精炼钢包用透气砖的研究进展与发展方向_贾全利

精炼钢包用透气砖的研究进展与发展方向
贾全利吴然孙小改
郑州大学高温材料研究所河南郑州450052
摘要：总结了精炼钢包用透气砖的损毁原因和现用刚玉－尖晶石透气砖在改善抗热震性方面的研究新进展；介绍了非氧化物结合刚玉质透气砖的研究结果和在精炼钢包上的使用情况，提出了透气砖的研究和发展方向。

关键词：透气砖；刚玉－尖晶石；非氧化物；抗热震性；精炼钢包
中图分类号：TQ175文献标识码：A文章编号：1001－1935（2013）01－0058－03
DOI：10．3969/j．issn．1001－1935．2013．01．016
2011年，我国粗钢产量达6．83亿t，占全世界钢产量的45%，居世界第一位，但优质钢、特种钢的质量与发达国家相比还存在差距。

炉外精炼技术已成为现代最重要的精炼技术，钢包底吹氩工艺已在炉外精炼中广泛采用，透气砖是这一工艺的关键功能耐火材料。

随着钢包的逐渐大型化以及冶炼温度的提高和冶炼时间的延长，耐火材料的使用环境越来越恶劣，这对钢包用耐火材料提出了更高的要求。

由于透气砖在钢包中的位置及环境比较特殊，对其寿命、吹气成功率、透气量要求较高，目前钢包底吹透气砖已成为限制钢包寿命提高的瓶颈因素。

高吹通率、免吹氧清扫以及与钢包衬或包底耐火材料使用寿命同步，是用户、透气砖生产企业和研究者共同追求的目标。

1透气砖的损毁分析
钢包用透气砖的间歇式操作过程为：接钢ң吹气精炼ң浇钢ң倒渣ң氧气清洗。

透气砖在使用中重复以上过程，直至寿命终结。

在影响透气砖使用寿命的诸多因素中，热剥落和氧气清洗是导致透气砖损毁的重要原因［1］，吹气搅拌时间与搅拌强度对透气砖的损毁也有非常显著的影响［2］。

透气砖使用中出现剥落、狭缝夹钢、吹不开是导致透气砖频繁更换的主要原因［3－4］。

在现场使用中经常发现狭缝式刚玉－尖晶石质透气砖与钢水接触的受热面下部容易产生横向裂纹，导致从横向裂纹处产生热剥落，大大降低了透气砖的使用寿命。

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［5－6］。

用后透气砖残砖显微结构分析表明［7］：LF精炼工艺用透气砖狭缝及裂纹处有明显的渣渗透和渣侵蚀，LF+VD精炼工艺用透气砖狭缝和裂纹处有钢液渗透。

在周期性操作过程中，狭缝口部的扩大和热应力造成的裂纹会使钢液或渣液的渗透侵蚀作用加剧，并导致剥落现象的发生。

透气砖狭缝堵塞后，必须吹氧清洗。

2透气砖用材质
为提高狭缝式透气砖的使用性能和使用寿命，从原料和制作方面采取措施：1）从抗冲刷、抗侵蚀方面考虑，必须选择抗热震性好的原料。

2）从抗渗透方面考虑，需要选择在工作温度下不易被钢水润湿的材质。

氧化物耐火材料与钢水润湿角大小顺序为ZrO2＞Al
2
O
3
＞MgO［8］。

2．1刚玉－尖晶石质透气砖
目前，钢包透气砖材质主要有铬刚玉质和刚玉－尖晶石质，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过程中形成的六价铬对环境造成污染，正逐渐被刚玉－尖晶石质透气砖所取代。

尹洪丽等［9］研究表明，添加氧化铬对刚玉－尖晶石透气砖的抗热震性有不利影响。

纯铝酸钙水泥结合刚玉－尖晶石质浇注料经高温烧成后存在3种高熔点矿相，即六铝酸钙（熔点1890ħ）、铝镁尖晶石（熔点2100ħ）和刚玉（熔点2050ħ）。

基质中板状六铝酸钙与刚玉或尖晶石形成很好的结合，使得
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2013年2月
第47卷第1期
*NSFC－河南人才培养联合基金（U1204505）和河南省高等学校骨
干教师项目（2012GGJS－001）资助。

贾全利：男，1972年生，博士，副教授。

E-mail：jiaquanli@zzu．edu．cn
收稿日期：2012－07－06编辑：黄卫国
58NAIHUO CAILIAO/耐火材料2013/1http：//www．nhcl．com．cn
该材料具有优异的抗渣性和高温强度，被称作最佳基质系统［10］。

但是，刚玉－尖晶石材料的抗热震性相对较差，在使用过程中容易出现热剥落和结构剥落，限制了其使用寿命的提高。

李代兵等［11－12］研究表明：刚玉－尖晶石浇注料的常温抗折强度以及热震（1300ħ风冷以及1000 1600ħ循环热震）后抗折强度及抗折强度保持率均随热处理温度的升高呈先增大后减小的变化趋势，1600ħ烧后试样的抗热震性最好；1600ħ烧后，CA
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晶体明显发育长大成板状，试样中明显存在具有应力缓冲作用的网状交织结构，同时氧化铝在尖晶石中有适当固溶，增强了基质间的结合强度；1000 1600ħ循环热震造成的破坏最为显著。

Ko［13］研究表明，随刚玉－尖晶石浇注料中≤0．074mm细粉的质量分数从31%增加到35%再到41%，热震后试样的残余强度明显降低。

李洪波等［14］研究表明，随尖晶石细粉加入量的增加，刚玉－尖晶石浇注料的高温抗折强度逐渐增加，抗热震性先明显变差，随后又逐渐改善。

王辉等［15］研究表明，当复合加入尖晶石颗粒及细粉时，浇注料的抗热震性有所改善。

韩斌等［16］研究表明，随尖晶石颗粒的增加和尖晶石细粉的减少，由于Al2O3向尖晶石中固溶，使尖晶石的晶格常数变大，尖晶石及刚玉的周围会产生一些微裂纹，提高了材料的抗热震性，但也使试样产生较大的加热永久线变化。

Primachenko等［17］研究发现，在固定尖晶石总量为20%（w）时，随2 0．5mm颗粒量的增加，≤0．5 mm颗粒量的减少，刚玉－尖晶石透气砖的抗热震性（1300ħ，水冷）从6次提高到20次，但抗渣性明显变差。

在刚玉－尖晶石材料中引入适量单斜氧化锆或锆刚玉，通过氧化锆的相变产生微裂纹，有利于吸收和缓冲热应力。

并且通过选择锆刚玉的种类、颗粒大小和含量，可以控制浇注料中裂纹的数量和尺寸，从而提高试样的抗热震性［18－19］；但加入量较多时，明显降低常温强度和热震后残余强度［18－20］。

笔者［21］研究发现，通过改变水泥加入量来调整刚玉－尖晶石浇注料基质中CaO含量，在基质中形成较多的CA6，使材料的抗热震性明显提高（见图1）。

其原因归结为高温下反应生成板状CA6，且随温度升高，CA6逐渐发育长大，穿插填充在刚玉－尖晶石骨架结构中起到强化作用。

图1水泥含量对刚玉－尖晶石浇注料抗热震性的影响2．2非氧化物结合刚玉质透气砖
非氧化物（Si3N4、β-SiAlON等）具有高温强度高、抗热震性好以及难以被金属熔体和熔渣润湿等优点。

薛文东等［22］在刚玉－氮化硅材料中引入单质硅，采用过渡塑性相工艺制造了刚玉－氮化硅质透气砖，发现渣铁对该透气砖润湿性差，使用中工作面不结渣，抗渣铁侵蚀性能及吹成率优于刚玉－尖晶石质、铬刚玉质和刚玉－莫来石质透气砖。

禄向阳等［23］以板状刚玉为骨料，Al2O3微粉、Si粉等为主要基质成分，添加少量助烧剂Ln2O3，振动浇注成型后，于1450ħ氮化烧成制备的SiAlON结合刚玉质透气砖，具有强度高、抗热震性和抗渣性能优良等特点；其Si粉加入量（w）为9．5% 11．5%时，试样的综合性能较好。

笔者［24－25］通过原位氮化反应制备了SiAlON结合刚玉浇注料。

研究表明：随SiAlON含量的增加，成型所需加水量增加，浇注料的常温强度和体积密度下降，显气孔率略有增加，1500ħ热处理后从微收缩到微膨胀，抗热震性明显提高（见图2）。

在此基础上开发的氮化物结合刚玉质透气砖的常温性能和高温强度与现用刚玉－尖晶石质透气砖的相当，但抗热震性显著改善；在VOD钢包和LF钢包上批量应用表明，该透气砖具有吹通率高、易清洗、操作方便、蚀损率低等特点，其使用寿命比现有刚玉－尖晶石质透气砖提高15%。

图2SiAlON含量对SiAlON结合刚玉抗热震性的影响
第1期贾全利，等：精炼钢包用透气砖的研究进展与发展方向2013年2月
http：//www．nhcl．com．cn2013/1耐火材料/REFRACTORIES59
3透气砖的发展方向
在透气砖使用中，因吹氧清洗狭缝而导致的蚀损，以及热剥落导致的横断，是透气砖频繁更换和寿命低的主要原因。

要想提高透气砖的吹通率和使用寿命，须采取如下措施：1）减少狭缝渗钢深度，以降低吹氧清洗对透气砖的蚀损；2）提高透气砖的抗热震性。

对于提高目前市场中的主要品种刚玉－尖晶石质透气砖的使用寿命，笔者认为应采取以下措施：优化刚玉－尖晶石质透气砖的配料组成，即调整尖晶石的粒度及加入量、水泥加入量，添加适量ZrO2或锆刚玉，并优化烧成温度；调控显微结构中CA6晶粒形貌、微裂纹、气孔尺寸及其分布；添加适量高黏度玻璃相，以改善材料的抗热震性。

研究和现场使用结果表明，非氧化物（氮化硅、赛隆）结合刚玉质透气砖具有抗热震性优异、与钢水不润湿等特性，在使用过程中吹通率高，吹氧清洗容易，蚀损率低，因此使用寿命明显提高，应加大推广使用。

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Progress and developing trend of purging plug for refining ladle/Jia Quanli，Wu Ran，Sun Xiaogai//Naihuo Cailiao．－2013，47（1）：58
Abstract：Damage reasons of purging plug for refining ladle and research progress on thermal shock resist-ance of corundum－spinel purging plug were summarized．Research achievements and application results of nonoxides bonded corundum purging plug for refining ladle were reviewed．The further research and de-veloping trend of purging plug were proposed．
Key words：purging plug；corundum－spinel；nonoxides；thermal shock resistance；refining ladle
First author’s address：High Temperature Ceramics Institute，Zhengzhou University，Zhengzhou450052，Henan，China
耐火材料/NAIHUO CAILIAO2013年第47卷
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