吹氬通常是在澆注鋼包或磚砌鋼包底部砌一塊或數(shù)塊透氣磚,出鋼后通過透氣磚吹入氬氣造成鋼包中鋼液的攪動(dòng)。吹氬可促進(jìn)乳化渣滴、鋼中夾雜的上浮,可以部分去除溶解在鋼中的氣體和均勻成份,在配合連鑄場(chǎng)合,鋼包吹氬可起到調(diào)整鋼液溫度的作用。鋼包吹氬是一種重要煉鋼工藝,而透氣磚是該工藝重要的功能元件。

1、透氣磚的類型、結(jié)構(gòu)

按氣體通道形式分透氣磚主要有三種類型,即彌散型、直通定向型、狹縫定向型。彌散型結(jié)構(gòu)氣孔細(xì)小貫通,氣孔率高,密度及強(qiáng)度低,耐用性差;直通定向型由數(shù)量不等的細(xì)鋼管埋入磚中而制成,也有采用特殊成孔技術(shù)而不帶細(xì)鋼管的定向型透氣磚,孔徑一般在0.6mm～1.0mm之間,直通定向透氣磚中氣體的流動(dòng)和分布合理,底吹效果較好,使用壽命高,但在后期易堵塞,影響吹成率;狹縫定向型透氣磚在成型過程中,與鑲嵌材料整體成型,在高溫?zé)蛇^程中鑲嵌材料受熱熔化揮發(fā)而形成狹縫,氣體通過狹縫進(jìn)入鋼包熔池。合適的狹縫寬度既可保證低吹氬強(qiáng)度,控制調(diào)節(jié)流量,又不致出現(xiàn)滲透堵塞危險(xiǎn)。馬鋼一鋼軋廠LF-VD精煉鋼包透氣磚狹縫寬度選在0.18mm左右,透氣磚能較好的滿足精煉的生產(chǎn)要求。

按安裝方式分有整體式透氣磚和外裝式透氣磚。整體式透氣磚安全系數(shù)高,壽命較長(zhǎng),安裝方便;但更換困難。整體式透氣磚適用于吹氬時(shí)間低、透氣磚壽命能與鋼包壽命同步的工藝條件。外裝式透氣磚更換方便但由于附有安裝設(shè)備,結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜,對(duì)磚芯的現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量要求較高,容易造成人為操作事故。外裝式透氣磚由于能快速更換磚芯,對(duì)鋼包的周轉(zhuǎn)及包齡提高有益,適用于吹氬時(shí)間長(zhǎng)、透氣磚更換頻繁的工藝狀況,特別是精煉鋼包。目前狹縫定向型透氣磚在鋼包上使用較廣泛。

2、透氣磚的材質(zhì)、性能

透氣磚的材質(zhì)主要有燒結(jié)鎂質(zhì)、鎂鉻質(zhì)、高鋁質(zhì)和剛玉質(zhì)。有資料表明,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:Al2O3>CaO>MgO>Cr2O3,鋼水潤(rùn)濕角大小次序如下:Cr2O3>Al2O3>MgO。綜合以上兩點(diǎn)考慮,用剛玉作為透氣磚的主晶相是較好的選擇。同時(shí),Cr2O3的熔點(diǎn)為2275℃,高于Al2O3的熔點(diǎn)(2050℃),氧化鋁與氧化鉻能形成連續(xù)固熔體,Al2O3-Cr2O3形成的固熔體對(duì)氧化鐵或爐渣的侵蝕抵抗性顯著增強(qiáng)。加入少量Cr2O3能抑制氧化鋁晶體過分增長(zhǎng),從而減小了晶體內(nèi)部應(yīng)力,可提高材料的物理性能。但如果Cr2O3加入過多,剛玉晶粒成長(zhǎng)速度受到嚴(yán)重影響,從而降低材料的物理性能。所以適量引入Cr2O3可以提高材料的熱震穩(wěn)定性、抗沖刷性及耐侵蝕性。

實(shí)現(xiàn)吹氬工藝,透氣磚必須具備較好的抗高溫、耐侵蝕性、抗熱震性、高溫體積穩(wěn)定性及高強(qiáng)度、操作穩(wěn)定、透氣性好、外形尺寸準(zhǔn)確、鋼水滲透少等特點(diǎn)。

也有很多研究者對(duì)非氧化物結(jié)合剛玉質(zhì)透氣磚進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)，非氧化物具有高溫強(qiáng)度高、抗熱震性好以及難以被金屬熔體和溶渣潤(rùn)濕等優(yōu)點(diǎn)，比如Si3N4、β-Si AION等。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，非氧化物結(jié)合的剛玉質(zhì)透氣磚具有抗熱震性好，與鋼水不潤(rùn)濕等特性，在使用過程中吹通率高，吹氧清洗容易，蝕損率低，同時(shí)呢使用壽命也有明顯的提高。

3、透氣磚安裝位置的選擇

選擇鋼包底吹氣元件的位置時(shí),應(yīng)根據(jù)鋼包處理的目的來決定。透氣磚安裝在包底中心位置和偏離鋼包中心位置(吹氣點(diǎn)在距包底中心1/2-1/3半徑處)吹氣對(duì)鋼水的攪拌效果不同,鋼包中心底吹氬有利于鋼包渣金之間的反應(yīng),有利于頂渣的脫硫反應(yīng);而偏心底吹氬有利于鋼包內(nèi)部的混合和溫度的均勻化以及夾雜物上浮。

4、透氣磚的使用工藝要求

(1)良好的透氣性。透氣性是衡量透氣磚質(zhì)量的重要參數(shù)之一。研究表明：鋼水的攪拌能與吹入氣體的流量成正比;攪拌能直接影響鋼水的攪拌效率，只有足夠的攪拌能才能使得鋼水得良好的攪拌效果。當(dāng)吹氬量一定時(shí)，吹出的氬氣泡越多，對(duì)鋼水的脫氣和攪拌越有利。

(2)高溫耐侵蝕性。精煉鋼包在溫度和時(shí)間方面都要求非常嚴(yán)格，最高溫度往往達(dá)到1750℃以上，精煉時(shí)間有時(shí)達(dá)到數(shù)十分鐘。在精煉操作過程中，熔渣堿度對(duì)透氣磚的壽命影響很大。所以，透氣磚會(huì)受到在高溫下滲透性很強(qiáng)的堿性渣的侵蝕，損毀速度快。

(3)高溫耐磨性。精煉鋼包底吹氬時(shí)，由于底吹氬的進(jìn)行，鋼水在鋼包中的流動(dòng)速度很快，鋼水對(duì)爐襯材料和底部透氣磚和座磚的沖刷磨損明顯加大。鋼包熱修時(shí)，為了清除透氣磚表面的殘鋼和殘?jiān)?，恢?fù)透氣磚的透氣功能，需要對(duì)透氣磚表面進(jìn)行吹氧清洗，使透氣磚表面黏附的鋼渣熔化;同時(shí)向透氣磚吹入噴吹氣體，吹走熔渣。在清理過程中，透氣磚受到高速氣流的沖刷作用，所以要求透氣磚具有良好的高溫耐磨性。

(4)抗熱震性好。由于是鋼包間歇操作，鋼包倒入鋼水時(shí)，透氣磚的端部受到高溫鋼水的作用，溫度陡然上升，吹氬氣時(shí)，受冷氣流冷卻，材料內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。同時(shí)，鋼包空包內(nèi)注入鋼水時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生很大的溫度變化，所以透氣磚的使用條件非常苛刻，極易產(chǎn)生熱剝落和結(jié)構(gòu)剝落。

(5)要求安裝簡(jiǎn)便，安全可靠。透氣磚安裝在鋼包底部座磚的內(nèi)部，工作條件極為苛刻，鋼包透氣磚的壽命無法與整個(gè)鋼包壽命同步，因此需要對(duì)透氣磚進(jìn)行更換。所以要求安裝操作簡(jiǎn)單，使用安全可靠，避免有滲鋼和漏鋼事件的發(fā)生。

5、透氣磚損毀機(jī)理

透氣磚損毀的原因主要有4個(gè)方面：熱應(yīng)力，機(jī)械磨損，機(jī)械應(yīng)力，化學(xué)侵蝕。在使用過程中透氣磚所受的外部作用見圖2。

在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼包的烘包溫度為1000℃，鋼水溫度達(dá)到1600℃，兩者接觸時(shí)的溫度差會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，進(jìn)而造成非常大的熱震沖擊。鋼包處于一個(gè)周而復(fù)始的工作環(huán)境中，透氣磚在接觸鋼水和烘包時(shí)的溫度頻繁變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力是造成透氣磚損毀的一個(gè)原因。透氣磚產(chǎn)生熱應(yīng)力的關(guān)鍵因素是溫度的變化，并且透氣磚的不同部位溫度變化存在著差異。

當(dāng)透氣磚受到較強(qiáng)的熱震作用時(shí)，導(dǎo)致工作面附近層狀剝落造成透氣磚損毀。

卷流對(duì)透氣磚的沖刷大致分三種情況：(1)透氣磚高于座磚時(shí)，透氣磚主要損毀的原因是鋼包內(nèi)鋼水形成卷流對(duì)透氣磚的側(cè)面產(chǎn)生巨大的剪切效應(yīng)和沖刷效應(yīng)。因此，沖刷力是透氣磚的座磚產(chǎn)生極大的損毀的原因之一，正常工作環(huán)境中，透氣座磚使用次數(shù)也就一次，一次之后高于座磚的部分即被沖刷掉。(2)透氣磚與座磚持平時(shí)，座磚對(duì)透氣磚起到了保護(hù)的作用，鋼水形成的卷流首先沖刷座磚致使透氣磚的剪切力相應(yīng)減小。(3)透氣磚低于座磚時(shí)，在正常工作中該工作面上易積壓冷鋼，由于存留下來的冷鋼的粘度相對(duì)較大，對(duì)吹氣產(chǎn)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(duì)透氣磚的沖刷作用力就相應(yīng)加大，受到剪切、沖擊強(qiáng)度大，更易損毀。

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(huán)使用條件下，鋼包中的溫度一直處于變化狀態(tài)，包底耐火材料使用中由高溫到低溫會(huì)產(chǎn)生溫度差，耐火材料的原質(zhì)層和變質(zhì)層的膨脹系數(shù)存在差異，使透氣磚受到剪切應(yīng)力作用，導(dǎo)致透氣磚出現(xiàn)橫向裂縫，甚至斷裂。

在正常生產(chǎn)過程中，透氣磚的工作層與鋼渣、鋼水相互接觸的時(shí)間比較長(zhǎng)，熔渣持續(xù)向透氣磚中侵蝕、滲透。鋼水、渣中的MnO，MgO，SiO2，F(xiàn)eO，F(xiàn)e2O3等氧化物與透氣磚中的耐火材料發(fā)生反應(yīng)，鋼水對(duì)透氣磚工作層進(jìn)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(duì)透氣磚持續(xù)的滲透所產(chǎn)生的化學(xué)侵蝕，是透氣磚損毀的最主要原因。

6、常見的透氣磚損毀狀態(tài)

（1）透氣磚磚芯剝層

鋼包熱修后給轉(zhuǎn)爐擺包時(shí)包內(nèi)溫度大約900℃，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度基本在1630℃，溫度差造成的激冷激熱使透氣磚的磚芯剝層，一般剝層的厚度在10～20mm。而且磚芯剝層后由于有錐度剝層的部分不會(huì)掉落，影響本包鋼水的透氣性。

（2）透氣磚座磚斷裂

溫度差造成的激冷激熱還能造成透氣磚座磚斷裂，斷層的高度在100～200mm。磚芯因?yàn)闆]有座磚的保護(hù)受鋼水的侵蝕也會(huì)斷裂。這種斷層的危害極大，尤其在透氣磚使用的后期由于殘磚較短，易發(fā)生包底漏鋼的事故。

（3）強(qiáng)度低抗侵蝕性差

熱修用氧槍清理透氣磚時(shí)，正常的速率在9～12mm/爐，如果強(qiáng)度不夠每次清理時(shí)磚芯高度明顯下降，透氣磚使用不到規(guī)定正常的壽命提前下線，影響鋼包的正常周轉(zhuǎn)，造成生產(chǎn)的不穩(wěn)定性。

（4）鋼液沖刷侵蝕損毀

通過透氣磚噴吹惰性氣體時(shí)，氣流回?fù)魧?duì)裸露的透氣磚四周產(chǎn)生一定的沖擊力，高速流動(dòng)的鋼水和氣流相互作用形成卷流，透氣磚高于透氣座磚時(shí)，其突出部位受到卷流的沖刷和剪切，形成環(huán)狀帶溝。

（5）過度燒氧損毀

連鑄澆注結(jié)束鋼包回澆余不及時(shí)，包底結(jié)冷鋼，需要用氧槍頂著透氣磚磚芯部位進(jìn)行燒氧清理，頂著燒氧對(duì)透氣磚芯的燒損較快。

（6）透氣磚磚芯燒偏

清理透氣磚時(shí)用氧槍頂著磚芯，此時(shí)燒氧集中在一點(diǎn)，容易磚芯燒偏，造成磚芯表面不是平面而是斜面，高度差在50mm以上。燒偏時(shí)透氣磚透氣不好，而且每次清理時(shí)會(huì)加劇偏的程度，造成提前下線。

（7）反吹氣體壓力低

反吹氣體為氮?dú)猓瑝毫?.5MPa，燒氧槍氧壓0.8MPa，燒氧清理時(shí)融化的鋼液會(huì)吹入透氣磚狹縫，冷卻后堵塞狹縫造成透氣不好。再次熱修清理時(shí)會(huì)加劇透氣磚芯的燒損。

（8）透氣磚周圍剛玉料和包底脫磚

包底砌筑時(shí)，透氣磚座磚周圍澆注寬度50～100mm的剛玉自流料，用于保護(hù)透氣座磚。由于剛玉自流料的強(qiáng)度不夠或施工的問題，透氣磚座磚周圍的剛玉料脫落，鋼水滲入造成透氣座磚斷裂;又或透氣座磚周圍的包底磚斷裂，鋼水的滲入造成周圍剛玉料和透氣座磚斷裂。

根據(jù)以上的這些損毀原因分析，我們總結(jié)出，透氣磚的損壞不僅與耐火材料本身的材質(zhì)、形狀結(jié)構(gòu)有關(guān)系，同時(shí)也與使用環(huán)境、操作和精煉工藝密切相關(guān)。而在耐火材料方面，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者都在不斷的進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)，包括去選擇不同的添加劑、骨料、微粉等，使耐火材料在高溫環(huán)境下形成固溶相，增加和提高材料有抗熱震性、抗渣性等等。