Wichtige Konstruktionsaspekte für Hochofen und ihre Nebenanlagen

Wichtige Aspekte der Konstruktion von Hochofen und zugehörigen Nebenanlagen

Die Konstruktion des Hochofens (BF) selbst sowie seiner unmittelbaren vor- und nachgelagerten Nebenanlagen (Abb. 1) ist entscheidend für den effizienten Betrieb des Hochofens. Neben dem Ofen selbst umfassen die unmittelbaren zugehörigen Anlagen: (i) das Möllerhaus, (ii) die Beschickungsausrüstung, (iii) den Ofenkopf, (iv) das Kühlsystem und (v) die Gießhausausrüstung.

Die Roheisenerzeugung im Hochofen besteht aus einem System mehrerer Komponenten, die harmonisch zusammenarbeiten. Die ordnungsgemäße Anwendung und der Betrieb dieser Komponenten sind notwendig, um den Roheisenprozess zu unterstützen. Die Auswahl spezifischer Komponenten hängt von Faktoren wie bestehenden Bedingungen, physischen Einschränkungen, Produktionsanforderungen, Kosten, Zeitplan, Zuverlässigkeit und Wartbarkeit ab. Die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten sind für den erfolgreichen Betrieb des Systems genauso wichtig wie ihre individuellen Fähigkeiten. Für jeden Bereich oder jede Komponente gibt es Hauptanforderungen und „normale“ Praktiken. Es gibt auch alternative, kommerziell verfügbare Technologien mit jeweils eigenen Vor- und Nachteilen.

Der Hochofen wandelt eisenhaltige Möller in flüssiges Roheisen (Heißmetall) um. Mit dem Hochofen verbunden sind Koksöfen, die Kohle in Koks umwandeln, sowie Sinter- und Pelletieranlagen, die Eisenerz für den Hochofen aufbereiten. Der Hochofen wandelt diese aufbereiteten Rohstoffe in ein höherwertiges Produkt um. Heißmetall aus einigen Hochofenbetrieben wird in Gießereien zur Herstellung von Eisenguss verwendet. Andere Betriebe produzieren ein niedrigsiliciumhaltiges Heißmetall, das im Stahlwerk zu Stahl verarbeitet wird. Ein Teil des Heißmetalls wird in Gießmaschinen zu Roheisenblöcken vergossen. Die Nebenprodukte des Hochofens sind Schlacke, Hochofengas, Flugstaub und Filterkuchen. Diese Nebenprodukte können je nach lokalen Nutzungsmöglichkeiten positive oder negative wirtschaftliche Auswirkungen haben.

Zu den verschiedenen Aspekten, die jede Überlegung zur Konstruktion oder Neukonstruktion eines Hochofens beeinflussen, gehören: (i) Rentabilität, (ii) Gesundheit und Sicherheit der Mitarbeiter, (iii) Umweltschutz, (iv) gesetzliche Vorschriften, (v) Anforderungen des Marktes und der nachgelagerten Verarbeitung, (vi) verfügbare personelle, Bau- und Wartungsressourcen, (vii) sich ändernde Technologien und Ausrüstungsveralterung, (viii) verfügbare Rohstoffe, Versorgungsmedien und andere Materialien sowie (ix) weitere Faktoren. Jede ernsthafte Einschränkung in einem dieser Aspekte kann die Lebensfähigkeit der Hochofeneinheit (oder sogar eines ganzen Stahlwerks) gefährden oder den Bau eines neuen Hochofens ausschließen bzw. erzwingen.

Größenklassifizierung von Hochofen

Hochofen werden üblicherweise nach ihrer Größe eingeteilt. Mini-Hochofen produzieren weniger als 1.500 Tonnen Heißmetall pro Tag (tHM/Tag), kleine Öfen 2.500 bis 5.000 tHM/Tag, mittlere Öfen 6.000 bis 8.000 tHM/Tag und große Öfen 9.000 bis 12.000 tHM/Tag. In einem integrierten Stahlwerk werden Anzahl und Größe der Hochofen so gewählt, dass der für die Stahlproduktion benötigte Heißmetallbedarf gedeckt wird. Integrierte Stahlwerke mit mehreren Hochofen sind weniger betroffen, wenn ein Ofen zur Ausmauerung stillsteht oder Ofenführungsprobleme auftreten. Kleinere Öfen haben kürzere Ausmauerungszeiten und gelten als einfacher zu bedienen. Allerdings sind die Heißmetallkosten bei kleinen Öfen höher. Das integrierte Stahlwerk muss die minimal notwendige Anzahl kosteneffektiver Öfen betreiben. In einigen Fällen werden Modernisierungen durchgeführt, um die Anzahl der in Betrieb befindlichen Öfen zu reduzieren.

Hochofen werden nach Ende ihrer Kampagne (Zeit zwischen zwei Ausmauerungen) periodisch neu ausgemauert. Früher beinhaltete dies den Austausch der inneren Ziegelausmauerung des Hautofens. In jüngerer Zeit werden gleichzeitig umfangreiche Komponentenumbauten, Austausch und vorbeugende Wartung durchgeführt. Durch diese Praxis verliert ein effizienteres Stahlwerk mit wenigen großen Hochofen während der Ausmauerung einen höheren Prozentsatz seiner Produktion als ein Werk mit mehreren kleinen Öfen. Um sowohl niedrige Betriebskosten als auch minimale Beeinträchtigung während der Ausmauerungen zu erreichen, arbeitet die Industrie daran, die Kampagnenlänge der Hochofen zu maximieren und die Dauer der Ausmauerung zu minimieren. Der heutige klare Trend in integrierten Stahlwerken geht dahin, weniger große Öfen zu betreiben und Techniken und Designs zu nutzen, die die Hochofkampagne quasi unbegrenzt verlängern.

Gleichzeitig ist die Reduzierung der Produktvariabilität wichtiger geworden, weshalb Investitionen in Automatisierung getätigt werden, die die Prozessüberwachung und -steuerung verbessern. Hochofenbediener, Wartungspersonal, Konstrukteure und Forscher wenden moderne Technologien und analytische Methoden auf den Hochofenprozess an, um diesen besser zu überwachen und zu steuern. Dadurch konnte die Standardabweichung der Heißmetallqualität reduziert werden. Verbesserte Datenerfassungssysteme liefern auch mehr Informationen für Lieferanten und Hersteller. Dies hat die Materialauswahl und das Design der Hochofen und zugehörigen Ausrüstungen verbessert. Die Kampagnenlängen haben sich von früher 5 bis 10 Jahren auf heute rund 20 Jahre erhöht.

Die Hochofeneisenerzeugung ist eine über 430 Jahre alte Technologie. Dennoch ist die Verwendung von Hochofenheißmetall immer noch die gängigste Methode in integrierten Stahlwerken zur Stahlerzeugung. Heutige integrierte Stahlwerksprozesse verlassen sich auf den Hochofen, um planmäßige, vorhersehbare Mengen Heißmetall von konstanter Qualität zu liefern. Schwankungen in irgendeinem Aspekt der Heißmetallversorgung haben schwerwiegende Auswirkungen auf die nachgelagerten Stahlproduktionsprozesse. Daher bleibt der Hochofen ein Schlüsselprozess in modernen integrierten Stahlwerken.

Manchmal wird behauptet, die Hochofentechnologie sei am Ende ihrer Nutzungsdauer angelangt. Dem ist nicht so. Die Analyse von Betriebsdaten über 23 Jahre (1970 bis 1993) eines typischen Paares mittlerer Hochofen zeigte eine durchschnittliche Produktivitätssteigerung von 3 % pro Jahr (Abb. 2a). Gleichzeitig sank der durchschnittliche Brennstoffverbrauch um 1 % pro Jahr (Abb. 2b). Auch die produktive Zeit zwischen den Ausmauerungen (die Kampagne) wurde durch Verbesserungen an Ausrüstung, Materialien und Design verlängert. Dadurch hat sich die Gesamtkosten der Heißmetallerzeugung, inflationsbereinigt, sogar noch stärker verbessert als die Betriebsdaten anzeigen. Die Hochofentechnologie ist also nicht tot, obwohl sie über 430 Jahre alt ist. Sie entwickelt sich in jedem Bereich weiterhin mit beträchtlicher Geschwindigkeit. Der Hochofen bleibt heute eine dynamische Wissenschaft, die von ständig verbesserten Technologien unterstützt wird.

Layout des Hochofens

Das Layout eines Hochofens ist im Wesentlichen eine Aufgabe der Integration der Ausrüstungen, die für die Handhabung der verschiedenen Materialien zur Roheisenerzeugung sowie für die resultierenden Produkte und Nebenprodukte benötigt werden. Das effizienteste Design berücksichtigt den gesamten Prozess und wird sowohl hinsichtlich der anfänglichen Kapitalinvestition als auch der laufenden Betriebskosten bewertet. Das Layout des Hochofenwerks hängt von mehreren Faktoren ab: (i) Geländebeschaffenheit, (ii) klimatische Bedingungen, (iii) Rohstoffanlieferungsart, (iv) innerbetriebliche Rohstoffaufbereitungssysteme und -standorte, (v) nachgelagerte Verarbeitungssysteme und -standorte, (vi) Mengen-/Durchsatzanforderungen für Heißmetall, (vii) Art und Größe der Heißmetalltransportflotte, (viii) weitere Faktoren. Abb. 3 zeigt ein vereinfachtes Layout eines Hochofenwerks.

Ein Hochofenwerk besteht typischerweise aus folgenden Abschnitten: (i) Rohstofflagerung, -handling und -rückgewinnung, (ii) Möllerhaus, (iii) Beschickungssystem, (iv) Hochofen selbst, (v) Gießhaus, (vi) Schlackenaufbereitung und -handling, (vii) Heißmetallhandling, (viii) Windheizer und Heißwindanlage, (ix) Gaseinigung, (x) Versorgungsmedien, (xi) Automatisierungs- und Leitsystem, (xii) Instandhaltungseinrichtungen, (xiii) Personaleinrichtungen.

Rohstofflagerung und -handling

Rohstoffe wie Eisenerz, Sinter, Pellets, Fließmittel, Kohle und Koks etc. werden entweder von externen Quellen bezogen oder im integrierten Stahlwerk selbst erzeugt. Diese Rohstoffe benötigen ausreichend kontrollierte Lagerkapazitäten, um den Hochofenbetrieb zu unterstützen. Lagerkapazität ist für vorhersehbare Lieferunterbrechungen oder unvorhersehbare Störungen erforderlich. Zusätzliche Kapazität kann bei möglichen Änderungen der Bezugsquellen bestimmter Rohstoffe nötig sein. Unterschiedliche Lagerorte sind aufgrund verschiedener physikalischer oder chemischer Eigenschaften ähnlicher Materialien erforderlich. Das Vermischen ähnlicher Materialien kann zu Prozessführungs- bzw. metallurgischen Problemen führen. Die Lagerhaufen müssen getrennt werden, um eine Vermischung ungleicher Materialien zu verhindern. Die Haufen sollen auf vorbereiteten Betten platziert werden, damit die Bediener der Rückgewinnungsausrüstung zwischen Haupt- und Störmaterial unterscheiden können. Die Haufen werden so angelegt, dass Materialabbau und Windverwehung von Feinanteilen minimiert werden. Wassersprühanlagen und Verkapselungsmittel können eingesetzt werden, um Staubaufwirbelung und -abdrift durch Wind zu minimieren.

Für die Ablage und Rückgewinnung von Rohstoffen stehen verschiedene Techniken zur Verfügung. Ablagetechniken umfassen Waggonskippen, Erzbrücken, Stapelbänder, Schraper etc. Rückgewinnungstechniken umfassen Schaufelradbagger, Brückenbagger, Frontlader, Schraper, direkte Entnahme aus Bunkern oder Haufenböden etc. Offensichtlich müssen die Ablage- und Rückgewinnungssysteme so dimensioniert sein, dass sie den für das Hochofenwerk erforderlichen Durchsatz sicherstellen.

Möllerhaus

Das Möllerhaus ist der Speicher des Hochofenbedieners für die direkte Beschickung der Möller in den Ofen. Speicherbunker werden für jeden Möllerstoff des Hochofens bereitgestellt. Für ähnliche Materialien (z. B. Sinter, Pellets) mit unterschiedlichen metallurgischen Eigenschaften werden separate Bunker vorgesehen. Das Möllerhaus bietet ausreichende Kapazität für die verschiedenen Möllerstoffe bei kurzfristigen Lieferunterbrechungen aus den Rohstofflagerbereichen. Typische Durchsatzkapazitäten der Möllerhausbunker bei Ausfall der Rohstoffzufuhr betragen: (i) Koks – 2 bis 8 Stunden, (ii) eisenhaltige Materialien (Erz, Sinter, Pellets) – 4 bis 16 Stunden, (iii) Fließmittel und sonstige Materialien – 8 bis 24 Stunden. Diese Kapazitäten basieren auf der Nennproduktion des Ofens und variieren je nach Zuverlässigkeit und Zugriffszeit für den Ersatz aus dem Lager oder vom Lieferanten.

Möllermaterialien verschlechtern sich durch Witterungseinflüsse und wiederholtes Handling. Je häufiger das Material umgeschlagen wird (Lagerung, Rückgewinnung, Kippen, Förderbänder, Erzbrückenbehälter etc.), desto höher der Feinanteil in der Möller. Der Hochofenprozess erfordert kontrollierte Gasdurchlässigkeit und damit kontrollierte Möller. Das Beschicken von übermäßigen Feinanteilen, sei es normal über die gesamte Beschickung oder konzentriert über kurze Beschickungszeiträume, kann den Hochofenprozess stören und die Ofenausrüstung beschädigen. Das Möllerhaus bietet die letzte vernünftige Möglichkeit, Feinanteile vor dem Beschicken in den Ofen zu entfernen. Wo immer möglich, werden Schwingseibe nach den Koks-, Erz-, Sinter- und Pelletbunkern installiert, um den größten Teil der Feinanteile abzutrennen. Die abgetrennten Feinanteile werden zur Wiederverwertung gesammelt. Manche Hochofenbetreiber beschicken Feinanteile gezielt in bestimmte Ofenbereiche, um die lokale Gasdurchlässigkeit einzustellen und die Wandwärmelast zu steuern.

Feuchtemessgeräte werden häufig im Möllerhaus bereitgestellt, um die tatsächlich eingebrachten Wassermengen zu überwachen. Diese Informationen ermöglichen Anpassungen der Beschickungsmengen, um schwankende Umgebungsbedingungen auszugleichen (z. B. höherer Koksfeuchte während Regenperioden).

Da unterschiedliche Arten und Mengen der Möllerstoffe für den kontinuierlichen Hochofenbetrieb in einer bestimmten Reihenfolge benötigt werden (die selbst häufig geändert werden kann, um variable Ofenbetriebsparameter zu unterstützen), muss das Möllerhaus mit zuverlässiger Ausrüstung zur Entnahme und Dosierung genauer Mengen spezifischer Möllerstoffe für einen bestimmten Zeitplan ausgestattet sein. Abb. 4 zeigt eine vereinfachte Geräteanordnung im Möllerhaus.

Früher war der häufigste Typ des Möllerhauses der Hochbunkertyp. Dieser befindet sich direkt neben dem Ofen. Eisenbahnwaggons oder Brückenkrane befüllen die Speicherbunker, während diese direkt auf eine fahrbare Waagenwaage entleeren. Ein Waagenwagenbediener steuert manuell das Bunkerauslaufventil, um bestimmte Materialmengen in den waagenausgestatteten Trichter des Waagenwagens zu dosieren. Nach Sammeln der richtigen Arten und Mengen bewegt der Bediener den Waagenwagen über den „Kübelgruben“ und kippt die Möller durch einen Schacht in einen wartenden Förderkübel. Der Förderkübel wird dann zum Ofenkopf hochgezogen.

Der Hochbunkertyp in Verbindung mit einem Waagenwagen bot nur wenige Möglichkeiten für die Siebung der ferritischen Möller (Erz, Sinter, Pellets). Mit zunehmendem Wissen über den Hochofenprozess entwickelten sich strengere Anforderungen an die Möller. Das Konzept der „konstruierten Möller“ ist in der Industrie heute allgemein anerkannt. Es wird allgemein akzeptiert, dass die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit des Hochbunkermöllerhauses an diese Anforderungen begrenzt ist. Daher wurde der Hochbunkertyp durch das automatisierte, bandbeschickte Möllerhaus zur Versorgung des Hochofens mit Möllerstoffen ersetzt.

Das automatisierte Möllerhaus gibt es normalerweise in zwei distincten und unterschiedlichen Ausführungen. Der erste Typ ersetzt den Waagenwagen unter den Rohstoffbunkern durch ein Dosierer- und Förderbandsystem. Separate Bänder werden für jeden Rohstofftyp (Koks, eisenhaltige Materialien, Fließmittel und Zusätze etc.) bereitgestellt, über denen Reihen von Speicherbunkern mit Schwingdosierern zur Entleerung der Möllerstoffe auf die Bänder montiert sind. Für Koks und eisenhaltige Materialien befindet sich an jedem Bandausgang ein Schwingseib, der das Material siebt und das gesiebte Material in Waagetrichter fördert. Dieses System befüllt weiterhin Waagetrichter vor den Förderkübeln.

Der zweite Typ des automatisierten Möllerhauses ist eine große, vollständig oberirdische und vom Hochofen entfernt liegende Bunkeranlage. Dies wird normalerweise bei Hochofen angewendet, wo ein Förderband die Möllerstoffe zum Ofenkopf transportiert anstelle von Förderkübeln. Die Befüllung der Speicherbunker erfolgt normalerweise über ein Förderbandsystem. Die Rohstoffe werden durch Schwingdosierer und Förderbänder aus den Speicherbunkern in Waagetrichter entnommen. Diese entleeren das Material über einen Sammelbänder auf das Hauptförderband. Die Waagetrichter sind so programmiert, dass sie die Rohstoffe in der richtigen Reihenfolge auf das Hauptförderband zum Ofenkopf dosieren.

Ein automatisiertes Möllerhaus kann eine effizientere Zufuhr von Rohstoffen in das Möllerhaus und eine effizientere Auswahl, Siebung, Wägung und Lieferung der Möller in den Ofen ermöglichen. Das automatisierte Möllerhaus kann direkt neben dem Ofen zur Beschickung von Förderkübeln oder entfernt vom Ofen für die Beschickung über ein Förderband angeordnet sein.

Die Automatisierung des Möllerhauses hat die Produktionskapazität erheblich gesteigert, die Betriebseffizienz verbessert und betriebsbedingte Schwankungen durch Bediener und Ausrüstung eliminiert. In der Praxis kann ein modernes, automatisiertes Möllerhaus jedoch recht komplex sein. Das Möllerhaus selbst kann von Förderbändern gespeist werden, die wiederum auf Verteilbänder entleeren, um Materialien auf verschiedene Bunker zu verteilen. Das Layout der Förderbänder und Ausrüstungen im Möllerhaus kann auf vielfältige Weise angeordnet werden. Die Platzierung des Möllerhauses direkt neben dem Ofen führt häufig zu Layout-Engpässen und schränkt die Flexibilität für zukünftige Modifikationen ein.

Förderanlage

Die Möllermaterialien werden normalerweise mit Förderkübeln oder per Förderband zum Ofenkopf gehoben.

Förderkübel-Hebeanlage

Die Verwendung von Förderkübeln für Hochofen entwickelte sich aus dem Bergbau. Hochofen-Förderkübel werden auf den Ofendurchsatz abgestimmt. Offensichtlich haben Faktoren wie Hebekapazität, Kübelbrückenkonstruktion etc. eigene Einflüsse oder Einschränkungen auf die Kübelgröße.

Normalerweise arbeiten zwei Kübel gegeneinander (um die benötigte Hubleistung zu reduzieren) an einem gemeinsamen Förderseil. Die Kübel fahren auf Schienen an einer Kübelbrücke, die normalerweise mit einer Neigung von ca. 60° bis 80° zur Horizontalen installiert ist. Der volle Kübel beschleunigt langsam beim Verlassen der Kübelgrube, beschleunigt so schnell wie möglich, erreicht und hält die Höchstgeschwindigkeit für den größten Teil des Hubs. Die Hebevorrichtung bremst den Kübel ab, wenn er sich dem oberen Ende der Kübelbrücke nähert. Die Kübelräder werden durch die Kipp- und Hornschienen geführt, während der Kübel in die Ofenkopf-Beschickungsausrüstung gekippt wird. Wenn der Hubkübel die endgültige Kippposition erreicht und anhält, erreicht der leere Kübel (mit gleicher Geschwindigkeit absteigend) gerade den unteren Endpunkt seiner Fahrt in die Kübelgrube und wartet auf Befüllung. Das Kübelbeschickungssystem ist eine zuverlässige und effektive Technik zur Lieferung der Möller an den Ofenkopf. Es fehlt jedoch an Flexibilität für den Bediener, da die Kübel nur eine bestimmte Materialmenge aufnehmen können (Überladung führt zu Überfüllung oder übermäßigen Hubbelastungen) oder ineffizient wird, wenn kleine Volumen spezifischer Möller benötigt werden. Abb. 5 zeigt das Schema der Förderkübel-Hebeanlage.

Ofenbeschickungs-Förderband

Mit der Bandförderung des Möllerhauses kam auch die Bandförderung der Hebeanlage. Heute ist es üblich, dass Möllerhäuser entfernt vom Ofen angeordnet sind und ein großes Förderband die Möller zum Ofenkopf transportiert. Wenn der Ofenkopf ca. 60 m hoch ist, muss bei einem Förderband mit 8° Neigung zur Horizontalen das Möllerhaus mindestens 427 m vom Ofen entfernt liegen. Steilere Bandneigungen werden normalerweise vermieden, um Materialrückrollen zu minimieren. Es ist üblich, Zuschlagstoffe direkt über und nach dem Ende einer ferritischen Ladung auf dem Förderband zu beschicken, um die ferritischen Materialien an Ort und Stelle zu halten, bis sie den Ofenkopf erreichen.

Beschickungssystem am Ofenkopf

Der Hochofen selbst wird mit positivem, hohem Ofendruck betrieben. Hochofengas, bestehend teilweise aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickstoff, wird durch den Hochofenprozess zusammen mit großen Mengen mitgerissenen Staubs erzeugt. Der Hochofenbediener muss den Ofendruck aufgrund der Prozessvorteile aufrechterhalten und die Gase und Stäube einschließen (sowohl wegen ihres Brennwerts als auch aus Umweltschutzgründen). Allerdings muss der Bediener regelmäßig Möllermaterial in den Ofenkopf einbringen, um den internen Prozess aufzufüllen, ohne den Ofendruck zu verlieren.

Glockenkopf-System

Jahrelang war der häufigste Typ des Ofenkopfs der Zweiglockenkopf (Abb. 6). Wenn die Möller den Ofenkopf erreichen (per Kübel oder Band), fallen sie in einen Auffangtrichter und in den kleinen Glockentrichter. Die kleine Glocke (kegelförmiger Stahlguss ca. 2,6 m Durchmesser und 1,4 m Höhe für einen 5.000 tHM/Tag Ofen) senkt sich und lässt die Möller in den großen Glockentrichter fallen. Die kleine Glocke hebt sich und dichtet gegen einen festen Sitz am kleinen Glockentrichter ab. Je nach Volumen des großen Glockentrichters werden zusätzliche Möllerladungen durch die kleine Glocke in den großen Glockentrichter dosiert. Während dieses Prozesses blieb die große Glocke geschlossen und dichtete den Ofen ab. Wenn die korrekte Anzahl an Möllerladungen gesammelt wurde, senkt sich die große Glocke (kegelförmiger Stahlguss ca. 5,5 m Durchmesser und ca. 3,5 m Höhe für einen 5.000 tHM/Tag Ofen) und lässt die Möller über die Glocke in den oberen Teil des eigentlichen Hochofens rutschen. Nach dem Entleeren wird die große Glocke gehoben und dichtet gegen die Unterseite des großen Glockentrichters ab. Abb. 6 zeigt Glockentyp-Beschickungssysteme am Hochofenkopf.

Offensichtlich ist die Möllerverteilung im Ofen bei diesem Kopftyp dadurch begrenzt, wie gleichmäßig die Möller auf der großen Glocke platziert werden (Kübelkippen führt zu ungleichmäßiger Platzierung in diesen Kopftyp) und den Fallkurven der spezifischen Möllermaterialien (z. B. Koks oder eisenhaltige Möller), während sie von der großen Glocke rutschen und fallen. Zudem ist der Zweiglockenkopf anfällig für Undichtigkeiten der großen und kleinen Glocken sowie der Packung zwischen dem großen Glockenstab und dem kleinen Glockrohr. Glockenundichtigkeiten entstehen durch Abrieb der Möllermaterialien, die über die Glockendichtflächen rutschen. Die Stabpackungsundichtigkeit resultiert aus Abrieb durch Feinanteile, entweder aus dem Ofeninneren oder durch Ansammlung auf dem großen Glockenstab nach dem Möllerkippen in den Auffangtrichter.

Um den Verschleiß der großen Glockendichtfläche zu minimieren, wird Hochofengas aus dem Ofeninneren zwischen die Glocken geleitet, um den Raum zu druckauszugleichen (Reduzierung des Differenzdrucks über die große Glockendichtfläche). Dieses Gas wird vor dem Öffnen der kleinen Glocke zur Atmosphäre abgelassen, um weitere Möllerzufuhr zu ermöglichen. Einige Optionen zur Verbesserung der Einschränkungen des Zweiglockensystems sind im Folgenden aufgeführt.

Der McKEE-Verteiler

Der McKEE-Verteiler (Abb. 6) war jahrelang die Hauptverbesserung der Möllerverteilung für den Zweiglockentyp. Er wird jedoch schnell durch andere Technologien ersetzt. Sein Design ermöglicht die Drehung der kleinen Glocke und des kleinen Glockentrichters zusammen während des Kübelkippens. Die Möller werden gleichmäßig in den kleinen Glockentrichter verteilt, was die gleichmäßige Platzierung der Möller auf der großen Glocke verbessert. Dieser Kopftyp ist anfällig für Verschleiß der kleinen und großen Glocken und den daraus resultierenden Dichtigkeitsverlust.

CRM-Universal-Drehverteiler-Kopf

Der CRM (Centre Recherches Metallurgiques – Belgien) Universal-Drehverteiler (Abb. 6) wurde entwickelt, um den Verlust der Dichtwirkung der kleinen Glocke zu eliminieren. Zwei Glocken (eine Dichtglocke und eine Materialglocke) werden anstelle der normalen kleinen Glocke installiert. Ein drehbarer Möllertrichter ist auf der Materialglocke montiert. Die Dichtglocke befindet sich unter der Materialglocke und dichtet gegen einen festen Sitz. Während des Kübelkippens werden der Möllertrichter und die geschlossene Materialglocke gedreht, um den Trichter gleichmäßig zu füllen. Wenn das Füllen abgeschlossen ist, stoppt die Trichterdrehung. Wenn es Zeit ist, auf die große Glocke zu kippen, werden der drehbare Trichter, die Materialglocke und die Dichtglocke abgesenkt. Die Dichtglocke senkt sich unter den festen Sitz. Auf halbem Weg des Absenkens wird der Trichterstopp gestoppt und die Materialglocke und Dichtglocke senken sich weiter bis zu ihrer Stopp-Position. Wenn sich der Spalt zwischen Materialglocke und Trichter öffnet, entleeren sich die Möller gleichmäßig in den großen Glockentrichter. Beim Austritt der Möller aus dem Spalt kommt es nicht in Kontakt mit der Dichtventilsitzfläche, wodurch die Kopfdichtfähigkeit erhalten bleibt. Dieser Kopftyp kann 0,2 MPa Innendruck halten.

Der CRM-Kopf verbessert die Dichtfähigkeit und Lebensdauer des Zweiglockenkopfs. Er bietet jedoch keine dramatische Verbesserung der Ofenmöllerverteilung gegenüber dem McKEE-Verteiler und eliminiert nicht die Verwundbarkeit der großen Glockendichtfläche.

GHH-Schleusenkopf

Der GHH-Schleusenkopf (Abb. 6) ist eine Modifikation des Zweiglockenkopfs. Er reduziert die Abhängigkeit von der großen Glocke zur Aufrechterhaltung der Gasdichtung. Die Hinzufügung von Schleusen mit separaten Dichtventilen für jede Kübelkipp-Position bietet zusätzliche Dichtungskapazität. Die große Glocke kann ohne Differenzdruck über ihrer Dichtfläche betrieben werden (d. h. Ofendruck = großer Glockentrichterdruck). Der Betrieb erfolgt wie folgt:

Ein Kübel kippt die Möllerladung durch einen Auffangtrichter und offenes Dichtventil in die Schleuse. Die Möller werden auf die drehende kleine Glocke gelegt und füllen den drehbaren Verteilertrichter über der kleinen Glocke gleichmäßig. Eine Dichtung zwischen Schleuse und drehbarem kleinen Glockentrichter ist während der Drehung geöffnet. Wenn der Möllerauswurf aus dem Kübel beendet ist, werden das Dichtventil und die Dichtung zwischen Schleuse und kleinem Glockentrichter geschlossen. Ausgleichsgas wird eingeblasen und die Schleuse wird auf Ofendruck druckbeaufschlagt. Die kleine Glocke wird dann abgesenkt, um die Möller in den großen Glockentrichter einzubringen. Die kleine Glocke schließt und der Druck aus der Schleuse wird zur Atmosphäre abgelassen. Das Dichtventil auf der gegenüberliegenden Seite (d. h. an der anderen Kübelkipp-Position) wird geöffnet. Die Dichtung zwischen Schleuse und kleinem Glockentrichter wird geöffnet. Die Drehung der kleinen Glocke und des Trichters beginnt. Der Kopf kann nun Möller vom anderen Kübel aufnehmen.

Dieser Kopftyp verbessert die Dichtfähigkeit und Lebensdauer des Zweiglockenkopfs. Der Schleusenkopf bietet jedoch keine dramatische Verbesserung der Ofenmöllerverteilung gegenüber McKEE- oder CRM-Kopf. Obwohl die große Glocke keine Dichtfunktion mehr ausüben muss, bleibt die Langlebigkeit der Dichtwirkung der kleinen Glocke kritisch.

Bewegliche Panzerung

Der wesentliche Schritt zur Verbesserung der Möllerverteilung des Glockentyps war die Entwicklung der beweglichen Panzerung (Abb. 7). Verstellbare Ablenker werden im Rachenbereich des Ofens installiert, um die Möller nach dem Abrutschen von der großen Glocke abzulenken. Die bewegliche Panzerung wird je nach spezifischem Möllermaterial und gewünschter Platzierung im Ofen eingestellt.

Mehrere Hersteller bieten verschiedene Arten beweglicher Panzerung an. Einzelne Panzersegmente können gleichmäßig (gleichzeitig und gleich) in den Ofen bewegt werden, um die Möller in einem ringförmigen Muster zu platzieren. Andere Typen bieten individuelle Steuerung der Panzerplatten, um nicht-kreisförmige Verteilungsmuster zu erreichen.

Einige Nachteile der beweglichen Panzerung sind: (i) der Großteil der mechanischen und Verschleißkomponenten liegt in der rauen Umgebung des Ofenkopktrichters, (ii) ein gewisser Verlust des internen Arbeitsvolumens ist erforderlich, um Freiraum zwischen beweglicher Panzerung und der konstruktiven Mölleroberkante (Stockline) zu schaffen (obwohl dieser Ofenbereich nicht als grobe Produktivitätszone für die Betrachtung des Arbeitsvolumens klassifiziert werden kann), und (iii) begrenzte Fähigkeit, Möller in die absolute Ofenmitte abzulenken, insbesondere wenn die Stockline bereits hoch ist. Das Rollverhalten von Pellets negiert häufig die begrenzte Verdrängung der beweglichen Panzerung.

Glockenloser Beschickungskopf (Bell Less Top – BLT)

In den frühen 1970er Jahren entwickelte Paul Wurth S.A. aus Luxemburg den glockenlosen Beschickungskopf (Bell Less Top – BLT) (Abb. 7). Dieser Ofenkopftyp stellt einen radikalen Bruch mit dem Glockentyp dar. Möller können im Ofen in jedem vom Bediener benötigten Muster platziert werden. Ringförmige, spiralförmige, segmentweise und punktuelle Platzierungen sind gängige Muster, die durch synchronisierte oder unabhängige Kipp- und Drehbewegungen eines Möllerverteilerschachts im Ofenkopktrichter erreicht werden.

Die Ofenkopfdichtung bleibt während der gesamten Ofenkampagne erhalten. Wartungsarbeiten sind einfach und kurz. Normalerweise besteht der BLT aus einem Auffangschacht oder -trichter (Aufnahme der Möller von Kübeln oder Förderband), einer Schleuse mit oberem und unterem Dichtventil, einem Materialfluss-Regelventil, einem Hauptschacht-Getriebe (ein wasser- oder gasgekühltes Gerät für Schacht-Drehung und -Kippung) und dem Möllerverteilerschacht. Es gibt drei Haupttypen von BLT: (i) Paralleltrichter, (ii) Zentraleinspeisung, (iii) Kompakttyp.

Typischerweise weist der Paralleltyp zwei Schleusen auf (die auf manchen Öfen für Durchsatz und Backup installiert wurden; ein „exzentrischer“ Eintrichtertyp wurde für eine Anwendung mit begrenztem Platz installiert). Seit den frühen 1980er Jahren wählten mehrere Hochofen den „Zentraleinspeisung“-Eintrichtertyp wegen seiner Verbesserungen bei Möllersegregation und -verteilungssteuerung, was zu verbesserter Ofenführung führt.

Ein „Kompakt“-BLT-Typ wurde für kleine bis mittelgroße Öfen entwickelt, um die Einführung des BLT (und seiner Vorteile) an Öfen zu ermöglichen, wo die anderen größeren BLT-Typen aufgrund von Kosten oder physischen Einschränkungen nicht eingesetzt werden können. Die Schritte im BLT-Betrieb für den Zentraleinspeisungstyp sind: (i) Möller werden von einem Kübel oder Förderband durch einen Auffangschacht oder -trichter an einem offenen Dichtventil vorbei in die Schleuse gefördert, (ii) nach Empfang der Möller in der Schleuse wird das obere Dichtventil geschlossen und Ausgleichsgas eingeblasen, um die Schleuse auf Ofendruck zu druckbeaufschlagen, (iii) das untere Dichtventil öffnet sich, (iv) die Möller entleeren sich aus der Schleuse, da das Materialventil auf die vorgesehene Öffnung für das spezifische Möllermaterial eingestellt wurde, (v) die Möller fallen vertikal durch den Einlaufschacht mit dem Hauptgetriebe und fallen auf den Möllerverteilerschacht, (vi) der Möllerverteilerschacht leitet die Möller an den/die erforderlichen Punkt(e) im Ofen, (vii) wenn die Schleuse vollständig entleert ist (überwacht durch Lastzellen und/oder akustische Überwachung), wird das untere Dichtventil geschlossen, (viii) ein Entlastungsventil öffnet sich, um die Schleuse zur Atmosphäre (oder über eine Energierückgewinnungseinheit) zu entlüften, und (ix) das obere Dichtventil öffnet sich und die Sequenz wird wiederholt.

Die Vorteile des BLT gegenüber anderen Ofenkopfbeschickungssystemen umfassen höhere Ofendruckfähigkeit (z. B. 0,25 MPa), Brennstoffeinsparung, erhöhte Produktion, stabileren Betrieb, reduzierte Wartung in Bezug auf Kosten und Zeit, erhöhte Ofenkampagnenlebensdauer und verbesserte Ofenführungssteuerung bei hohen Kohleeinspritzraten in die Düsen.

Gimbal-Beschickungssystem

Der Zweck des Gimbal-Beschickungssystems ist es, die kontrollierte Verteilung des Möllermaterials in den Hochofen über einen Gimbal-artigen oszillierenden Schacht durch einen Haltebehälter und variable Materialventilöffnung zu ermöglichen, sodass das druckbeaufschlagte Beschickungssystem oben unabhängig vom Verteilersystem darunter arbeiten kann. Es nutzt einen kegelförmigen Verteilerschacht, der durch Ringe in einer Gimbal-Anordnung gelagert ist und unabhängige und kombinierte Kippbewegungen der Schachtachse erzeugt. Der Gimbal-Verteiler als Teil des gesamten Hochofenkopfbeschickungssystems bietet eine vollständig integrierte Beschickungslösung, die erhebliche Verbesserungen im Hochofenbetrieb und den Wartungskosten bewirkt. Das Gimbal-System nutzt einen kegelförmigen Verteilerschacht, der durch Ringe in einer Gimbal-Anordnung gelagert ist und unabhängige sowie kombinierte Kippbewegungen der Schachtachse erzeugt.

Der Gimbal-Kopf umfasst ein vollständiges, komplementäres Sortiment an Ofenkopfverteilungsausrüstung einschließlich Verteilerwippen, oberer Dichtventile, Trichter, unterer Dichtventile, Materialflussventile und Goggle-Ventilbaugruppen, die alle durch hydraulisch angetriebene Verteilerschächte entleeren. Der Kipp-Schacht wird von zwei Hydraulikzylindern angetrieben, die im 90°-Winkel zueinander montiert sind. Diese Art der Aufhängung und Antriebsanordnung führt nicht zu einer Rotation des Kipp-Schachts, sondern zu einem kreisförmigen Pfad durch Überlagerung beider Kippbewegungen. Unabhängiger oder kombinierter Betrieb der Zylinder ermöglicht die Ausrichtung der Schachtachse auf jeden Winkel oder sogar entlang jedes Pfads. Die Bewegung wird durch zwei Hydraulikzylinder geliefert, die jeweils über eine Welle, eine Verbindungsstange und ein Universalgelenk die Gimbal-Ringe antreiben. Durch die Bewegung der Hydraulikzylinder ermöglicht der Verteilerschacht eine präzise Materialverteilung mit Potenzial für eine unendliche Anzahl von Beschickungsmustern bei variablen Geschwindigkeiten. Dazu gehören Ring-, Spiral-, Zentrums-, Punkt-, Segment- oder Sektorbeschickung, was eine vollständige Kontrolle der Materialbeschickung in den Ofen bietet.

Die gesamte Verteilerbaugruppe ist in einem gasdichten Gehäuse eingeschlossen, das direkt auf den oberen Flansch des Hochofenkopktrichters montiert ist. Das Gehäuse enthält einen festen Einlaufschacht und einen kippbaren Verteilerschacht, der durch Ringe in einer Gimbal-Anordnung gelagert ist und unabhängige und kombinierte Kippbewegungen der Schachtachse ermöglicht. Die Baugruppe besteht aus einer Kombination von Edelstahl und Kohlenstoffstahl, wobei der feste Einlaufschacht und der Kipp-Schachtkörper mit Keramikmaterial ausgekleidet sind, um überlegenen Verschleißschutz zu bieten. Ein geschlossenes Wasserkühlsystem versorgt Kühlwasser durch die Hauptwellen, Gimbal-Lager und Universalgelenklager, um die beweglichen Elemente des Gimbal-Verteilungssystems zu kühlen.

Die Schlüsseleigenschaften des Gimbal-Designs sind: (i) einfaches, robustes Design mit Hebeln, die von Hydraulikzylindern angetrieben werden, (ii) Antriebszylinder sind außerhalb des Druckbehälters montiert, daher nicht den heißen und staubigen Betriebsbedingungen ausgesetzt, (iii) Gimbal-Ringanordnung gibt einfache Kippbewegung in zwei Ebenen, die überlagert 360°-Verteilung ergibt, und (iv) Verschleiß am Kipp-Schacht wird gleichmäßig über seinen Umfang verteilt, was eine lange, erweiterte Betriebslebensdauer ergibt.

Der Hochofen-Gimbal-Kopf ist ein automatisiertes, computergesteuertes druckbeaufschlagtes Beschickungssystem, das entwickelt wurde, um: (i) Möllerladungen aus Erz, Koks und Zuschlagstoffen im Haltebehälter unabhängig vom darunterliegenden Verteilersystem aufzunehmen, (ii) diese Ladungen nach Bedarf an den dynamischen Verteilerschacht unter dem Haltebehälter abzugeben, und (iii) Material in vorgegebenen Mustern an die Ofen-Stockline gemäß einer vorbestimmten Beschickungsmatrix zu verteilen. Die Steuerung des Gimbal-Verteilerschachts ist vollständig in die gesamte Ofenbeschickungssoftware integriert. Das System bietet ein hohes Maß an Genauigkeit und Kontrolle für die Gimbal-Bewegungen und damit die Positionierung des Verteilerschachts. Der Gimbal-Materialverteiler ist in Abb. 8 dargestellt.

Hochofen selbst (Furnace Proper)

Der Hochofen selbst ist das Hauptreaktorgefäß des Hochofen-Roheisenprozesses. Seine inneren Linien sind darauf ausgelegt, den internen Prozess zu unterstützen. Seine äußeren Linien sind darauf ausgelegt, die notwendigen Systeme bereitzustellen, um den internen Prozess einzuschließen, aufrechtzuerhalten, zu überwachen, zu unterstützen und anzupassen.

Der Hochofenprozess ist ein Gegenstromprozess. Der Prozess umfasst: (i) Möller unter Umgebungsbedingungen wird in den Ofenkopf auf die Möllersäule im Ofen gelegt, (ii) während die Möller mit der Möllersäule absinken, wird sie erhitzt, chemisch modifiziert und schließlich geschmolzen, (iii) weitere chemische Modifikationen finden mit dem geschmolzenen Material statt, (iv) die geschmolzenen Produkte werden in der Nähe des Bodens entnommen, (v) das Schmelzen der Möllermaterialien und die Entnahme führen zum Absinken der Möllersäule und zur Notwendigkeit der Möllerauffüllung am Ofenkopf, (vi) Heißwindluft wird durch Düsen in der Nähe des Bodens eingeblasen, (vii) Hochofengase werden vor den Düsen erzeugt und steigen durch die Möller auf und modifizieren chemisch die absteigenden Möller sowie sich selbst chemisch modifiziert und abgekühlt werden, (viii) Hochofengas (und Staub) wird in der Nähe des Ofenkopfs abgesaugt, und (ix) Wärme wird in alle Richtungen aus dem Gefäß entzogen (primär durch das Ausmauerungskühlsystem) und zusammen mit dem Hochofengas, flüssigem Eisen und flüssiger Schlacke. Abb. 9 zeigt Querschnitt und Typen von Hochofen.

Ofentyp

Öfen werden als mantelgestützt oder freistehend konstruiert. Mantelgestützte Hochofen weisen charakteristisch einen Ringträger (Mantel) am unteren Ende des unteren Schafts auf. Der Mantel wird wiederum von Stützen getragen, die auf dem Hauptfundament des Ofens ruhen. Herd, Düsenbrust und Bosh werden ebenfalls vom Fundament getragen. Öfen mit Mantelstützen neigen zu eingeschränktem Zugang und reduzierter Flexibilität für Verbesserungen im Mantel-, Bosh- und Düsenbrustbereich.

Da thermische Ausdehnung eine wichtige Überlegung im Ofenmanteldesign ist, bietet der Mantelstil eine interessante Designüberlegung. Die Mantelstützsäulen sind relativ kühl. Der Mantel neigt dazu, während der gesamten Ofenkampagne eine konstante Höhe bezüglich des Ofenfundaments beizubehalten. Die thermische Ausdehnung des Schafts durch Prozesswärme wird als am „festen“ Mantel basierend betrachtet (d. h. der Ofenkopf hebt sich bezüglich des Mantels). Die effektive Höhe der Bosh-, Düsenbrust- und Herdwandschalen (auf dem Ofenfundament gelagert) nimmt durch thermische Ausdehnung der Schale durch Prozesswärme zu. Der untere Ofenteil hebt sich in Richtung des festen Mantels. Daher ist die Bereitstellung eines Ausdehnungsfugen-Typs an der Bosh/Mantel-Verbindung oder an einer geeigneten Stelle im unteren Ofenbereich erforderlich.

Freistehende Öfen wurden entwickelt, um die Stützen zu eliminieren und den Einbau großer Ausrüstungen und Ofenkühlungsverbesserungen zu ermöglichen. Dieser Ofentyp hat eine dickere Schale für die strukturelle Unterstützung. Einbau und Wartung eines zuverlässigen Kühl- und Ausmauerungssystems sind notwendig, um die strukturelle Langlebigkeit der Schale zu gewährleisten.

Zwei Varianten des freistehenden Ofens wurden verwendet. Ein Typ sieht einen separaten Stützturm für die Lasten der Ofengasabsaugung und Beschickungs-/Hebeanlage vor. Der andere Typ (während er einen separaten Stützturm für Schalenersatz während Ausmauerungen verwendet) nutzt den Hochofen selbst zur Unterstützung der Ofengasabsaugung und Beschickungs-/Hebeanlagen-Lasten. Unabhängig vom Ofentyp ist eine besondere Berücksichtigung des Ofenschalendesigns erforderlich. Das Ofengefäß wird internen Drücken durch Wind und Gas, Möller, flüssiges Eisen und Schlacke ausgesetzt. tote und lebende Lasten während aller Betriebs-, Wartungs- und Ausmauerungsphasen müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Ofenzonen

Die Hauptzonen des Hochofens selbst sind: (i) Ofenkopktrichter, (ii) Rachen, (iii) Schacht, (iv) Mantel/Bauch, (v) Bosh, (vi) Düsenbrust, (vii) Herdwände, (viii) Herdboden, (ix) Fundament.

Ofenkopktrichter (Top Cone)

Der Ofenkopktrichter oder die Kuppel ist der oberste Teil des Hochofens selbst. Er trägt die Ofenkopf-Beschickungsausrüstung und das Hochofengas-Absaugsystem. Möllerstäbe (Möllerstandsanzeiger) werden normalerweise hier platziert, um den oberen Möllerstand im Ofen zu überwachen. Diese Geräte liefern die Freigabe- oder Anzeigesignale für die nächste geplante Möllereingabe in den Ofen. Typischerweise sind es Gewichte, die von speziellen Winden abgelassen werden, oder Mikrowellengeräte. Einige Öfen integrieren radioaktive Isotopen-Emitter und -Detektoren im Ofenrachen zur Möllerstandsüberwachung. Infrarotkameras können im Ofenkopktrichter installiert werden, um die Temperaturverteilung des Hochofengases zu überwachen, wenn es die Möller-Stockline verlässt.

Der Ofenkopktrichter ist die kühlste Zone des Hochofens selbst, kann aber extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sein, wenn Möller „rutschen“ (schnelles, unkontrolliertes Möllerabsinken nach einer Periode ungewöhnlichen Stillstands). Die neu beschickten Möller fallen durch diese Zone und das Hochofengas wird von diesem Abschnitt weggeführt.

Rachen (Throat)

Stahlverschleißplatten oder Panzerung werden in dieser Zone installiert. Hier ist der Abrieb der Ofenausmauerung durch die beschickten Möller die Hauptursache für Verschlechterung. Ofenbediener arbeiten daran, den oberen Möllerstand (die Stockline) in diesem Bereich zu halten. Bewegliche Panzerung kann in diesem Bereich installiert werden, um die von der großen Glocke fallenden Möller abzulenken. Mit der Installation des BLT kann der Verschleiß im Stockline-Bereich stark reduziert werden. Einige Hochofenbetreiber entscheiden sich, die Panzerplatten wegzulassen und stattdessen eine abriebfeste Feuerfestausmauerung zu verwenden.

Schacht (Stack)

Der Schacht (manchmal auch Schacht oder „In-Wand“ genannt) ist die Zone zwischen dem Mantel oder Bauch bei einem freistehenden Ofen und dem Stockline-Bereich. Glatte, gleichmäßige Linien (die Prozess-„Arbeitsfläche“) des Schachts sind essenziell für gleichmäßiges und vorhersagbares Möllerabsinken, Hochofengasaufstieg und stabile Prozesskontrolle während der gesamten Ofenkampagne. Prozesserwägungen erfordern einen größeren Durchmesser an der Schachtbasis als an der Spitze. Typische Schachtwinkel liegen im Bereich von ca. 85° zur Horizontalen.

Mantel/Bauch (Mantle/Belly)

Der Mantel- oder Bauchbereich stellt den Übergang zwischen dem erweiterten Schacht und den Bosh-Abschnitten dar. Die Aufrechterhaltung der Wirksamkeit des Kühl-/Ausmauerungssystems ist besonders wichtig für den mantelgestützten Ofen, um die Mantelstruktur zu schützen. Thermischer Schutz ist auch für den freistehenden Ofentyp wichtig. Das freistehende Design ist jedoch in diesem Bereich weniger kompliziert und zugänglicher.

Bosh

Der Bosh-Bereich liegt zwischen der Düsenbrust und dem Mantel/Bauch des Ofens. Der Bosh-Durchmesser nimmt von unten nach zu zu. Die Neigung des Boschs ermöglicht den effizienten Aufstieg der Prozessgase und hat sich als notwendig erwiesen, um die benötigte Zonen-Lebensdauer zu gewährleisten (die Prozessgase sind extrem heiß und die internen chemischen Angriffsbedingungen sind schwerwiegend). Typische Bosh-Winkel liegen im Bereich von ca. 80° zur Horizontalen. Bosche sind zwei grundlegender Typen: (i) bandartig und (ii) dicht. Sie können mit verschiedenen Techniken gekühlt werden.

Bandartige Bosche finden sich in älteren mantelgestützten Öfen (sie können nicht auf freistehende Öfen angewendet werden). Eine Anzahl von Stahlbändern wird in inkrementell zunehmenden Durchmessern (kleinsten am Bosh-Boden, größten an der Spitze) platziert und durch Verbindungsstreifen miteinander verbunden. Der Spalt zwischen den Bändern ermöglicht die Einführung von Kupferkühlplatten. Keramische Ziegelausmauerung muss verwendet werden, da Lufteintritt zur Oxidation kohlenstoffbasierter Ausmauerungen führt. Gasleckage durch den bandartigen Bosh kann hoch sein. Dieser Typ eignet sich nicht für Hochofen mit hohem Winddruck/hohem Ofendruck. Bandartige Bosche bieten ausreichende Flexibilität, um die Notwendigkeit einer Schalenausdehnungsfuge im unteren Ofenbereich zu eliminieren.

Dichte Bosche, die durchgehende Stahlbleche statt separater Bänder verwenden, werden eingesetzt, um verbesserte Kühl-/Ausmauerungssysteme, höhere Ofenbetriebsdrücke und den freistehenden Ofentyp zu ermöglichen. Dichte Bosche halten wertvolle Gase im Ofen zurück, was den metallurgischen Prozess verbessert. Zudem unterstützt der dichte Bosh, da er Lufteintritt in die Ausmauerung verhindert, den Einsatz kohlenstoffbasierter Feuerfeststoffe.

Düsenbrust (Tuyere Breast)

Heißwindluft wird durch Düsen (wassergekühlte Kupferkomponenten) in der Düsenbrust in den Ofen eingeblasen. Die Anzahl der benötigten Düsen hängt von der Größe (Produktionskapazität) des Ofens ab. Düsenbrust-Durchmesser, Düsenabstand und Düsenanzahl werden von der erwarteten Rennzonengröße vor jeder Düse beeinflusst.

Düsenstöcke (Abb. 10) leiten die Heißwindluft vom Windverteiler (Bustle Pipe) zu den Düsen. Die Düsen werden von Düsenkühlern (wassergekühlte Kupferkomponenten) getragen, die wiederum von Stahl-Düsenkühlhaltern (entweder angeschweißt oder angeschraubt an die Ofenschale) gehalten werden. Besondere Überlegungen sind im Düsenbrust-Schalen- und Ausmauerungsdesign zu machen, um die effektive Abdichtung der verschiedenen Komponenten aufrechtzuerhalten und das Entweichen und den Verlust von Ofengasen zu verhindern.

Herd (Hearth)

Der Herd (Abb. 10) ist der Tiegel des Ofens. Hier werden Heißmetall und flüssige Schlacke gesammelt und gehalten, bis der Ofen abgestochen wird. Die Herdwand wird durch Abstichlöcher (häufig als Eisenkerben bezeichnet) durchdrungen, um das gesammelte Heißmetall und die flüssige Schlacke zu entfernen. Die Anzahl der Abstichlöcher hängt von der Ofengröße, den Heißmetall- und Schlackenhandling-Anforderungen, physischen und kapitalen Einschränkungen etc. ab.

Mehrere Öfen sind mit einer Schlacken- oder Zundernotz (normalerweise eine pro Ofen, obwohl einige Öfen zwei haben können) ausgestattet. Die Öffnungshöhe der Schlackennotz liegt normalerweise ausreichend höher als die der Eisennotz. In früheren Zeiten, als die Schlackenmengen hoch waren, wurde die Schlacke periodisch aus der Schlackennotz ausgespült. Dies vereinfachte den Eisen/Schlacke-Trennprozess im Gießhaus. Heutzutage wird die Schlackennotz jedoch häufig nur für die initiale Ofeneinrichtung oder für den Notfall bei Eisenkerben- oder anderen Ofenbetriebsproblemen beibehalten.

Herdboden (Hearth Bottom)

Der Herdboden trägt die Herdwände und wird vom Eisen im Ofen überflutet. Mit Fortschreiten der Kampagne verschleißt die Herdbodenausmauerung bis zu einem festen Gleichgewichtspunkt. Die verbleibende Feuerfestausmauerung enthält den Prozess und schützt bei ausreichender Kühlung oder inhärentem Isolationswert den Ofenboden und das Fundament.

Kühlsystem

Die Anwendung spezifischer Kühltechniken auf einzelne Ofenzonen hängt von mehreren Faktoren ab: erwartete Kampagnenlebensdauer, Ofenbetriebsphilosophie, Möllertypen, Feuerfeststoffe, Kostenbeschränkungen, physische Einschränkungen, verfügbare Kühlmedien, Präferenzen etc. Unterschiedliche Kühltechniken können für verschiedene Zonen bereitgestellt werden, um die Ausmauerung beim Widerstand gegen spezifische Zonen-Verschlechterungsfaktoren zu unterstützen. Normalerweise ist die Bereitstellung ausreichender Kühlleistung in jeder der anwendbaren Ofenzonen notwendig, wenn das dort befindliche Ausmauerungssystem überleben soll. Wo die thermischen, chemischen und in gewissem Umfang die abrasiven Prozessbedingungen extrem sind, muss ausreichende Kühlung bereitgestellt werden, um die notwendigen gleichmäßigen inneren Linien des Ofens aufrechtzuerhalten und die Ofenschale zu schützen.

Typischerweise werden der Ofenkopktrichter und Rachenbereich nicht gekühlt. Der Herdboden kann „aktiv“ durch Unterherdkühlung (Luft, Wasser oder Öl) oder „passiv“ durch Wärmeleitung durch die Herdbodenausmauerung zur Herdwand gekühlt werden. Die grundlegenden Kühloptionen für den Rest des Ofens sind: (i) keine Kühlung (typischerweise wird der obere Schachtbereich in mehreren Öfen nicht gekühlt), (ii) Duschen- oder Sprühkühlung, (iii) Mantel- oder Kanal-Kühlung, (iv) Plattenkühlung, und (v) Stavenkühlung.

Duschen- oder Sprühkühlung

Wasser wird durch Düsen oder Überlaufrinnen geleitet und fließt als Film über die Schalenplatte. Effektives Düsendesign, Anzahl und Positionierung sind wichtig für ordnungsgemäße Abdeckung und zur Minimierung von Rückprall. Ein ordnungsgemäßes Ablenkerplattendesign ist notwendig, um eine effiziente Kühlwasserverteilung zu gewährleisten und Spritzer zu minimieren. Duschenkühlung wird häufig im Bosh- und Herdwandbereich eingesetzt. Sprühkühlung wird normalerweise für Notfall- oder Reservekühlung angewendet, primär im Schachtbereich. Außenkorrosion der Schalenplatte und organische Verunreinigungen sind häufige Probleme, die den Wasserfluss stören oder die Schale vor dem Kühlwirkung der Oberflächenkühlung isolieren können. Wasserbehandlung ist eine wichtige Überlegung, um effektive Kühlung zu erhalten.

Mantel- oder Kanal-Kühlung

Gefertigte Kühlkammern oder tatsächlich Stahlprofile oder -winkel werden direkt an die Außenseite der Schalenplatte angeschweißt. Wasser strömt mit niedriger Geschwindigkeit durch die Kühlelemente, um die Schale und die Ausmauerung zu kühlen. Mantel- oder Kanal-Kühlung wird häufig an Herdwänden, Düsenbrust und Bosh-Bereichen angewendet. Kalkablagerungen auf der Ofenschale und Schmutzansammlungen in den Böden der externen Kühlelemente können die Kühlwirksamkeit beeinträchtigen. Daher ist eine periodische Reinigung der Kühlelemente notwendig.

Der kritische Bereich der bisher genannten Kühlsysteme ist die Notwendigkeit, dass die Schalenplatte als Kühlelement fungiert. Wenn extreme Wärmelasten auf die Innenseite der Schale einwirken, besteht ein extrem hoher thermischer Gradient über die Schale. Dieser Effekt führt zu hohen thermisch induzierten Schalenspannungen und eventualem Rissbildung. Die Risse beginnen an der Innenseite des Ofens und breiten sich nach außen aus. Die Risse bleiben unsichtbar (außer einem „Hot Spot“), bis sie die Schalenplatte vollständig durchdringen. Durchgehende Risse in der Schalenplatte führen zu Hochofengasleckage, freiliegender Schalenverkohlung und Störung der Kühlwirkung (insbesondere Sprüh- oder Duschenkühlung). Schalenrisse in einen abgedichteten Kühlmantel oder -kanal sind schwer zu lokalisieren und können zu langen Ofenstillstandszeiten für Reparaturen führen. Das Eindringen von Wasser in den Ofen (häufig wenn der Ofen offline ist und der innere Ofengasdruck das Eindringen von Kühlwasser durch Schalenrisse nicht verhindern kann) kann nachteilige Auswirkungen auf die Ofenausmauerung haben. Wasser im Ofen kann aufgrund von Explosionsgefahr (Dampf oder Wasserstoff) potenziell gefährlich sein. Da Sprüh- und Mantelkühlung darauf angewiesen sind, dass die Schalenplatte die Prozesswärme zum Kühlmedium leitet, sind Platten- und Stavenkühlung so konfiguriert, dass sie die Schale vom Prozess isolieren.

Platten- und Zigarrenkühlung

Die Installation von Kühlelementen durch die Ofenschale (Abb. 11) war eine große Ofendesign-Verbesserung, die zu effektiver Kühlung der Ofenausmauerung und Schutz der Schalenplatte führte. Die Kühlung wird entlang der Länge des Kühlelement-Eindringens in die Ausmauerung bereitgestellt. Die eingearbeiteten Elemente bieten positive mechanische Unterstützung für die Feuerfestausmauerung. Typische Kühlplattenherstellung ist Guss-Hochleitfähigkeitskupfer. Ein- oder mehrfache Kühlwasserdurchgänge können integriert werden. Kühlkästen mit größeren vertikalen Querschnitten wurden aus Gussstahl, Eisen oder Kupfer hergestellt.

Zigarrenförmige (zylindrische) Kühler (Abb. 11) aus Stahl und/oder Kupfer wurden ebenfalls erfolgreich eingesetzt. Die Philosophie der dichten Plattenkühlung (d. h. vertikaler Teilung von 350 mm bis 400 mm Mitte-zu-Mitte, und horizontaler Teilung von 600 mm Mitte-zu-Mitte) hat den Kühleffekt verbessert und die Ausmauerungslebensdauer erhöht.

Kupferkühlplatten wurden traditionell mit Halteleisten oder Schraubverbindungen in der Schalenplatte verankert, um einen schnellen Austausch bei Plattenleckage zu ermöglichen. Kürzlich wurden Platten mit Stahlabschnitten an der Rückseite der Platte zum direkten Schweißen an die Stahlschale entwickelt. Obwohl der Austausch manchmal länger dauert, bietet dieser Typ eine positive Abdichtung gegen Hochofengasleckage. Plattenkühler werden typischerweise in Bereichen installiert, wo sich flüssiges Eisen im Ofen sammelt. Daher ist der Mittelpunkt der Düsenbrust bis zur Unterseite der Rachenpanzerung der Anwendungsbereich.

Stavenkühlung

Gusseiserne Kühlelemente (Shannon-Platten oder Staven) werden seit mehreren Jahren im Bosh- und Herdwandbereich verwendet. Diese Gussstücke haben gekernte Kühlkanäle mit großem Querschnitt. Ihre Lebensdauer im Bosh war nicht bemerkenswert, aber mehrere Kampagnen waren für die Herdwand normal. Diese Staven litten häufig unter niedrigen Durchflussraten minderer Kühlwasserqualität (Verkalkung und Schmutzablagerung/-aufbau) und manchmal Gussporosität. Wassereintritt in die Herdwand kann ein beträchtliches Problem sein.

In den 1950er Jahren entwickelte die damalige UdSSR einen neuen Typ Stavenkühler (Abb. 12) und die „natürliche verdampfende Stavenkühlung“. Für dieses Design bestanden die Gussstücke aus Grauguss mit Stahlrohren für Wasserdurchgänge. Die Rohre wurden vor dem Gießen beschichtet, um die Verkohlung des Kühlrohrs und metallurgischen Kontakt mit dem Stavenkörper-Material zu verhindern. Die Staven wurden in horizontalen Reihen im Ofen installiert und die Kühlrohre ragten durch die Schale. Vertikale Staven-Spalten wurden durch die Verbindung der hervorstehenden Rohre von einem Staven zum entsprechenden Staven in der nächsten Reihe gebildet. Staven können auf alle Wände in den Zonen unter der Panzerung angewendet werden. Staven in Herdwand und Düsenbrust werden mit glatten Flächen geliefert. Staven im Bosh, Mantel/Bauch und Schacht haben normalerweise Rippenvertiefungen für die Installation von Feuerfestmaterial. Abb. 12 zeigt Stavenkühler und Generationen der Stavenentwicklung.

Die Entwicklung des Stavenkühler-Designs war dramatisch. Staven in den höheren Wärmelastbereichen werden heute typischerweise aus duktilem Gusseisen für verbesserte Wärmeleitfähigkeit und Rissbeständigkeit gegossen. Während frühe Staven-Designs Gussfeuerfest (nach Staven-Einbau im Ofen installiert) verwendeten, integrieren Rippen jetzt normalerweise Feuerfestziegel, entweder im Gusswerk im Stavenkörper eingebettet oder vor dem Ofeneinbau eingeschoben und vermörtelt.

Man erkennt normalerweise vier Generationen von Staven (Abb. 12) in der Industrie.

Staven der ersten Generation werden nicht mehr normalerweise verwendet. Diese Staven haben vier Kühlkörperkreisläufe (mit langen Radiusbögen, die die Staven-Ecken nicht effektiv kühlen). Diese Staven bestehen aus Grauguss mit Gussfeuerfest-Rippen. Staven der zweiten Generation haben vier Kühlkörperkreisläufe mit kurzen Radiusbögen für verbesserte Eckenkühlung. Diese Staven bestehen aus duktilem Gusseisen mit eingebetteten oder verklebten Rippenziegeln. Staven der dritten Generation haben zweischichtige Körperkühlung mit vier oder sechs Kühlkörperkreisläufen (Staven-Heißseite) und ein oder zwei Schlangenkaltseitenkreisläufen (Staven-Kaltseite) für zusätzliche oder Reservekühlung bei Verlust der Heißseitenkreisläufe. Diese Staven haben zusätzliche Randkühlung (oben und unten). Die häufigere Verwendung dieser Staven ist als gekühlte Vorsprünge zur Unterstützung einer Feuerfestausmauerung. Diese Staven haben eingebettete oder vermörtelte Rippenziegel. Staven der vierten Generation haben zweischichtige Kühlung (ähnlich der dritten Generation). Diese Staven haben gekühlte Vorsprünge und eingebettete Wandziegelausmauerung, was die Notwendigkeit einer manuell verlegten inneren Ziegelausmauerung eliminiert.

Staven mit Heißseiten-Vorsprüngen sind effektiver bei der Halterung einer Ziegelausmauerung als glattere Rippenziegel. Nach dem Verschwinden (erwartet) der Ziegelausmauerung sind die Vorsprünge jedoch sehr stark im Ofen exponiert. Die Vorsprünge stören das Möllerabsinken und den Gasaufstieg. Exponierte Vorsprünge neigen zu schnellem Versagen. Sie werden häufig durch Kühlwasser separat von den Haupt-Stavenkühlkreisläufen versorgt. Auf diese Weise können undichte Vorsprungkreisläufe leichter lokalisiert oder isoliert werden. Einige Stavenhersteller bieten jetzt separate Vorsprungsgussstücke an, damit Vorsprungsrisse und -verlust die Elternstaven nicht beschädigen. Zudem gibt es einen gegenwärtigen Philosophiewechsel, den Einsatz von Vorsprüngen ganz aufzugeben.

Variationen der grundlegenden Staven-Generationstypen sind üblich. Zum Beispiel wurden Staven des vierten Generationstyps mit Feuerfestgussmasse für die Wandausmauerung erfolgreich eingesetzt. Alternativ wurden Ziegelausmauerungen an den Stavenkörpern verankert. Solche Ansätze können als Ersatz für Ziegelstützvorsprünge dienen.

Eine „fünfte“ Generation von Staven-Design wurde entwickelt: der Kupferstaven (Abb. 13). Die Entwicklung von Kupferstaven wurde sowohl in Japan als auch in Deutschland für den Einsatz im Bereich Bosh, Bauch und unterer Schacht durchgeführt, um hohen Wärmelasten und großen Temperaturschwankungen standzuhalten. Während Japan auf Gusskupferstaven setzt, sind deutsche Kupferstaven gewalzte Kupferplatten mit engen äußeren Toleranzen und gebohrten Kühlkanälen. Gebohrte und verstopfte Kupferstaven sind typischerweise für vier Wasserrohre in einer geraden Linie oben und vier Wasserrohre in einer geraden Linie unten ausgelegt. Materialien für interne Rohrspulen umfassen Monel, Kupfer oder Stahl. Im Gegensatz zu Gusseisenstaven sollen Kupferstaven mit dem Kühlrohr verbunden sein.

Die Entwicklung des eingebetteten Kupferstaven hat folgende Aspekte berücksichtigt. Als erster Aspekt ist für die Verhinderung von Verformung das geeignete Design der Stavenlänge und der bolzengebundenen Punkte wichtig. Der erste Aspekt ist, dass der Einsatz des eingebetteten Stahlrohr-Kupferstaven mit seinem eigenen Design vorteilhaft ist, um das Verformungsrisiko effektiv zu reduzieren. Abb. 13 zeigt die begrenzten Punkte eines gewalzten Kupferstaven und des eingebetteten Stahlrohr-Kupferstaven. Ein gewalzter Kupferstaven wird durch Montagebolzen und -stifte an der Schale befestigt. Um zu verhindern, dass die Schweißung am Boden eines Steigrohrs durch Spannungen beschädigt wird, ist das Steigrohr über einen Ausdehnungskompensator mit der Schale verbunden. Durch diese Struktur werden die oberen und unteren Enden der Staven frei verschoben, was dazu führt, dass die Staven leicht verformt werden. Die große thermische Belastung, die im Verlauf der Schwankungen im Hochofenbetrieb etc. wiederholt auf den Kupferstaven einwirkt, führt dazu, dass sich plastische Dehnung allmählich ansammelt und zu großer Verformung führt. Es gibt Fälle, in denen die Verformung am oberen Ende 50 mm oder mehr erreicht hat und eine Schweißung gebrochen ist, unter der Bedingung eines übermäßig langen Staven, einer unangemessenen Bolzenposition oder einer die Designbedingung übersteigenden Wärmelast.

Derzeit ist der beliebteste Kupferstaventyp der gewalzte Kupferstaven, dessen Herstellungsprozess das Bohren von Löchern in eine Kupferplatte umfasst. Die Wasserkanaende dieser Staven sind verstopft und verschweißt. Der eingebettete Stahlrohr-Kupferstaven, der entwickelt wurde, wird durch Einbetten gebogener Stahlrohre in das Kupfer hergestellt, ein völlig anderer Herstellungsprozess als der des konventionellen gewalzten Kupferstaven. Diese einzigartige Herstellungsmethode hat es ermöglicht, hohe Energieeffizienz und lange Lebensdauer von Hochofen zu erreichen, die mit dem gewalzten Kupferstaven nicht erreichbar sind.

Die natürliche verdampfende Stavenkühlung (NEVC) ist eine Technik, bei der Kesselspeisewasser in die unterste Stavenreihe eingebracht wird und durch natürliche Mittel die vertikalen Kühlkreisläufe hinaufströmt. Wenn die Prozesswärme durch den Staven und das Kühlrohr in das Wasser leitet, erwärmt sich das Wasser. Wenn das Wasser wärmer wird, dehnt es sich aus. Da kälteres Wasser von unten nachströmt, neigt das wärmere Wasser dazu, nach oben zu steigen. An einem bestimmten Punkt im vertikalen Kühlkreislauf erreicht das Wasser den Siedepunkt. Wenn das Wasser durch die Verdampfungswärme seinen Aggregatzustand in Dampf ändert, wird zusätzliche Wärme absorbiert (treibt den Phasenwechsel an). Nach Beginn des Siedens steigt der Zweiphasenstrom (Wasser-Dampf-Gemisch) die Kühlrohre bis zum Ofenkopf hinauf. Normalerweise befinden sich auf der Ofenkopfplattform Dampfabscheider-Trommeln, die den Dampf extrahieren und zur Atmosphäre abführen. Speisewasser wird in die Trommel eingebracht (um den abgeführten Dampf zu ersetzen). Das Wasser wird durch Schwerkraft zurück zum Ofenboden geleitet und erneut den Staven zugeführt. Diese Kühltechnik ist sehr effizient und hat niedrige Betriebskosten. Es gibt keine Pumpausrüstung. Verbesserungen an diesem System zielten darauf ab, den Kühlwasserfluss mit Umlaufpumpen zu erhöhen (erzwungene verdampfende Kühlung, FEVC), um einen gleichmäßigen Kühlwasserfluss zu gewährleisten und das Umlaufwasser zu kühlen (erzwungene Kaltwasserkühlung – FCWC). Beide Ansätze haben zu verbesserter Staven- und Ausmauerungslebensdauer geführt.

Staven bieten während ihrer Lebensdauer (die verlängert wird, solange die innere Ziegelausmauerung erhalten bleibt) hervorragenden Schutz für die Schalenplatte. Der Staven-Einsatz wurde in allen Ofenbereichen von der Herdwand bis einschließlich oberer Schacht implementiert.

Ein Nachteil bei der Umrüstung eines bestehenden plattengekühlten Ofens auf Stavenkühlung können die Kosten für eine neue Schale sein. Wenn die vorhandene Schale jedoch bereits in Not ist und ohnehin ersetzt werden muss, ist der Umrüstungskostenfaktor nicht maßgeblich.

Gießhaus

Das Gießhaus (Abb. 14) ist der Bereich oder die Bereiche am Hochofen, wo Ausrüstung platziert ist, um Heißmetall und flüssige Schlacke sicher aus dem Ofen zu entnehmen, zu trennen und zu den entsprechenden Handhabungsausrüstungen oder -anlagen zu leiten. Heißmetall und flüssige Schlacke werden durch die Abstichöffnung aus dem Ofen entfernt. Nur selten wird heute Schlacke aus der Schlackennotz ausgespült. Die Ausrüstung für die Abstichöffnung muss zuverlässig sein und minimalen Wartungsaufwand erfordern. Öfen stechen typischerweise acht bis elf Mal pro Tag ab.

Stopfmaschine (Mud Gun)

Die Stopfmaschine wird verwendet, um die Abstichöffnung nach Abschluss des Abstichs zu verschließen. Eine Menge Stopfmasse wird von der Stopfmaschine in das abgenutzte Loch gedrückt, um es zu füllen und eine Menge Stopfmasse (den „Pilz“) im Herd zu halten. Die Stopfmaschine wird normalerweise so lange an der Abstichöffnung gehalten, bis die Stopfmasse ausgehärtet ist und die Abstichöffnung sicher verstopft ist. Eine hydraulische Stopfmaschine nutzt Hydraulikleistung zum Schwenken, Halten und Drücken der Stopfmasse. Typischer Injektionsdruck der Stopfmasse liegt in der Größenordnung von 20 bis 25 MPa, was das Eindringen viskoser Masse in den bei hohem Druck betriebenen Ofen erlaubt. Die hydraulische Stopfmaschine wird mit einer Kraft von 15 bis 35 Tonnen gegen den Ofen gepresst. Diese Art von Stopfmaschine kann in einer Bewegung in Position geschwenkt werden.

Eine elektromechanische Stopfmaschine hat drei separate elektrische Antriebe für Geräteschwenk, Laufpositionierung und Rammen. Daher sind mehrere separate Bewegungen für die genaue Positionierung der Stopfmaschine an der Abstichöffnung erforderlich. Stopfmasse-Injektionsdruck liegt nur im Bereich von 5 bis 8 MPa. Die elektromechanische Stopfmaschine wird am Ofen verriegelt, um sie während des Verstopfens an Ort und Stelle zu halten.

Abstichbohrer (Tap Hole Drill)

Der Abstichbohrer wird verwendet, um ein Loch durch die Stopfmasse in den Herd des Ofens zu bohren. Ein Bohrer wird hydraulisch in Position geschwenkt und hydraulisch in Arbeitsposition gehalten. Ein Druckluftmotor führt den Hammerbohrer (mit angeschlossenem Bohrgestänge und Bohrmeißel) in das Loch ein. Druckluft wird durch die Mitte des Bohrgestänges und des Bohrmeißels geführt, um den Meißel zu kühlen und die entfernte Stopfmasse auszublasen. Wenn das Bohrgestänge in den Herd eingedrungen ist, wird das Bohrgestänge zurückgezogen und der Bohrer schwenkt aus dem Heißmetallstrom aus.

Einweichstab-Verfahren (Soaking Bar Technique)

Die Anwendung der Einweichstab-Praxis hat den Abstichprozess verbessert. Wenn die Stopfmasse nach dem Verstopfen noch formbar ist, wird ein Stahlstab durch den Abstichbohrer in die Abstichöffnung getrieben. Während der Stab während der Zeit zwischen den Abstichen an Ort und Stelle verbleibt, erwärmt er sich durch Wärmeleitung vom Herdheißmetall. Dies ermöglicht das Aushärten der Stopfmasse über ihre gesamte Länge (im Gegensatz zum Aushärten mit dem Ofen und Festsetzen an der Außenseite nahe den Ofenkühlelementen). Die ausgehärtete Stopfmasse ist widerstandsfähiger gegen Erosion während des Abstichs, was die Abstichflussratensteuerung verbessert. Weniger Stopfmasse wird benötigt, um das Loch erneut zu verstopfen. Wenn die Abstichöffnung geöffnet werden soll, extrahieren eine Spannvorrichtung und ein Rückschlaggerät am Abstichbohrer den Stab. Der Zeitpunkt für die Öffnung der Abstichöffnung kann leichter kontrolliert (vorhergesagt) werden als durch konventionelles Bohren. Diese Eigenschaft ist wichtig für einen reibungslosen Ofenbetrieb und für die Planung der Heißmetalllieferung an nachgelagerte Anlagen.

Einseitige Abstichausrüstung (Same Side Tap Hole Equipment)

Stopfmaschine und Bohrer wurden normalerweise auf gegenüberliegenden Seiten der Abstichöffnung installiert. Designentwicklung hat die Installation dieser Ausrüstungen auf einer Seite der Abstichöffnung ermöglicht. Der Bohrer schwenkt über die Stopfmaschine oder umgekehrt. Diese Art der Installation erleichtert den verbesserten Zugang für Abstich- und Rinnenwartung und die verbesserte Anwendung von Rinnen- und Abstichbereichs-Absaugung.

Mit dem Aufkommen von Düsenzugangsplattformen zur Erleichterung von Düsen- und Düsenstock-Inspektion und -Austausch hat sich der verfügbare Kopffreiraum für die Abstichausrüstung verringert. Einseitige Abstichausrüstungsinstallationen können jedoch mit geringem Kopffreiraum (z. B. 2,2 Meter) erreicht werden.

Rinnen- und Laundersystem

Typische Heißmetall- und Schlackenabstichraten liegen im Bereich von 4 bis 6 Tonnen pro Minute bzw. 3 bis 5 Tonnen pro Minute. Die Rinnen- und Laundersysteme müssen so ausgelegt sein, dass sie Eisen und Schlacke ordnungsgemäß trennen und bei Durchflussraten im normalen Bereich und bei ungewöhnlichen Spitzenlasten vom Ofen wegfördern.

Die Heißmetallrinne (Abb. 15) ist ein feuerfest ausgekleideter Tiegel im Gießhausboden, der dazu dient, Eisen und Schlacke nach dem Austritt aus dem Ofen aufzufangen. Das Heißmetall fließt die Rinne hinab, unter einem Skimmer hindurch und über einen Damm in das Heißmetall-Laundersystem. Der Heißmetallstand in der Rinne wird durch den Damm bestimmt. Ein ordnungsgemäßes Damdesign taucht den untersten Teil des Skimmers in den Heißmetallpool ein. Die Schlacke, die leichter als das Heißmetall ist, schwimmt auf dem Heißmetallpool die Rinne hinab. Da sie nicht in das Heißmetall einsinken und durch die Skimmeröffnung kann, sammelt sie sich auf dem Heißmetall, bis genügend Volumen den Schlackendamm überläuft und die Schlackenrinne hinabläuft. Am Ende des Abstichs wird die Schlackenrinnendammhöhe gesenkt, um den größten Teil der Schlacke abzulassen. Das verbleibende Heißmetall wird in der Rinne gehalten, um Oxidation und thermischen Schock der Rinnenfeuerfestausmauerung zu verhindern.

Wenn Wartung der Rinnenausmauerung erforderlich ist, kann der Heißmetallpool durch Entfernen des Heißmetalldamms, Öffnen eines Rinnenablassventils oder Bohren in die Seite der Rinne (an ihrem tiefsten Punkt) mit einem Ablassbohrer entleert werden. Der Rinnenboden ist normalerweise mit mindestens 2 % Gefälle für effektive Entleerung ausgelegt. Rinnenquerschnitt und -länge sind wichtig für effektives Eisen- und Schlackenflussmuster, Verweilzeit und Trennung. Ein gutes Rinnendesign führt zu Verbesserungen der Heißmetallausbeute. Effektive Rinnenausmauerung und -kühltechniken sind wichtig für Ausmauerungslebensdauer, Heißmetalltemperatur und Gießhaus-Stahlbeton-Hitzeschutz. Rinnen waren traditionell in Stahlkästen „im Sand vergraben“ im Gießhausbodensystem enthalten. Verbessertes Rinnendesign beinhaltet erzwungene oder natürliche Luftkonvektion oder Wasserkühlung.

Die Gießhauspraxis erfordert, dass die Rinnen so kurz wie möglich sind. Dies minimiert den Temperaturverlust des Heißmetalls und reduziert Rinnenwartung und Rauchgasentwicklung. Kürzere Rinnen können auch zu reduzierten Kapitalausgaben für Gießhausgebäudeinstallation oder -modifikation führen. Da die Rinnen vom Ofen weg geneigt sein müssen, folgt der Gießhausboden normalerweise dem gleichen Gefälle wie die Rinnen.

Schlackenrinnen sind normalerweise mit mindestens 7 % Gefälle ausgelegt. Schlacke kann geleitet werden zu: (i) Schlackentöpfen für Eisenbahn- oder mobile Geräte-Transport zu einer entfernten Deponie, (ii) Schlackengruben neben dem Ofen für Luftkühlung und Wasserabschreckung vor Ausgrabung durch mobile Geräte, und (iii) Granulieranlagen neben dem Ofen zur Umwandlung der flüssigen Schlacke in granulierte Schlacke. Granulieranlagen sind mit Systemen zur Beseitigung von Rauchgasemissionen im Zusammenhang mit Umweltfragen ausgestattet.

Heißmetallrinnen sind normalerweise mit mindestens 3 % Gefälle ausgelegt. Heißmetall wird normalerweise zu Heißmetall-Transportpfannen (Torpedopfannen / Offenpfannen) für den Transport zum Stahlwerk oder Roheisengießmaschinen geleitet. Während die normale Praxis darin besteht, ein Eiserrinnensystem mit Verteilerklappen zu haben, die das Heißmetall zu verschiedenen Gießpositionen leiten, jede mit einer Pfanne, hat sich die Anwendung der kippbaren Rinnenpraxis als vorteilhaft erwiesen. Eine kippbare Rinne ist normalerweise mit einem elektrisch motorgetriebenen Aktuator (mit manuellem Handrad-Rückfall) ausgestattet und wird um ca. 5° gekippt, um das Heißmetall umzuleiten. Ein Pool Heißmetall wird in der kippbaren Rinne gehalten, um Spritzer und Feuerfestverschleiß zu minimieren. Wenn eine Heißmetallpfanne gefüllt wurde, wird die Rinne auf die gegenüberliegende Seite gekippt, um die andere Pfanne zu füllen. Falls erforderlich, entfernt eine Lokomotive die gefüllte Pfanne und positioniert eine leere Pfanne an ihrer Stelle. Dieser Vorgang kann ohne Verstopfen des Ofens durchgeführt werden. Wenn der Abstich beendet ist, wird die kippbare Rinne um zusätzliche 5° gekippt, um ihren Heißmetallpool in die Pfanne zu entleeren.

Modernes Gießhausdesign umfasst ebene Böden, wo die Rinne vollständig abgedeckt und bündig mit dem Boden eingebaut ist. Dies ermöglicht sicherere und einfachere Nutzung von mobilen Fahrzeugen im Gießhausbereich. Der Einsatz von funkgesteuerter Ausrüstung und anderen Geräten hat die Gießhausarbeit reformiert, und diese, zusammen mit effektiven Emissionskontrollsystemen, haben die Arbeitsbedingungen verbessert. Mit zunehmender Hochofen-Herddurchmesser ergibt sich die Notwendigkeit, die Größe des Gießhauses zu erhöhen. Große Hochofen werden normalerweise mit vier Abstichlöchern ausgelegt (Abb. 14). Bei einer Vier-Abstichloch-Konfiguration muss die Gießhausanordnung ausreichend Platz für Bewegung auf dem Boden selbst bieten. Es gibt keine Designprobleme, solange der notwendige Platz im Standortplan vorgesehen ist. Die Vergrößerung des Gießhauses in Bezug auf den Grundriss stellt keine radikale Änderung der Designphilosophie dar, die den Ofenkonstrukteur vor Herausforderungen stellen könnte. Ein effizienter und streng kontrollierter Abstich ist notwendig, um einen stabilen Betrieb und hohe Produktivität des Hochofens zu gewährleisten.

Emissionskontrolle

Rauchgaserfassungsanforderungen und -anwendungen scheinen weltweit erheblich zu variieren. Hochofen verfügen derzeit über vollständige, teilweise oder sogar gar keine Gießhaus-Rauchgaserfassungssysteme. Abluftventilator- und Filterhauskapazität in der Größenordnung von 9.000 bis 11.500 m³/min (abhängig von Betriebs- und Designpraktiken) ist typisch für die vollständige Rauchgaserfassung einer Zwei-Abstichloch-Gießhausinstallation (für Rinnen- und kippbare Rinnen).

Ordungsgemäßes Design und Anwendung von Rinnenerfassungsabdeckungen können den Gießhauszugang (z. B. ebene Bodenkonfiguration mit Stahlplatten) für Personal und mobile Fahrzeugüberquerung erleichtern. Rinnenabdeckungen können auch den Heißmetalltemperaturverlust reduzieren und die Rinnenfeuerfestlebensdauer verbessern.

Einige Öfen nutzen Flammenunterdrückung, die den Sauerstoff in der Luft direkt über der Rinne und den Eisenrinnen eliminiert. Verbrennungsprodukte verhindern die Oxidation der Heißmetalloberfläche, was sichtbare Partikel und Rauche reduziert.

Weitere Aspekte des Hochofendesigns

Es ist notwendig, eine vollständige Untersuchung jedes Elements in der Prozesskette, von der Rohstoffanlieferung bis zum Heißmetallverbrauch, durchzuführen, um sicherzustellen, dass es keine „Flaschenhälse“ im System gibt, die den Ofen daran hindern könnten, die Ziele seiner Installation zu erreichen. Beim Entwurf des Hochofens muss der Gedankeprozess genutzt werden, um das Ofendesign zu entwickeln, und einige Alternativen sind zu prüfen, bevor das Design festgelegt wird. Bei der Konstruktion des Ofens sind jene Ofenausrüstungen auszuwählen, die den Bedürfnissen des Ofenbetriebs am besten entsprechen.

Das Ofendesign muss sicherstellen: (i) der Ofen ist in der Lage, die Betriebsziele in Bezug auf Produktion, Produktivität (Tonnen pro Tag pro Kubikmeter Arbeitsvolumen), spezifische Verbräuche (Kilogramm pro Tonne Heißmetall) und Produktqualität auf kosteneffektive Weise zu erreichen, (ii) der Ofen hat die Flexibilität, Änderungen in der Rohstoffqualität aufzunehmen und zu absorbieren, und (iii) der Ofen ist in der Lage, die gewünschte Kampagnenlebensdauer sowohl hinsichtlich der Zeit als auch der Gesamtproduktion zu erreichen.

Die finanzielle Rechtfertigung ist die übergeordnete Überlegung für das Design. Zu diesem Zweck muss die wirtschaftliche Studie sehr umfangreich sein. Weiterhin muss das Ofendesign neueste technologische Entwicklungen beinhalten, damit der Ofen während seiner gesamten Kampagne nicht technologisch veraltet.

Das Arbeitsvolumen des Ofens ist das interne Volumen des Ofens, berechnet zwischen den Düsen und der Stockline. Die Herdproduktivität des Ofens wird in Tonnen pro Tag pro Kubikmeter aktiven Herdvolumens bewertet. Aktives Herdvolumen ist das interne Volumen des Ofens, berechnet zwischen den Düsen und der Abstichöffnung. Das aktive Herdvolumen ist ein Maß für die Haltekapazität des Ofens für die im Arbeitsvolumen (über den Düsen) erzeugten Flüssigkeiten. Daher ist die Tonnen pro Tag pro Kubikmeter aktiven Herdvolumens ein Maß für die spezifische Kapazität (Durchsatz pro Volumeneinheit) des Hochofenherds.

Das Design des Herds ist sehr wichtig, da es einen starken Einfluss auf den Ofenbetrieb hat. Der Ofenbetrieb wird beeinflusst, da sich die Herdflüssigkeitsstände schnell ändern, was Variationen im Gasflussmuster, der Gasausnutzung und dem Winddruck verursacht. Auch wegen dieser schnellen Änderungen im Flüssigkeitsstand kann es zu Verstopfung/Brennen der Düsen kommen, was das Blasen des Ofens beeinträchtigt.

Das Ofenherdvolumen bestimmt auch die Kontrollen, die der Bediener während des Ofenbetriebs ausüben muss. Für eine sehr gute Herdflüssigkeitsstandskontrolle benötigt der hohe Durchsatzofen ca. 90 % der Zeit im Abstich. Um diese Abstichzeit zu ermöglichen, muss der Gießhausboden ordnungsgemäß ausgelegt sein.

Die Ofenausmauerung und das Kühlsystem benötigen besondere Aufmerksamkeit, damit sie während der gesamten Hochofkampagne keine Probleme bereiten. Die Auswahl von Feuerfeststoffen, Kühlelementen und interner Ofengeometrie ist in dieser Hinsicht sehr wichtig. Kupferstaven sind in dieser Hinsicht teuer, aber im Vergleich zu Alternativen sehr wirtschaftlich. Kohlenstoffausmauerung des Herds ist sehr wichtig für die lange Lebensdauer des Herds. Die Feuerfestausmauerungsdicke des Schachts hat Auswirkungen auf das Ofenarbeitsvolumen.

Die benötigte Produktion bestimmt normalerweise die Größe des Hochofens. Für die Dimensionierung des Hochofens sind jedoch die Rohstoffe, die Produktchemie und sogar die Betriebsphilosophie wichtig. Während die Ofengröße Auswirkungen auf die Kapitalkosten hat, hat die Produktivitätsverbesserung Auswirkungen auf die Betriebskosten. Die spezifische Produktivität des Ofens ist für die Bestimmung der Größe des benötigten Hochofens zur Erzeugung der erforderlichen Heißmetallmenge zu ermitteln. Aus dem weiten Bereich möglicher Betriebsraten ist das Arbeitsvolumen des Ofens zu berechnen. Produktivität und damit Ofengröße sind auch auf Basis des Brennstoffverbrauchs zu bestimmen. Der Brennstoffverbrauch hängt von der Rohstoffqualität, Heißwindparametern, Heißmetallqualität und der Betriebsphilosophie ab.

Die Größe ist der wichtigste Faktor für die Bestimmung der Hochofenproduktivität. Es gibt jedoch andere Faktoren, die die Hochofenproduktivität ebenfalls beeinflussen. Die wichtigsten dieser Faktoren sind: (i) Heißwindtemperatur und -druck, (ii) hoher Ofendruck, (iii) Sauerstoffanreicherung des Windes, (iv) Einspritzung von Hilfsbrennstoff an der Düse, (v) aufbereitete Möller (Sinter, Pellets etc.), (vi) Fe-Gehalt der ferritischen Möller, (vii) Asche im Koks, (viii) Koksqualität, (ix) Feuchtegehalt der Möller, (x) direkte Beschickung von Fließmitteln (Kalkstein, Dolomit etc.) in den Hochofen, (xi) Feinanteilgehalt in der Möller, (xii) Qualität des zu produzierenden Heißmetalls, (xiii) Möllerverteilungssteuerung im Ofen, und (xiv) Automatisierungs- und Steuerungsgrad im Ofen.

Die Verfügbarkeit der Ofenausrüstung, Bereitstellung von Reserveausrüstung und die Instandhaltungsphilosophie sind wichtige Faktoren, die einen hohen Einfluss auf die Jahresproduktion des Hochofens haben. Darüber hinaus ist die Einbeziehung sicherer und gesunder Arbeitspraktiken während des Hochofenbetriebs in das Ofendesign wichtig, was einen hohen Einfluss auf die Ofenproduktion hat. In diesem Zusammenhang sind Sicherheitsverriegelungen an allen Stellen vorzusehen, an denen die Möglichkeit unsicherer Betriebspraktiken besteht.