Schlüsselfaktoren für längere Auskleidungslebensdauer im Basissauerstoffkonverter

Faktoren, die die Auskleidungslebensdauer eines Basissauerstoffkonverters beeinflussen

Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Kosten der Auskleidung in einem Basissauerstoffkonverter sind entscheidend für den reibungslosen Betrieb des Stahlwerks, das den Basissauerstoffprozess nutzt. Höhere Auskleidungslebensdauer → verbesserte Konverterverfügbarkeit → höhere Produktivität.

Drei wesentliche Faktoren für höhere Auskleidungslebensdauer (Abb. 1): (i) Qualität der Feuerfestmaterialien und ihre Verlegemuster im Konverter, (ii) angewandte Betriebspraktiken, (iii) Überwachung des Auskleidungsverschleißes und Instandhaltungspraktiken. Entwicklung verbesserter Feuerfestmaterialien in Kombination mit verbesserter Prozesskontrolle und besserer Instandhaltung während der Kampagnen ermöglicht Steigerung der Auskleidungslebensdauer.

Abb. 1 Faktoren, die die Auskleidungslebensdauer des Basissauerstoffkonverters beeinflussen

Heute werden Basissauerstoffkonverter ohne Ausnahme mit Magnesia-Kohlenstoff (MgO-C) Feuerfestmaterialien ausgekleidet, wegen ihrer überlegenen Eigenschaften gegenüber anderen Auskleidungsmaterialien. Allerdings werden zonierte Auskleidungspraktiken angewendet: MgO-C-Feuerfest unterschiedlicher Qualität in verschiedenen Konverterbereichen.

Verschleißursachen

Verschleißursachen sind entweder chemischer oder physikalischer Natur.

Chemische Ursachen: gasförmige Medien (oxidierende Gase, reduzierende Gase, Wasserdampf), flüssige Medien (Schlacke, Roheisen, Flüssigstahl), feste Medien (Flussmittel, Kohlenstoffdesintegration).

Physikalische Ursachen: übermäßige Temperaturen (schlechte Wärmeabfuhr, Hotspots), statische mechanische Spannungen (Abplatzen, Ausdehnung), dynamische mechanische Spannungen (Abrasion, Impact, Vibrationen).

Wesentliche Verschleißmechanismen der Feuerfestauskleidung:

• Maximale Temperatur von Flüssigmetall und Flüssigschlacke im Konverter
• Verweildauer hochtemperierter Materialien im Konverter
• Oxidationszustand der Schmelze (Korrosionsverschleiß)
• Schlackenchemie (Korrosionsverschleiß)
• Impakt und Penetration des Sauerstoffstrahls beim Blasen
• Erosion durch Schlacke und Metall beim Blasen und Kippen
• Abrasion durch Staub- und Gasgenerierung
• Impact von Schrott und Roheisen beim Laden
• Thermisches Zyklieren
• Mechanische Beschädigung durch Reinigungsgeräte

Korrosion = chemischer Angriff. Erosion = chemischer Angriff + mechanische Abrasion. Erosion entsteht häufig durch turbulente Strömungen im Konverter oder mechanische Erosion (z. B. Schrotteinschüttung). Verstärkte Erosion tritt an den Grenzflächen Metall/Schlacke und Schlacke/Atmosphäre auf – bekannt als „Schlackenlinien-Erosion“.

Qualität der Feuerfestmaterialien

Wichtige Parameter für MgO-C-Feuerfestqualität:

• Magnesia – Hauptrohstoff: Periklase-Mineral oder gesintertes Meerwassermagnesia. Wichtig: Reinheit, gesintert/geschmolzen/Kombination, Dichte, Kristallgröße, Kornstruktur, Korngrößenverteilung.
• Kohlenstoff – Reinheit, Korngrößenverteilung (Flakesgraphit), Kornstruktur (Flakesgraphit), Anteil Kohlenstoffschwarz, Anteil Flakesgraphit.
• Bindemittel – Menge und Art Harz, Glaskohlenstoff, Menge und Art Pech (Graphitkohlenstoff), Re-Imprägnierung.
• Metallische Zusätze (Antioxidantien) – Al, Si, Al-Mg etc. Kombinationen möglich. Wichtig: Menge, Korngröße, Art.
• Ziegelphysikalische Eigenschaften – Dichte, Porosität, Warm-/Kaltfestigkeit.
• Verstärkung – mit Fasern. Art und Menge der Fasern.

Art und Größe der Ziegelpresse (Reibungs- oder Hydraulikpresse) beeinflusst Ziegeleigenschaften.

MgO-Gehalt der Magnesia: min. 99 %. Im Korn gebildete Minerale wichtig. Gesamt-SiO₂ so niedrig wie möglich (<0,3 %). Hoher Bor (B) Gehalt kritisch – zerstört Warmfestigkeit des Korns.

Korndichte meist 3,2–3,5 g/cm³. Niedrige Korndichte → hohe Porosität → anfällig für Schlackenpenetration.

Große Kristallitengröße: allgemein >140 µm. Geschmolzene MgO-Körner können >1000 µm erreichen. Große Kristallite überlegen wegen geringerer interstitieller Porosität → weniger Schlackenpenetration in Korngrenzen, geringere Anfälligkeit für MgO-Reduktion durch C im Ziegel bei Hochtemperaturbetrieb. Reduktion zerstört C und MgO → Mg-Dampf und CO-Gas.

Ziegel sind karbonitisch gebunden (Rückstand feinverteilter C nach Verkokung des Binders). Hält Ziegel zusammen. Graphit ist nicht benetzbar für Stahlerzeugungsschlacken → verhindert Schlackenpenetration und anschließende Auflösung der Magnesiakörner. Graphit hoch thermisch leitfähig → leitet Wärme von Ziegeloberfläche ab → reduziert Kinetik aggressiver Reaktionen. Chemisch reiner Kohlenstoff, aber alle enthalten Asche (Tonmineralien in Graphitvorkommen). Unreiner Graphit fügt SiO₂, Al₂O₃ hinzu → nur negative Effekte. Flakesgraphit bevorzugt (höhere Oxidationsbeständigkeit als amorpher Graphit, höhere Wärmeleitfähigkeit). Graphitgehalt typisch 5–25 %. Alles andere gleich: höherer Graphitgehalt → höhere Schlackenbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit.

Metallpulver in MgO-C-Ziegeln wirken als Sauerstofffänger (Verzögerung Graphit-/C-Bindungsoxidation). Verbessern Warmfestigkeit deutlich durch Bildung komplexer Metallkarbid-Oxid-Bindungen.

Feuerfestmaterialien in verschiedenen Konverterzonen unterliegen unterschiedlichen Bedingungen → unterschiedliche Verschleißraten. Daher unterschiedliche Qualitäten in verschiedenen Zonen für gleichmäßige Verschleißrate: ausgewogene Auskleidung (Balanced Lining) oder Zonenauskleidung (Zonal Lining). Bereiche mit geringerem Verschleiß erhalten niedrigere Qualität oder geringere Dicke; Bereiche mit höherem Verschleiß erhalten höhere Verschleißfestigkeit (meist höhere Kosten) für längere Lebensdauer dieser stark beanspruchten Zonen.

Betriebspraktiken

Gute Kontrolle der Schlackenentwicklung, Sauerstoffstrom und Lanzenpraxis, Einsatz von Bodenrühren und begrenzter Nachblas-Praxis sind Schlüsselfaktoren der Betriebspraxis, die die Auskleidungslebensdauer beeinflussen. Wissen über Wechselwirkungen zwischen Prozesschemie, Blasdynamik und Auskleidungsverschleiß ermöglicht effiziente Stahlerzeugung und lange Auskleidungslebensdauer.

Wichtigste Faktoren mit maximalem Einfluss auf Verschleißrate:

• Hohe Badtemperatur am Blasende
• Hoher FeO-Gehalt in der Schlacke

Langes Warten des Konverters auf Abstich nach Blasende hat großen negativen Einfluss. Weitere negativ wirkende Faktoren:

• Hoher Si-Gehalt im Roheisen
• Hoher Mn-Gehalt im Roheisen
• Häufige Nachblasen (Reblows)
• Schlechte Reaktivität und niedrige Qualität der Kalkzugaben
• Unzureichende Kalkzugabe, besonders in der initialen Blasphase
• Konverterschlacke ungesättigt mit MgO während verschiedener Blasphasen durch zu geringe MgO-Zugaben (Branntdolomit, Branntmagnetit)
• Niedrige Schlackenbasizität

Auch wichtig: (i) Ti-Gehalt im Roheisen und TiO₂-Gehalt in der Schlacke, (ii) Dauer der Flüssigphasenpräsenz im Konverter, (iii) hohe Eisenerzzugaben, (iv) Häufigkeit der Konvertermundreinigung.

Positiv wirkende Faktoren auf Verschleißrate:

• Häufige Schlackenspritzung (Slag Splashing)
• Häufige Schlackenbeschichtung (Slag Coating)
• Angemessene Zugabe von Branntdolomit und/oder Branntmagnesia
• Häufige Bodenpflege (Ziegelstopfen)
• Häufige Instandhaltungsmaßnahmen (Ausbrennen verschlissener Bereiche)

Eine mit Kalk gesättigte Schlacke ist nicht nur für die Stahlerzeugung wichtig, sondern verhindert auch übermäßigen Auskleidungsverschleiß. Kalk vor und während des Blasens soll eine leicht kalkübersättigte Schlacke am Blasende sicherstellen.

Schlackenentwicklungswege bei unterschiedlichen Roheisen-Si-Gehalten zeigen: ausgehend von feO-reicher Initialschlacke steigen SiO₂- und CaO-Gehalte durch zunehmende Si-Oxidation und Kalklösung. Je höher initialer Roheisen-Si, desto höher SiO₂-Gehalt früh im Blasprozess. Am Blasende müssen Schlacken leicht kalkübersättigt sein, um übermäßigen Feuerfestverschleiß zu vermeiden. Dazu notwendige Kalkzugaberate muss an Roheisen-Si und Ziel-FeO-Schlackengehalt angepasst sein.

Da der Konverter MgO-C-ausgekleidet ist, sollte die Schlacke sowohl CaO- als auch MgO-gesättigt sein, um Verschleiß zu minimieren. MgO-Löslichkeit in der Schlacke hängt von Basizität, Temperatur, FeO-Gehalt ab. MgO-Löslichkeit hoch bei niedriger Basizität, niedrigem FeO, hoher Temperatur. Steigt mit zunehmendem SiO₂. Schlacken mit niedriger Basizität (niedriges FeO) haben höchste MgO-Löslichkeit → MgO-Auskleidung wird am stärksten früh im Blasprozess angegriffen, wenn Basizität noch niedrig ist. MgO-Löslichkeit sinkt mit steigender Basizität und FeO.

Über der Sättigungslinie kann nicht alles MgO flüssig bleiben → bei MgO-gesättigter Schlacke führt weitere Basizitätserhöhung zu MgO-Ausfall und Viskositätserhöhung → Aufbauten an Konverterboden und -wänden. Diese Aufbauten verlängern Auskleidungslebensdauer.

Die Schlackenanalyse während des gesamten Blasens beeinflusst die Auskleidungslebensdauer. Im Grenzsystem FeO-SiO₂ existiert Fayalith (2FeO·SiO₂) mit sehr niedrigem Schmelzpunkt (1205 °C). Je höher Roheisen-Si, desto länger die Verweildauer im Fayalith-haltigen Schlackenbereich. Dieser Bereich zusammen mit hoher MgO-Löslichkeit bei niedrigen Basizitäten in dieser Blasphase wirkt sehr ungünstig auf Auskleidungslebensdauer. Daher ist es sehr wichtig, dass der zugegebene Kalk schnell löst, um die Schlackenbasizität so früh wie möglich zu erhöhen.

Verwendung von weichgebranntem Kalk und ausreichend großer Lanzenhöhe zum Metallbad zu Blasbeginn (förder Fe-Oxidation → Kalklösung) sind günstig. Auch zur frühen Kalklösung: Kalkzugabe sollte innerhalb von 3–4 Minuten nach Blasbeginn abgeschlossen sein.

Kalk ist nicht reines CaO. Enthält Verunreinigungen (SiO₂, Al₂O₃), die in Zugabeberechnungen kompensiert werden müssen. Metallurgische Effizienz wird durch Korngröße und Reaktivität (Brenngrad) beeinflusst. Normale Korngröße 8–40 mm (manche bevorzugen 10–50 mm), Partikel <6 mm werden mit Abgas aus Konverter ausgetragen (bis 30 %). Dann kann Schlacke untergesättigt sein → zusätzlicher Auskleidungsverschleiß.

Kalk mit breitem Korngrößenspektrum trennt sich beim Bunkerladen: grobes Material außen am Kegel, feines im Inneren. Daher variable Kalkqualität beim Bunkerentnehmen → negative Folgen für Stahlchemie, Temperaturkontrolle, Auskleidungslebensdauer.

Nachblasen zur Endanpassung von Temperatur oder Analyse oft nötig, aber auf Kosten erhöhter Fe-Oxidation → höherer Feuerfestverschleiß. Beispiel: Nachblasen <1 Min erhöht Temperatur um 20 °C, aber FeO in Schlacke um 5 %. Theoretisch Kalkzugabe während Nachblasen, um auf Sättigungslinie zu bleiben (wegen FeO-Anstieg), in der Praxis oft unterlassen, besonders wenn Temperaturerhöhung Ziel ist (Fe-Oxidationswärme wird weitgehend durch Wärmeanforderung zur Kalklösung kompensiert). Obwohl untergesättigte Schlacken mit hohem FeO und Temperatur metallurgisch akzeptabel, extrem schädlich für Auskleidung – Schaden umso größer, je länger Flüssigstahl zwischen Blasende und Abstich im Konverter verbleibt.

Ein weiterer wichtiger Faktor für Konsistenz, Steuerbarkeit des Blasverhaltens und geringe Ergebnisvariation nach Blasende ist ausreichende Badbewegung während des Blasens. Während Hauptentkohlung gute Badbewegung durch CO-Bildung. Mit C-Abnahme unter 0,30 % → reduzierte CO-Bildung → Badbewegung nimmt stark ab. In dieser Phase muss Badbewegung durch Absenken der Sauerstofflanze aufrechterhalten werden. Rühreffekt durch Lanze zwar geringer als durch CO-Bildung, sichert aber Rühren bis Blasende. Ein Grund für Einführung von Bodenrühren mit Inertgasen. Obwohl Gasmenge durch Konverterboden (typisch 0,01–0,05 Nm³/t·min) klein gegenüber Obenblas-Sauerstoff, hat Rühreffekt multiple Vorteile: Schlacke und Bad in größerem Gleichgewicht, niedrigere und kontrollierbarere FeO-Gehalte in Abschlagschlacken → vorteilhaft für Auskleidungslebensdauer.

Eisenerzbrocken als Kühlmittel beeinflussen auch Auskleidungslebensdauer durch FeO-Erhöhung. Übermäßige Erzmenge vermeiden → zusätzlicher Sauerstoff führt zu unkontrollierbarem Blasverhalten. Erzzugabe vorzugsweise während Hauptentkohlung, sonst ungenügend C zur Reduktion des geschmolzenen Erzes. Wenn Erz immer auf gleiche Konverterseite über Beschickungsschacht gegeben wird, verursacht lokal gebildete FeO-reiche Schlacke im Gichtbereich lokalen Auskleidungsverschleiß. Daher Erzzugabeseite variieren.

Überwachung des Auskleidungsverschleißes und Instandhaltung der Auskleidung

Überwachung mittels Lasertechnologie (Messung der Auskleidungsdicke mit Laserstrahl). Spezielle Lasermessgeräte verfügbar. Empfehlung: tägliche Messung zur Kenntnis des Auskleidungsprofils während des Betriebs. Bei Erreichen einer bestimmten Dicke: Beginn von Instandhaltungsmaßnahmen.

Mehrere Instandhaltungspraktiken zur Lebensdauerverlängerung:

• Schlackenbeschichtung (Slag Coating) – Schwenken des Konverters zur Bildung einer Arbeitsauskleidung aus Schlacke. Erfordert erhebliche Aufmerksamkeit. Erfolgsfaktoren: (i) richtige Schlacke wählen, (ii) Schlackenkonditionierung nach richtigen Zugaben, (iii) korrektes Schwenken, (iv) Schlacke bei Bedarf entsorgen, (v) Beschichten zum optimalen Zeitpunkt. Gut planen und ausführen. Schlüssel: Einhaltung etablierter Regeln. Dauer: 1–2 Min.
• Schlackenspritzen (Slag Splashing) – relativ neue Entwicklung, maßgebliche Verbesserung der Auskleidungslebensdauer. Nutzt Restschlacke aus Stahlerzeugung, konditioniert und gekühlt für erhöhte Feuerfestigkeit → Beschichtung auf Feuerstoffoberfläche als Verschleißauskleidung für nachfolgenden Blasvorgang. Flüssig-viskose Schlacke wird mit hochdruck-Stickstoff in oberen Konverterteil (Konus) gespritzt, wo sie an Arbeitsauskleidung haftet. Benötigt wenige Minuten nach Abstich vor nächstem Heat. Entwickelt zur Erosionsbekämpfung und Erzeugung einer Freeze-Lining. Aufgespritzte Schlacke wirkt als Arbeitsauskleidung in nachfolgenden Heats. Leistungsstarkes Werkzeug zur Lebensdauerverlängerung. Nutzt Sauerstofflanze zum Blasen von Stickstoff auf Restschlacke. Zwei Verfahren: (i) Konverter leer (Stahl und gesamte Schlacke abgestochen), (ii) mit Flüssigstahlbad und Schlacke im Konverter (zweite Methode hauptsächlich für Gichtbereich und oberen Konverterteil). Blasverfahren unterschiedlich. Dauer 2–3 Min., Konverter vertikal. N₂-Strom gesteuert nach Lanzenhöhe, meist automatisiert.
• Ausbrennen (Gunning) – Erreicht verlängerte Lebensdauer. MgO-basiertes Ausbrennmaterial (meist monolithisch) auf stark verschlissene Bereiche: Gichtbereich, Schrotteinschlagzone, Schlackenlinie. Meist nur selektiv nach Stahl- und Schlackenabstich. Spritzpistole für feindliche Prozessumgebung. Ausbrennmaterialien meist wasserbasiert. Viel Forschung, Qualität kontinuierlich verbessert. Kostenfaktor: Ausbrennmenge muss mit spezifischen Feuerfestkosten während Stahlerzeugung abgewogen werden.
• Ziegelstopfen (Brick Patching) – Normalerweise für Aufbau des erodierten Bodens. Nach Stahl- und Schlackenabstich wird etwas Schlacke im Konverter belassen. Grobe oder gebrochene gebrauchte Konverterfeuerfestziegel werden in die flüssige Schlacke gegeben. 30–60 Min. Extrazeit für Erstarren der Schlacke. Gebrauchte Feuerfeststeine müssen grob sein, um flüssige Schlacke zu bewaffnen.