鋼包透氣磚的發(fā)展及其典型復合結構的損毀分析

陳 盧 許遠超 郭 鵬 張 暉 魏昌晟 賈慶偉

中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司先進耐火材料國家重點實驗室 河南洛陽 471039

透氣磚是鋼包二次精煉底吹氬工藝至關重要的功能元件。透氣磚兼具均化和凈化鋼液的冶金功效，一方面，通過吹入氬氣的攪拌，使鋼包內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等細小的非金屬夾雜物，氣泡內部抽吸鋼液中的氮、氫、氧等有害氣體，氣泡在上浮過程中逐漸匯聚長大，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)定是確保鋼包生產順行的前提。為此，簡要回顧了鋼包透氣磚材質更替和結構演變歷程，分析了彌散型、芯板型和陶瓷管型三類復合透氣磚的結構特點和冶金功效，重點闡述了復合透氣磚的損毀機制。

1 透氣磚的結構演變

1．1 單一結構透氣磚

20世紀60年代，彌散型透氣磚最早被發(fā)明出來，反向運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，巧妙地預制了大量非定向貫通氣孔［1］，磚體由液壓或振動加壓而成，受成型方式的制約，高度一般不超過270 mm［2］。因高鋁質或鎂質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80年代，直通孔型透氣磚問世，在磚內預埋數(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。進入90年代，沿著耐火制品不定形化的發(fā)展趨勢，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的聚酯膜薄片高溫燒蝕后構造狹縫［3］。

彌散型、直通孔型、狹縫型等單一氣道結構的透氣磚（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淘汰。在實際應用中，單一結構的透氣磚往往暴露出難以克服的缺陷［3－6］：高溫燒成狹縫型透氣磚抗熱震性差，在距離工作面50 mm以內熱應力集中，經(jīng)受頻繁急冷急熱沖擊時，易產生縱向和橫向裂紋，鋼液滲入狹縫和橫斷面后，導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)彌散型磚無法設計安全報警裝置。

圖1 單一結構透氣磚的示意圖

1．2 復合結構透氣磚

氣道結構復合化可以使不同結構透氣磚優(yōu)勢互補，揚長避短。目前市場上技術成熟度較高的幾種復合結構透氣磚，按主要氣道結構類型，可劃分為彌散型、芯板型、陶瓷管型三大類。差異化的市場需求促使單一結構透氣磚往復合結構方向發(fā)展［7］。彌散型復合結構透氣磚在日本、韓國、越南等鋼廠頗受青睞，芯板型復合透氣磚在歐洲、美國以及中東地區(qū)鋼廠較為普及，陶瓷管型復合透氣磚在俄羅斯等鋼廠廣受好評。

三種復合結構透氣磚都具有單一結構透氣磚無法比擬的使用特性：1）彌散型復合結構透氣磚吹出的氣泡直徑比狹縫型透氣磚細小，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，吸附細小夾雜物和吸收有害氣體的效率提高［8－9］，是冶煉高品質潔凈鋼的優(yōu)選方案；2）因板片狀芯板拼接時存在釋能空間以及剛玉－莫來石材質膨脹率低，賦予了芯板型透氣磚優(yōu)異的抗熱震性，從而避免了高溫燒成狹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）陶瓷管型復合結構透氣磚兼具狹縫的高流量特性和直通微孔的小孔徑氣泡。

三種復合結構透氣磚的氧氣清掃強度和頻率比傳統(tǒng)高溫燒成狹縫型透氣磚要低很多，氧氣清掃時工人操作環(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)保意識日漸增強的今天，其輕燒和免燒優(yōu)勢日益凸顯。對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透氣性，但同時無可避免地誤傷磚體，會導致透氣磚過度蝕損［10－13］。不同結構類型的透氣磚抗氧氣清掃能力排序：傳統(tǒng)高溫燒成狹縫型透氣磚＞陶瓷管型復合透氣磚＞芯板型復合透氣磚＞彌散型復合透氣磚。同時，與之恰好相反，氧氣清掃必要性、氧氣清掃強度和頻率排序：傳統(tǒng)高溫燒成狹縫型透氣磚＜陶瓷管型復合透氣磚＜芯板型復合透氣磚＜彌散型復合透氣磚。當然，如果在下一爐冶煉周期，透氣磚可以自通，流量達到設定值時，可以免清掃。

設計復合結構透氣磚時應遵循“功能分區(qū)、揚長避短、優(yōu)勢互補”原則，在縱向和橫向兩個維度，均可實現(xiàn)氣道結構的復合：1）縱向，按不同功能劃分，透氣磚工作層和安全層各司其職，工作層側重于抗熱震性、抗侵蝕性、抗沖刷性等，安全層重點關注高溫下辨識度以及充足的流量供給，而澆注本體承擔結構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構和耐材材質，將必需功能盡量發(fā)揮到極致，而對次要功能不追求過多富余設計，從根本上解決單一結構透氣磚局部性能過剩和局部性能不足的問題［14］；2）橫向，透氣磚工作層內也可以選用多種不同的氣道結構，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羅列了不同類型復合結構透氣磚的示意圖，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狹縫，用以彌補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，導致狹縫對流量的貢獻度不同。

圖2 復合結構透氣磚的示意圖

2 復合結構透氣磚的損毀機制

2．1 彌散型復合結構透氣磚

彌散型復合結構透氣磚一般為Al2O3－SiO2－Cr2O3－ZrO2體系，骨料選用板狀剛玉和白剛玉顆粒（＜1 mm），基質多選用Al2O3微粉、Cr2O3微粉、ZrO2細粉或鋯英石細粉，常見結合劑有磷酸二氫鋁、聚乙烯醇、鋁硅溶膠等，采用等靜壓、液壓或振動加壓等方式成型，再經(jīng)1 650℃以上高溫燒結而成［15－24］。當鋼液滲入彌散磚深度較淺時，貫通氣孔中的殘鋼在反吹時能被高壓反吹氣體吹出，或者在再次出鋼時，透氣磚工作層被鋼液加熱，殘鋼融化后，被底吹氬氣吹出。當滲透深度較大時，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，勢必需要借助高壓氧槍進行吹掃，清除滲透層，此時氧槍清掃透氣磚芯時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?？梢姡撘轰撛鼉?yōu)先侵入直徑較大的氣孔，鋼渣會與剛玉表面發(fā)生反應，就反應活性而言，板狀剛玉因晶粒比白剛玉細小，晶界也更多，所以鋼渣與板狀剛玉的反應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制是鋼液鋼渣對貫通氣孔的滲透，而非對基質的侵蝕。

圖3 彌散型殘磚的SEM照片

圖4為國內某鋼廠300 t精煉鋼包用彌散型殘磚的實物照片。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，鋼包進入熱修工位，開始反吹天然氣時，因滲鋼層阻止了反吹天然氣接觸空氣，致使天然氣無法燃燒，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吹。通過優(yōu)化顆粒粒度級配，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，是提高彌散型復合透氣磚使用壽命的有效途徑［24－26］。

圖4 彌散型殘磚的實物照片

2．2 芯板型復合結構透氣磚

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，芯板主材質為剛玉－莫來石質，骨料以板狀剛玉和燒結莫來石細顆粒（≤1 mm）為主，兩種顆粒因熱膨脹系數(shù)不一致，在其周圍產生微裂紋，基質選用Al2O3微粉和SiO2微粉，經(jīng)高溫燒成，基質中原位反應生成的莫來石充當結合相，將剛玉和莫來石顆粒連接起來［5，27－30］。由圖5（c）和表1可見，亮色部分（長條狀和點狀）為白剛玉小顆粒（1～0．5 mm、0．5～0．1 mm）與鋼液反應生成的鐵鋁尖晶石（見點1處）；灰色部分為莫來石小顆粒、莫來石基質結合相與鋼液、渣中的CaO發(fā)生發(fā)應，生成鋁鐵硅鈣低熔點相（見點2處），熱修時比較容易被氧氣清洗掉。

常規(guī)剛玉－莫來石芯板與鋼渣中CaO易形成低熔點相，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，或者采用無硅材質，如高純鉻剛玉質、高純剛玉尖晶石質，在不弱化高溫力學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 陶瓷管型復合結構透氣磚

陶瓷管直徑約15～25 mm，內含數(shù)十個直徑為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，陶瓷管主材質為剛玉－尖晶石質，選用板狀剛玉和預合成尖晶石為原料，加入少量軟質黏土等塑化劑和有機結合劑，擠泥成型，再經(jīng)養(yǎng)護、干燥和高溫燒結而成，基質中有少量液相。

圖7為國外某鋼廠180 t鋼包用陶瓷管型殘磚的實物照片?？梢钥闯觯笟獯u表面較平整，無殘鋼殘渣，可推斷透氣磚本體橫向斷裂，且?guī)嗨母沾晒?，陶瓷管呈黑色。因為反吹天然氣時，透氣磚斷裂導致透氣通道中斷，反吹的天然氣無法與氧槍中噴吹的氧氣接觸，天然氣高溫裂解產生殘?zhí)?，所以呈現(xiàn)黑色。

圖7 陶瓷管型殘磚的實物照片

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鍵。此外如果鋼液黏度較低，在靜壓力下，鋼液會滲入直通微孔，當滲入深度較大時鋼液冷凝，冷鋼在反吹時很難被吹出。如能改善孔壁抗鋼液浸潤性能，或將孔徑再縮小到直徑0．2 mm以下，有望解決直通微孔滲鋼問題［32］。

3 結語

透氣磚氣道結構形式?jīng)Q定其透氣特性，進而影響冶金效果和使用壽命。無論哪種結構類型，生產和使用關鍵均在于氣道（氣孔、管道、狹縫）的形成和維護。除材質優(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。對于不同復合結構的透氣磚，其損毀機制與改進措施分別如下：

（1）不同種類復合透氣磚的氣道結構和材質不同，損毀機制各不相同：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合透氣磚的主要損毀機制；鋼渣中CaO與芯板基質中莫來石結合相反應生成鋁鐵硅鈣低熔點相，在氧槍沖蝕下逐漸蝕損，是芯板型復合透氣磚的主要損毀機制；澆注本體狹縫部分的抗熱震性差，頻繁熱沖擊時磚體橫向斷裂，或者直通微孔滲鋼，致使底吹失效或流量減小，是陶瓷管型復合透氣磚的主要損毀機制。

（2）宏觀和微觀結構設計優(yōu)化、材質革新，是提升復合透氣磚服役壽命的改進思路。優(yōu)化顆粒粒度級配，提高抗鋼液鋼渣的浸潤和滲透性能，是提高彌散型復合結構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。