钢包底吹透气砖技术详解

在现代钢铁冶金中，若要生产高品质的洁净钢，钢包二次精炼是不可或缺的关键环节。而这一系列复杂冶金反应得以高效进行，很大程度上依赖于一个看似不起眼却至关重要的功能元件——安装于钢包底部的透气砖。自20世纪60年代钢包精炼工艺兴起，底吹氩气技术便从最初的顶吹氩枪的局限中脱颖而出，成为强化钢液搅拌、促进精炼反应的核心手段。可以说，没有有效的惰性气体底吹，现代二次冶金将举步维艰。

透气砖：钢包精炼的“心脏”

钢包透气砖的核心使命，是通过向钢液中吹入惰性气体（通常是氩气），在钢包这个巨大的反应器内实现强大的动态搅拌。当惰性气体在足够压力下通过透气砖，在其工作面会形成大量微小气泡，这些气泡汇聚成强劲的气体喷射束，驱动整个钢包内的钢水进行剧烈的三维流动。这种强制流动带来了三大关键的冶金功能：

1. 成分与温度的均匀化：强力搅拌能迅速消除钢液内部的温度梯度，确保全包钢水温度均一，为后续连铸工序提供最佳的浇铸窗口。同时，新加入的合金料和脱氧剂也能快速溶解并均匀分布，避免成分偏析。
2. 钢液的深度净化：上浮的气泡流如同无数个微型“电梯”，在界面张力作用下捕捉并携带钢液中的非金属夹杂物，将其送入顶部的渣层，从而实现净化钢液、提升洁净度的目标。
3. 促进渣-金反应：搅拌打破了渣-钢界面的传质阻碍，极大地加速了脱硫等界面反应的速率。

对透气砖的五大核心性能要求

透气砖的工作环境极为严苛，它需要在上千度的高温钢水中经受化学侵蚀、机械冲刷和剧烈温差的多重考验。因此，一款合格的透气砖产品，必须满足以下五大核心性能指标：

1. 卓越的透气性：这是其首要功能属性。钢水的搅拌能与吹入气体的流量直接相关，足够的搅拌能是保证冶金效果的前提。在吹气量恒定时，产生的气泡越弥散、越细小，对钢液的脱气和净化效果就越好。因此，透气砖必须能在合理的气压下，稳定地提供足够的气体流量。

2. 高温耐侵蚀性：精炼过程温度常高达1750°C以上，持续时间可达数十分钟。在此期间，透气砖直接与高温、高渗透性的碱性钢渣接触，极易发生化学反应而被侵蚀损毁。

3. 高温耐磨性：底吹气搅动起的高速钢流，对钢包内衬，尤其是底部的透气砖和座砖，会产生强烈的冲刷磨损。不仅如此，在钢包周转的热修环节，为清理工作面堵塞的残钢残渣，往往需要进行氧气烧灼吹洗，这一过程中的高速气流也会加剧对砖体的磨损。

4. 优良的抗热震性：钢包的间歇式作业模式，使透气砖反复经历“空包-注入钢水-吹冷气”的温度剧变循环。当高温钢水涌入时，其工作面温度瞬间飙升；而吹入的常温氩气又会对其造成局部急冷。这种巨大的热应力极易导致材料产生热剥落和结构性剥落。

5. 安装便捷与绝对安全：透气砖作为消耗件，其寿命通常短于整个钢包的包衬寿命，需要进行更换。因此，其安装设计必须简便快捷。更重要的是，作为钢包底部的一个“开口”，其密封的可靠性是生产安全的底线，任何渗钢、漏钢事故都是绝对不能容忍的。

精准评估透气砖的这些关键性能，是确保其在严苛工况下可靠运行的基础。这涉及到一系列复杂的高温物理化学性能检测，包括荷重软化温度、显气孔率、耐压强度、抗热震稳定性以及抗侵蚀性测试。这些指标的精确测定，对于材料研发、质量控制和供应商甄选都具有决定性意义。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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结构设计的演进之路：从弥散到定向通道

经过数十年的发展，透气砖的内部气体通道结构主要经历了三种形态的演变，每一种都反映了对性能与寿命平衡的不同探索。

• 弥散型：这是最早期的结构形式，气体通过材料本身固有的、相互连通的孔隙进行渗透。其优点是结构简单，但缺点也十分突出：材料气孔率高导致自身强度低、抗冲刷性能差，且极易被钢水和钢渣渗透，导致气孔堵塞和结构剥落，搅拌效果也难以令人满意。目前已基本被市场淘汰。
• 狭缝型：这种结构通过在砖体内部预设气体通道，实现了从依赖材料孔隙到主动设计的跨越。狭缝式透气砖又可细分为两种：一种是由几块成型薄板拼装，外部用浇注料整体浇注的“拼缝式”，其气体可控性较差；另一种则是在浇注料砖体中预埋数十条定向狭缝的“狭缝式”，它在寿命、吹通率、气流量和搅拌效果上都表现出显著优势。
• 直通孔型：该类型通过在浇注料中预埋大量细钢管（烧后形成孔道）来构成气体通道。相较于弥散型，其搅拌效果更佳，寿命也提升了2-3倍。但其瓶颈在于所能提供的气体流量有限，且在使用后期，孔道易堵塞，常因透气量衰减或彻底吹不通而导致精炼失败。

图1 钢包底吹透气砖结构示意图：（a）弥散型；（b）狭缝型；（c）直通孔型

工艺与安全的博弈：透气砖的安装策略

透气砖的安装并非随意为之，其数量、位置和安装方式的选择，直接关联到冶金效果和生产安全。

位置与数量的选择：安装位置取决于具体的精炼工艺目标。例如，中心吹炼更有利于顶渣脱硫等渣-金界面反应；而偏心吹炼（通常在距中心1/2-1/3半径处）则更有利于钢水整体的混合、温度均匀化以及夹杂物的上浮去除。CAS/CAS-OB工艺要求中心安装，以吹开渣面进行合金化；而LF炉则要求靠近炉门安装，便于增碳等操作。安装数量则是在效果与风险间权衡的结果，数量越多，搅拌和净化效果越好，但漏钢的风险点也随之增加。通常，70吨以下钢包安装一个，大于70吨则安装两个。

安装方式的选择：主要有内装式和外装式两种。内装式是将透气砖与座砖预先组装好，在砌包时整体吊装。外装式则是先砌好座砖，待包衬完成后，再从外部将套砖和透气砖装入。内装式更换极为不便，且安全可靠性低，仅适用于透气砖寿命与包衬寿命同步的理想情况。现实中，几乎所有钢包都采用更换便捷、安全性更高的外装式结构。

材质之争：主流透气砖（及座砖）材质体系评析

透气砖和座砖的材质是决定其性能和寿命的根本。目前，市场主流材质体系主要围绕刚玉（Al₂O₃）进行改性，以应对高温下的各种挑战。

• 刚玉-尖晶石体系：单纯的刚玉质材料抗渣性和抗热震性并不理想。引入高纯电熔尖晶石（MgO·Al₂O₃）后，利用其优异的抗渣侵蚀能力，可以显著提升材料的综合性能。尖晶石对酸碱熔渣均有较好的抵抗力，尤其对铁氧化物稳定，能有效提高材料的高温耐侵蚀性。其不同于刚玉的热膨胀系数还能在材料内部引入微裂纹，起到增韧、提高抗热震性的作用。不过，该体系的挑战在于，尖晶石在形成过程中伴随着约8%的体积膨胀，这给烧成致密化和尺寸稳定性控制带来了工艺难题。
• 刚玉-氧化铬体系：为进一步增强对钢渣的抵抗力，可在刚玉基体中引入氧化铬（Cr₂O₃）微粉。Cr₂O₃在高温下会与Al₂O₃形成固溶体，这种固溶体对炉渣（尤其是含铁氧化物的渣）的抵抗性极强，黏度很高，能有效阻止熔渣渗透。少量的Cr₂O₃还能抑制刚玉晶粒异常长大，细化晶粒，改善材料的物理性能。但该体系的弊端也很明显：Cr₂O₃价格昂贵，过量添加会大幅增加成本并抑制晶粒正常生长从而劣化性能；更重要的是，含铬耐火材料对环境存在污染，与当前绿色可持续发展的要求相悖。

对于座砖，其材质选择与透气砖类似，同样广泛采用刚玉-尖晶石和刚玉-氧化铬体系，以期获得与透气砖相匹配的耐用性。

表1 精炼钢包用透气砖和座砖的理化指标（参考YB/T 4118—2003）

① 出厂每块透气砖都应进行透气量实验。

透气砖损毁的四大“元凶”：失效机理剖析

透气砖的损毁是一个涉及物理和化学过程的复杂综合作用的结果，主要可以归结为以下四个方面：

1. 烧氧吹洗的过度熔损：热修时为疏通气道而进行的氧气烧灼，虽然是必要操作，但也极具破坏性。吹氧区域温度可达2000°C以上，一旦操作工对残渣厚度判断失误，高温气流会直接熔损透气砖本体，其短时间内的损毁量可能是正常精炼过程的数倍。
2. 流体动力学的机械磨损：钢水在包内的湍流、气体喷射束形成的高强度二相卷流，都会对透气砖表面，尤其是凸起部分，造成持续的剪切和冲击作用。水力模型研究证实，气流的回击效应和钢水的反向冲击（如吹气结束时快速关阀）也会加剧机械损毁。
3. 热应力的反复冲击：工作面直接接触高温钢水，内部又被冷气流冷却，巨大的温度梯度在材料内部诱发强大的热应力。在周而复始的急冷急热作用下，出气口周围极易产生环状裂纹并最终导致断裂剥落。
4. 钢与渣的化学侵蚀：在长时间高温接触中，钢渣中的MnO、SiO₂、FeO等氧化物会不断向砖体内部渗透，并与砖中的Al₂O₃等成分发生反应，生成钙铝黄长石(12CaO·7Al₂O₃)、铁铝尖晶石(FeO·Al₂O₃)等低熔点物相。这些新生成的低熔物会轻易被钢流冲刷带走，造成砖体持续的化学蚀损。

延长服役寿命的关键路径

提高透气砖寿命，本质上是一场围绕材质优化、结构设计和工艺控制的系统工程。

• 材料改性与增韧：通过向材料中引入相变增韧材料（如含ZrO₂的锆基材料）或利用不同材料间的热膨胀差异（如板状刚玉与基质）来制造微裂纹，可以有效吸收和释放热应力，抑制主裂纹扩展，从而显著提高材料的抗热震性。采用高纯、低杂质的原料，特别是减少水泥用量以降低CaO含量，能有效减少低熔点相的生成，提升材料的本征耐火度和抗侵蚀能力。
• 微观结构致密化：优选高活性的α-Al₂O₃超微粉作为基质，可以促进材料在高温下的烧结，获得更高的致密度和强度，从而增强其抵抗机械冲刷和烧氧吹洗的能力。
• 狭缝设计的精细化：狭缝宽度是决定透气砖能否稳定工作的关键。缝隙过窄，易堵塞吹不通；缝隙过宽，则气泡粗大、搅拌效果差，且有渗钢风险。实践表明，当钢水液面高度超过2米时，缝宽应小于0.15mm才能有效防止渗钢。
• 成型工艺的均匀化：在浇注成型过程中，必须确保料浆流动性适中且布料均匀。若骨料与细粉发生偏析，将导致砖体烧后体积变化不均，进而影响狭缝宽度的一致性，引发堵塞或渗钢。这需要对浇注料的流变性和振动成型工艺进行精确控制。

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