōu)異的抗熱震性，從而避免了高溫?zé)瑟M縫透氣磚橫向斷裂滲鋼這一致命缺陷，確保了透氣磚的高吹通率［5］；3）陶瓷管型復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚兼具狹縫的高流量特性和直通微孔的小孔徑氣泡。

三種復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚的氧氣清掃強(qiáng)度和頻率比傳統(tǒng)高溫?zé)瑟M縫型透氣磚要低很多，氧氣清掃時(shí)工人操作環(huán)境惡劣，煙塵多，環(huán)境污染大，在人力成本逐年上漲和環(huán)保意識(shí)日漸增強(qiáng)的今天，其輕燒和免燒優(yōu)勢(shì)日益凸顯。對(duì)透氣磚吹通率和使用壽命而言，氧氣清掃操作是一把雙刃劍。用氧槍吹掃可以確保透氣磚恢復(fù)透氣性，但同時(shí)無(wú)可避免地誤傷磚體，會(huì)導(dǎo)致透氣磚過(guò)度蝕損［10－13］。不同結(jié)構(gòu)類型的透氣磚抗氧氣清掃能力排序：傳統(tǒng)高溫?zé)瑟M縫型透氣磚＞陶瓷管型復(fù)合透氣磚＞芯板型復(fù)合透氣磚＞彌散型復(fù)合透氣磚。同時(shí)，與之恰好相反，氧氣清掃必要性、氧氣清掃強(qiáng)度和頻率排序：傳統(tǒng)高溫?zé)瑟M縫型透氣磚＜陶瓷管型復(fù)合透氣磚＜芯板型復(fù)合透氣磚＜彌散型復(fù)合透氣磚。當(dāng)然，如果在下一爐冶煉周期，透氣磚可以自通，流量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，可以免清掃。

設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚時(shí)應(yīng)遵循“功能分區(qū)、揚(yáng)長(zhǎng)避短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”原則，在縱向和橫向兩個(gè)維度，均可實(shí)現(xiàn)氣道結(jié)構(gòu)的復(fù)合：1）縱向，按不同功能劃分，透氣磚工作層和安全層各司其職，工作層側(cè)重于抗熱震性、抗侵蝕性、抗沖刷性等，安全層重點(diǎn)關(guān)注高溫下辨識(shí)度以及充足的流量供給，而澆注本體承擔(dān)結(jié)構(gòu)支撐和固定透氣元件的功能［5］，在不同部位選用最適宜的氣道結(jié)構(gòu)和耐材材質(zhì)，將必需功能盡量發(fā)揮到極致，而對(duì)次要功能不追求過(guò)多富余設(shè)計(jì)，從根本上解決單一結(jié)構(gòu)透氣磚局部性能過(guò)剩和局部性能不足的問(wèn)題［14］；2）橫向，透氣磚工作層內(nèi)也可以選用多種不同的氣道結(jié)構(gòu)，以綜合考慮底吹流量、氣泡數(shù)量、氣泡直徑、防滲性能等。圖2羅列了不同類型復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚的示意圖，根據(jù)壽命要求和性能需求，可衍生出更多氣道組合方式。如圖2中，彌散型和陶瓷管型中的工作層均增設(shè)狹縫，用以彌補(bǔ)彌散元件和陶瓷管透氣元件的流量不足，但狹縫數(shù)量和布局存在差異，導(dǎo)致狹縫對(duì)流量的貢獻(xiàn)度不同。

圖2 復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚的示意圖

2 復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚的損毀機(jī)制

2．1 彌散型復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚

彌散型復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚一般為Al2O3－SiO2－Cr2O3－ZrO2體系，骨料選用板狀剛玉和白剛玉顆粒（＜1 mm），基質(zhì)多選用Al2O3微粉、Cr2O3微粉、ZrO2細(xì)粉或鋯英石細(xì)粉，常見結(jié)合劑有磷酸二氫鋁、聚乙烯醇、鋁硅溶膠等，采用等靜壓、液壓或振動(dòng)加壓等方式成型，再經(jīng)1 650℃以上高溫?zé)Y(jié)而成［15－24］。當(dāng)鋼液滲入彌散磚深度較淺時(shí)，貫通氣孔中的殘鋼在反吹時(shí)能被高壓反吹氣體吹出，或者在再次出鋼時(shí)，透氣磚工作層被鋼液加熱，殘鋼融化后，被底吹氬氣吹出。當(dāng)滲透深度較大時(shí)，尤其連續(xù)多爐RH精煉后，貫通氣孔中的殘鋼冷凝后很難被吹出，勢(shì)必需要借助高壓氧槍進(jìn)行吹掃，清除滲透層，此時(shí)氧槍清掃透氣磚芯時(shí)燒蝕和沖刷是彌散型透氣磚的典型損毀原因。圖3為彌散型殘磚的SEM照片?？梢?，鋼液鋼渣優(yōu)先侵入直徑較大的氣孔，鋼渣會(huì)與剛玉表面發(fā)生反應(yīng)，就反應(yīng)活性而言，板狀剛玉因晶粒比白剛玉細(xì)小，晶界也更多，所以鋼渣與板狀剛玉的反應(yīng)程度比白剛玉的劇烈，如圖3（c）、圖3（d）所示。顯然，彌散型透氣磚的主要損毀機(jī)制是鋼液鋼渣對(duì)貫通氣孔的滲透，而非對(duì)基質(zhì)的侵蝕。

圖3 彌散型殘磚的SEM照片

圖4為國(guó)內(nèi)某鋼廠300 t精煉鋼包用彌散型殘磚的實(shí)物照片。距工作面0～12 mm深度為滲鋼層，貫通氣孔被鋼堵塞，完全不透氣。距工作面12～18 mm深度為變色層，每爐鋼液澆鑄后，鋼包進(jìn)入熱修工位，開始反吹天然氣時(shí)，因滲鋼層阻止了反吹天然氣接觸空氣，致使天然氣無(wú)法燃燒，高溫下裂解形成黑色的積碳層。因此，每一爐役透氣磚的高壓沖刷和氧槍燒蝕必須清除滲鋼層，才能確保下一爐役復(fù)吹。通過(guò)優(yōu)化顆粒粒度級(jí)配，減少大孔徑貫通氣孔的比例，縮窄孔徑分布區(qū)間，以及提高彌散磚抗鋼液鋼渣的浸潤(rùn)和滲透性能，盡可能減薄滲鋼層的厚度，降低氧槍清洗頻率，是提高彌散型復(fù)合透氣磚使用壽命的有效途徑［24－26］。

圖4 彌散型殘磚的實(shí)物照片

2．2 芯板型復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚

圖5為某鋼廠用后芯板型殘磚的SEM照片，圖5中各點(diǎn)及其各層的EDS分析見表1。

圖5 芯板型殘磚的SEM照片

表1 圖5中各點(diǎn)及圖5（b）和圖5（c）各層的EDS分析

由圖5（a）、圖5（b）可見，芯板主材質(zhì)為剛玉－莫來(lái)石質(zhì)，骨料以板狀剛玉和燒結(jié)莫來(lái)石細(xì)顆粒（≤1 mm）為主，兩種顆粒因熱膨脹系數(shù)不一致，在其周圍產(chǎn)生微裂紋，基質(zhì)選用Al2O3微粉和SiO2微粉，經(jīng)高溫?zé)?，基質(zhì)中原位反應(yīng)生成的莫來(lái)石充當(dāng)結(jié)合相，將剛玉和莫來(lái)石顆粒連接起來(lái)［5，27－30］。由圖5（c）和表1可見，亮色部分（長(zhǎng)條狀和點(diǎn)狀）為白剛玉小顆粒（1～0．5 mm、0．5～0．1 mm）與鋼液反應(yīng)生成的鐵鋁尖晶石（見點(diǎn)1處）；灰色部分為莫來(lái)石小顆粒、莫來(lái)石基質(zhì)結(jié)合相與鋼液、渣中的CaO發(fā)生發(fā)應(yīng)，生成鋁鐵硅鈣低熔點(diǎn)相（見點(diǎn)2處），熱修時(shí)比較容易被氧氣清洗掉。

常規(guī)剛玉－莫來(lái)石芯板與鋼渣中CaO易形成低熔點(diǎn)相，可以將Cr2O3、ZrO2引入芯板中［30］，提高芯板抗鋼液鋼渣的侵蝕性，減少鋼渣滲透和侵蝕，或者采用無(wú)硅材質(zhì)，如高純鉻剛玉質(zhì)、高純剛玉尖晶石質(zhì)，在不弱化高溫力學(xué)性能和抗熱震性的前提下，在芯板中避免SiO2的引入，從而改善芯板的抗鋼渣侵蝕性能［31］。

2．3 陶瓷管型復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚

陶瓷管直徑約15～25 mm，內(nèi)含數(shù)十個(gè)直徑為0．3～0．5 mm的直通微孔。陶瓷管型透氣磚的SEM照片見圖6。

圖6 陶瓷管型透氣磚的SEM照片

由圖6可見，微孔圓形度很高，直徑0．5 mm，陶瓷管主材質(zhì)為剛玉－尖晶石質(zhì)，選用板狀剛玉和預(yù)合成尖晶石為原料，加入少量軟質(zhì)黏土等塑化劑和有機(jī)結(jié)合劑，擠泥成型，再經(jīng)養(yǎng)護(hù)、干燥和高溫?zé)Y(jié)而成，基質(zhì)中有少量液相。

圖7為國(guó)外某鋼廠180 t鋼包用陶瓷管型殘磚的實(shí)物照片。可以看出，透氣磚表面較平整，無(wú)殘鋼殘?jiān)?，可推斷透氣磚本體橫向斷裂，且?guī)嗨母沾晒?，陶瓷管呈黑色。因?yàn)榉创堤烊粴鈺r(shí)，透氣磚斷裂導(dǎo)致透氣通道中斷，反吹的天然氣無(wú)法與氧槍中噴吹的氧氣接觸，天然氣高溫裂解產(chǎn)生殘?zhí)迹猿尸F(xiàn)黑色。

圖7 陶瓷管型殘磚的實(shí)物照片

因此，提高陶瓷管型透氣磚本體的抗熱震性是解決損毀的關(guān)鍵。此外如果鋼液黏度較低，在靜壓力下，鋼液會(huì)滲入直通微孔，當(dāng)滲入深度較大時(shí)鋼液冷凝，冷鋼在反吹時(shí)很難被吹出。如能改善孔壁抗鋼液浸潤(rùn)性能，或?qū)⒖讖皆倏s小到直徑0．2 mm以下，有望解決直通微孔滲鋼問(wèn)題［32］。

3 結(jié)語(yǔ)

透氣磚氣道結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定其透氣特性，進(jìn)而影響冶金效果和使用壽命。無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)類型，生產(chǎn)和使用關(guān)鍵均在于氣道（氣孔、管道、狹縫）的形成和維護(hù)。除材質(zhì)優(yōu)劣外，透氣磚使用效果還與氣道制作工藝和使用操作工藝息息相關(guān)。對(duì)于不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的透氣磚，其損毀機(jī)制與改進(jìn)措施分別如下：

（1）不同種類復(fù)合透氣磚的氣道結(jié)構(gòu)和材質(zhì)不同，損毀機(jī)制各不相同：鋼液鋼渣滲入彌散透氣磚后堵塞貫通氣孔，滲鋼層被沖刷熔損或氧槍燒蝕是彌散型復(fù)合透氣磚的主要損毀機(jī)制；鋼渣中CaO與芯板基質(zhì)中莫來(lái)石結(jié)合相反應(yīng)生成鋁鐵硅鈣低熔點(diǎn)相，在氧槍沖蝕下逐漸蝕損，是芯板型復(fù)合透氣磚的主要損毀機(jī)制；澆注本體狹縫部分的抗熱震性差，頻繁熱沖擊時(shí)磚體橫向斷裂，或者直通微孔滲鋼，致使底吹失效或流量減小，是陶瓷管型復(fù)合透氣磚的主要損毀機(jī)制。

（2）宏觀和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、材質(zhì)革新，是提升復(fù)合透氣磚服役壽命的改進(jìn)思路。優(yōu)化顆粒粒度級(jí)配，提高抗鋼液鋼渣的浸潤(rùn)和滲透性能，是提高彌散型復(fù)合結(jié)構(gòu)透氣磚使用壽命的有效途徑。將Cr2O3、ZrO2引入芯板中，可改善芯板透氣磚抗鋼液鋼渣浸潤(rùn)性，減少鋼渣侵蝕。改善陶瓷管型透氣磚澆注本體的抗熱震性，縮小直通微孔的直徑，并確保高溫下直通微孔的體積穩(wěn)定性是該類透氣磚的發(fā)展方向。