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.

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.

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:

• Betriebliche Faktoren wie (i) hohe Produktivität führend zu hohen Wärmelasten, (ii) hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die mehr Erosion verursacht und (iii) hohe Kohleeinspritzung bedeutet geringere Permeabilität. Keiner dieser Faktoren liegt in der Kontrolle des Hochofenbedieners, und daher kann die einzige Lösung eine robuste Feuerfestauskleidung sein.
• Feuerfestauskleidungssystem-Design – Die gesamte Feuerfestauskleidung wird auch thermischen Spannungen ausgesetzt, die eine dominierende Rolle spielen, besonders wenn das Design unzureichend ist. Das Feuerfestauskleidungssystem oder Design muss (i) thermischen Widerstand optimieren, (ii) Ausdehnungsausgleich bieten, (iii) Rissbildung verhindern und (iv) eingebaute Barrieren eliminieren.
• Feuerfesteigenschaften – Dazu gehören (i) Hohe Wärmeleitfähigkeit, (ii) Alkalibeständigkeit, (iii) niedrige Permeabilität, (iv) niedrige thermische Ausdehnung und (v) niedrige Elastizität.

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.

Verschiedene Typen von Hochofen-Feuerfestmaterialien

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

• Gebackene Kohlenstoffblöcke – Mikroporöse Kohlenstoffblöcke, halbgraphitische Kohlenstoffblöcke und mikroporöse Kohlenstoff-Siliciumblöcke werden mit hochtemperatur elektrisch calciniertem Anthrazit, synthetischem Graphit und Siliciumkarbid als Hauptrohstoffe hergestellt. Sie besitzen höhere Wärmeleitfähigkeit, niedrigere Permeabilität, gute Heißmetall- und Alkalibeständigkeit. Halbgraphitische Kohlenstoffblöcke werden als untere Bodenauskleidung verwendet. Mikroporöse Kohlenstoffblöcke werden als Auskleidungen des oberen Bodens und unteren Herdes von Hochofen mit intensivierter Verhüttung verwendet. Mikroporöse Kohlenstoff-Siliciumblöcke werden beim Verlegen des Herdes, Abstichlochs und Schlackenlochs des Hochofens verwendet.
• Kleine gebackene Kohlenstoffziegel – Geformte mikroporöse Kohlenstoffziegel und Kohlenstoff-Siliciumkarbid-Ziegel werden durch Heißpressformen, Hochtemperaturbacken und Fertigschleifen mit hochtemperatur elektrisch calciniertem Anthrazit, synthetischem Graphit und Siliciumkarbid als Hauptrohstoffe sowie Ölen aus Kohle oder Phenolformaldehydharz als Bindemittel sowie ultrafeinen Pulverzusätzen hergestellt. Geformte mikroporöse Kohlenstoff-Siliciumkarbid-Ziegel können für das Mauerwerk von Düse, Schlackenloch, Abstichloch, Herd und Schlackenbildungszonen des Hochofens verwendet werden.
• Keramischer Becherziegel – Dies sind plastisch-phasengebundene Verbundkorundziegel. Der Ziegel besteht aus hochwertigem Mullit und hochreinem geschmolzenem Korund als Rohstoffe mit Zusatz von spezifiziertem Bindemittel durch Formen unter hohem Druck und Sintern bei hoher Temperatur. Mit Eigenschaften hoher Feuerfestigkeit unter Last (RUL), kompakter Struktur, niedriger Porosität und hoher Korrosionsbeständigkeit werden die Ziegel für den Hochofenboden, keramischen Becherbodenauskleidung und Kombiziegel von Düse, Abstichloch und Schlackenloch des großen Hochofens verwendet.
• Korundziegel – Der Korundziegel besteht aus braungeschmolzenem Korund und Siliciumkarbid als Ausgangsmaterialien, kombiniert mit speziellen Additiven, durch Formpressprozess und Sintern vor Feinbearbeitung. Der Ziegel zeichnet sich durch gute Alkalibeständigkeit und Schlackenkrosionsbeständigkeit aus, was ihn für die Auskleidung von Boden, Herdkeramikbecher, Düse, Abstichloch und Schlackenloch geeignet macht.
• SiC-Si₃N₄-Ziegel – Es gibt viele verschiedene Typen von SiC-Ziegeln mit unterschiedlichen Bindungssystemen und variierendem SiC-Gehalt. Im Allgemeinen haben direktverbundene SiC hohe Beständigkeit gegen Alkalien und Zink. Sie haben auch hohe Wärmeleitfähigkeit, ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit, sehr gute thermische Schockeigenschaften und sind beständig gegen Korrosion und CO-Angriff. Im Allgemeinen werden nitridverbundene SiC in Anwendungen wie Hochofenbauch verwendet.
• Mikroporöse Aluminat-Kohlenstoffziegel – Diese Ziegel werden durch Verwendung von spezieller Bauxitklinker, Korund, Graphit und Mittelaluminat als Hauptrohstoffe hergestellt, kombiniert mit verschiedenen Arten von ultrafeinen Pulverzusätzen. Sie zeichnen sich durch Mikroporen, gute Alkalibeständigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Sie werden für die Auskleidung von Bosh, Schacht und Kühlwand des Hochofens verwendet.
• 50 % Aluminat-Klasse Ziegel – Typischerweise sind Feuerfestmaterialien in dieser Klasse aufgewertete Superduty-Feuersteine. Sie bestehen allgemein aus einer Mischung von Bauxit, Feuerlehm/Chamotte und plastischem Ton. 50 % Aluminatziegel haben normalerweise niedrige Porosität, dehnen sich beim Wiedererhitzen auf 1600 °C aus und haben gute Beständigkeit gegen thermisches Zyklieren. Ein Ziegel in dieser Klasse mit höherer Reinheit zeigt gute Lasttragfähigkeiten und ausgezeichnete Beständigkeit gegen Alkaliaufgriff.
• 60 % Aluminat-Klasse Ziegel – Ziegel in dieser Klasse bestehen aus einer Vielzahl von Materialien. Die häufigsten und angesehensten Mittelaluminatziegel bestehen aus Mineralien der Sillimanitgruppe (normalerweise kombiniert mit kleinen Mengen calcinierter Aluminat und plastischer Tone). Andere 60 % Aluminat-Qualitäten in dieser Klasse bestehen aus einer Mischung von synthetischem Chamotte, Bauxiten, calcinierter Aluminat und plastischen Tonen. Hohe Mullitbildung ermöglicht Ziegeln in dieser Klasse (insbesondere Sillimanit-haltige Feuerfestmaterialien), ausgezeichnete Kriechbeständigkeit aufzuweisen. Sillimanitziegel können oft phosphat/chemisch gebunden und gehärtet werden, um die thermische Schockbeständigkeit zu verbessern.
• 70 % Aluminat-Klasse Ziegel – Diese Ziegelklasse basiert auf primären Rohmaterialien Bauxit oder hochaluminhaltigem Chamotte, das mit Feuerlehm zugesetzt wird. Diese Ziegel werden auf ca. 1400 °C gebrannt, um übermäßige Ausdehnung beim Brennen zu verhindern (verursacht durch Reaktion siliziumhaltiger Inhaltsstoffe mit Bauxit, die Mullit bildet). 70 % Aluminatziegel zeigen hohe Ausdehnungswerte im Betrieb, was die Fugengröße reduziert.
• 80 % Aluminat-Klasse Ziegel – Diese basieren auf Bauxit mit Zusätzen von calcinierter Aluminat und Tonmaterialien. Sie werden auf ca. 1420–1480 °C gebrannt, um konsistente Ziegelgrößen beizubehalten. Gebrannte Produkte in dieser Klasse haben ca. 20 % Porosität, gute Festigkeit und Beständigkeit gegen thermisches Zyklieren. Diese Produkte sind mit Phosphat/chemischer Bindung (gehärtet und gebrannt) assoziiert, um größere Abrasionsbeständigkeit zu verleihen und Porosität zu reduzieren.
• Feuerlehmziegel – Feuerlehmziegel bestehen aus einer Mischung von üblicherweise zwei oder mehr Tonen. Die Verwendung von Feuerlehm- und Kaolintonen verleiht Feuerfestigkeit, calcinierte Tone (Chamottes) kontrollieren die Trocknungs- und Brennschwindung und plastische Tone erleichtern Formung und Bindungsfestigkeit. Feuerlehmziegel werden normalerweise gruppiert in: (i) Superduty-Ziegel (PCE > 33) mit typischem Alumina-Gehalt von 40 % bis 45 % und guter Feuerfestigkeit, Beständigkeit gegen thermischen Schock und Volumenstabilität bei höheren Temperaturen, (ii) Hochduty-Feuersteine (PCE 31½ bis 33), die den Superduty-Äquivalenten ähnlich sind, aber typischerweise aus niedrigerwertigen Feuerlehm/Chamottes und plastischen Tonen hergestellt werden (typisches Al₂O₃ 40 % bis 45 %) und häufig als Ersatz für Mittelduty-Feuersteine verwendet werden, wo thermisches Zyklieren ein potentielles Problem ist, (iii) Mittelduty-Feuersteine (PCE 29 bis 31) (typisches Al₂O₃ 38 % bis 42 %) werden in weniger anspruchsvollen Anwendungen verwendet und ihre thermische Schockbeständigkeit ist niedriger als bei Super- und Hochduty-Feuersteinen, (iv) Niedrigduty-Feuersteine (PCE 15 bis 29) (typisches Al₂O₃ 35 % bis 38 %) werden als Hinterfüllauskleidungen und andere Anwendungen verwendet, wo moderate Temperaturen vorherrschen, und (v) Halbsilica-Feuersteine, die typische Aluminatgehalte von 18 % bis 25 % mit Silicawerten von 72 % bis 80 % haben und ausgezeichnete Lasttragfestigkeit und Volumenstabilität bei relativ höheren Temperaturen aufweisen.
• Abstichlochmasse – Die wichtigsten erforderlichen Eigenschaften der Abstichlochmasse sind gute Viskosität und gute Sintereigenschaften kombiniert mit Korrosions- und Erosionsbeständigkeit.