2021年我國粗鋼產(chǎn)量達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。但優(yōu)質(zhì)鋼、特種鋼的質(zhì)量與發(fā)達國家相比還存在差距。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對鋼材質(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時間冶煉，使用條件越來越苛刻，對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。
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致透氣磚損毀的重要原因，吹氣攪拌時間與攪拌強度對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、吹不開是導致鋼水重返和透氣磚頻繁更換的主要原因。
在現(xiàn)場使用中經(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變質(zhì)層，進而導致結(jié)構(gòu)剝落，滲透嚴重時會堵塞氣道，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，狹縫口部的擴大和熱震造成的裂紋會使鋼液或渣液的滲透侵蝕作用加劇，并導致剝落現(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燒成工藝制備。鉻剛玉質(zhì)透氣磚含有鉻，會形成Cr?﹢，對環(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)高溫燒成后存在三種高熔點礦相，即六鋁酸鈣（CA?，熔點1890℃）、鋁鎂尖晶石（MA，熔點2100℃），和剛玉（熔點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度，被稱作最佳基質(zhì)系統(tǒng)，但其抗熱震性相對較差，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。針對改善剛玉一尖晶石材料抗熱震性方面的研究報告已有不少，主要有熱處理溫度、尖晶石粒度及加入量、細粉含量、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度以及1300℃風冷熱震后抗折強度和強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?晶體明顯長大發(fā)育呈板狀，試樣中存在明顯的作為應力緩沖機制的網(wǎng)狀交織結(jié)構(gòu)，同時氧化鋁在尖晶石中有適當固溶，增強了基質(zhì)間的結(jié)合強度。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細粉質(zhì)量分數(shù)的增加（31%、35%、41%），熱震后試樣的殘余強度有明顯的降低。隨尖晶石細粉加入量的增加，剛玉一尖晶石澆注料的高溫抗折強度逐漸增加，抗熱震性先明顯變差后又逐漸改善；當復合加入尖晶石顆粒及細粉時，抗熱震性有改善。隨尖晶石顆粒的增加，尖晶石細粉的減少，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。加入量較多時明顯降低常溫強度和熱震后的殘余強度。
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?，對材料的抗熱震性有明顯提高。其原因歸結(jié)為高溫下反應生成的板狀的CA?，且隨溫度升高逐漸發(fā)育長大，其穿插填充在剛玉一尖晶石骨架結(jié)構(gòu)中起到強化作用。
圖注：水泥含量對剛玉－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）具有高溫強度高、抗熱震性好以及難以被金屬熔體和熔渣潤濕等優(yōu)點。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。其對渣鐵潤濕性差，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，具有強度高，抗熱震性和抗渣性優(yōu)良等特點。Si粉加入質(zhì)量分數(shù)為9.5%一11.5%時，熱震后強度保持率高，具有較好的綜合性能。
通過原位氮化反應制備了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，應加大推廣使用。