Optimierte Feuerfestmaterialien für Basissauerstoffofen: Erhöhung der Auskleidungslebensdauer & Produktivität

Feuerfestmaterialien für Basissauerstoffofen (BOF)

Das Hauptziel bei der Entwicklung von Feuerfestmaterialien für den Basissauerstoffofen (BOF) ist es, eine nutzbare Lebensdauer der Verschleißauskleidung zu erreichen, um die maximale Verfügbarkeit des BOF zu erhalten. Längere Auskleidungslebensdauer führt nicht nur zu geringeren Feuerfestkosten, sondern ermöglicht auch höhere Produktivität durch erhöhte Ofenverfügbarkeit.

Grundlegende Anforderungen an BOF-Feuerfestmaterialien

• Thermische Spaltbeständigkeit
• Korrosionsbeständigkeit
• Abrasionsbeständigkeit
• Oxidationsbeständigkeit
• Heißer Biegezugfestigkeit (Hot Modulus of Rupture)

Der BOF wird normalerweise mit einer permanenten Auskleidung und darüber einer Verschleißauskleidung ausgekleidet. Die Dicke der permanenten Auskleidung kann von 100 mm bis 120 mm variieren und besteht aus Chrom-Magnesit-Permanentauskleidung, die über die volle Höhe des BOF angebracht wird.

Die für Verschleißauskleidungen von BOF verfügbaren Feuerfestmaterialien reichen von Teer- oder Pech-gebundenem Dolomit oder Magnesia (MgO), Chrom-Magnesit oder Magnesium-Chrom-Feuerfestmaterialien bis hin zu fortgeschrittenen Feuerfestmaterialien, die mit Harzbindern, Metallen, Graphiten und gesintertem und/oder geschmolzenem Magnesia hergestellt werden, das eine Reinheit von 99 % aufweisen kann. Steine werden mit einer Kombination kritischer physikalischer Eigenschaften entworfen, um hohen Temperaturen und sich schnell ändernden Bedingungen/Umgebungen während des BOF-Hitzecycles standzuhalten. Ein Gleichgewicht verschiedener Eigenschaften wie Heißfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Schlackenbeständigkeit ist für gute Leistung der BOF-Feuerfestmaterialien notwendig.

Historische Entwicklung

Als der BOF-Prozess der Stahlerzeugung in den 1950er Jahren eingeführt wurde, wurden Konverter mit Teer-Dolomitsteinen und stabilisiert gebrannten Dolomitsteinen ausgekleidet. Diese Feuerfestmaterialien wurden dann durch halb stabilisiert gebrannte Dolomitsteine und teergebundene und gebrannte Steine aus synthetischem Magnesia-Dolomit-Klinker ersetzt. Chrom-Magnesit oder Magnesium-Chrom-Feuerfestmaterialien wurden für die Auskleidung einiger BOFs verwendet. Hochreine gebrannte Magnesia-Steine wurden auch in einigen BOF-Auskleidungen verwendet. Ende der 1970er Jahre wurden Magnesia-Kohlenstoff-Steine mit Korrosions- und Spaltbeständigkeit entwickelt und schnell für die Auskleidung des BOF eingeführt. Diese Steine nutzen die Beständigkeit von Magnesia gegen korrosive, hochbasische Schlacke und die hohe Wärmeleitfähigkeit und niedrige Benetzbarkeit von Graphit (Kohlenstoff). Heute ist die Praxis der Verwendung von Magnesia-Kohlenstoff-Feuerfestmaterialien für die Auskleidung von BOFs sehr verbreitet.

Die Stabilität von Magnesia-Kohlenstoff-Steinen kann durch Verhinderung der Oxidation von Graphit und durch Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Magnesia-Klinker erhöht werden. Oxidation von Graphit wird durch Zugabe von leicht oxidierbaren Metallen wie Aluminium und Magnesium-Aluminium, Karbiden wie Siliciumkarbid (SiC) und Borcarbid (B₄C) und Boriden wie Calciumborid (CaB₆) verhindert. Verwendung von hochreinem Graphit verhindert ebenfalls die Oxidation. Die Korrosionsbeständigkeit von Magnesia wird durch Erhöhung des Reinheitsgrads des Magnesia-Klinkers verbessert, entweder durch Verwendung von elektrogeschmolzenem Magnesia oder Seewasser-Magnesia. Sie wird auch durch Optimierung der Partikelgrößenverteilung des Magnesia-Klinkers verbessert. Magnesia-Kohlenstoff-Steine, denen Zirkon (ZrSiO₄) zur Linderung thermischer Spannungen im Betrieb zugesetzt wird, wurden ebenfalls entwickelt.

Moderne hochreine Magnesia wird durch gut kontrollierte Prozesse hergestellt. Die Hauptquellen für Magnesia sind Sole, oft aus Tiefbrunnen oder aus Meerwasser. Magnesiumhydroxid, Mg(OH)₂, wird aus diesen Quellen durch Reaktion mit gebranntem Dolomit oder Kalkstein gefällt. Der resultierende Magnesiumhydroxid-Schlamm wird gefiltert, um seinen Feststoffgehalt zu erhöhen. Der Filterkuchen wird dann direkt einem Drehrohofen zugeführt, um feuerfestes Magnesia herzustellen. Heutzutage wird der Filterkuchen bei etwa 900 °C bis 1000 °C in Mehrherdöfen kalziniert, um das Magnesiumhydroxid in aktives Magnesia umzuwandeln. Dieses kalzinierte Magnesia wird dann zu Briketts oder Pellets gepresst und in Schachtofen bei Temperaturen um 2000 °C zu dichtem feuerfestem Magnesia gebrannt. Das Endprodukt ist gesintertes Magnesia. Geschmolzenes Magnesia wird durch Schmelzen von feuerfestem Magnesia oder anderen Magnesia-Vorprodukten in einem Elektrolichtbogenofen hergestellt. Die geschmolzene Masse wird dann aus dem Ofen entfernt, abgekühlt und für die Verwendung in der Feuerfestherstellung zerkleinert. Die Verunreinigungen in Magnesia werden durch die Zusammensetzung der ursprünglichen Magnesia-Quelle (Sole oder Meerwasser), die Zusammensetzung des gebrannten Dolomits oder Kalksteins und die Verarbeitungstechniken kontrolliert. Insbesondere werden die Prozente und das Verhältnis von CaO und SiO₂ effektiv kontrolliert, und B₂O₃ wird auf sehr niedrige Werte gehalten. So hergestelltes hochwertiges feuerfestes Magnesia wird für die Produktion von Magnesia-Feuerfestmaterialien verwendet.

Zonale Auskleidung des BOF

Verschiedene Faktoren sind für den Verschleiß der BOF-Auskleidung in verschiedenen Zonen des BOF verantwortlich. Daher wird zonale Auskleidung des BOF praktiziert, bei der verschiedene Typen von Magnesia-Kohlenstoff-Steinen oder andere Steine in verschiedenen Zonen des BOF eingebaut werden, um Verschleißausgleich und dadurch Verlängerung der Auskleidungslebensdauer des BOF zu erreichen. Typische zonale Auskleidung des BOF ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Typische zonale Auskleidung eines BOF

Um das Design der Verschleißauskleidung zu optimieren, ist es wesentlich, eine ausgewogene Auskleidung zu entwickeln, d. h. eine Auskleidung, in der verschiedene Feuerfestqualitäten und -dicken verschiedenen Zonen der Konverterauskleidung auf Basis einer sorgfältigen Untersuchung der Verschleißmuster zugewiesen werden. In einer ausgewogenen Auskleidung werden die Feuerfestmaterialien so zoniert, dass ein bekanntermaßen weniger beanspruchter Auskleidungsabschnitt eine niedrigere Qualität oder geringere Dicke des Feuerfestmaterials erhält, während Feuerfestmaterialien mit höherer Verschleißfestigkeit und allgemein höheren Kosten für diejenigen Ofensegmente reserviert sind, die dem schwersten Verschleiß ausgesetzt sind. Die Verschleißbedingungen und vorgeschlagenen Feuerfestmaterialien in verschiedenen Zonen des BOF für die zonale Auskleidung sind in Tabelle 1 unten angegeben.

Mit der großen Vielfalt verfügbarer Steinqualitäten gibt es eine breite Palette von Feuerfestkosten. Der teuerste Stein kann bis zu sechsmal so viel kosten wie ein konventioneller Teer/Pech-gebundener Dolomitstein. Mit der Aufwertung von Auskleidungsdesigns werden heutzutage mehr hochpreisige Feuerfestmaterialien in einer BOF-Auskleidung verwendet. Allerdings muss der Einsatz hochpreisiger Feuerfestmaterialien die gesamte Techno-Ökonomie des BOF-Betriebs rechtfertigen.

Beispielsweise, wenn die Kosten einer Auskleidung in einem BOF-Betrieb, der durchschnittlich 4000 Heats erreicht, um 25 % erhöht werden, muss die Auskleidungslebensdauer auf 5000 Heats steigen, damit die Feuerfestkosten konstant bleiben. In Betrieben, wo Ofenverfügbarkeit für Produktivität benötigt wird, kann eine geringere Erhöhung der Auskleidungslebensdauer und höhere Feuerfestkosten gerechtfertigt sein, wenn die Ofenverfügbarkeit in Zeiten hoher Produktionsanforderungen größer ist.

Auch wenn viele Betriebsbedingungen verbessert werden, Auskleidungsdesigns für ausgewogenen Verschleiß optimiert sind und die beste Steintechnologie verwendet wird, tritt Verschleiß nicht gleichmäßig auf, und im Allgemeinen werden Instandhaltungspraktiken, die das Aufspritzen von Feuerfestmaterialien und Beschichten mit Schlacke beinhalten, verwendet, um die Lebensdauer einer Auskleidung zu verlängern.