铁水搅拌器用耐火材料的工况挑战与性能优化路径

在现代钢铁冶炼流程中，铁水预处理是提升钢水洁净度、优化后续工序的关键环节。其中，机械搅拌法因其高效的脱硫能力而得到广泛应用。目前，主流的搅拌预处理工艺主要分为莱茵法（Rheinmetall法）和KR法两大类。

这两种方法的核心区别，在于搅拌器与铁水的作用方式。莱茵法采用浅插入模式，搅拌器仅部分浸入铁水，主要搅动熔池上部的铁水与脱硫剂，形成涡流，通过循环作用使整个罐内的铁水逐步完成脱硫。相比之下，KR法采取深浸没方式，搅拌器完全沉入铁水内部进行搅动，如图1所示。这种方式能够将撒入的脱硫剂更迅猛、更均匀地卷入铁水旋涡中，从而显著加速脱硫反应进程。武钢所采用的KR搅拌器即是这一技术的典型应用实例，如图2所示。

图1 KR铁水脱硫装置示意图

图2 武钢使用的KR搅拌器

搅拌器耐火材料面临的严苛工况

在铁水预处理作业中，搅拌器以100 ~ 140 r/min的高速旋转，强制铁水与预处理剂进行混合反应。这一过程使其表面的耐火材料长期承受着极端恶劣的服役环境，其损毁机制是多种因素耦合作用的结果：

1. 物理冲刷与磨损：高速旋转的铁水流与熔渣对搅拌器表面形成持续、强烈的冲刷和研磨，导致材料的物理剥落。
2. 化学侵蚀：高温铁水、炉渣以及脱硫剂（通常为碱性）对耐火材料进行着剧烈的化学反应，破坏材料的基质和骨料结构。
3. 热震损伤：搅拌器间歇式的工作特点，使其反复经历“浸入高温铁水”和“暴露于空气冷却”的循环，巨大的温度梯度变化在材料内部产生应力，导致热震开裂和剥落。

可以说，搅拌器的寿命本质上取决于其耐火材料在高温、高磨损、强腐蚀和剧烈温变下的综合抵抗能力。

高铝质不定形耐火浇注料的应用与性能指标

针对上述严苛工况，目前铁水搅拌器普遍选用高铝质不定形耐火浇注料进行整体浇注。这种材料具有较好的综合性能，能够平衡耐火度、抗侵蚀性和施工便利性。某典型铁水搅拌器用浇注料的核心理化性能指标见表1。

表1 某厂生产的铁水搅拌器用耐火材料的理化指标

从表中数据可以看出，材料不仅要求具有高Al₂O₃含量以保证耐火度和抗侵蚀性，同时对不同温度下的强度、体积密度和高温体积稳定性都有着严格的规定。精确测定这些理化指标，是评价材料是否合格、分析失效原因以及指导配方优化的基础。

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材料性能的改进路径与策略

为进一步延长搅拌器的使用寿命，业界探索了多种材料改性方案，主要围绕提升抗热震性、抗侵蚀性和耐磨性展开：

• 引入高膨胀性硅石颗粒：在配料中加入硅石（SiO₂）颗粒骨料，是提升抗热震性的有效手段。其机理在于，硅石在高温下发生晶型转变，体积膨胀，会在其周围的基质中诱导产生预设的微裂纹。这些微裂纹能够在材料遭受热冲击时，有效吸收和缓冲热应力，阻止宏观裂纹的扩展，从而显著提高材料的抗热震稳定性。

• 优化结合系统与基质：通过添加约2%的氧化铝微粉，并相应将水泥的用量降低至2%左右，可以优化材料的基质结构。氧化铝微粉能够填充基质中的微小孔隙，形成更致密的结构，从而有效提升浇注料抵抗熔渣渗透的能力，即增强其抗侵蚀性和耐磨性能。

• 添加碳化硅（SiC）：引入SiC是改善材料综合性能的常用策略。SiC具有高硬度、高导热率和优良的化学稳定性。高导热率有助于缓解材料在急冷急热过程中的温度梯度，从而提高抗热震性；而其优异的抗氧化和抗化学侵蚀能力，则能有效抵御脱硫剂和熔渣的侵蚀。

综合来看，铁水搅拌器用耐火材料的发展，正朝着复合化、精细化的方向演进，通过多组分科学配比，协同提升材料在复杂工况下的多重性能。