材料升级与工艺优化并举 破解KR脱硫搅拌器长寿化瓶颈

铁水脱硫预处理是保障钢铁产品品质、实现洁净钢生产的核心工序，在现代炼钢生产体系中占据基础性地位。其中，KR脱硫（机械搅拌脱硫）是目前应用最广泛的铁水脱硫工艺之一。当前，国内钢铁行业废钢循环利用比例持续攀升，冶炼工况发生深刻变化，铁水体系复杂化、炉渣侵蚀性增强等问题凸显，导致KR搅拌器耐火衬服役寿命不足、现场脱硫效率波动等行业难题，长期制约炼钢生产线高效、连续、稳定运行。近日，《中国冶金报》记者专访耐火材料领域专家、安徽工业大学博士生导师李明晖，结合行业技术现状与前沿研究成果，深度解读KR搅拌器长寿化技术迭代路径、KR脱硫工艺功能化升级方向，以及大废钢比冶炼背景下行业技术革新方向。

攻坚材料瓶颈

实现耐火材料长效服役

KR搅拌器长期处于高温铁水冲刷、熔渣化学侵蚀、热震循环、机械冲击多重耦合的极端恶劣工况，目前行业内搅拌器耐火衬普遍采用莫来石质耐火浇注料。据李明晖介绍，现阶段行业提升莫来石质耐火材料热震稳定性的主流方式为引入红柱石等，依托膨胀产生的微裂纹和相变提高材料韧性。但该传统改性方式存在固有技术短板，人工引入的微裂纹会破坏材料整体致密性，降低力学强度，行业长期面临耐火材料“韧性提升则强度下降、强度提升则韧性不足”的两难问题。如何实现耐火材料强度与韧性协同提升，破解莫来石质浇注料性能瓶颈，成为整个耐火材料及炼钢行业聚焦的核心技术课题。

针对当前行业痛点，科研与产业领域持续探索新型改性技术路径，目前主要有三大方向：一是在烧结莫来石基体中引入第二相高强空心粒子，优化基体微观结构，提升材料强度与韧性；二是革新传统增韧工艺，开发取向钢纤维增强耐火浇注料技术；三是在烧结莫来石浇注料中引入氧化铝空心球，以期同时提高材料的热震稳定性和力学强度。三大技术路线均聚焦耐火材料微观界面调控、增韧机理优化、制备工艺升级，旨在有效解决传统耐火材料强度与韧性失衡问题，推动KR耐火衬长效服役。

在莫来石浇注料改性领域，李明晖团队重点攻关空心粒子复合改性技术。相关研究与实践表明，在烧结莫来石浇注料体系中引入氧化铝空心球，可有效优化材料微观结构。氧化铝空心球与基体界面可生成发育完整的莫来石、钙长石颗粒，相互交织形成稳定连续的互锁网络结构。在高温、外力冲击工况下，基体与空心球界面结合强度显著提升，裂纹不再沿界面弱势区域延展，转而形成穿球断裂模式，高效消耗裂纹扩展能量。该技术可同步提升耐火材料的热震稳定性和常温与高温力学性能，成为目前KR耐火材料长寿化改造的优选方向之一。

钢纤维增韧是行业内应用广泛的耐火浇注料改良技术，掺入钢纤维可有效提升浇注料抗断裂韧性，增强材料抗震动、抗冲击、抗剥落能力，阻滞高温工况下裂纹萌生与扩展。但李明晖指出，传统钢纤维浇注料存在普遍性缺陷：钢纤维在浇注料内部呈随机无序分布，而KR搅拌器实际服役过程中载荷方向相对固定，无序排布的纤维无法精准匹配受力特征，增韧补强效果大打折扣，材料利用效率偏低，难以满足高端高效炼钢生产线的长周期服役需求。

为破解这一难题，李明晖团队逐步推进取向钢纤维耐火浇注料技术的研发与产业化，通过在成型过程中施加定向磁场，实现钢纤维由无序分布向主拉应力方向定向排布的精准调控。力学性能检测与微观结构分析显示，经过取向改性的耐火浇注料，断裂延伸率显著提升，裂纹偏转、分支效应更加明显，材料抗变形、抗裂纹扩展能力显著提升。定向排布结构可充分发挥钢纤维桥联、拔出、偏转的多重增韧效应，在有限纤维掺量下实现增韧效能最大化，有效解决传统钢纤维浇注料补强效率低、易剥落、寿命短的行业难题，为KR搅拌器耐火材料长效服役提供坚实技术支撑。

与此同时，李明晖团队研究发现，钢纤维增强体系的性能上限，关键取决于纤维与耐火基体的界面结合稳定性。在KR高温服役工况下，钢纤维极易发生高温氧化熔损，导致纤维力学性能劣化、应力传递能力下降；同时，纤维与基体界面易出现脱粘缝隙，造成结构失效、阻裂作用丧失。高温界面氧化问题，已成为制约取向钢纤维耐火材料规模化推广、长效稳定服役的行业瓶颈。

该团队创新性地提出钢纤维表面改性技术，通过二氧化硅表面修饰工艺，在钢纤维表面构建连续致密的硅质保护层。大量高温试验及表征结果证实，该保护层可有效阻隔高温氧气内渗、抑制金属元素迁移，大幅缓解高温工况下的界面氧化脱粘问题，稳固纤维—基体复合结构稳定性。二氧化硅改性技术可显著降低钢纤维高温氧化增重，提高剧烈氧化失效温度，有效解决钢纤维耐火材料高温服役稳定性差的行业痛点，为该类高端耐火材料工业化应用扫清技术障碍。

深挖工艺机理

助推脱硫工艺提质增效

在耐火材料迭代升级的同时，行业聚焦KR脱硫工艺功能化升级，从流体力学、流场优化角度深挖脱硫提效潜力，破解脱硫效率波动、命中率不稳定等行业工艺难题。KR搅拌脱硫的核心原理是依靠搅拌器搅动铁水，实现脱硫粉剂均匀分散、充分反应。粉剂在铁水中的弥散效果，直接决定脱硫反应速率与成品钢质量，是影响炼钢生产效率与成本的关键环节。因此，量化流场规律、优化搅拌工艺参数，成为行业提质增效的重要研究方向。

李明晖团队依托水模试验与数值模拟等研究手段，通过大量工况对比试验，探明了搅拌器结构、转速、漩涡形态与粉剂分散效果的对应量化关系和影响机制。脱硫粉剂分散效果最佳的工况区间为漩涡相对搅拌器深度比值在0.96~1.06、相对搅拌器宽度比值为0.66~0.72；粒子分散性相对较好的工况区间，漩涡深度相对搅拌器深度比值范围在0.60~1.56、漩涡宽度相对搅拌器宽度比值范围在0.61~1.38。这套量化指标已成为钢铁企业设计搅拌器结构、优化搅拌转速、稳定脱硫工艺的重要参考标准，可在不新增装备投入的前提下，有效改善粉剂混合效果、提升脱硫命中率与生产稳定性。

在“双碳”背景与废钢资源化利用提速的行业大趋势下，大废钢比冶炼已成为钢铁行业主流发展方向，也给KR脱硫全流程带来全新挑战。废钢比例提升深刻改变了传统铁水、炉渣组分体系，表现为铁水氧化性升高、炉渣碱度降低，衍生出两大行业难题：一是强侵蚀性熔渣大幅加速KR搅拌器耐火衬损毁，缩短耐火材料使用寿命，增加设备检修频次与生产成本，制约生产线连续化、智能化生产；二是渣系碱度降低且氧化性高，导致扒渣困难且铁水深脱硫命中率急剧下降，影响洁净钢生产质量稳定性。对此，李明晖团队明确了KR脱硫工艺的升级方向：一是研发适配强侵蚀工况的抗渣型长寿命耐火浇注料，实现装备长效稳定运行；二是深耕大废钢比工况下脱硫热力学、动力学机理，攻关炉渣改性、新型高效脱硫剂等技术，稳定脱硫工艺水平。（中国冶金报）