近年来，由于人们对钢材质量的要求越来越高，需要对炼钢技术和炼钢工艺进行改善。炉外精炼技术是炼钢过程中重要的精炼工艺部分，可以调节钢成分及钢液的温度。而透气砖是这一工艺能够顺利实施的最关键的功能元件，对炉外精炼的可靠性和完备性起着至关重要的作用[1]。目前，由于钢包趋于大型化的发展，熔炼温度和熔炼时间都相继有所提高，使耐火材料在使用过程中所承受的环境越来越苛刻，因此需要进一步改善透气砖的性能，以满足当代炼钢工艺和炼钢技术对透气砖的要求。
本文通过对透气砖的材质、颗粒级配、结构、使用性能、损毁机理等方面的文献进行总结，提出相应的改善其抗渣性和抗热震稳定性的方法。
透气砖材质和结构
1.1材质
为适应炉外精炼工艺的发展，李远兵[2]和梁向荣[3]研究了MgO细粉的质量分数对刚玉-尖晶石透气砖(砖芯)的热震稳定性、重烧线变化、常温抗折耐压强度、侵蚀指数、渗透指数的影响。通过对性能的检测分析表明，当MgO的质量分数增加时，由于MgO和Al2O3形成镁铝尖晶石相增加，使热处理后的透气砖的抗折强度增大。并且刚玉-尖晶石的热震稳定性优于传统的铬钢玉透气砖，但是还存在一些不足，其体积稳定性不及铬钢玉砖。
张圣鑫等以ZrO2为添加剂，利用ZrO2在高温下的相变增韧和微裂纹增韧，提高刚玉质浇注料的韧性，当外加量为3%时，对钢包用透气砖的热震稳定性有明显提高的作用。
宫尚宝研究了氧化铬微粉对板状刚玉为主料的钢包用的铬钢玉质透气砖的性能影响。实验表明，适量的氧化铬微粉可以减小透气砖蚀损和提高热震稳定性。
通过在透气砖中加入相应的添加剂，添加剂在热处理的过程中发生相变，形成高温固溶相，具有高温强度高、难以被金属熔体和熔渣润湿等优点，使透气砖的抗热震性以及抗渣性等性能得到提高。
1.2颗粒级配
配料中的骨料、细粉、结合剂或外加剂的颗粒级配不同，会对制作的透气砖的强度、抗折、抗震等性能产生不同程度的影响。
Ko研究了细粉(<0074mm)的质量分数对刚玉-尖晶石浇注料抗热震稳定性性能的影响，结果表明当细粉的质量分数逐渐增加时，热震后刚玉-尖晶石浇注料的残余强度明显下降。
丁钰等研究了不同的颗粒配比对板状刚玉颗粒、白刚玉细粉、a-Al2O3微粉为主要原料透气砖性能的影响，结果表明当(质量比)1~0.5mm颗粒：0.5~0.3mm颗粒：细粉=57：29：12时，透气砖的常温性能达到理想状态，在高温烧结时起到促烧结作用。通过优化颗粒级配，使透气砖在热处理过程后具有优异的烧后使用性能和物理性能。合理的级配对透气砖的常温和高温使用性能均有所改善，达到炼钢工艺的要求。
1.3结构
目前透气砖的结构主要有弥散型透气砖、直通定向型透气砖、狭缝定向型透气砖，如图1所示。
1.3.1弥散型透气砖
弥散型透气砖具有较高的孔隙率和渗透性。在实际生产中，通过向混合物中加入含碳化合物，由于该物质能在低温下燃烧无剩余，因此可用低温烧尽中间材料的方法得到起初的孔隙率。弥散型透气砖中分布着不同尺寸的相互贯通的气孔，在使用过程中当停止吹气时，钢包中的钢和渣会通过这些气孔渗入透气砖内较深的区域，因此在工作面产生了固密的部位。当钢包处于停包时或者当重新开始吹气时，透气砖的工作表面部位受到钢水周期性的渗透作用和侵蚀冲刷而发生气孔堵塞、吹不通或剥落现象。
张美杰等利用现有的测试设备，提出了透气砖阻力系数的测量方法，采用因次分析法和多元线性回归法，发现测量得到的数据和实验值相对比时，测量结果和实验值极度相近，而且得出影响透气砖阻力系数的关键参数。
佐板采用球状的氧化铝为原料，通过增加透气的气孔数量，降低气孔的大小，对抑制钢水渗透起到很好的效果。
1.3.2直通定向型透气砖
直通定向型透气砖的气道设计为直通孔或者是直通狭缝型，转炉主要用的透气砖结构是直通孔型。由于钢包用的直通孔型的透气砖制作较为复杂，而且该透气砖的气孔通气率小，因此直通狭缝型透气砖代替了直通孔型的透气砖。
研究了不同贯穿孔透气砖及其高密度结构材质，对其制品的抗热震稳定性、抗氧化铁腐蚀性、常温强度等性能进行检测，发现贯穿孔透气砖既能保持高的鼓泡可靠性、又提高了砖的耐用性。
1.3.3狭缝定向型透气砖
目前狭缝定向型是透气砖最普遍采用的结构形式，根据现场使用条件包括精炼钢种、精炼工艺、钢包的容量、温度、钢水静压力等设计合理的狭缝，可以使透气砖的吹通效果达到最佳、在使用中的寿命增长、安全性能稳定。
寇志奇等以电熔刚玉、氧化铬为主要原料的透气砖为对象，研究了增加原料与钢水之间的润湿角，降低缝宽，提高狭缝式透气砖透气性能参数和抗侵蚀性能参数。研究表明：与国外透气砖的性能进行比较时，该砖的透气性、使用寿命优于国外的先进产品，满足钢包精炼生产对性能指标的要求。
王龙等采用跳桌法测定浇注料的流动值，检测体积密度、常温抗折强度及1500℃热处理后的线膨胀率。研究表明，与条形缝式透气砖相比，环形缝式透气砖可以使其透气性有所加强，并且能够使该透气砖的使用寿命延长，吹通率达到100%。
潘时松等针对传统钢包喷粉技术，研发出一种带锥形流化室的狭缝式透气砖，通过该结构在钢包底部喷吹喷粉。一部分喷吹的粉粒随着喷吹的气流进入到透气砖的狭缝中;另一部分颗粒碰触到耐火材料壁后，流动速度快速减退，回落并聚集在该透气砖的狭缝内，阻碍气流的流通。
朱波等研究了钢包透气砖在实际循环使用过程中的情况，发现钢水接触到的工作面和永久层存在一定的温度差，致使透气砖的狭缝结构在该温度梯度下形成热应力而使砖体狭缝的结构宽度有所增加，冶炼过程中的钢水会流入狭缝结构中进而致使气体流通量减小，到后期导致透气砖狭缝完全堵塞。当透气砖的狭缝数量和长度一定时，通过对透气砖的位置进行合理的设计，能够使冶炼过程中的钢水得到快速的搅拌，进而提高钢水成分、温度的均匀性。
随着炼钢工艺对透气砖的要求，弥散型透气砖和直通型透气砖使用较少，普遍应用狭缝式透气砖代替前两种砖，通过控制狭缝的数量和长度，保证良好的吹通率，延长其使用寿命。
透气砖使用性能
2.1抗渣性
为了提高材料的抗渣性能与抗钢液渗透能力，刚玉尖晶石透气砖中通常会加入Cr2O3或加入部分铬钢玉。Cr2O3和a-Al2O3具有相同的晶型结构，Cr2O3不仅改善了材料的抗渣性，更增大了材料与钢液的润湿角，对透气砖因钢液渗透而堵塞气孔具有明显改善。
王会先等研究利用Cr2O3细粉和Al2O3在高温下形成的铝铬固溶体和独立存在的含铬玻璃相，与钢水冶炼过程中的渣接触时形成液相具有一定的粘度，进而阻碍钢液中渣对透气砖的侵蚀;同时可以吸收渣中的氧化铁和氧化镁，在透气砖工作层形成致密的尖晶石，使透气砖的抗渣性有所提高。
但在材料中添加Cr2O3，高温烧成或使用之后，Cr3+被氧化成Cr6+，Cr6+有毒性，会污染环境。因此，为了节能环保，应尽量避免使用Cr2O3，并通过更换原材料，使不添加Cr2O3后的高温性能达到添加Cr2O3时的水平。
2.2抗热震性能
透气砖最主要的损毁方式是热震损毁。随着出钢温度的不断提高，透气砖的工作面在工作和间歇之间存在较大的温差，要求材料具有极高的抗热震性能。在浇注料中引入尖晶石相，透气砖的抗热震性能会有所提高。
熊飞等[18]研究通过在镁铝尖晶石中加入单斜氧化锆，使其在低温下形成相应的透气砖。研究显示，低温热处理的透气砖与烧成透气砖性能比较，经过低温热处理的透气砖的抗热震性提高，是因为氧化锆的加入对透气砖的高温抗折、抗热震性等性能有所提高。
张刚等研究了刚玉质材料与锆基材料的热膨胀系数之间的差异。利用该热膨胀系数之间的差异，使透气砖在在高温热处理的状态下形成微小缝隙，从而吸取和缓解主裂纹局部能量来减少应力的集中，克制裂纹的扩充，提高了透气砖的韧性并且改善了透气砖的热震稳定性。
郭海珠等研究亚微米级的a-Al2O3在快速烧结的过程中，由于a-Al2O3重结晶形成的粗大晶体中包含5~15μm的圆形封闭球状气孔，发现板状刚玉的常温强度较高，使透气砖体积稳定性和抗热震能力得到改善。
张晖等研究镁铝质透气砖在使用前后的热震参数、弹性模量和高温抗折强度存在明显的差异，利用脉冲激振法、三点弯曲法测量其存在的参数变化。研究表明：透气砖热震性的提高是由于镁铝质原料中的细小的晶体之间相互交叉的网状结构。
文献探讨在原料加入不同SiAlON含量对透气砖的影响，研究发现：随着SiAlON的增加，成型后浇注料的常温性能有所下降，然而在1500℃高温热处理之后，抗热震性得到明显的改善。
透气砖中加入的氧化物或非氧化物在高温下与骨料形成固溶相，增加了该砖的高温强度，提高该砖的渗透性，抵抗了钢包中熔渣对透气砖的侵蚀。透气砖经过高温热处理后，其使用性能得到改善，满足其使用要求。
透气砖损毁机理
透气砖损毁的原因主要有4个方面：热应力，机械磨损，机械应力，化学侵蚀。
3.1热应力作用
在实际生产中，钢包的烘包温度为1000℃，钢水温度达到1600℃，两者接触时的温度差会产生较大的热应力，进而造成非常大的热震冲击。钢包处于一个周而复始的工作环境中，透气砖在接触钢水和烘包时的温度频繁变化而产生的热应力是造成透气砖损毁的一个原因。透气砖产生热应力的关键因素是温度的变化，并且透气砖的不同部位温度变化存在着差异。
李秉强等对比了透气砖的内部各部位所产生的热应力和其同一位置的温度变化所产生的差异。发现工作面附近的热应力在一定程度上超过透气砖自身的结合强度。透气砖受到较强的热震作用，导致透气砖工作面附近层状剥落造成透气砖损毁。
王志刚等对钢水进出钢包时在包底形成的温度场和钢水所产生的应力场进行数值模拟分析，并对其进行数值检测。研究发现，若要钢包到达“准稳态”，需要对预热后的钢包进行数次的热循环，由于钢包包底在靠近包壁处的工作层的应力比靠近中心的部位高，为了削减该处所产生的热应力，可以在包壁附近增加保温装置缓解该现象。
3.2机械磨损作用
卷流对透气砖的冲刷大致分三种情况：
(1)透气砖高于座砖时，透气砖主要损毁的原因是钢包内钢水形成卷流对透气砖的侧面产生巨大的剪切效应和冲刷效应。因此，冲刷力是透气砖的座砖产生极大的损毁的原因之一，正常工作环境中，透气座砖使用次数也就一次，一次之后高于座砖的部分即被冲刷掉。
(2)透气砖与座砖持平时，座砖对透气砖起到了保护的作用，钢水形成的卷流首先冲刷座砖致使透气砖的剪切力相应减小。
(3)透气砖低于座砖时，在正常工作中该工作面上易积压冷钢，由于存留下来的冷钢的粘度相对较大，对吹气产生一定的阻碍作用，所以要满足精炼要求就需要加大吹气的压力。这样，气流对透气砖的冲刷作用力就相应加大，受到剪切、冲击强度大，更易损毁。为了达到炉外精炼对吹通率和使用寿命的要求，透气砖必须具有良好的抗冲刷能力和高温力学性能。
程瑛等讨论了在不同的精炼条件下，通过对骨料和基质进行适当的配比来消释侵蚀、渗透对透气砖吹通率和使用寿命的影响。
3.3机械应力作用
在使用过程中，钢包底部透气砖工作面和高温钢水直接接触，在循环使用条件下，钢包中的温度一直处于变化状态，包底耐火材料使用中由高温到低温会产生温度差，耐火材料的原质层和变质层的膨胀系数存在差异，使透气砖受到剪切应力作用，导致透气砖出现横向裂缝，甚至断裂[29]。
3.4化学侵蚀作用
透气砖的工作层与钢渣、钢水相互接触的时间比较长，熔渣持续向透气砖中侵蚀、渗透。钢水、渣中的MnO，MgO，SiO2，FeO，Fe2O3等氧化物与透气砖中的耐火材料发生反应
12CaO+7Al2O3=12CaO·7Al2O3(1)
FeO+Al2O3=FeO·Al2O3(2)
2MnO+SiO2+Al2O3=2(MnO)·SiO2·Al2O3(3)
钢水对透气砖工作层进行的熔损和剥落引起的物理蚀损，冶炼过程中钢渣和钢水对透气砖持续的渗透所产生的化学侵蚀，是透气砖损毁的最主要原因。因此，为了提高材料的抗热震冲击性能和抗渣性，需要改善透气砖的韧性和渗透性。
吹氩工艺对透气砖的影响
钢包底吹氩的技术不仅能有效使钢液中的成分和温度达到一个均衡的状态，而且弥散的小气泡还能使炼钢过程中钢渣与耐火材料的反应产物上浮，提高清洁度。吹氩处理对提高铸坯的质量和稳定铸坯的工艺具有重要的作用。
王忠英等讨论了对原有的精炼工艺的改善，使氩气进入到钢包中与钢液有效接触面积增加，并且使氩气在钢包中上升的流程和时间增加，可以得到满足埋弧所需气体供应的精炼效果;为了使脱氧和脱硫效果达到最佳状态，在精炼过程中增强埋弧渣的脱氧，保证了埋弧渣w(FeO+MnO)<0.5%。
张道华等研究表明由于喷补料的频繁喷补，利用透气砖剩下的残余温度对其喷补料进行烧结，重复该过程多次后，形成了蘑菇状的“蜂巢”，可以使透气砖的透气性到正常工作状态，又可以防止钢水的浸入;采用的外装底吹氩透气砖，既可以满足钢包底吹氩工艺的需要，又可以减少不必要的钢包停罐次数。
曾昆等设计了钢包底吹氩透气砖布置位置的优化方案，通过VOF多相流模型进行数值模拟，仿真证明了设计方案能使钢包的侵蚀速率变小，包龄增加。
李翔等通过水模型和优质真空泵油模拟实验，研究了双透气砖底吹氩位置和流量对钢液的影响，并不同吹气位置对钢液裸露面积进行了比较。实验显示，双孔夹角为180°、吹气孔位于各自半径0.6R圆周上时，混匀时间短且钢水的裸露面积小，对包壁的冲刷更小。
李学佳介绍了采用狭缝式透气砖应用于底吹工艺，透气性能好，安装简便，使用寿命长，完全可替代顶吹氩工艺，同时为ANS-OB吹氩工艺的实现提供了保证。
总结及展望
透气砖的损毁与耐火材料自身的材质、形状结构设计及使用环境有关。研究结果表明：
(1)优化的颗粒级配和合理的透气砖结构设计，可以改善透气砖的热震稳定性和抗渣性，进而提高其使用性能。
(2)影响透气砖使用寿命的因素诸多，但热剥落和氧气清洗是导致透气砖损毁的重要原因。通过在基质中加入氮化硅、塞隆等添加剂，使透气砖具有与钢水不润湿等特性，降低了蚀损率。
(3)合理设计吹气的搅拌时间与搅拌强度可以降低透气砖的损毁。
制备性能优异的钢包用透气砖，研究重点应该集中在以下几个方面：
(1)在满足精炼工艺的前提下，选择优异的添加剂，添加剂和骨料在热处理过程中形成高温固溶相，提高材料的抗热震性。
(2)研发新的烧结工艺，制备具有特殊性能的透气砖。
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