KR搅拌桨用Al2O3-SiO2-SiC浇注料的研制及应用高仁骧上海柯瑞冶金炉料有限公司上海201908摘要：根据KR搅拌桨因浇注料中裂纹的产生和扩展而损坏的机制，利用碳化硅热膨胀系数较小的特性，开发出具有很好的抗热震性能的Al2O3-SiO2-SiC浇注料。
用该浇注料制作的KR搅拌桨，应用于宝钢二炼钢300 t的铁水包脱硫作业，在平均每炉脱硫时间达13.5 min，最高转速达120 r·min-1，且较少修补的情况下，使用寿命达310炉以上，最高寿命达到376炉，取得了很好的使用效果。
关键词：铁水脱硫；KR搅拌桨；Al2O3-SiO2-SiC浇注料；裂纹；抗热震性KR搅拌脱硫技术在20世纪70年代就由武钢从日本新日铁引进[1]，但后来发展几乎停滞。
2000年后又发展起来，KR搅拌桨与脱硫喷枪相比较，由于搅拌力量大，能使脱硫粉剂在铁水中充分扩散，因而脱硫效率高，脱硫粉剂使用量少，脱硫时间短，脱硫费用低，正在被国内钢厂普遍接受，国内钢厂已有武钢、宝钢、湛江宝钢、马钢、攀钢、柳钢等大小钢厂先后建起了KR搅拌脱硫生产线，并还有许多钢厂计划上马KR搅拌脱硫生产线，或对原有的脱硫喷枪脱硫的生产线进行改造。
因此，研制好KR搅拌桨将有广阔的市场前景。
KR搅拌桨的损坏最主要是由于耐火浇注料产生裂纹，随着使用中裂纹的加大加深，引起浇注料产生剥落，若剥落过多会致桨的旋转不平衡或铁水熔损到钢芯而下线，或铁水沿着加大加深的裂纹渗透至钢芯，导致钢芯烧坏而下线。
因此，减少裂纹的产生和抑制裂纹的扩展是KR搅拌桨用耐火浇注料的研制方向。
搅拌桨用耐火浇注料产生裂纹的原因有下列因素：一是KR搅拌桨冷热交替使用产生的热震裂纹；二是KR 搅拌桨高速旋转搅拌铁水时产生的机械裂纹；三是内部金属桨芯受热膨胀在耐材中产生的拉张裂纹。
因此KR搅拌桨用耐火浇注料应有很好的抗热震性和各温区的强度。
KR搅拌桨用耐火浇注料现在普遍采用两种材质，一是Al2O3-SiO2质，二是Al2O3-SiO2-SiC质。
由于碳化硅（热膨胀系数 4.7×10-6℃-1）比莫来石（热膨胀系数5.3×10-6℃-1）具有更低的热膨胀系数，所以Al2O3-SiO2-SiC质的耐火浇注料的抗热震性更好。
因此，首选Al2O3-SiO2-SiC质作为试验材质。
1 试验1.1 主要原料及配比试验所用的主要原料有电熔莫来石颗粒、白刚玉粉、红柱石、α-氧化铝微粉、硅微粉、合成莫来石粉、碳化硅、71铝酸钙水泥等，其化学组成如表1所示。
在脱硫喷枪用低水泥结合莫来石浇注料的基础配方（见表2）中，用碳化硅替代其中的电熔莫来石（1~0 mm）和合成莫来石粉，分别试验了碳化硅的添加量和添加形式对浇注料抗热震性的影响。
碳化硅的添加量变化见表3，添加形式的变化见表4。
表1 试验用主要原料的理化性能原料w/% 体积密度/（g·cm-3）Al2O3SiO2SiC CaO K2O+Na2O电熔莫来石（15~0 mm）71.03 22.42 2.84电熔白刚玉粉（320目）98.84 0.19 0.37合成莫来石粉（180目）72.54 26.23 0.16 红柱石（3~0 mm）56.28 40.47 0.08 0.13α-氧化铝微粉99.42 0.28硅微粉93.98 0.4271铝酸钙水泥71.21 27.63碳化硅97.45表2 试验基础配方原料名称粒度/mm 配比（w）/%电熔莫来石15~8 10 8~5 5 5~3 15 3~1 10 1~0 10红柱石3~0 15电熔白刚玉≤0.048 4合成莫来石≤0.0886~12α－氧化铝微粉 571铝酸钙水泥 3硅微粉 3碳化硅8~14添加剂0.2表3 碳化硅添加量的变化试验编号A1 A2 A3 A4 碳化硅添加总量（w）/% 14 12 10 8 1~0mm碳化硅添加量（w）/% 5 5 5 3 320目碳化硅添加量（w）% 9 7 5 5表4 碳化硅添加形式的变化试验编号C1 C2 C3 碳化硅添加总量（w ）/% 12 12 12 1~0mm 碳化硅添加量（w ）/% 5 5 5 320目碳化硅添加量（w ）/% 7 5 3 5 µm 碳化硅添加量（w ）/%241.3 试验方法抗热震性试验的试样都是制成40 mm×40 mm×160 mm 样条，经110 ℃×24 h 烘干，再分别经1000 ℃×3 h 、1300 ℃×3 h ，1400 ℃×3 h 的中、高温烧成，然后各温度处理后的样经快速升温到1100 ℃保温20 min 到水冷5 min 的反复5次热震后，测量试样的抗折强度，与各温度处理后未经热震的试验的抗折强度比较，计算出抗折强度残余率。
2 结果与分析2.1 碳化硅添加量对浇注料抗热震性的影响碳化硅的加入量对试样热震后残余抗折强度和残余抗折强度保持率的影响如图1，热震后试样的裂纹情况见表5。
123456789A1A2A3A4试样编号残余抗折强度（M P a ）110℃×24h1000℃×3h 1300℃×3h 1400℃×3h203040506070A1A2A3A4试样编号抗折强度残余率(%）图1 碳化硅的加入量对试样抗热震性的影响由图1和表5可以看出，低、中、高各温度处理后再做热震试验的试样，随着碳化硅加入量的逐渐减少，热震试验后表观裂纹越来越多，残余抗折强度和抗折强度保持率也逐渐变差，说明多加碳化硅有利于提高抗热震性，这与碳化硅有较好的体积稳定性有关；但碳化硅多加后，配方中的Al 2O 3含量降低，而Al 2O 3含量设计得过低，可能降低搅拌桨的抗铁水的冲刷性和渣的侵蚀。
综合考虑，碳化硅的加入量取12%（w ）。
这样，浇注料中Al 2O 3含量在60%（w ）左右。
表5 不同碳化硅加入量和不同处理条件的试样热震后裂纹情况110 ℃×24 h 试样热震后外表裂纹情况 A1＝A2>A3>A4 1000 ℃×3 h 试样热震后外表裂纹情况 A1>A2>>A3＝A4 1300 ℃×3 h 试样热震后外表裂纹情况 A1>A2>A3>A4 1400 ℃×3 h 试样热震后外表裂纹情况A1>A2>A3>>A4注：“﹥”表示“好于”；“>>”表示“远好于”；“=”表示“相当”。
2.2 碳化硅添加形式对浇注料抗热震性的影响碳化硅添加形式对试样热震后残余抗折强度和残余抗折强度保持率的影响如图2，热震后试样的裂纹情况见表6。
12345678C1C2C3试样编号残余抗折强度（M P a ）20253035404550C1C2C3试样编号抗折强度残余率(%）图2 碳化硅的添加形式的改变对试样抗热震性的影响表6 碳化硅的添加形式改变后试样热震后裂纹情况110 ℃×24 h试样热震后外表裂纹情况C3﹥C1﹥C21000 ℃×3 h 试样热震后外表裂纹情况C3﹥C1﹥C21300 ℃×3 h试样热震后外表裂纹情况C3﹥C1﹥C21400 ℃×3 h 试样热震后外表裂纹情况C2﹥C3﹥C1注：“﹥”表示“好于”；“>>”表示“远好于”；“=”表示“相当”。
由图2和表6可以看出，碳化硅超细粉多加的C3样，残余抗折强度和抗折强度保持率几乎在低、中、高各个温度都最好，且各温度处理后的C3样热震后产生的裂纹也最少。
这可能是碳化硅超微粉多加后，碳化硅的总表面积更大，与浇注料基质的接触更广，更有利于浇注料基质的体积稳定性。
3 生产应用KR搅拌桨使用时是高速旋转对铁水和脱硫粉剂强力搅拌混合而对铁水进行脱硫，最高转速达120 r·min-1，如果搅拌桨制作得不平衡，即重心不在垂直线上，在高速旋转时会剧烈晃动，不仅影响到搅拌桨的使用寿命，也影响到脱硫操作，引起脱硫设备的损伤，甚至整支桨因晃动而引起固定螺栓的松动而掉入铁水包中。
因此，搅拌桨的桨轴要与上部固定大法兰和下部桨叶尽可能垂直，桨轴尽可能居于四只桨叶中心，即整只桨的重心尽量位于桨的垂线上。
3.1 生产设备的配置3.1.1 搅拌桨振动浇注平台和模具的配置搅拌桨的浇注采用正向浇注法，即通过支撑架托举桨最上部的大法兰，将桨芯悬挂浇注。
为了保证搅拌桨的桨轴与上部固定大法兰和下部桨叶尽可能垂直，支撑架上方接触大法兰的面必须水平，放置模具的振动平台的面也必须水平。
振动马达在模具上应均衡部署，以保证4只叶片的浇注料的振动质量一致。
由于搅拌桨的总的用料量达3 t多，因此，振动马达的总激振力不少于3 t。
3.1.2 搅拌设备的配备因为浇注1只桨需3.5 t浇注料，因此搅拌浇注料的搅拌机尽量配置容量大于500 kg的强力搅拌机，以减少施工的时长，避免因施工时间过长，最初施工的浇注料因凝固后而振坏。
为了减少施工加水量，搅拌机最好配置搅拌速度快的行星式强力搅拌机。
3.2 重要生产工艺的控制3.2.1 桨芯的居中检查桨芯吊入模框后，必须进行居中检查，桨芯离四周模框距离差不得大于5 mm，如果距离偏差较多，可通过在支撑架上平移桨芯来调节。
桨芯的4只叶片与两侧模板尽可能平行。
桨叶浇注结束后，还必须再检查桨芯在浇注过程中有没有偏移，即再检查居中度，离四周模框距离差不得大于5 mm，如果大于5 mm，必须调整到居中后，再即时安装桨轴的浇注模具。
桨轴的模具安装时也必须检查居中度，离四周模框距离差，不得大于3 mm，即时浇注桨轴。
3.2.2 浇注施工加水量控制在（4.6±0.2）%，浇注料湿混3 min以上，待泥料有流动性后，才能开启料口进行浇注，浇注4个叶片时用软管布料，4个叶片尽可能均匀布料。
图3 搅拌桨立体图3.2.3 脱模及养护浇注完成后经带模养护2天，确认浇注料充分硬化后脱模，脱模后还需常温养护至少5天方可烘烤。
3.2.4 烘烤由于搅拌桨较大，浇注料较厚，因此烘烤时要特别小心，否则容易爆裂或开裂，尤其在温度达100~120 ℃时，这是物理水大量排出的过程，这一过程升温速度一定要慢，升温速度控制在1 ℃·h-1左右。
总的烘烤时间在2天以上。
4 使用研发的铝碳化硅质KR搅拌桨浇注料，应用于宝钢二炼钢300 t铁水包的KR搅拌桨的生产，经过生产工艺的不断完善，桨的使用寿命一直稳定在310炉以上，最高可达376炉，由于宝钢二炼钢的硅钢生产比例大，脱硫时间平均长达13.5 min，且当搅拌桨使用到后期出现较大裂纹或剥落时才修补，甚至不修补，每只搅拌桨的总的脱硫时长达4185 min以上，使用效果很好。