1、底吹氣透氣磚的概況
自20世紀(jì)60年代以來(lái)，鋼包二次精煉工藝已為各鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)所應(yīng)用。生產(chǎn)實(shí)踐證明，如果沒(méi)有有效的惰性氣體處理，鋼包中的二次冶煉是難以進(jìn)行的。最初的惰性氣體攪拌是利用頂吹氬槍來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然而其攪拌效果有很大的局限性，難以對(duì)靠近包底的鋼水進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，而鋼包底吹氣可以?qiáng)化熔池?cái)嚢?，有去除鋼水中非金屬夾雜物、凈化鋼液、均勻鋼水成分和溫度的作用。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始將透氣磚用于二次精煉，到20世紀(jì)90年代，透氣磚底吹氬氣技術(shù)的使用已經(jīng)成為了鋼鐵企業(yè)冶煉的一種重要方法。
2、透氣磚的冶金功能
鋼包透氣磚是二次精煉工藝中最關(guān)鍵的功能元件，其主要作用有如下幾個(gè)方面：
(1)可以調(diào)節(jié)鋼包內(nèi)鋼水溫度的均勻分布，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工藝最佳澆鑄溫度。
(2)通過(guò)吹氣攪拌可使鋼包中的合金和脫氧劑均勻分布。
(3)可以將鋼水中的非金屬夾雜帶入渣中以滿(mǎn)足鋼液要求的潔凈度。
為實(shí)現(xiàn)上述功能，需要將精煉所用的惰性氣體通過(guò)透氣磚吹入到鋼包中，在透氣磚與鋼水的接觸面即透氣磚的工作面上，在足夠的壓力下，吹出的大量氣泡形成氣體噴射束，對(duì)整個(gè)鋼包內(nèi)的鋼水進(jìn)行攬拌，促使鋼水流動(dòng)，使鋼包內(nèi)溫度和成分均勻化，同時(shí)不斷噴出的氣泡在界面作用下將鋼水中的非金屬夾雜帶入渣中，達(dá)到潔凈鋼水的目的。
3、透氣磚應(yīng)具備的性能
透氣磚要滿(mǎn)足上述的冶金功能，必須具備如下幾方面的主要性能：
(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(guò)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(guò)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(wú)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。
4、透氣磚的結(jié)構(gòu)發(fā)展
透氣磚經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要有三種，即彌散型、狹縫型和直通孔型。
彌散型透氣磚是透氣磚的最早形式。由于材料本身氣孔率高，所含有的大量氣孔為惰性氣體提供了通道。這種表面多孔的彌散型透氣磚缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，抗沖刷性能差，易被鋼水和渣滲透而產(chǎn)生剝落，對(duì)鋼水的攪拌效果也較差。目前在國(guó)內(nèi)的鋼包透氣磚中很少使用。
狹縫式透氣磚包括兩種形式，一種是透氣磚中心部位由幾塊成型薄板拼裝形成狹縫，外部采用澆注料澆注而成，即所謂的“拼縫式”，這種透氣磚的缺點(diǎn)是吹入氣體的可控性差。另一種是在磚體中預(yù)澆注數(shù)十條直通狹縫，即通常所謂的“狹縫式”。狹縫式透氣磚與前者相比，具有壽命長(zhǎng)，吹成率高，氣流量大，攪拌效果好等優(yōu)點(diǎn)。
直通孔型透氣磚由數(shù)量不等的細(xì)鋼管埋入磚中制成，氣體通道由許多筆直的微細(xì)管道組成，采用澆注法成型。與彌散型透氣磚相比，直通孔型透氣磚攪拌效果優(yōu)于前者使用壽命提高了2?3倍，然而其缺點(diǎn)是能提供的氣體流量有限，使用后期經(jīng)常由于透氣量變小或吹不通導(dǎo)致精煉失敗。
5、透氣磚的安裝選擇
透氣磚的設(shè)置由鋼包鋼水量的大小、攪拌功能對(duì)冶煉鋼種的質(zhì)量要求和工藝路線(xiàn)來(lái)確定。選擇鋼所底吹氣組件的位置時(shí)，應(yīng)根據(jù)鋼包處理的目的來(lái)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。例如：CAS/CAS-OB的透氣磚則需要安裝在鋼包底部的中心位置，因?yàn)樵摴に囈髿鍤獯甸_(kāi)浸漬罩下方的鋼液渣面，滿(mǎn)足冶煉時(shí)合金化或噴氧的要求。而LF爐工藝要求將透氣磚安裝在靠近LF爐門(mén)下方的位置，以滿(mǎn)足冶煉時(shí)增碳、合金和脫氧等操作的要求。鋼包透氣磚安裝越多，小氣泡產(chǎn)生的數(shù)量越多，去除夾雜物的效果越明顯，鋼水的質(zhì)量越好。但是安裝數(shù)量越多，存在的漏鋼風(fēng)險(xiǎn)也越大。通常，冶煉普碳鋼時(shí)，70t以下的鋼包，采用1個(gè)透氣磚即可;大于70t和鋼包就需要采用兩個(gè)透氣磚。
透氣磚的安裝形式可以采用內(nèi)裝式和外裝式兩種。內(nèi)裝式是指將透氣磚與座磚在鋼包外預(yù)先組裝在一起，在砌筑鋼包時(shí)，清理好包底透氣磚的位置，砌筑好簾磚后將帶座磚的透氣磚吊裝至該位置，然后依次砌筑包底和包襯。外裝式由座磚、套磚和透氣磚組成。在砌筑鋼包時(shí)，在包底安裝好座磚后即可砌筑包底及包壁，最后將套磚和透氣磚外側(cè)均勻涂上火泥，依次用力裝入座中，再在套磚和透氣磚的底部封上墊磚，蓋上法蘭，烘烤。內(nèi)裝式透氣磚知縣用于鋼包襯磚與透氣磚壽命同步的情況，而外裝式適合用于需經(jīng)常更換透氣磚的情況。由于內(nèi)裝式透氣磚的安全性低、可靠性差，更換麻煩，目前，幾乎所有的鋼包均使用外裝式透氣磚。
6、透氣磚的材質(zhì)和使用
目前透氣磚的材質(zhì)有剛玉質(zhì)、鉻剛玉質(zhì)、高鋁質(zhì)和鎂鉻質(zhì)等。
A 剛玉-尖晶石體系透氣磚
單相剛玉質(zhì)澆注料的抗渣性和抗熱震性均不理想，而尖晶石材料具有良好的抗渣侵蝕性。按復(fù)相改性改善耐火材料性能的原理，在剛玉燒注料中加人高純電熔尖晶石，以改善剛玉澆注料的性能。原料方面以板狀剛玉為顆粒料，以電熔白剛玉、尖晶石、活性α-Al2O3微粉等為細(xì)粉，鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑。其優(yōu)點(diǎn)是抗熱震性、抗渣性明顯提高;缺點(diǎn)是透氣磚在高溫處理過(guò)程中，尖晶石發(fā)生體積變化，造成透氣磚體積穩(wěn)定性差，生產(chǎn)過(guò)程中不易控制。
B 剛玉-氧化鉻體系透氣磚
為了進(jìn)一步提髙透氣磚抵抗鋼渣的侵蝕能力，制品中加入一定量的氧化鉻微粉。，其主要原料以板狀剛玉為顆粒料，板狀剛玉細(xì)粉、氧化鉻微粉為細(xì)粉，鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑。在高溫下氧化鉻、氧化鋁形成高溫固溶體，同時(shí)與少量的氧化鎂形成部分固溶體MgO·Cr2O3-MgO·Al2O3。這種固溶體對(duì)Fe2O3或爐渣的侵蝕及抵抗性顯著增強(qiáng)，且黏度非常大，從而在高溫下能夠有效地阻止鋼渣的滲透和侵蝕。同時(shí)，少量的Cr2O3還能夠抑制Al2O3過(guò)分增長(zhǎng)，也減少了晶體內(nèi)的應(yīng)力，提高材料的物理性能。但如果加入量太多，剛玉晶粒生長(zhǎng)受到過(guò)大的抑制，也將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而降低材料的物理性能。此外，Cr2O3價(jià)格比較高，加入量太多會(huì)大幅度增加成本;另外，Cr2O3對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。
C 剛玉-尖晶石體系透氣座磚
剛玉-尖晶石體系透氣座磚是應(yīng)用最為廣泛的材質(zhì)，主要原料以板狀剛玉、α-Al2O3微粉、尖晶石為主，純鋁酸鈣水泥結(jié)合。其優(yōu)點(diǎn)是由于尖晶石抵抗酸和堿的能力比較強(qiáng)，并且是高熔點(diǎn)化合物，具有良好的性能。鋁鎂尖晶石抵抗堿性熔渣的能力強(qiáng)，對(duì)鐵氧化物的作用也較穩(wěn)定，在高溫下與磁鐵礦接觸時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)而形成固溶體，透氣座磚高溫耐侵蝕性得以提高;同時(shí)，固溶MgO或Al2O3的尖晶石由于礦物之間膨脹系數(shù)的差異，其抗熱震性更好。缺點(diǎn)是MgO與Al2O3按理論組成形成尖晶石時(shí)，產(chǎn)生約8%的體積膨脹，因而燒成時(shí)較難致密化，透氣座磚體積變化難以控制。
D 剛玉-氧化鉻體系透氣座磚
剛玉-氧化鉻體系透氣座磚是在剛玉-尖晶石體系基礎(chǔ)上，為了提高透氣座磚高溫耐剝落性而產(chǎn)生的。主要原料以板狀剛玉、a-Al2O3微粉、工業(yè)氧化鉻、尖晶石為主，純鋁酸鈣水泥結(jié)合。其優(yōu)點(diǎn)是在尖晶石提高座磚性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)Al2O3-Cr2O3形成的固溶體對(duì)氧化鐵爐渣的侵蝕抵抗性顯著增加，加入少Cr2O3能抑制氧化鋁晶體過(guò)分增長(zhǎng)，從而減小了晶體內(nèi)部應(yīng)力，提高透氣座磚的抗熱震性、抗沖刷性及耐侵蝕性。缺點(diǎn)是Cr2O3加入過(guò)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;另外，Cr2O3對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，違背了國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的要求。