为炉外精炼提供更可靠保障———尖晶石种类和添加量对刚玉质透气座砖性能的影响分析

目前，炉外精炼技术在现代钢铁生产中已成为不可缺少的重要环节，在增加钢材品种、改善钢材质量等方面，日益显示出其优越性。炉外精炼工艺采用底吹氩技术，能均匀钢水成分和温度，促进钢水精炼的物理化学反应。透气砖是底吹氩工艺中最关键的功能元件，狭缝式透气砖为最通用的结构形式，刚玉-尖晶石、铬刚玉-尖晶石、铬刚玉是被普遍选用的材质。

　　高吹通率、免吹氧清扫，以及与钢包衬或包底使用寿命同步是透气砖研究追求的目标。近年来，对于砖芯的研究已经比较多，但是对透气座砖的研究很少。目前透气座砖被损毁的主要原因是钢水和钢渣的冲刷及热胀冷缩导致其开裂、剥落，更严重的情况为座砖出现贯通的十字开裂现象。对此，有研究人员对比分析了88级富铝尖晶石细粉和正尖晶石细粉对刚玉-尖晶石质透气座砖性能的影响，以期对研发、生产出更好的透气座砖提供支持。

　　对比试验

　　原料的选择。试验浇注料选用板状刚玉（粒度为10mm~5mm、5mm~3mm、3mm~1mm和≤1mm）为骨料，以板状刚玉细粉（粒度≤0.074mm）、高纯88级尖晶石细粉（粒度为≤0.074mm）、正尖晶石细粉（粒度为≤0.074mm）、氧化铝微粉（D50=2.0?滋m）为基质，以铝酸钙水泥作结合剂，添加一定量的446#钢纤维以提高其热震稳定性，加入适量分散性氧化铝ADS3和ADW1作减水剂。两种尖晶石原料都是采用电熔法制备而成，二者的XRD（X射线衍射）图谱衍射峰位置和数量相同，而峰的强度有所不同。

　　试样配比及制备。浇注料颗粒与基质的比例为70：30，用富铝尖晶石细粉（≤0.074mm）替代板状刚玉细粉，其替代量分别为0、3%、6%、9%；以正尖晶石细粉替代板状刚玉细粉，替代量分别为3%、6%、9%。

　　试验过程。将混好的料浇注成40mm×40mm×160mm的条样，于35℃下养护24小时脱模，经110℃环境下24小时烘干，将烘干后试样分别经1000℃环境下3小时和1650℃环境下3小时烧后测定其常规物理性能。用水冷法测试110℃环境下24小时、1000℃环境下3小时和1650℃环境下3小时烧后试样的抗热震性（热震温差为1100℃、水冷3次），用热震后残余强度保持率（残余强度保持率=试样热震后抗折强度/试样热震前抗折强度×100%）来评价材料的抗热震性。

　　试样的抗渣性检测如下：将各组试样制成中心带有?准30mm/?准25mm×30mm孔洞的70mm×70mm×70mm的方块，放入一定量的钢渣，在高温重烧炉内加热至1650℃保温3小时，在炉内自然冷却到室温后纵向切开，对比试样的侵蚀和渗透情况。

　　结果与讨论

　　尖晶石细粉添加量对常温性能的影响。研究人员以纯刚玉质浇注料为基础，分别添加3%、6%、9%的88级尖晶石细粉（≤0.074mm）和正尖晶石细粉的浇注料试样的抗折强度和耐压强度的变化规律，试样的处理温度分别为110℃环境下24小时、1000℃环境下3小时和1650℃环境下3小时。

　　由88级尖晶石细粉添加量对试样常温抗折和耐压强度的影响、正尖晶石细粉添加量对试样抗折和耐压强度的影响可知，随着两种尖晶石细粉添加量的增多，试样经110℃环境下24小时和1000℃环境下3小时处理后的抗折强度和耐压强度呈下降趋势。而添加88级富铝尖晶石的试样经1650℃环境下3小时处理后的抗折强度和耐压强度呈先上升后下降的趋势，但是添加9%的88级富铝尖晶石细粉的条样经1650℃环境下3小时处理后的抗折强度和耐压强度比纯刚玉质条样的高；添加正尖晶石的试样经1650℃环境下3小时处理后的抗折强度和耐压强度呈逐渐上升趋势。

　　从1650℃环境下3小时烧后的强度看，随着两种尖晶石加入量增加，试样的烧结性都能明显改善，促使试样高温处理后的常温强度明显增大。其中正尖晶石促进烧结的效果更佳明显。

　　从尖晶石细粉添加量对体积密度和线变化率的影响可知，两种尖晶石的添加对不同温度的体积密度和线变化率的变化规律相同。两者的区别主要是高温处理后，尖晶石细粉添加9%时，正尖晶石条样较富铝尖晶石的体积密度大，线变化率小。

　　结合尖晶石的添加量对体积密度及线变化率的影响。研究人员分析认为：试样在浇注成型过程中，随着尖晶石加入量的增加，浇注料的黏度增大，为保证其相同的流动性，加水量略微增多，导致试样经110℃环境下24小时处理后水蒸气逸出留下的空隙增加，导致试样在110℃环境下24小时的抗折强度下降、体积密度下降。

　　由于尖晶石和刚玉膨胀系数不一致，在冷却过程中会在尖晶石及刚玉的周围产生一些微裂纹，而裂纹使试样冷却后的强度下降，致使高温处理后试样的常温强度随着尖晶石加入量的增加有下降影响；加上尖晶石与Al2O3的固溶反应，这两方面共同作用的结果，致使添加正尖晶石和添加富铝尖晶石时，试样的常温抗折强度和耐压强度变化不同。数据表明，正尖晶石的固溶反应较富铝尖晶石强。

　　尖晶石细粉添加量对抗热震性的影响。从两种尖晶石细粉添加量对试样1100℃水冷3次后强度保持率的影响可知，含两种尖晶石的试样抗热震性变化规律相同，随着两种尖晶石添加量的增多，试样抗热震性呈现出不同变化。从抗热震性看，富铝尖晶石细粉添加量为9%时最好。

　　尖晶石细粉添加量对抗渣性的影响。从静态坩埚法抗渣试验后坩埚试样的剖面可以看到，随着两种尖晶石添加量的增多，侵蚀的深度逐渐减薄，抗渣性明显改善，当添加9%的两种尖晶石细粉的抗渣性都较好。分析认为，添加尖晶石细粉后，尖晶石与刚玉细粉及氧化铝微粉发生烧结，致密度提高，抗渣渗透性增强。同时尖晶石消耗渣中的CaO及FeO，使渣的黏度提高，且低熔物黏附于浇注料与熔渣的界面上，从而又阻止了熔渣向浇注料中渗透。

　　应用与实践

　　刚玉质透气座砖在国内某钢厂电炉150吨钢包中使用时，经常出现异常剥落，使砖芯高于座砖后断裂，使砖芯提前见警示标记，导致无法达到钢包小修炉龄而提前下线，严重影响钢包的正常运转，增大其他耐火材料的损耗，提高吨钢的生产成本。现在选用纯刚玉质、添加9%正尖晶石的刚玉-尖晶石质座砖和添加9%88级富铝尖晶石的刚玉-尖晶石质座砖，透气砖芯不变，在该厂电炉150吨钢包内对比试验。精炼设备为LF+VD（钢包精炼炉+真空精炼炉），底吹率为100%，底吹氩时间为LF60分钟+VD60分钟。纯刚玉质座砖使用寿命为15次~16次；选用添加9%正尖晶石细粉的配方使用寿命为18炉~19炉；选用添加9%富铝尖晶石细粉的配方使用寿命为22炉~24炉，使用寿命较纯刚玉质延长7炉~8炉、较正尖晶石的延长4炉~5炉，座砖异常剥落现象明显降低。

　　两种尖晶石对刚玉尖晶石浇注料试样常温性能的影响规律相同，随着尖晶石细粉添加量的增多，110℃环境下24小时和1000℃环境下3小时处理后的抗折强度和耐压强度是逐渐下降的，体积密度也是逐渐下降的；1650℃环境下3小时的线变化率是先上升后下降的；随着尖晶石添加量的增多，抗渣性会逐渐改善；正尖晶石的烧结性较富铝尖晶石强，导致1650℃环境下3小时处理后正尖晶石试样的抗热震性较含富铝尖晶石试样差。

　　在国内某钢厂电炉150吨钢包中使用时，富铝尖晶石添加量为9%的配方浇注料的使用寿命，较纯刚玉质透气砖延长7炉~8炉，较正尖晶石延长4炉~5炉。