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底吹气透气砖的概况
自20世纪60年代以来，钢包二次精炼工艺已为各钢铁生产企业所应用。生产实践证明，如果没有有效的惰性气体处理，钢包中的二次冶炼是难以进行的。最初的惰性气体搅拌是利用顶吹氩枪来实现的，然而其搅拌效果有很大的局限性，难以对靠近包底的钢水进行充分搅拌，而钢包底吹气可以强化熔池搅拌，有去除钢水中非金属夹杂物、净化钢液、均匀钢水成分和温度的作用。国内从20世纪70年代开始将透气砖用于二次精炼，到20世纪90年代，透气砖底吹氩气技术的使用已经成为了钢铁企业冶炼的一种重要方法。
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透气砖的冶金功能
钢包透气砖是二次精炼工艺中最关键的功能元件，其主要作用有如下几个方面：
(1)可以调节钢包内钢水温度的均匀分布，以实现现有工艺最佳浇铸温度。
(2)通过吹气搅拌可使钢包中的合金和脱氧剂均匀分布。
(3)可以将钢水中的非金属夹杂带入渣中以满足钢液要求的洁净度。
为实现上述功能，需要将精炼所用的惰性气体通过透气砖吹入到钢包中，在透气砖与钢水的接触面即透气砖的工作面上，在足够的压力下，吹出的大量气泡形成气体喷射束，对整个钢包内的钢水进行揽拌，促使钢水流动，使钢包内温度和成分均匀化，同时不断喷出的气泡在界面作用下将钢水中的非金属夹杂带入渣中，达到洁净钢水的目的。
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透气砖应具备的性能
透气砖要满足上述的冶金功能，必须具备如下几方面的主要性能：
(1)良好的透气性。透气性是衡量透气砖质量的重要参数之一。研究表明：钢水的搅拌能与吹入气体的流量成正比;搅拌能直接影响钢水的搅拌效率，只有足够的搅拌能才能使得钢水得良好的搅拌效果。当吹氩量一定时，吹出的氩气泡越多，对钢水的脱气和搅拌越有利。
(2)高温耐侵蚀性。精炼钢包在温度和时间方面都要求非常严格，最高温度往往达到1750℃以上，精炼时间有时达到数十分钟。在精炼操作过程中，熔渣碱度对透气砖的寿命影响很大。所以，透气砖会受到在高温下渗透性很强的碱性渣的侵蚀，损毁速度快。
(3)高温耐磨性。精炼钢包底吹氩时，由于底吹氩的进行，钢水在钢包中的流动速度很快，钢水对炉衬材料和底部透气砖和座砖的冲刷磨损明显加大。钢包热修时，为了清除透气砖表面的残钢和残渣，恢复透气砖的透气功能，需要对透气砖表面进行吹氧清洗，使透气砖表面黏附的钢渣熔化;同时向透气砖吹入喷吹气体，吹走熔渣。在清理过程中，透气砖受到高速气流的冲刷作用，所以要求透气砖具有良好的高温耐磨性。
(4)抗热震性好。由于是钢包间歇操作，钢包倒入钢水时，透气砖的端部受到高温钢水的作用，温度陡然上升，吹氩气时，受冷气流冷却，材料内部产生很大的热应力。同时，钢包空包内注入钢水时，也会产生很大的温度变化，所以透气砖的使用条件非常苛刻，极易产生热剥落和结构剥落。
(5)要求安装简便，安全可靠。透气砖安装在钢包底部座砖的内部，工作条件极为苛刻，钢包透气砖的寿命无法与整个钢包寿命同步，因此需要对透气砖进行更换。所以要求安装操作简单，使用安全可靠，避免有渗钢和漏钢事件的发生。
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透气砖的结构发展
透气砖经过多年的发展，常见的结构类型主要有三种，即弥散型、狭缝型和直通孔型。
弥散型透气砖是透气砖的最早形式。由于材料本身气孔率高，所含有的大量气孔为惰性气体提供了通道。这种表面多孔的弥散型透气砖缺点是强度低，抗冲刷性能差，易被钢水和渣渗透而产生剥落，对钢水的搅拌效果也较差。目前在国内的钢包透气砖中很少使用。
狭缝式透气砖包括两种形式，一种是透气砖中心部位由几块成型薄板拼装形成狭缝，外部采用浇注料浇注而成，即所谓的“拼缝式”，这种透气砖的缺点是吹入气体的可控性差。另一种是在砖体中预浇注数十条直通狭缝，即通常所谓的“狭缝式”。狭缝式透气砖与前者相比，具有寿命长，吹成率高，气流量大，搅拌效果好等优点。
直通孔型透气砖由数量不等的细钢管埋入砖中制成，气体通道由许多笔直的微细管道组成，采用浇注法成型。与弥散型透气砖相比，直通孔型透气砖搅拌效果优于前者使用寿命提高了2〜3倍，然而其缺点是能提供的气体流量有限，使用后期经常由于透气量变小或吹不通导致精炼失败。
下图是三种透气砖的示意图
图1 钢包底吹透气砖
（a）弥散型；（b）狭缝型；（c）直通孔型
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透气砖的安装选择
透气砖的设置由钢包钢水量的大小、搅拌功能对冶炼钢种的质量要求和工艺路线来确定。选择钢所底吹气组件的位置时，应根据钢包处理的目的来决定。透气砖安装在包底中心位置和偏离钢包中心位置(吹气点在距包底中心1/2~1/3半径处)吹气对钢水的搅拌效果不同，钢包中心底吹氩有利于钢包渣金之间的反应，有利于顶渣的脱硫反应;而偏心底吹氩有利于钢包内部的混合和温度的均匀化以及夹杂物上浮。例如：CAS/CAS-OB的透气砖则需要安装在钢包底部的中心位置，因为该工艺要求氩气吹开浸渍罩下方的钢液渣面，满足冶炼时合金化或喷氧的要求。而LF炉工艺要求将透气砖安装在靠近LF炉门下方的位置，以满足冶炼时增碳、合金和脱氧等操作的要求。钢包透气砖安装越多，小气泡产生的数量越多，去除夹杂物的效果越明显，钢水的质量越好。但是安装数量越多，存在的漏钢风险也越大。通常，冶炼普碳钢时，70t以下的钢包，采用1个透气砖即可;大于70t和钢包就需要采用两个透气砖。
透气砖的安装形式可以采用内装式和外装式两种。内装式是指将透气砖与座砖在钢包外预先组装在一起，在砌筑钢包时，清理好包底透气砖的位置，砌筑好帘砖后将带座砖的透气砖吊装至该位置，然后依次砌筑包底和包衬。外装式由座砖、套砖和透气砖组成。在砌筑钢包时，在包底安装好座砖后即可砌筑包底及包壁，最后将套砖和透气砖外侧均匀涂上火泥，依次用力装入座中，再在套砖和透气砖的底部封上垫砖，盖上法兰，烘烤。内装式透气砖知县用于钢包衬砖与透气砖寿命同步的情况，而外装式适合用于需经常更换透气砖的情况。由于内装式透气砖的安全性低、可靠性差，更换麻烦，目前，几乎所有的钢包均使用外装式透气砖。
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透气砖的材质和使用
目前透气砖的材质有刚玉质、铬刚玉质、高铝质和镁铬质等。表1为精炼钢包用透气砖和座砖的理化指标。表2为精炼钢包用透气砖和座砖的允许误差范围。
表1 精炼钢包用透气砖和座砖的理化指标（YB/T 4118-2016）
表2 精炼钢包用透气砖和座砖的尺寸允许偏差范围
A 刚玉-尖晶石体系透气砖
单相刚玉质浇注料的抗渣性和抗热震性均不理想，而尖晶石材料具有良好的抗渣侵蚀性。按复相改性改善耐火材料性能的原理，在刚玉烧注料中加入高纯电熔尖晶石，以改善刚玉浇注料的性能。原料方面以板状刚玉为颗粒料，以电熔白刚玉、尖晶石、活性α-Al2O3微粉等为细粉，铝酸钙水泥为结合剂。其优点是抗热震性、抗渣性明显提高;缺点是透气砖在高温处理过程中，尖晶石发生体积变化，造成透气砖体积稳定性差，生产过程中不易控制。
B 刚玉-氧化铬体系透气砖
为了进一步提髙透气砖抵抗钢渣的侵蚀能力，制品中加入一定量的氧化铬微粉。，其主要原料以板状刚玉为颗粒料，板状刚玉细粉、氧化铬微粉为细粉，铝酸钙水泥为结合剂。在高温下氧化铬、氧化铝形成高温固溶体，同时与少量的氧化镁形成部分固溶体MgO·Cr2O3-MgO·Al2O3。这种固溶体对Fe2O3或炉渣的侵蚀及抵抗性显著增强，且黏度非常大，从而在高温下能够有效地阻止钢渣的渗透和侵蚀。同时，少量的Cr2O3还能够抑制Al2O3过分增长，也减少了晶体内的应力，提高材料的物理性能。但如果加入量太多，刚玉晶粒生长受到过大的抑制，也将产生内应力，从而降低材料的物理性能。此外，Cr2O3价格比较高，加入量太多会大幅度增加成本;另外，Cr2O3对环境造成严重的污染。
C 刚玉-尖晶石体系透气座砖
刚玉-尖晶石体系透气座砖是应用最为广泛的材质，主要原料以板状刚玉、α-Al2O3微粉、尖晶石为主，纯铝酸钙水泥结合。其优点是由于尖晶石抵抗酸和碱的能力比较强，并且是高熔点化合物，具有良好的性能。铝镁尖晶石抵抗碱性熔渣的能力强，对铁氧化物的作用也较稳定，在高温下与磁铁矿接触时会发生反应而形成固溶体，透气座砖高温耐侵蚀性得以提高;同时，固溶MgO或A12O3的尖晶石由于矿物之间膨胀系数的差异，其抗热震性更好。缺点是MgO与A1203按理论组成形成尖晶石时，产生约8%的体积膨胀，因而烧成时较难致密化，透气座砖体积变化难以控制。
D 刚玉-氧化铬体系透气座砖
刚玉-氧化铬体系透气座砖是在刚玉-尖晶石体系基础上，为了提高透气座砖高温耐剥落性而产生的。主要原料以板状刚玉、a-Al2O3微粉、工业氧化铬、尖晶石为主，纯铝酸钙水泥结合。其优点是在尖晶石提高座砖性能的基础上，通过A12O3-Cr2O3形成的固溶体对氧化铁炉渣的侵蚀抵抗性显著增加，加入少Cr2O3能抑制氧化铝晶体过分增长，从而减小了晶体内部应力，提高透气座砖的抗热震性、抗冲刷性及耐侵蚀性。缺点是Cr2O3加入过多，刚玉晶粒成长速度受到严重影响，从而降低材料的物理性能;另外，Cr2O3对环境污染严重，违背了国家可持续发展的要求。
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透气砖的损毁机理
透气砖的工作属于不连续操作，在整个钢包周转周期内的不同时间，会产生不同的物理和化学蚀损。从实践来看，透气砖的损毁可分为如下几种：
(1)烧氧吹洗作用
在钢包出钢完毕至下次受钢前，钢包在热修区接受热修，此时需要对透气砖采用氧气灼烧吹洗工作面，以清理工作面上残留的钢和揸。烧氧吹洗对透气砖的正常使用是有利的，该措施保证了透气砖工作面的清洁和气体通道的畅通，使钢包周转周期得以顺利进行。但由于在热修区很难准确把握透气座砖工作面上残留的钢和渣的厚度，因此在清除掉残留物后，会发生误烧透气砖的情况，当包底状况较差或热修区操作者判断失误时情况可能更加严重，烧氧时温度达到2000℃以上，高温气流对透气砖是非常致命的，这几分钟的熔损量往往比正常精炼蚀损量要高2〜3倍。
(2)机械磨损作用
出钢过程中钢水高速、强力对钢罐底部的冲刷，也会加快透气砖的损蚀。有人通过水力模型试验对透气砖损蚀情况的研究发现：当低速流动的气流射入液相熔池时，气流回击并击打透气砖前沿，给出气口四周的耐火材料以一定的冲击力。当进一步提高气体流速时，反向脉冲频率降低，但反向冲击强度进一步增大;另外，当吹氩进入正常喷射状态时，强烈的气泡组成气体喷射束，喷射束加强了钢罐底部的搅拌，钢罐底部液相运动加剧，二相卷流使透气砖受到强烈的剪切和冲击应力作用。透气砖高于座砖时受这种卷流的剪切、冲刷尤其明显，高于座砖的部分一般在使用一次后即被冲刷掉，因此在新更换透气砖的情况下，这种情况往往很容易发生;另外，精炼结束后若快速关闭阀门，钢水的反向冲击也会加速透气砖损毁。
(3)热应力的作用
透气砖工作面的耐火材料，尤其是出气口四周的耐火材料，因与高温钢水直接接触，受到高温钢水及不断流出的冷气流的影响，产生很大的温度梯度。由于多次使用，透气砖受到的急冷急热作用大，尤其靠近出气口部位所受到热应力更大，容易产生环状裂纹而出现断裂。
(4)化学侵蚀作用
透气砖工作面与渣、钢水接触时间长，在整个包役中，熔渣不断向砖中浸润、渗透。钢水、渣中氧化物MnO、MgO、SiO2、FeO、Fe2O3等与砖发生反应：
12CaO 7Al2O3═12CaO·7A1203
FeO Al2O3═FeO·Al2O3
2MnO SiO2 Al2O3═2( MnO)·SiO2·Al2O3
生成的FeO·Al2O3、2(MnO)·SiO2·Al2O3、12CaO·7A12O3等低熔物被冲刷而造成透气砖被侵蚀。
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提高透气砖寿命的途径
(1)加入锆基材料和板状刚玉提高透气砖的耐剥落性。
向透气砖中加入预合成锆基材料，对铝铬质透气砖可以起到改性作用。刚玉质材料与锆基材料有不同的线膨胀系数，高温状态下形成微裂纹，起到吸收和释放主裂纹部分能量的作用，减少应力集中，抑制裂纹的扩展，增加透气砖的钿性。加入预合成锆基材料，利用ZrO2的增韧作用，可以显著提高透气砖的抗热震性。板状刚玉是一种不添加MgO、B2O3等任何添加剂，收缩较彻底的烧结氧化铝原料，其物相是由中位径40〜20μm的六方板状α-Al2O3晶体组成，晶体二维形 貌呈平板状互相穿插交错。在快速烧结时，亚微米级的α-Al2O3重结晶形成的粗大晶体中包含有5〜15μm的圆形封闭球状气孔。因此，板状刚玉强度较高，可使透气砖具有极好的热体积稳定性和良好的抗热震能力。减少杂质含量可提高透气砖的抗侵蚀能力，高温烧氧清除透气砖表面钢渣时，钢渣在高温作用下，易与耐火材料发生反应，形成蚀损凹坑。耐火材料中的杂质含量越多，烧氧蚀损越严重，因此要尽可能减少耐火材料中的杂质含量，提高透气砖的耐高温性能。选用低杂质R2O原料和降低透气砖用浇注料水泥的加入量，来实现降低透气砖杂质含量的目的。水泥加入量越少，CaO含量越低，形成钙铝黄长石低 熔点相量越少，耐火性能相应提高，抗氧气清吹能力和抗侵蚀能力增强。
(2) 优选超微粉。
提高透气砖的强度，α-Al2O3微粉作为结合剂是透气砖的主原料之一。高温下α-Al2O3微粉可以促进材料的烧结，提高透气砖强度，有利于增强抗氧气清吹能力。
(3) 钢水的搅拌强度与吹氩量成正比。
从狭缝中吹出的气泡越多，搅拌强度越大，对钢水脱气越有利，因此透气砖狭缝宽度选择极为重要。狭缝过窄时，使用过程中会由于透气量小而吹不开，不能起翻;狭缝过宽，气泡大，搅拌效果不好，容易产生渗钢，导致二次使用吹不开。狭缝宽度是透气砖稳定使用的基础。狭缝宽度的选择主要考虑钢水高度与渗钢的关系。钢水高度大于2m时，缝宽度应小于0.15mm才能够防止钢水渗透。
(4) 均匀布料提高透气砖的体积稳定性。
透气砖成型过程中，浇注料布料直接影响透气砖的体积稳定性。透气砖狭缝交错分布，缝与缝之间宽度不同，振动成型时易使骨料或细粉集中，导致透气砖使用中产生不均匀的体积变化，狭缝宽度变化导致吹不开或渗钢现象发生。解决办法有两个：一是调整好透气砖浇注料的流动性，控制好加水量，振动成型 时不发生分层现象;二是固定好狭缝填充物，使浇注料均匀布料，避免浇注料成型时产生偏移，致使局部过窄不易下料。