透气砖是精炼钢包底吹氩气使钢水温度和成分均匀化的重要元件，是现代炼钢不可或缺的组成部分。国内外对透气砖的研究非常广泛，但是主要集中在烧成透气砖的研究上。为了适应国家清洁能源的战略发展要求，降低能耗，很多单位开始了不烧透气砖的探索与研究。为了达到烧成透气砖的使用效果，本工作中，主要研究如何提升不烧透气砖中、低温下的强度和高温烧成过程中的体积稳定性。通过添加不同量的活性α-Al₂O₃微粉、71#水泥和尖晶石微粉的性能的对比分析，优选其中的配方试制成产品，取得良好效果。
试 验
1.1试验原料
试验所用主要原料和粒度为：板状刚玉(6~3、3~1、1~0、≤0.045mm)、尖晶石颗粒及微粉、活性α-Al₂O₃微粉、71#水泥等。主要原料的化学组成见表1。
表1 主要原料的化学组成
1.2试样制备按表2的配比称量各种原料，将配好的料放入搅拌机中干混2min，然后加入适量的水搅拌3min，振动浇注成型为40mm×40mm×160mm的长方体试样条，自然养护24h后脱模，在110℃下烘干24h，烘干后的试样分别在1100、1400和1500℃条件下热处理3h。
表2 试样配比
按YB/T5200—1993检测试样的体积密度，按GB/T3001—2007检测试样的常温抗折强度，按GB/T3001—2008检测试样的常温耐压强度，按GB/T3001—2004检测试样的高温抗折强度(1400℃保温0.5h)，通过测试1100℃保温0.5h水冷3次后试样的抗折强度保持率来表征材料的抗热震性能。
结果与分析
2.1活性α-Al₂O₃微粉加入量对试样常温物理性能的影响
不同活性α-Al₂O₃微粉加入量的试样在不同温度下的体积密度、抗折强度、耐压强度、线变化率和抗热震性能的变化情况见图1。
图1 活性α-Al₂O₃微粉加入量对试样在不同温度下物理性能的影响
从图1可以看出：1)在相同热处理温度下，随着活性α-Al₂O₃微粉加入量的增加，110和1100℃处理后的体积密度、常温抗折强度和常温耐压强度先增大后略微降低;1400和1500℃烧成后的体积密度、常温抗折强度和常温耐压强度都逐渐增大;1100℃处理后的线变化率几乎没有变化;1400和1500℃烧成后的线变化率逐渐降低;抗折强度保持率呈现出下降趋势，1500℃烧成后的下降幅度更大，当加入量达到12%(w)以后试样产生断裂;1500℃烧成后的高温抗折呈现出逐渐增大的趋势。2)在活性α-Al₂O₃微粉加入量相同的情况下，随着处理温度的升高，体积密度、常温抗折强度和常温耐压强度都呈现出先降低后增大;线变化率先增大后降低;抗折强度保持率降低。 分析认为：活性α-Al₂O₃微粉的粒度小，在不定形耐火材料中具有填充效应，可以减少浇注料的加水量，增大浇注料的成型密度和强度，并促进试样的高温烧结。但是加入量过多时，则会增大浇注料的加水量，减小浇注料的成型密度和强度。所以，随着活性α-Al₂O₃微粉的增加，110和1100℃处理后的体积密度、常温抗折强度和常温耐压强度先增大后略微降低。1100℃处理后的体积密度、常温抗折强度和常温耐压强度都小于110℃处理后的体积密度、常温抗折强度和常温耐压强度，是因为此温度时，试样还未烧结，同时水泥水化形成的水化产物因脱水，导致试样中孔隙增加并失去结合作用。但是随着α-Al₂O₃微粉的增加，形成的凝胶结合越来越多，弥补了因水泥脱水失去的结合强度，因此，110和1100℃的强度相差不大。综上分析，并结合生产制作的实际情况，建议添加10%(w)以上的活性α-Al₂O₃微粉。2.2 71#水泥加入量对试样常温物理性能的影响不同水泥加入量的试样在不同温度下的体积密度、抗折强度、耐压强度、线变化率和抗热震性能的变化情况见图2。
图2 71#水泥加入量对试样在不同温度下物理性能的影响
从图2可以看出：1)在相同热处理温度下，随着水泥加入量的增加，体积密度呈现降低的趋势，当加入量达到4%(w)以后，1400和1500℃烧成后的体积密度的降低幅度较大;110和1100℃处理后的常温抗折强度和常温耐压强度逐渐增大;1400和1500℃烧成后的常温抗折强度和常温耐压强度先增大后降低;1100℃处理后的线变化率没有明显地变化;1400和1500℃烧成后的线变化率逐渐增大;抗折强度保持率先降低后增大，当加入量达到4%(w)左右时最小;高温抗折强度先逐渐增大后略微降低。2)在水泥加入量相同的情况下，随着处理温度的升高，当水泥加入量小于4%(w)时，体积密度先降低后增大;当水泥加入量大于4%(w)时，体积密度逐渐降低;常温抗折强度和常温耐压强度先略微降低再逐渐增大;线变化率先增大后降低;残余强度保持率降低。分析认为：在成型和养护过程中，水泥水化形成CAH10、C₂AH₈、C₃AH₆等水化产物，产生结合强度。随着水泥量的增加，水泥水化所需的加水量增多，导致110和1100℃处理后的体积密度逐渐降低;同时，由于形成的水化产物越多，产生的结合强度越大，所以，试样110和1100℃的强度逐渐增大。在烧成过程中，试样中的CaO与Al₂O₃发生反应生成CA₆，会提高试样的强度，并伴有体积膨胀，但是当生成的CA₆过多时，产生的较大膨胀量破坏了试样结构，就会引起强度下降。因此，随着水泥量的增加，1400和1500℃烧成后的强度先增大后降低。所以，建议：在确保强度够用的情况下，尽量降低水泥的加入量。2.3尖晶石微粉对试样常温物理性能的影响不同尖晶石微粉加入量的试样在不同温度下的体积密度、抗折强度、耐压强度、线变化率和抗热震性能的变化情况见图3。
图3 尖晶石微粉加入量对试样在不同温度下物理性能的影响
从图3可以看出：1)在相同热处理温度下，随着尖晶石微粉加入量的增加，110和1100℃处理后的体积密度先增大后降低;1400和1500℃烧成后的体积密度逐渐增大;常温抗折强度和常温耐压强度呈现先略微增大再略微降低的趋势;1100℃处理后的线变化率没有明显地变化;1400和1500℃烧成后的线变化率逐渐降低，由线膨胀变为线收缩;残余强度保持率呈现逐渐增大的趋势;高温抗折先增大后略微降低。2)在尖晶石微粉加入量相同的情况下，随着处理温度的升高，体积密度先降低后增大;常温抗折强度和常温耐压强度逐渐增大;线变化率先增大后降低;残余强度保持率降低。
分析认为:尖晶石微粉的表面活性能大，进一步促进了试样的结合强度和烧结强度，同时改变了试样的内部结构。因此，随着尖晶石微粉的增加，试样的强度先增大后略微降低，残余强度保持率逐渐增大。建议添加6%~9%(w)的尖晶石微粉。
应 用
在以上研究的基础上，综合考虑了强度、体积稳定性能以及烧成后的热震稳定性能，最终选择H2配方试制成透气砖，在500℃处理后投入使用，2018年在国内某大型钢厂的120t钢包上试用，不仅吹成效果好，而且抗蚀损性能优于之前使用的高温烧成透气砖。目前，已经在国内多家钢厂推广使用，产品使用效果优良。
结 论
(1)在相同热处理温度下，随着活性α-Al₂O₃微粉加入量的增加，体积密度和强度总体呈现逐渐增大的趋势;烧成后的线变化率和残余强度保持率逐渐降低。建议添加10%(w)以上的活性α-Al₂O₃微粉。
(2)在相同热处理温度下，随着71#水泥加入量的增加，体积密度呈现降低的趋势;110和1100℃处理后的常温强度逐渐增大;1400和1500℃烧成后的常温强度先增大后降低;烧成后的线变化率逐渐增大;残余强度保持率先降低后增大;高温抗折强度先逐渐增大后略微降低。建议在确保强度够用的情况下，尽量降低水泥的加入量。(3)加入尖晶石微粉的试样，1100℃处理后的强度均大于110℃处理后的强度。(4)在相同热处理温度下，随着尖晶石微粉量的增加，110和1100℃处理后的体积密度先增大后降低;1400和1500℃烧成后的体积密度逐渐增大;强度呈现先略微增大再略微降低的趋势;烧成后的线变化率逐渐降低，由线膨胀变为线收缩;残余强度保持率呈现逐渐增大的趋势。建议添加6%~9%(w)的尖晶石微粉。
(5)具有中、低温强度高，而且不同温度下体积稳定的刚玉-尖晶石质不烧透气砖是可以代替高温烧成透气砖，取得更大的经济效益和环保效益。
