在现代炼钢工艺过程中，为了均匀钢水温度和成分，促进钢水精炼的物理化学反应，炉外精炼技术是现代炼钢提高质量的重要冶炼环节。炉外精炼工艺采用底吹氩技术，钢包包底吹氩工艺是实现炉外精炼的必要条件，透气砖作为这一工艺的关键材料#,其性能对精炼过程的顺利实施，保证钢的质量和提高产量均非常重要。

透气砖在使用过程中由于会受到大的温差产生热应力以及钢水的冲刷，导致透气砖产生裂纹和剥落。现场使用过程中经常有狭缝式刚玉-尖晶石质透气砖与钢水接触的受热面产生横向裂纹，导致透气砖从横向裂纹处产生剥落，严重缩短了透气砖的使用寿命。随着钢包的大型化和冶炼温度的提高以及冶炼时间的延长，其使用环境越来越恶劣，要求材料具有更好的性能和更长的寿命。

由于透气砖在钢包中的特殊位置及服役环境，其吹气成功率和寿命已成为限制钢包寿命提高的关键因素。透气砖高吹通率、免吹氧清扫以及与钢包内衬或包底材料使用寿命同步是透气砖用户、生产企业和研究者共同追求的目标。

文章通过分析透气砖的损毁原因，期望为透气砖生产企业和研究者提供一定的依据，从而提高透气砖用耐火材料的性能。

透气砖的类型

在炼钢过程中，为了促进钢水精炼，均匀钢水温度和成分，需要通过钢包包底透气砖进行包底吹氩工艺。钢包用透气砖可以按气体通道分类，也可以按照安装方式分类。

1.1透气砖按气体通道形式分主要有三种类型，即弥散型、直通定向型、狭缝定向型

1.1.1弥散型透气砖

弥散型透气砖气孔细小贯通，气孔率高，密度及强度低，但是气流不稳定，耐用性差。

1.1.2直通定向型透气砖

同弥散型透气砖相比，直通定向型透气砖中气体的流动和分布合理，吹通效果较好，使用寿命高，但在后期易堵塞，影响吹成率。

1.1.3狭缝定向型透气砖

狭缝定向型透气砖的狭缝是在制造过程中与镶嵌材料整体成型，由于在高温烧成过程中镶嵌材料受热熔化挥发而形成定向型狭缝，其优点是气流稳定，气泡尺寸较小，对钢液的搅拌效果好，气流反向冲击小，材料致密，强度高，使用寿命长，弥补了前两种类型透气砖的不足。但是其制造工艺复杂，制作精度高。合适的狭缝宽度既可保证底吹氩强度，控制调节流量，又不致出现渗透堵塞的危险。目前钢包较多使用狭缝定向型透气砖。

1.2透气砖按安装方式分为两种类型

1.2.1整体式透气砖

整体式透气砖安装便利，安全系数高，寿命较长，但换砖较困难。所以，它适用于吹氩时间短、透气砖寿命与钢包寿命同步的工艺条件。

1.2.2外装式透气砖

外装式透气砖附有安装设备，结构相对复杂，对砖芯有更严格的现场安装要求，安装质量不好容易出现漏钢现象。但外装式透气砖可在热态下更换砖，不需要冷却钢包，节省了大量的维修时间，适用于长时间吹氩、频繁更换透气砖的工艺过程，尤其是精炼钢包。

透气砖损毁的原因

透气砖是钢包包底吹氩工艺的关键材料。钢包用透气砖在使用过程中的间歇式操作过程为：接钢→吹气精炼→浇钢→倒渣→氧气清洗，透气砖在使用中重复以上过程，直至寿命终结。

基于透气砖的工作环境，其工作过程中会受到以下几方面的影响，而产生损毁。

2.1热应力的作用

使用前钢包烘烤至1100℃左右，转炉出钢温度高达1640~1700℃,浇钢后钢包内温度又下降到800℃左右。透气砖工作面的耐火材料，尤其是出气口四周的耐火材料，与高温钢水直接接触，受到高温钢水及不断流出的冷气流影响，产生巨大的温度梯度，使透气砖受到急冷急热作用而产生较大的热应力，多次使用后导致透气砖剥落。

2.2机械磨损作用

透气砖喷吹氩气的过程中，高速气流和流动的钢水相互作用形成卷流，对透气砖高于座砖的突出部位冲产生击力，造成冲刷和剪切应力。另外，出钢过程中钢水强力的冲刷钢罐底部，也会造成强大的磨损，加快透气砖的损毁。

2.3化学侵蚀作用

透气砖在整个服役过程中，其工作面与钢水、熔渣长时间接触，会与钢水或渣中氧化物发生反应，生成的FeO·Al₂O₃、2(MnO)·SiO₂·Al₂O₃、12CaO·7Al₂O₃等低熔物被气流冲刷而造成透气砖被侵蚀。钢液和渣液的渗透、侵蚀作用是导致透气砖损毁的重要原因之一。

2.4机械应力作用

由于与高温钢水直接接触透，透气砖工作面温度高，非工作面温度相对较低。在钢包接钢→精炼→浇铸→热修→接钢的循环过程中，钢包的温度一直在变化，所以，透气砖工作面和非工作面存在温度梯度，温度梯度的存在以及材料变质层与原质层的膨胀系数不同，每一层体积变化不同，从而对透气砖产生剪切力，使透气砖产生横向裂纹，导致横向断裂现象出现，造成透气砖损毁。

2.5吹氧清洗作用

透气砖在接钢→吹气精炼→浇钢→倒渣→氧气清洗循环使用过程中，钢液或渣液会渗透到其狭缝中或热应力造成的裂纹中，造成透气砖狭缝堵塞，所以浇钢结束倾倒完钢渣后，需要对透气砖进行烧氧清洗。由于高温火焰直接喷烧透气砖表面，钢渣会与透气砖材料反应生成低熔点相，造成透气砖熔融形成凹陷。透气砖使用过程中狭缝夹钢、吹不开也是透气砖频繁更换的主要原因。

抗热震性差是鞍钢钢包透气砖在使用中出现狭缝夹钢、剥落等问题的主要原因。利用ANSYS软件分析表明温度梯度和热应力是造成透气砖工作面层状剥落的原因，从而导致透气砖的损毁。

材料的抗热震性是影响钢液和渣液侵蚀和渗透的一个重要原因。热震产生的裂纹，提供了钢液或渣液渗透的通道，钢液或渣液与透气砖材料反应，在周期性使用过程中会导致结构剥落。

总的来说，钢包在循环使用过程中承受巨大温差产生的热应力对透气砖造成了热震冲击作用，精炼过程透气砖承受高速气流和钢液造成的冲刷和热震破坏作用是导致钢包透气砖损毁的主要原因。随着钢包的大型化和冶炼温度的提高以及冶炼时间的延长，其使用环境越来越恶劣，要求材料具有更好的使用性能和更长的寿命。材料的抗热震性是影响其寿命的一个重要因素，热震产生的裂纹为钢液和熔渣的渗透和侵蚀提供了通道，裂纹中残留的钢液或渣液会加速材料在周期性使用过程中的结构剥落和损毁，降低了其使用寿命。热应力使透气砖产生横向裂纹，导致横向断裂也是透气砖损毁的主要原因。由于透气砖在钢包中的特殊位置及服役环境，其吹气成功率和寿命已成为限制钢包寿命提高的关键因素。

所以，提高材料的抗热震性对透气砖的寿命有促进作用，非常值得深入系统的研究。

透气砖材质

钢包底吹氩工艺的作用是对钢水进行搅拌，钢水加热、成分调整、去除夹杂物，净化钢水，这些是在不断地吹氩搅拌使钢水循环流动过程中完成的。从热应力方面考虑，钢包用材料必须选择抗热震性能好的材料;从抗渗透方面考虑，要选择在工作温度下不易被钢水润湿的材料，氧化物耐火材料与钢水润湿角大小顺序为ZrO₂>Al₂O₃>MgO。

刚玉质浇筑料具有强度高和优良的高温性能等特点，广泛应用于钢包内衬等领域，但由于其弹性模量大，容易导致材料剥落。当浇筑料中同时含有刚玉相和尖晶石相，试样的抗热震性能和高温性能有显著提高，浇筑料的性能得到改善。

刚玉-尖晶石耐火材料是以刚玉和镁铝尖晶石为主要相组成的耐火材料，通常刚玉含量较高。刚玉-尖晶石材料的性能与刚玉及尖晶石的组成、相对含量与颗粒大小等有重要关系。刚玉可与渣中的CaO反应生成CA₆、CA₂等高熔点化合物，并伴随体积膨胀，导致材料组织致密化，尖晶石可吸收渣中的FeO、MnO形成固溶体，所有这些将提高渣的SiO₂含量，使其黏度增大，材料的抗渣渗透性增强。

刚玉-尖晶石质耐火材料中的尖晶石相通常采用下面两种方式引入：①添加预合成的尖晶石;②加入MgO使其与Al₂O₃反应生成原位尖晶石。由于MgO与Al₂O₃原位反应会伴随较大的体积膨胀效应，按理论组成形成尖晶石会产生约8%的体积膨胀，为获得体积稳定的镁铝尖晶石质耐火制品可添加预先合成的镁铝尖晶石原料。

刚玉-尖晶石材料由于其良好的高温性能已被用于钢包中使用条件苛刻的部位。目前钢包透气砖材质主要有刚玉-尖晶石质和铬刚玉质，通常采用浇注成型，高温烧成工艺生产。由于铬刚玉质透气砖在高温烧成中会生成六价铬而污染环境，所以，近年来刚玉-尖晶石质浇筑料用透气砖凭借其优良的高温性能逐渐代替烧结镁质、镁铬质、高铝质和铬刚玉质透气砖。

关于刚玉-尖晶石质浇筑料用透气砖的热震性能提高等性能改善方面的研究已有文献报道，但是刚玉-尖晶石材料性能的优化，重点提高材料的热震稳定性需要进一步研究。

结 论

(1)由于透气砖在钢包中的特殊位置及服役环境，其吹气成功率和寿命是限制钢包寿命提高的关键因素。

(2)透气砖在使用过程中承受高速气流和钢液造成的冲刷和热震破坏作用是导致钢包透气砖损毁的主要原因。透气砖狭缝夹钢、吹不开是透气砖频繁更换的主要原因。透气砖用材料性能有待进一步优化提高。