Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHT 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.
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~68 20 ~ 'R-EISEOAUER .. .... -
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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
