摘要： 本文聚焦于山西地区原料制备的透气砖在高炉风口区的应用，深入探讨其抗冲刷磨损性能及结构优化问题。通过分析山西原料的特性，阐述透气砖的制备要点，研究其在高炉风口区的冲刷磨损机制，并运用实验与模拟相结合的方法，对透气砖的结构进行优化设计。结果表明，合理利用山西地区原料并优化透气砖结构，可有效提升其在高炉风口区的抗冲刷磨损能力，延长使用寿命，为高炉炼铁的高效稳定运行提供有力支持。

一、引言

高炉炼铁作为钢铁生产的核心环节，其风口区的工作条件极为苛刻，承受着高温、高速气流冲刷以及物料磨损等多重作用。透气砖作为高炉风口区的关键耐火材料，其性能直接影响高炉的顺行与寿命。山西地区富含多种耐火原料资源，基于本地原料开发高性能透气砖具有显著的成本与资源优势。然而，如何在高炉风口区的恶劣环境下，提升透气砖的抗冲刷磨损性能并优化其结构，是当前亟待解决的关键问题。

二、山西地区原料特性分析

山西地区拥有丰富的铝矾土、高铝矾土、黏土等耐火原料资源。铝矾土具有高铝含量、较好的耐火度与力学性能，为透气砖提供坚实的骨架支撑；高铝矾土则在高温稳定性方面表现突出；黏土类原料具有良好的粘结性与烧结性，有助于透气砖坯体的成型与烧结。但同时，山西部分原料也存在杂质含量波动、粒度分布不均等问题，这对透气砖的性能产生一定影响。例如，杂质可能导致砖体内部缺陷，影响其强度与抗侵蚀性；粒度分布不当会使砖体的堆积密度与气孔结构难以控制，进而影响透气性能与抗冲刷能力。

三、透气砖的制备

（一）原料预处理

针对山西原料的特性，首先进行严格的筛选与分级。对于铝矾土与高铝矾土，采用磁选、浮选等工艺去除铁磁性杂质与低熔点矿物杂质，提高原料的纯度。然后通过球磨、筛分等操作控制原料的粒度分布，使其满足透气砖制备的要求。对于黏土类原料，进行晾晒、破碎、陈化等处理，以改善其塑性与结合性能。

（二）配方设计

依据高炉风口区的工作条件与性能要求，结合山西原料的特点进行配方设计。确定铝矾土、高铝矾土与黏土的合理配比，以平衡透气砖的强度、耐火度、热震稳定性与透气性等性能指标。例如，适当提高铝矾土与高铝矾土的比例可增强砖体的耐高温与抗侵蚀性能，但过量会导致透气性下降；增加黏土含量有助于成型与烧结，但会降低砖体的高温强度。通过正交实验等方法优化配方，确定原料配比范围。

（三）成型与烧结

采用高压成型工艺，如摩擦压砖机或液压压砖机，使原料颗粒在高压下紧密堆积，形成具有一定形状与强度的砖坯。控制成型压力、保压时间等参数，确保砖坯的密度均匀性与结构完整性。在烧结过程中，制定合理的烧结制度，包括升温速度、烧结温度、保温时间与降温速度等。根据原料的烧结特性，缓慢升温以避免坯体开裂，在适宜的烧结温度下使砖体充分烧结，形成稳定的矿物相与结构，然后缓慢降温以减少热应力对砖体的影响。

四、高炉风口区冲刷磨损机制

（一）高温气流冲刷

高炉风口区高速喷出的高温煤气流（温度可达 1400 - 1600℃）对透气砖表面产生强烈的冲刷作用。气流携带的粉尘颗粒不断撞击砖体表面，导致表面材料的磨损与剥落。这种冲刷磨损与气流速度、颗粒粒度与硬度、冲刷角度等因素密切相关。例如，气流速度越高，颗粒对砖体的冲击力越大；颗粒粒度越大、硬度越高，对砖体的切削与研磨作用越强；冲刷角度不同，磨损形式也有所差异，垂直冲刷时以凿削磨损为主，倾斜冲刷时则兼有划伤与犁沟磨损。

（二）物料磨损

高炉内炉料的下落与运动也会对风口区透气砖造成磨损。炉料中的块状物料、球团矿等在下落过程中与透气砖表面发生碰撞与摩擦，尤其是当炉料粒度较大、下落速度较快时，磨损更为严重。此外，炉料中的碱性物质（如 CaO、MgO 等）在高温下可能与透气砖表面的矿物相发生化学反应，形成低熔点化合物，加速砖体的侵蚀与磨损。

（三）热应力损伤

高炉风口区温度波动频繁，透气砖在反复的加热与冷却过程中会产生热应力。由于砖体内部各部位的温度梯度不同，热膨胀系数差异导致砖体内部产生裂纹与应力集中。这些裂纹在气流冲刷与物料磨损的作用下不断扩展，最终导致砖体的剥落与损坏。热应力损伤与透气砖的热震稳定性密切相关，热震稳定性差的透气砖在高炉风口区的恶劣热环境下容易发生破裂与损毁。

五、透气砖结构优化设计

（一）多层复合结构

设计多层复合结构的透气砖，将不同性能的材料层合理组合。例如，在透气砖的工作面采用高硬度、高耐磨的铝矾土或刚玉质材料，以抵御高温气流与物料的直接冲刷磨损；在中间层设置具有良好热震稳定性与隔热性能的材料，如莫来石质材料，缓冲热应力的冲击，减少热量向砖体内的传递；在背衬层采用轻质、多孔的隔热材料，如陶瓷纤维或轻质耐火浇注料，进一步降低砖体的整体导热系数，提高其保温性能。通过多层复合结构的设计，充分发挥各层材料的优势，提高透气砖的综合性能。

（二）梯度结构设计

基于高炉风口区的冲刷磨损特点与热应力分布规律，设计梯度结构的透气砖。从工作面到背衬层，使材料的粒度、孔隙率、矿物组成等呈梯度变化。在工作面附近，采用细粒度、低孔隙率的材料，以提高表面的致密度与耐磨性；随着向背衬层过渡，逐渐增加材料的粒度与孔隙率，提高透气性与隔热性。同时，通过调整矿物组成的梯度分布，使砖体在不同部位具有不同的热膨胀系数与热震稳定性，更好地适应高炉风口区的温度变化与热应力环境。

（三）微观结构优化

在透气砖的制备过程中，通过控制原料粒度、烧结温度与添加剂的使用等手段，优化砖体的微观结构。细化原料粒度可使砖体的烧结更充分，减少气孔尺寸与数量，提高致密度与强度；适当提高烧结温度有助于促进矿物相的生成与转化，形成更稳定的晶体结构，但过高的烧结温度会导致气孔闭合，影响透气性。添加少量的添加剂（如氧化锆、碳化硅等）可改善透气砖的韧性、耐高温性能与抗侵蚀性。例如，氧化锆添加剂可提高砖体的相变增韧效果，碳化硅添加剂可增强砖体的抗氧化性与耐磨性。

六、实验研究与结果分析

（一）实验方案

选取不同配方与结构设计的山西地区原料透气砖样品，在模拟高炉风口区冲刷磨损条件的实验装置上进行测试。实验装置包括高温燃气发生器、颗粒喂入系统、冲刷磨损试验机等。设定不同的气流速度、颗粒粒度与浓度、冲刷角度等参数，对透气砖样品进行冲刷磨损实验。同时，采用热震实验装置对透气砖的热震稳定性进行测试，通过将样品在高温炉内加热至一定温度后迅速水冷，反复多次，观察样品的破损情况。

（二）结果分析

实验结果表明，采用多层复合结构与梯度结构设计的透气砖在抗冲刷磨损性能方面明显优于普通结构透气砖。多层复合结构透气砖的工作面磨损量较普通结构透气砖降低了[X]%，中间层的热震稳定性使其在经过多次热震循环后仍能保持较好的结构完整性，背衬层的隔热性能有效降低了砖体的整体温度梯度，减少了热应力损伤。梯度结构透气砖由于其材料性能的梯度变化，在冲刷磨损过程中表现出更好的适应性，表面硬度与耐磨性逐渐过渡，有效减缓了冲刷磨损的进程，其整体使用寿命较普通结构透气砖提高了[Y]%。微观结构优化后的透气砖，细粒度与低孔隙率的工作面使其具有更高的致密度与耐磨性，添加剂的作用提高了砖体的韧性与抗侵蚀性，在热震稳定性与抗冲刷磨损性能方面均得到显著提升。

七、结论

基于山西地区原料制备的透气砖在高炉风口区具有广阔的应用前景。通过深入分析山西原料的特性，优化透气砖的制备工艺，针对高炉风口区的冲刷磨损机制进行结构优化设计，可有效提高透气砖的抗冲刷磨损性能与使用寿命。多层复合结构、梯度结构以及微观结构优化等措施相辅相成，为高炉风口区提供了性能优良的透气砖产品。未来的研究应进一步深入探索山西