Optimierung des Hochofen-Gießhausbetriebs für Effizienz und Zuverlässigkeit

Das Hochofen-Gießhaus (BF-Gießhaus) ist der Arbeitsbereich, in dem Roheisen und flüssige Schlacke aus dem Hochofen abgestochen werden und entweder in Pfannen (Torpedopfanne oder Offenpfanne) gegossen oder zur Verfestigung (Gusseisenguss und Schlackengranulation) oder Behandlung (Gießhausentschwefelung) abgeleitet werden.

Ein guter, störungsfreier Gießhausbetrieb ist eine wichtige Anforderung in einem hochproduktiven Hochofen für kostengünstigen Betrieb. Das funktionale Design des Gießhauses, die Betriebspraxis, Feuerfesttechnologie, Automatisierung und Umweltanforderungen sind wichtige Aspekte, die betrachtet werden müssen, um den Anforderungen an größere Zuverlässigkeit und Ausgabe aus dem Gießhaus gerecht zu werden. In jedem Hochofen ist das Gießhaus der personalintensivste Bereich im gesamten BF-Betrieb. Sein Design muss vollständig integriert sein mit der erwarteten Roheisenproduktion, Herdvolumen und Abstichpraxis, während Personaleinsatz, Wartung, Materialverbrauch minimiert und die Arbeitsumgebung verbessert werden. Das Hauptziel ist, das flüssige Eisen aus dem Hochofen mit einer Abgussrate und durch eine Anzahl von Abstichen pro Tag zu entfernen, die durch die Schmelzrate, das effektive Herdvolumen und den Wunsch bestimmt wird, den Herd in einem „trockenen“ Zustand zu halten, anstatt durch die Verfügbarkeit der Gießhausrinnen, Laufer und Gießhausausrüstung. Ein typisches Layout eines BF-Gießhauses ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Typisches Layout eines BF-Gießhauses

Das Design und der Betrieb des Gießhauses müssen die Effizienz des BF-Betriebs bezüglich folgender Parameter verbessern:

• Verbesserung der Arbeitsbedingungen für Arbeiter, die am Abstich von Roheisen und flüssiger Schlacke beteiligt sind
• Reduzierung der Wärmeverluste vom Roheisen durch Aufrechterhaltung seiner Temperatur
• Reduzierung der Menge an Roheisen, die mit der flüssigen Schlacke verloren geht
• Signifikante Reduzierung des Schadstoffvolumens, das während des Abstichs entsteht

Das Gießhaus muss eine bestimmte Anzahl an Ein- und Ausgängen haben, durch die Arbeiter im Notfall den Bereich evakuieren können. Es muss so gestaltet und positioniert sein, dass es Arbeitern immer möglich ist, aus jedem Bereich des Gießhauses zu entkommen, ohne vor Abstichöffnungen zu passieren oder über Laufer zu steigen.

Die Größe des Gießhauses hängt von der Produktionskapazität des Ofens ab, aber es ist auch wichtig, dass genügend Platz für sowohl Arbeiter als auch Ausrüstung vorhanden ist. Insbesondere muss neben dem Ofen und auf jeder Seite der Abstichöffnung so viel Freiraum wie möglich sein. Idealerweise sollte das Layout so sein, dass die Laufer so kurz wie möglich gehalten werden. Mit kippbaren oder schwenkbaren Laufern und hochkapazitiven Roheisenpfannen können die Arbeitsbedingungen im Gießhaus verbessert und der Abstich erleichtert werden. Weiterhin ist sorgfältiges Öffnen und Schließen der Abstichöffnung ein entscheidender Erfolgsfaktor für einen Hochofen.

Für effiziente Staub- und Rauchabsaugung im Gießhaus sollten die Eisenlaufer abgedeckt sein. Der Abstichvorgang und die Abstichwartung erfordern jedoch ungehinderten Zugang zum vorderen Bereich des Laufers. Verschiedene Designs von Rinnenabdeckungsmanipulatoren bieten flexible Lösungen im Gießhaus.

Die Gießhausböden auf der Eisen- und Schlackenseite müssen glatte Oberflächen haben und in bestimmten Bereichen leicht geneigt sein. Der Neigungswinkel sollte nicht nur für einfache Entfernung von Schlacke und Roheisen gewählt werden. Wenn die Neigung zu steil ist, wird die Arbeit im Gießhaus unnötig anstrengend und das Sturzrisiko größer.

Die Tiefe der Laufer sollte groß genug sein, um den maximal möglichen Roheisenfluss nach Berücksichtigung der Feuerfestauskleidung aufzunehmen.

Besondere Sorgfalt ist bei der Auswahl des Systems erforderlich, das die Abstichöffnung mit dem Hauptlaufer verbindet, damit kein Bruch zwischen Hochofen und Abstichebene entsteht.

Öffnungen im Abstichboden für die Evakuierung von abgestochenem flüssigem Material und Schlacke müssen so abgeschirmt sein, dass Arbeiter nicht hindurchfallen können.

Die Explosion einer Schlackepfanne ist selten, aber nicht unmöglich, und für jede Installationsart sollten die am besten geeigneten Maßnahmen ergriffen werden, um Arbeiter vor Schlackenspritzern zu schützen.

Eine weitere Gefahr ist das Überlaufen oder Auslaufen von Roheisen aus den Eisenpfannen auf die Schienen und den umliegenden Bereich. Wenn der Boden nass ist, kann eine Explosion auftreten. Angemessene Maßnahmen müssen ergriffen werden, um zu verhindern, dass Wasser (Grundwasser, Regenwasser oder Wasser aus dem Hochofen) in den Bereich sickert oder abläuft. Es müssen Einrichtungen für die Entwässerung von Wasser vorhanden sein, das sich zwischen den Schienen sammeln könnte.

Das Gießhaus sollte so gestaltet und ausgestattet sein, dass Arbeiter das Befüllen von Roheisen- und Schlackepfannen ohne Unfallgefahr überwachen können.

Bei der Auswahl und Positionierung der Schlackengranulationsanlage ist darauf zu achten, dass keine Möglichkeit besteht, dass Dampf aus Kühlwasser in das Gießhaus geweht wird. Ein System muss installiert werden, um Arbeiter und Ausrüstung vor Explosionen zu schützen, die auftreten können, wenn Roheisen versehentlich mit Schlacke abgestochen wird.

Transport- und Handhabungsmaschinen im Gießhaus müssen sorgfältig ausgewählt werden, da manuelle Handhabung auf ein absolutes Minimum reduziert werden muss und jeder Teil des Abstichbodens zugänglich sein muss. Maschinen sollten einen oder mehrere Deckenlaufkräne oder andere Hebezeuge sowie Gabelstapler und andere Handhabungsfahrzeuge umfassen. Eine Zufahrtsrampe und Rangierfläche auf dem Abstichboden müssen für Handhabungsfahrzeuge bereitgestellt werden.

Gefahren, denen Gießhausarbeiter während Abstichvorgängen ausgesetzt sind:

• Hohe Temperaturen von Materialien und Wärmestrahlung von Roheisen und flüssiger Schlacke
• Explosionen und Spritzer von Roheisen und Schlacke
• Überlaufen und Auslaufen
• Ofenausbruch
• Rauch, Staub, Gas und Dampf
• Verwendung von Sauerstoff zum Lanzen der Abstichöffnungen
• Verwendung von Maschinen wie Abstichbohrern und -pistolen, pneumatischen, hydraulischen und elektrischen Geräten etc.
• Verwendung von Handwerkzeugen
• Handhabung von Materialien und Abfällen etc.
• Verwendung von brennbarem Gas zum Trocknen der Laufer
• Verwendung von Reisschalen zur Wärmedämmung und Sand
• Lärm.

Moderne Hochöfen verfügen über folgende Ausrüstungen, Werkzeuge und Verbrauchsmaterialien im Gießhaus:

• Abstichbohrer
• Bohrstangenwechsler
• Abstichlehm-Pistole
• Abstichlehm-Pistolenlader
• Rinnenabdeckung und Rinnenabdeckungsmanipulator
• Füllstandmesssystem für Torpedopfannen
• Kipplaufer
• Jack-Damm-Bohrer
• Steuerkabinen
• Temperaturmessung und Probenahme
• Feuerfestverbrauchsmaterialien
• Andere Verbrauchsmaterialien wie Sand, Reisschalen, Lanzenrohr und Durchbohrstange etc.
• Sauerstoff zum Lanzen und Brenngas für Laufertrocknung

Einige davon werden im Detail unten beschrieben.

Abstichbohrer

Wirtschaftlicher Abstich erfordert einen hochleistungsfähigen Abstichkanal. Neben der Wahl des geeigneten Abstichlehm und der optimalen Öffnungsstrategie sind optimale Einstellung der Abstichparameter sowie deren Reproduzierbarkeit wichtig. Abstichbohrer müssen maximale Flexibilität mit bewährten hochkapazitiven Bohrhämmern kombinieren, um effektives Bohren zu gewährleisten. Grundlegende Design- und Installationsanforderungen für Abstichbohrer:

• Der Bohrer sollte ausreichend leistungsstark und steif für präzises Bohren der Abstichöffnung sein
• Es sollte möglich sein, den Bohrer in bestimmten Positionen zu arretieren
• Alle Bewegungen und Manöver des Bohrers sollten fernbedient sein
• Es muss möglich sein, diese jederzeit anzuhalten
• Die Maschine muss mit einer Warnsirene oder Summer ausgestattet sein, die automatisch vor Inbetriebnahme des Bohrers arbeitet
• Der Bohrer sollte so installiert sein, dass Arbeiter, wenn er nicht in Gebrauch ist, sich frei darum bewegen und Reparaturen daran durchführen können. Es sollte genug Platz für eine Person zwischen Maschine und Hindernis sein
• Geeignete Schutzmittel müssen für das Personal, das um die Maschine arbeitet, bereitgestellt werden, und die Maschine selbst sollte ebenfalls geschützt sein
• Stromleitungen sollten gegen Hitze und Ausbrüche geschützt sein und gute mechanische Festigkeit haben
• Wenn Strom verwendet wird, ist es ratsam, die Versorgung über mindestens zwei unabhängige Stromkreise zu führen, von denen einer ein Sicherheitsstromkreis sein sollte
• Wenn die Steuerung hydraulisch oder pneumatisch ist, sollte ein entsprechend dimensionierter Akkumulator installiert werden.

Abstichlehm-Pistolen

Das Schließen eines Ofens unter allen Bedingungen ist eine wesentliche Sicherheitsanforderung. Dies erfordert extrem hohe Zuverlässigkeit und Robustheit von Abstichlehm-Pistolen. Grundlegende Design- und Installationsanforderungen für Abstichpistolen:

• Die Pistole muss leistungsstark genug sein, um den Abstichlehm gegen den vollen inneren Druck des Hochofens in die Abstichöffnung zu extrudieren, selbst wenn der Druck über normal ansteigt
• Die Maschine muss in der Lage sein, die Mündung der Pistole korrekt in der Abstichöffnung zu positionieren, trotz eventueller Behinderung durch Schlacke oder anderes Material
• Die Maschine muss so ausgelegt sein, dass sie den gesamten für den Pfropfen benötigten Lehm extrudiert
• Es sollte möglich sein, die Pistole in verschiedenen Positionen zu arretieren
• Alle Bewegungen und Manöver der Pistole sollten fernbedient sein; es muss möglich sein, diese jederzeit anzuhalten
• Die Maschine muss mit einer Warnsirene oder Summer ausgestattet sein, die automatisch vor Inbetriebnahme der Pistole arbeitet
• Die Pistole muss so installiert sein, dass Arbeiter, wenn sie nicht in Gebrauch ist, sich frei darum bewegen und Reparaturen daran durchführen können; es sollte genug Platz für eine Person zwischen Maschine und Hindernis sein
• Geeignete Schutzmittel müssen für das Personal, das um die Maschine arbeitet, bereitgestellt werden, und die Maschine selbst sollte ebenfalls geschützt sein
• Stromleitungen sollten gegen Hitze und Ausbrüche geschützt sein und gute mechanische Festigkeit haben
• Wenn Strom verwendet wird, ist es ratsam, die Versorgung über mindestens zwei unabhängige Stromkreise zu führen, von denen einer ein Sicherheitsstromkreis sein sollte
• Wenn die Steuerung hydraulisch ist, sollte ein entsprechend dimensionierter Akkumulator installiert werden.

Steuerkabinen

Steuerkabinen für Abstichpistolen und -bohrer sollten so positioniert, geschützt und ausgestattet sein, dass sie auch in Notfällen bedient werden können. Entsprechend sollten sie folgende Grundmerkmale aufweisen:

• Der Standort der Steuerkabine sollte so sein, dass das Personal vollständig vor Ausbruch- oder Explosionsrisiken geschützt ist und die Operationen perfekt beobachten kann
• Kein brennbares Material darf in ihrem Bau verwendet werden
• Mindestens zwei verschiedene und unabhängige Eingänge müssen bereitgestellt werden, von denen einer Zugang zu einer Notfall-Evakuierungsplattform außen bieten muss, die jederzeit freigehalten werden muss
• Es sollten keine Türen von den Kabinen zu den Laufern führen
• Das Beobachtungsfenster zum Abstichbereich muss (i) so klein wie möglich sein, aber dem Bediener einen vollständigen Blick auf den Operationsbereich und die Position der Pistole und/oder des Bohrers geben, (ii) mit „Triplex“-Glasplatten in einem nach außen öffnenden Rahmen, geschützt durch ein Gitter, ausgestattet sein, (iii) Die Bedienelemente sollten neben den Fenstern positioniert sein, damit der Bediener sie leicht bedienen kann, während er den Fortschritt der Operationen verfolgt. Vorsichtsmaßnahmen sollten versehentliche Bedienung der Steuerelemente verhindern, und (iv) Kommunikation zwischen der Kabine und anderen Orten, an denen Arbeiten im Zusammenhang mit dem Hochofenbetrieb durchgeführt werden, muss durch mindestens zwei separate Systeme mündlicher Kommunikation (Innentelefon, Sprechanlage, Funktelefon etc.) gewährleistet sein.
• Die Kabine sollte mit einer Lüftungsanlage ausgestattet sein, die Luft aus einem nicht durch Rauch oder Gas verunreinigten Bereich ansaugt.
• Falls die Kabine nicht in einem vor möglichen Spritzern oder Explosionen geschützten Bereich positioniert werden kann, müssen die Sicherheitsmaßnahmen intensiviert werden. Insbesondere müssen die Türen so eingestellt sein, dass jede Explosion sie eher schließen als öffnen würde, und Wände, Türen und Dach müssen mit flammen- und hitzebeständigen Materialien verkleidet sein.

Abstichdurchbohrung mit Sauerstoff

Die Ausrüstung für die Abstichdurchbohrung besteht aus flexiblen Rohrleitungen für Sauerstoffversorgung, einem Lanzenhalter und Sauerstofflanzen. Sauerstofflanzen bestehen aus einem oder mehreren Stahlrohren. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass der Bediener immer weit genug von der Abstichöffnung entfernt ist, um Funken und Spritzer zu vermeiden. Es ist daher ratsam, Lanzen nicht zu weit herunterbrennen zu lassen, sondern unverbrannte Abschnitte zurückzugewinnen, um Rohre der ursprünglichen Länge zusammenzusetzen. Große Sorgfalt ist beim Verbinden solcher Rohre erforderlich, um Sauerstoffleckagen durch Schweißnähte zu vermeiden. Rohre in schlechtem Zustand sollten abgelehnt werden. Rohre sollten bereits entfettet bei Lieferung an das Gießhaus sein. Fettige Rohre dürfen nicht verwendet werden. Rohre sollten in vor Öl, Fett, Staub und Witterung geschützten Bereichen gelagert werden. Nur jene Rohrabschnitte, die Mindestsicherheitsanforderungen erfüllen, sollten zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden.

Gießhaus-Feuerfestverbrauchsmaterialien

Für Hochofen-Abstichöffnungen, wo Eisen und Schlacke periodisch abgestochen werden, werden einsatzbereite Abstichmischungen (auch Abstichlehm genannt) verwendet, um das Loch am Ende eines Abstichs zu verschließen. Diese wärmehärtenden Materialien werden dann für den nächsten Abstich gebohrt. Für Rinnen und Laufer, wo Eisen und Schlacke getrennt und Eisen zur Pfanne geleitet wird, werden hydraulisch gebundene Betonmassen als Grundauskleidung und Spritzmassen für Reparaturen verwendet.

Abstichlehm

Abstichlehm ist das Material, das verwendet wird, um die Abstichöffnung nach dem Abstich zu verschließen, damit kein Material austreten kann, und um sie bis zum nächsten Öffnen verschlossen zu halten. Heute sind Wahl und Verwendung von Abstichlehm mit vielen Faktoren korreliert:

• Die Hochofen-Betriebsbedingungen, die hauptsächlich von Größe und Auslastung abhängen – die Lehme beteiligen sich als Schlüsselelemente am Prozess, um Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten und die Hochofenproduktivität nicht zu stören.
• Die besondere Anordnung des Abstichbereichs und seine Verwaltung – dies erfordert, dass die Lehme nicht nur dem flüssigen Metallangriff standhalten und widerstehen, sondern auch positiven Einfluss auf die Herdentwässerung und den peripheren Eisenfluss durch die Lochlänge haben.
• Umweltaspekte werden sowohl als Politik zur Verbesserung der menschlichen Arbeitsbedingungen auf Gießhausebene als auch als allgemeiner Umweltschutz angesehen.
• Ökonomische Aspekte, um einen optimalen Stückkosten pro Tonne Roheisen vorzuschlagen, da die Abstichlehmkosten einer der wesentlichen Kosten im Gießhausbetrieb bleiben.

Der Abstichlehm muss Eigenschaften haben, um folgende Funktionen konsistent und sicher auszuführen:

• Fließen, wenn er von der Lehmpistole gedrückt wird, um die Abstichöffnung zu verschließen. Abstichlehm muss formbar genug sein, um korrekt injiziert zu werden.
• Aushärten innerhalb der Abstichöffnung während der Pfropf-zum-Abstich-Zeit, aber ohne Schwindung, um eine dichte Abdichtung zu gewährleisten
• Schnell genug härten, um dem Druck von innen im Ofen standzuhalten
• In akzeptabler Zeit bohrbar sein.
• Einen stabilen, kontrollierten Schmelzstrom beim Abstich ohne Spritzen ermöglichen
• Erosion und chemischen Angriff durch Roheisen und Schlacke während des Abstichs widerstehen
• Einen stabilen Untergrund für den nächsten Pfropfen bilden
• Eine stabile und kontrollierbare Abstichlänge bereitstellen.
• Porös genug sein, um Destillationsgase entweichen zu lassen
• In bestimmten Fällen auch geeignet sein, die Abstichöffnung zu erhalten und in ihren Normalzustand zurückzuversetzen, wenn sie sich verschlechtert hat

Die Anforderungen an Abstichlehm sind folgende:

• Verbesserte Plastizität – Für bessere Verarbeitbarkeit
• Hohe Korrosions- und Abriebfestigkeit – Für konstanten Abstichdurchmesser und -länge
• Gute Sinternfähigkeit – Für gute Festigkeit
• Haftfestigkeit – Erforderlich für korrektes Anhaften neuer Abstichmischung an alter
• Gute Gasabgabekapazität – Zur Reduzierung der Gasdruckbildung im Inneren
• Einfaches Abstich oder Bohren.

Anhydre Lehme sind verschleißfester als wasserhaltige. Letztere können für moderne Hochöfen nicht verwendet werden und bei ihrer Verwendung müssen besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden. Rohmaterialien für Abstichlehm sind: verschmolzenes Aluminiumoxid, kalziniertes Bauxit, Chamotte, Feuerton, Tonmineralien, Pyrophyllit, Siliziumdioxid, feiner Sand, Kyanit, fein kalziniertes Aluminiumoxid, Rauchkieselsäure, Zirkonium, Chromite, Siliziumkarbid, Kohlenstoff, Siliziumnitrid, Metallpulver, Koks, ultrafeiner Kohlenstoff, Teer, Harz und spezielle Öle.