FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 3101 / Fachgruppe Hilttenwesen/Werkstoffkunde Herausgegeben vom Minister fur Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. rer. nat. Winfried Dahl Prof. Dr. -Ing. Heinrich-Wilhelm Gudenau Dr. -Ing. Tilman Richard Kupper Institut fur Eisenhilttenkunde der Rhein. -Westf, Techn. Hochschule Aachen Verhalten von Kohlenstoffsteinen im Hochofen Westdeutscher Verlag 1982 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Dahl Winfried: t Verhalten von KOhlenstoffsteinen im Hochofen Winrried Dahl ; Heinrich Wilhelm Gudenau filman Richard KUpper. - Opleden : West deut scher Verlag, 1982. (Yorschungsberichte des Landes Nordrhein Westralen ; Nr. )101 : Fachgruppe HUtten wesen, WerkstofCkunde) ~E: Gudenau, Heinrich Wilhelm:; KUpper, filman Richard:; Nordrhein-Westfalen: For schungsberichte des Landes t •• () 1982 by Westdeutscher Verlag GmbH. Opladen Herstellung: Westdeutscher Verlag ISBN 978-3-531-03101-9 ISBN 978-3-322-87700-0 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-87700-0 Die Verfasser dieser Arbeit dank en dem Minister fur Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen fur die Bereitstellung der finanziellen Mittel zur Durchfuhrung der Untersuchungen. Der Thyssen AG und der Mannesmann Hutten werke AG sowie verschiedenen Feuerfest Firmen sei fur ihre groBzugige Unterstut zung bei der Anfertigung von Analysen und fur die Zurverfugungstellung von Proben materialien gedankt. - v - INBALT 1. Einleitung 2. Feuerfeste Zustellung von Hoch6fen 3 2.1 Entwicklung der ff.-Zustellung von Hoch6fen 3 2.1.1 Allgemeine Entwicklung 3 2.1.2 Zustellungsweise bei modernen Hoch6fen 4 2.2 VerschleiB der ff.-Steine 12 2.2.1 Verhaltnisse im Innern eines Hochofens 12 2.2.2 Auswertung von Verschlei£profilen 15 2.3 Vordiskussion 20 3. Steinqualitaten fUr Laborversuche 23 3.1 EinfUhrung 23 3.2 Verwendete Steinqualitaten 23 4. Verhalten des ff.-Material gegenUber 30 mechanischer Beanspruchung 4.1 EinfUhrung 30 4.2 Gasstromung im Wandbereich und Staub partikel im Gas 31 4.3 Steinerosion durch Staubpartikel 1m Gas 37 4.3.1 Versuchsaufbau und DurchfUhrung 37 4.3.2 Versuchsergebnisse 40 4.4 Vordiskussion 45 - VI - 5. Verhalten des ff.-Materials gegenuber chemischer Beanspruchung 47 5.1 Einfuhrung 47 5.2 Kenntnisstand der chemischen Be 48 anspruchung 5.2.1 VerschleiBursachen des feuerfesten Materials 48 5.2.2 Prufverfahren zur Bestimmung des VerschleiBverhaltens 52 5.3 Versuche zur chemischen Beanspruchung 55 5.3.1 Oxidationsversuche im Rasterelektronen mikroskop mit Kohlenstoffsteinen 55 5.3.2 Versuche im Erhitzungsmikroskop 58 5.3.2.1 Schmelzverhalten der Versuchsschlacken 58 5.3.2.2 Benetzungsverhalten der Steine gegenuber den Versuchsschlacken 59 5.3.3 Versuche in Anlehnung an das Tiegelverfahren 64 5.3.4 Stabeintauchversuche 66 5.3.4.1 Versuchsaufbau und Durchfuhrung 66 5.3.4.2 Versuchsergebnisse 68 5.3.5 Dynamische GroBtiegel-Verschlackungs versuche 74 5.3.5.1 Versuchsaufbau und Durchfuhrung 74 5.3.5.2 Versuchsergebnisse 78 5.4 Vordiskussion 85 6. Steinproben aus einem ausgeblasenen Hochofen 97 6.1 Ausgangsdaten des ff.-Materials 97 6.1.1 Konstruktionsdaten, Art der Zustellung, Eigenschaften der verwendeten Steine 97 - VII - 6.1.2 Probenentnahme und Vorbereitung 97 6.2 Ergebnisse der chemischen Analyse 100 6.3 Mineralogische Untersuchung 102 6.3.1 Pulverdiffraktion 102 6.3.2 Mikroskopische Untersuchung 104 6.4 Vordiskussion 111 7. Gesamtdiskussion 114 8. Zusammenfassung 119 9. Literaturverzeichnis 121 10. Anhang 133 - 1 - 1. Einleitung Die feuerfeste Ausmauerung ist von den leistungssteigern den MaBnahmen der Ietzten Jahre in besonderem Umfang be troffen, da sie in direktern Kontakt mit dem Reduktions und SchmeIzprozeB steht, der ja durch die einzeinen MaB nahmen intensiviert wurde. Hierzu sind vor allen Dingen die Sauerstoffanreicherung des Windes, das EindUsen von ~l und die EinfUhrung des Gegendruckes zu nennen. Auf der anderen Seite stiegen dadurch die Belastungen, denen das Aggregat standhalten muB, und es traten einige bis dahin unbekannte Schaden an einzeinen Komponenten der Gesarntaniage auf. Die Folge davon ist ein wesentlich be schleunigter VerschleiB insbesondere im Bereich des un teren Schachtes, des Kohiensackes und der Rast. Das wird aus der stark verkUrzten Reisezeit der Hochofen in den letzten Jahren ersichtlich. FUr den Zeitraurn der Ietzten 50 Jahre ist in Bild 1 die Leistung und Reisedauer ver schiedener Hochofen aufgetragen. ~ I Y . ~ LElSTlJt.G . 10 I~ - V ~68 20 ~ 'R-EISEOAUER .. .... - a: ~. ~4 22 1930 1950 1970 Bild 1: Hochofenreisedauer und Gestelleistung in den letzten 50 Jahren - 2 - Der gegensatzliche Verlauf von Leistung und Haltbarkeit tritt deutlich hervor. Daneben ist noch ersichtlich, daB auch auBere EinfluBgroBen wie z.B. in den Jahren 1940 - 1950 die Reisedauer beeinflussen konnen. In neuerer Zeit betragt die Zeit bis zu einer Neuzustel lung von Hochofen durchschnittlich flinf Jahre und in die ser Zeit mlissen nicht nur die Kosten einer Neuzustellung erwirtschaftet werden, sondern es mlissen stets auch Reser veeinheiten bereitgehalten werden, die den Produktions ausfall von bis zu 10.000 t RE pro Tag deck en konnen. Aufgrund des sen sind die Kosten flir die neue Ausmauerung von untergeordneter Bedeutung gegenliber denen, die durch den Produktionsausfall entstehen. Diese Kosten lassen sich jedoch allein durch eine verlangerte Haltbarkeit der feuerfesten Ausmauerung senken, und es muB daher das Ziel von Untersuchungen sein, die Ursachen des VerschleiBes zu ermitteln und nach Moglichkeiten zu suchen, diese aus zuschalten und damit den VerschleiB zu verlangsamen. - 3 - 2. Feuerfeste Zustellung von Hochofen 2.1 Entwicklung der Feuerfest-Zustellung von Hochofen 2.1.1 Allgemeine Entwicklung Die Zustellung von Hochofen mit feuerfesten Baustoffen kam erst spat in Gebrauch. UrsprUnglich dienten die Steine als Konstruktions- und Begrenzungsmaterial des Reaktionsraumes und waren gleichzeitig infolge der groBen Mauerwerksdicke eine statisch sichere Grundlage ftir die Begichtungseinrich tung. Eine Ktihlmoglichkeit war nicht vorgesehen, und ent sprechend schnell verschliB das Material und machte einen vollkommen neuen Aufbau des Ofe ns erforderlich. Im vorigen Jahrhundert ftihrte die Entwicklung dann aber tiber von Hand hergestellte Ziegelsteine und feuerfeste Tone hin zu trocken gepreBten Schamottesteinen. Der geringe Wasserge halt dieser Steine vermied weitgehend eine Spaltung beim Brennvorgang und ermoglichte auch engere Toleranzen. Doch be saBen diese Steine eine hohe Porositat von 20-25%, zeigten ein Nachschrumpfen im Einsatz und begtinstigten den VerschleiB. Weitergehende Entwieklungen in den dreiBiger Jahren in England und den USA zielten darauf hin, diese Naehteile zu beseitigen; eine weitere Verringerung der Porositat erhohte die Verschlackungsbestandigkeit und verhinderte das Eindrin gen von Gasen. Ein Beispiel daftir sind die 1939 auf den Markt gekommenen "high-duty" und "super-duty"-Sehamottequalitaten. Die weitere Entwieklung war gekennzeiehnet dureh verbesserte und genau eingehaltene Herstellungsbedingungen, da die im einzelnen ablaufenden Vorgange detailliert untersueht wurden. Es wurde dadureh aueh moglieh, versehiedene Steinqualitaten zu entwiekeln, die in ihren Eigensehaften den Anforderungen des betriebliehen Einsatzes eher entspraehen: dureh eine ge eignete Rohstoffauswahl und Aufbereitung lieBen sieh stark qualitatsmindernde Gehalte an Fe203 und K20 enorm absenken, wie Tabelle 1 verdeutlieht. - 4 - 1934 1954 1961 1978 ~ Bereich Schamotte Schamotte Schamotte ~ S102 58,8 % 56 % 52,3 % 8,25 % A1203 35 % 36,4 % 40,0 % 88,4 % Schacht Fe203 2,8 % 1,5 % 1,6 % 0,1 % K20 1,2 % 1,0 % 0,73 % 0,11 % Sillimanit Chrom-Korund Si02 32,9 % 0,3 % A1203 64,7 % 91,0 % Kohlensack Fe203 e n t f a 1 1 t 0,96 % 0,1 % - ~r203 8,0 % K20 0,3 % 0,3 % Schamotte Schamotte Kohienstoff Chrom-Korund - S'02 73,S % 55 % 0,45 % A1203 22,1 % 37,1 % - 85,0 % Rast Fe203 2,0 % 1,5 % - 0,1 % K20 1,1 % 0,9 % - 0,3 % cr203 - - - 14,0 % Tabelle 1: Entwicklung der chemischen Zusammensetzung ein zelner Steinqualitaten in der vergangenheit1-4) Gleichzeitig wurde die Moglichkeit geschaffen, speziell fur den jeweiligen Of en geeignete Steinqualitaten zu entwickeln. Aus dieser Palette ist eine Auswahl der fur die jeweiligen Bedingungen guten Qualitaten moglich. So muB z.B. nicht, wie in der Tabelle angegeben Chrom-Korund, sondern es konnen auch Kohlenstoff- oder Siliziumkarbid-Steine in der Rast mit Er folg eingesetzt werden. 2.1.2 Zustellungsweise bei modernen Hochofen Die in den letzten Jahren stark vergroBerten Hochofen hatten einen intensiven VerschleiB des feuerfesten Materials zur Fol ge - Temperaturbelastung und Abrieb stiegen stark an. Diesen