透气塞用刚玉质耐火材料的发展趋势

      由于服役条件苛刻，透气塞用耐火材料需要满足抗高温、耐侵蚀性、抗热震性、高温体积稳定性、高强度、透气性好、钢水渗透少等多方面需求。为了提高透气塞的使用性能及寿命，要求其制备材料满足抗热震性能好及不易被钢水润湿的需求。在高温和真空下，钢水对耐火材料氧化物的润湿角大小为：Cr2O3>Al2O3>MgO。氧化物的稳定性：Al2O3>CaO>MgO>Cr2O3。因此，随着冶炼工艺的发展和使用条件的不同，透气塞材质的发展经历了镁质、刚玉质、铝铬质、刚玉-尖晶石质等曲折的过程。

　　1.镁质透气塞

　　由于对含有FeO和CaO的碱性渣具有良好的抵抗性，耐火度高，不污染钢水，透气塞早期使用的是镁质耐火材料。镁质透气塞由镁砂颗粒、镁砂细粉、氧化铝微粉和结合剂按要求配比并高温烧结形成，烧结后的镁质耐火材料中MgO含量超过80%，因此其热膨胀系数大、弹性模量高等缺点，导致透气塞服役中抗热震稳定性和抗渗透性差，易发生剥落，降低了镁质耐火材料的使用寿命。

　　2.刚玉质透气塞

　　刚玉质材料是指Al2O3含量大于90%以上的耐火材料，相比之下，刚玉质材料具有良好的热震稳定性好，对钢液的润湿角大。另外，刚玉熔点高(2050°C)、密度大(3.95-4.10g/cm3)、抗化学侵蚀强，故以刚玉为主要物相的刚玉质耐火材料具有耐高温、强度高、抗渣性和高温化学稳定性好等优点。因此，刚玉质耐火材料逐渐取代镁质系用以制备透气塞。刚玉质透气塞由刚玉骨料、氧化铝微粉加结合剂高温烧结制备，但是，纯刚玉质透气塞在使用中发现剥落现象较为严重，在50t钢包上其服役寿命约在20次左右。

　　由此，研究者开始向透气塞用刚玉质耐火材料中添加氧化铬(Cr2O3)、尖晶石、氧化锆(ZrO2)等制备铝铬质、刚玉-尖晶石质透气塞，以期提高透气塞的性能，延长其服役寿命。

　　3.铝铬质透气塞

　　Cr2O3的熔点(2275°C)略高于刚玉相，具有与α-Al2O3相同的晶型结构。在刚玉质耐火材料中引入少量Cr2O3形成Al2O3-Cr2O3固溶体，能提高材料对氧化铁或炉渣的抗侵蚀性，也能通过抑制Al2O3晶体增长减小晶体内部应力，提高材料的物理性能及高温力学性能。但引入过多Cr2O3会严重影响Al2O3晶体增长，降低材料的物理性能。而且Cr2O3使用过程中Cr3+会向Cr6+转变，形成有毒CrO3，对环境污染较大。因此，Cr2O3的引入量一般在4-7wt%左右。通过在刚玉相中引入Cr2O3制备铝铬质透气塞，在160t钢包上其平均服役寿命在23次左右。

　　4.刚玉尖晶石质透气塞

　　以板状刚玉为主相，引入预合成尖晶石或镁砂，再加入部分Al2O3细粉高温烧结制备刚玉尖晶石质透气塞，除具有好的抗渣渗透性外，热震稳定性也比铬刚玉质好。研究者比对了工业用刚玉尖晶石质及刚玉氧化铬透气塞，结果表明在频繁热冲击下刚玉尖晶石质透气砖体现更为优异的抗热震性，其中尖晶石含量约为8-12%的材料热震稳定性较佳。由此制备的刚玉尖晶石透气砖服役平均服役寿命也进一步得到了提升，在180t钢包上一般在28次左右。该体系的透气塞缺点是体积稳定性不如铬刚玉质，在烧成或使用中体积变化较大，影响了气体流动通道的尺寸，导致透气塞透气量降低。