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Hochofen-Feuerfestauskleidung: Schutz der Schalen für Kontinuierlichen Betrieb

Ein moderner Hochofen (BF) ist feuerfest ausgekleidet, um die Ofenschale vor den hohen Temperaturen und abrasiven Materialien im Inneren des Ofens zu schützen. Die Feuerfestauskleidung wird gekühlt, um den Schutz gegen die Abgabe überschüssiger Wärme, die die Feuerfestauskleidung zerstören kann, weiter zu verbessern. Der Hochofen verfügt über ein komplexes Feuerfestsystem, um eine lange, sichere Lebensdauer zu gewährleisten, die für die Verfügbarkeit des Hochofens und für die Ermöglichung eines nahezu kontinuierlichen Ofenbetriebs und Abstichs notwendig ist.

Die Bedingungen innerhalb des Hochofens variieren stark je nach Region und die Feuerfestmaterialien werden einer Vielzahl von Verschleißmechanismen ausgesetzt. Details sind in Tabelle 1 angegeben. Die Anwendungsbedingungen der verschiedenen Regionen eines Hochofens sind aufgrund der Geometrie und der pyrometallurgischen Prozesse, die in verschiedenen Phasen ablaufen, nicht identisch. In den verschiedenen Regionen des Hochofens gibt es diverse physikalische und chemische Verschleißmechanismen, die komplexer Natur sind. Zum Beispiel tritt mechanischer Verschleiß oder Abrasion hauptsächlich im oberen Schachtbereich auf und wird durch das Absinken der Zuschlagstoffe und die staubbeladenen Gase verursacht. Hohe thermische Belastungen sind ein Hauptfaktor im unteren Schacht- und Bauchbereich. Im Herdbereich bilden horizontale und vertikale Strömung von Heißmetall in Kombination mit thermischen Spannungen oft unerwünschte elefantenfußförmige Kavitation. Die Feuerfestmaterialien in diesen Regionen müssen diese Verschleißmechanismen berücksichtigen, um Schäden durch sie zu vermeiden. Daher erfordern der BF-Schacht (oberer, mittlerer und unterer), Bauch, Bosh, Rennzone und Düsenbereich, Herd und Eisenabstichloch unterschiedliche Qualitäten von Feuerfestmaterialien, abhängig von den jeweiligen Anwendungsbedingungen.

Tabelle 1 Angriffsmechanismen in verschiedenen Regionen des Hochofens
Region Angriffsmechanismus Resultierender Schaden
Oberer Schacht Abrasion Abrasiver Verschleiß
Mittlere Temperaturschwankungen Abplatzungen
Aufprall Steinverlust
Mittlerer Schacht Mittlere bis starke Temperaturschwankungen Abplatzungen
Gaserosion Verschleiß
Oxidation und Alkaliaufgriff Verschlechterung
Unterer Schacht Starke Temperaturschwankungen Schwere Abplatzungen
Erosion durch Gasstrahlen und Abrasion Verschleiß
Oxidation und Alkaliaufgriff Verschlechterung
Thermische Ermüdung Schalenschäden und Risse
Bauch Mittlere Temperaturschwankungen Abplatzungen
Oxidation und Alkaliaufgriff Verschlechterung
Abrasion, Gaserosion und hohe Temperatur Verschleiß
Bosh Hohe Temperatur Spannungsangriff
Schlacken- und Alkaliaufgriff Verschlechterung und Verschleiß
Mittlere Temperaturschwankungen Abplatzungen
Abrasion Verschleiß
Rennzone und Düsenbereich Sehr hohe Temperatur Spannungsrisse und Verschleiß
Temperaturschwankungen Abplatzungen
Oxidation (Wasser und Sauerstoff) Verschlechterung
Schlackenaufgriff und Erosion Verschleiß
Schaden durch Schaben Verlust von Kühlelementen und Düsen
Herd Oxidation (Wasser) Verschleiß
Zink-, Schlacken- und Alkaliaufgriff Verschlechterung
Hohe Temperatur Spannungsaufbau und Rissbildung
Erosion durch heiße Flüssigkeiten Ausbruchsrisiko
Eisenabstichloch Starke Temperaturschwankungen Abplatzungen
Erosion (Schlacke und Eisen) Abstichlochverschleiß
Zink- und Alkaliaufgriff Verschlechterung
Gasangriff und Oxidation (Wasser) Verschleiß und Verschlechterung

Die Auswahl der geeigneten Feuerfestkombination in Abhängigkeit vom Verschleißmechanismus ist sehr wichtig. Eine unsachgemäße Auswahl der Feuerfestmaterialien führt oft zu einem Feuerfestversagen, das anschließend zu einem komplexen Problem wird. Die in einem Hochofen bereichsweise erforderlichen Feuerfestauskleidungstypen sowie der Trend im Auskleidungsmuster sind in Abbildung 1 dargestellt.

Hochofen-Feuerfestauskleidung: Schutz der Schalen für Kontinuierlichen Betrieb

Abb. 1 Feuerfestauskleidung in verschiedenen Regionen eines Hochofens

Derzeit wird die Kampagnenlebensdauer eines Hochofens auf etwa 15 Jahre oder mehr erwartet. Darüber hinaus gibt es einen Trend zu großen Kapazitäten bei Hochofen, die strengen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind. Um das Ziel einer langen Auskleidungslebensdauer unter strengen Betriebsbedingungen zu erreichen, ist es notwendig, eine gute Kombination aus hochwertigen Feuerfestmaterialien mit hocheffizienten Kühlsystemen und strenger Kontrolle des Ofenbetriebs zu haben, um hohe Produktivität ohne übermäßige Wandbeanspruchung und mit Minimierung massiver „Rutschungen“ im Hochofen zu gewährleisten, die vorzeitige übermäßige Schäden an den Feuerfestauskleidungen verursachen können.

Es ist bekannt, dass der Boden und ein Teil des Herdes hauptsächlich durch Roheisen, Schlacke und Alkalien korrodiert werden. Feuerfeststeine in diesen Bereichen werden hohen Lasten und Temperaturen ausgesetzt. Daher erfordert es eine Feuerfestauskleidung, die hohe Festigkeit, niedrigen Kriechwert unter Druck und höhere RUL (Feuerfestigkeit unter Last) und PCE (pyrometrischer Kegeläquivalent) Werte aufweisen sollte. Einige Hochofen verwenden niedrigeisenhaltige, dichte 42 %–62 % Alumina-, Mullit-Feuerfeststeine, konventionelle Kohlenstoffblöcke etc. im Boden und unteren Herd, während der aktuelle Trend darin besteht, diese durch supermikroporöse Graphitblöcke zu ersetzen. Die Herdlebensdauer des Hochofens hängt hauptsächlich von folgenden Faktoren ab:

Die jüngste Entwicklung von mikroporösen Kohlenstoffsteinen und die Verbesserung der Qualität von halbgraphitischen und graphitischen Blöcken haben zu höherer Infiltrationsbeständigkeit gegen Eisen und Schlacken sowie höherer Wärmeleitfähigkeit geführt. Das Problem der spröden Schichtbildung um die 800 °C-Isotherme durch Alkali-Kondensation und thermische Spannungen wurde durch Verwendung kleinerer Blöcke, optimale Ausdehnungszuschläge etc. angegangen. Die Kohlenstofffeuerfestmaterialien werden durch Feuerlehm- oder Mullitsteine geschützt, um sie gegen Oxidation zu schützen. Das Design dieses „keramischen Bechers“ ist wichtig, da die Isothermen je nach Qualität und Dicke des Bechermaterials verändert werden.

Die Schachtsteine sind besonders hoher Abrasion und Erosion durch Zuschlagstoffe von oben sowie hochgeschwindigen Rauch- und Staubpartikeln ausgesetzt, die aufgrund des hohen Blasdrucks in einer CO-Umgebung (Kohlenmonoxid) austreten. Daher erfordern die Anwendungsbedingungen Feuerfestmaterialien, die hohe Festigkeit, niedrige Permeabilität, hohe Abrasionsbeständigkeit und Beständigkeit gegen CO-Zersetzung aufweisen müssen. Superduty-Feuerlehm-Feuerfeststeine oder dichte Aluminasteine mit Al₂O₃ um 39 %–42 % können diese für die Schachtanwendung erforderlichen Eigenschaften vermitteln.

Die Düse und der Bosh werden durch Temperaturwechsel, Abrasion und Alkalien angegriffen; und der Bauch und der untere Schacht durch thermischen Schock, Abrasion und CO-Angriff etc. In den kritischen Bereichen des Hochofens, d. h. Düse, Bosh, Bauch und unterer Schacht, haben Siliciumkarbid, SiC-Si₃N₄ und Korund-Feuerfestmaterialien Kohlenstoff- und 62 % Al₂O₃- oder Mullitsteine ersetzt. Dies nutzt die hohe Wärmeleitfähigkeit von SiC in Kombination mit den Stabkühlern. Aufgrund des Problems von Wasseraustritt um das Abstichloch und den Düsenbereich sind jedoch viele Hochofen mit hochaluminhaltigen oder Aluminium-Chrom-Korund-Feuerfestmaterialien ausgekleidet. Die aktuellen und zukünftigen Trends bei Hochofen-Feuerfestmaterialien sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2 Hochofen-Feuerfestmaterialien
Bereich Aktuell Trend
Schacht 39 %–42 % Al₂O₃ Superduty Feuerlehm
Bauch 39 %–42 % Al₂O₃ Korund, SiC-Si₃N₄
Bosh 62 % Al₂O₃, Mullit SiC-Si₃N₄
Düse 62 % Al₂O₃, Mullit SiC selbstverbunden, Aluminium-Chrom (Korund)
Unterer Herd 42 %–62 % Al₂O₃, Mullit, Konventioneller Kohlenstoffblock Kohlenstoff/Graphitblock mit supermikroporöser Struktur
Abstichloch Feuerlehm teergebunden, Hochaluminat/SiC teergebunden Feuerlehm teergebunden, Hochaluminat/SiC teergebunden
Hauptgerinne Peche/wassergebundener Ton/Grog/Teergebundene Rammmassen, Gussmassen Ultra-niedrigzementige Gussmassen (ULCC), SiC/Aluminat-Mischungen, Spritzreparaturtechnik
Kippauslauf Hochaluminat/SiC Rammmassen/Niedrigzementgussmassen Hochaluminat/SiC/Kohlenstoff/ULCC

Verschiedene Typen von Hochofen-Feuerfestmaterialien

Verschiedene Arten von Feuerfestmaterialien, die in der Hochofenauskleidung verwendet werden, werden unten beschrieben.

Herstellungsprozess

  1. Optimierung der Feuerfestauskleidung für maximale Verfügbarkeit im Basissauerstoffkonverter
  2. Optimierung von Hochofengas: Erzeugung, Nutzung und Effizienz
  3. Optimierung der Hochofenprozesse mit Nusskoks: Effizienz- und Kostenvorteile
  4. Verlängerung der Hochofen-Herdstandzeit durch TiO₂-Beschichtungen: Bewährter Feuerfestschutz
  5. Optimierung der Hochofeneffizienz durch Pulverkohleinspritzung
  6. Vermeidung von Unregelmäßigkeiten im Hochofenbetrieb: Bewährte Strategien
  7. Optimierung von Hochofen-Kühlsystemen für höhere Effizienz und längere Standzeiten
  8. Optimierte Hochofen-Beschickungssysteme für Effizienz und Sicherheit
  9. Eisenproduktion optimieren: Die Chemie des Hochofenprozesses
  10. Schlüsselfaktoren für den Koksverbrauch im Hochofenbetrieb