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Feuerfeste Anwendungen in der Roheisenerzeugung
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Dr. Christian Dannert, Forschungsgemeinschaft Feuerfest e.V.
FEUERFEST - Schlsseltechnologie und ihre Anwendungen
ECREF-Seminar, Hhr-Grenzhausen, 12.09.2012
Feuerfeste Anwendungen in der
Roheisenerzeugung
7 12.09.2012 C. Dannert
1.1 Welterzeugung (Mio. t/Jahr)
Quelle
: W
irts
chaftsvere
inig
ung S
tahl
1970 2011
8 12.09.2012 C. Dannert
1.1 Welterzeugung (Mio. t/Jahr)
Quelle
: W
irts
chaftsvere
inig
ung S
tahl
1970 2010
10 12.09.2012 C. Dannert
1.2 Feuerfestverbrauch (in Europa)
Aggregat Mittlerer spezifischer
Feuerfestverbrauch kg/t Roheisen
Hochofen (inklusive Stichlochmassen
und Abstichrinnen)
1,5
Winderhitzer 0,3
Mischer 0,5
Transportgefe 0,6
Summe ca. 3,0
Quelle
: P
RE
15 12.09.2012 C. Dannert
2.1 Die Hochofenroute zur Stahlerzeugung
Eisenerz
Kohle
Kokerei
Koks
Kalkstein
Stahlschrott
Konverter
Sekundrmetallurgie
Stranggieen
Flach-
produkte
Lang-
produkte
Hochofen mit Winderhitzern
Roheisen
Stahl
Der Hochofen reduziert
Eisenerz zu Roheisen
16 12.09.2012 C. Dannert
2.2 Einsatzstoffe im Hochofen
Eisenerz
4,7 % der Erdhlle
Eisenerze:
Fe2O3 (Hmatit Roteisenstein) Fe3O4 (Magnetit) FeOOH (Goethit, unbedeutend)
Eisengehalt 6070 %
Si-Gehalt 1,52,5 %
Abbau 2009: 2.300 Mio. t
Vorkommen: China, Brasilien, Australien, Indien
Lieferanten: Oligopol (Vale, Rio Tinto, BHP Billington) liefert 70 % des Eisenerzes
17 12.09.2012 C. Dannert
2.2 Einsatzstoffe im Hochofen
Koks
Erzeugung in Kokereien
Erhitzung von Steinkohle unter Luftabschluss bei > 1000 C
Fast reiner Kohlenstoff
Festigkeit
Stckgre (HK4: 20-100 mm)
Brennwert (23-31 MJ/kg)
18 12.09.2012 C. Dannert
2.3 Aufbau des Hochofens
Quelle
: T
hys
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rupp S
teel E
uro
pe
Ob
ero
fen
Unterofen
Quelle
: IE
HK
der
RW
TH
Aachen
22 12.09.2012 C. Dannert
2.4 Reaktionen im Hochofen
Hochofen als Gegenstromreaktor
C + O2 CO
2
C + CO2 2 CO
Fe2O
3 + 3 CO
2 Fe + 3 CO2
Fe3O4 + 4 C
3 Fe + 4 CO
Boudouard-Gleichgewicht
C + CO2 2 CO
200 C
400 C
900 C
1200 C
1600 C
2000 C
1400 C Roheisen (wt-%): Fe: 93 %
C: 4,5 %
Betriebsdruck:
2-4 bar
24 12.09.2012 C. Dannert
2.4 Energie- und Stoffbilanz
Materialeintrag Erz 1,6 t
Energieeintrag Koks 16,2 GJ
Materialaustrag CO2 1,7 t
Gichtgas
45-60 % N2 28-33 % CO
6-25 % CO2 2-4 % H2 Hi = 3,4-4,2 MJ/m
3
pro t Roheisen
25 12.09.2012 C. Dannert
2.4 Entwicklung der CO2-Emissionen
26 12.09.2012 C. Dannert
2.4 Entwicklung des Reduktionsmittelverbrauchs
27 12.09.2012 C. Dannert
2.5 Hochofenlebensdauer
Dauer Ofenreise: 10-1520 Jahre
Roheisenerzeugung whrend einer Ofenreise: > 40 Mio. t
Haltbarkeit des Gestells bestimmt die Hochofenlebensdauer
Ziel: Gleichmiger und langsamer Verschlei der feuerfesten Zustellung
Ob
ero
fen
Unterofen
28 12.09.2012 C. Dannert
3.1 Beanspruchung der feuerfesten Zustellung
Schacht
stack
Kohlensack
bosh
Rast
Gestell
Quelle
: M
akin
g, S
hapin
g a
nd T
treating o
f S
teel, 1
1th
Editio
n
Blasformebene
30 12.09.2012 C. Dannert
3.2 Feuerfestmaterialien: Oberofen
Oberer Schachtbereich
Unterer Schachtbereich und Kohlensack
Beanspruchung Abrieb durch festen Besatz,
Temperaturwechsel (kalte/nasse Einsatzstoffe)
Feuerfest-
materialien
SiSiC, Korund, Andalusit, Schamotte
Reparatur Giemassen oder Spritzmassen
Beanspruchung Abrieb, Temperaturwechsel, Temperatur, Korrosion,
Gas jets
Feuerfest-
materialien
N-SiC, Korund/Schmelzkorund, C, C/SiC
Besonderheiten Khlung!! (Khlksten, Plattenkhler)
Bildung (und Verlust) fester anhaftender Schichten Verminderung von Korrosionsreaktionen
32 12.09.2012 C. Dannert
3.2 Feuerfestmaterialien: Oberofen
Khlung im Schacht, Kohlensack, Rast
Plattenkhler Khlksten
Quelle
: D
anie
liCoru
s
Quelle
: M
akin
g, S
hapin
g a
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f S
teel, 1
1th
Editio
n
Quelle
: S
tahle
rzeugung K
om
pakt
37 12.09.2012 C. Dannert
3.2 Feuerfestmaterialien: Oberofen
Rast
Blasformebene
Beanspruchung Abrieb (fest, flssig, gasfrmig), Korrosion (Alkalien,
flssiges Eisen, Schlacke), Temperatur
Feuerfest-
materialien
C (Kohlenstoff, Graphit), SiC, SiAlON
Besonderheiten Khlung!!
Beanspruchung Temperatur, Oxidation, Korrosion
Feuerfest-
materialien
C, SiC, SiAlON
38 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Feuerfestmaterialien: Unterofen
Hochofengestell
Beanspruchung Korrosion durch flssiges Roheisen,
Strmung im Gestell beim Abstich,
Temperatur
Feuerfeste
Zustellkonzepte
Feuerfestmaterialien mit hoher Wrmeleitfhigkeit und intensiver Khlung (C-Steine), Bildung einer
erstarrten Schutzschicht auf der heien Seite
Zustzliche keramische Tasse zur Erhhung der Gestellhaltbarkeit
Probleme Auflsungsisotherme bei 1150 C Morsche Zone Oxidation (O2 (> 400 C), CO2, H2O (> 700 C))
42 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Feuerfestmaterialien: Unterofen
Hochofen B,
SZFG
44 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Feuerfestmaterialien: Unterofen
Sparrows Point L,
Severstal
45 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Feuerfestmaterialien: Unterofen
Problem: Auflsungsisotherme bei 1150 C
Oberhalb 1150 C werden C-Steine von (Roh-)Eisen aufgelst
Quelle
: W
ikip
edia
Bereich der
Schmelze
48 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Feuerfestmaterialien: Unterofen
Problem: Auflsungsisotherme bei 1150 C
Korrosionsmechanismus:
1. Roheisen infiltriert die porsen C-Steine (Bild a)
2. Auflsung der Graphitkrnung, Erosion durch Strmung
3. Erstarrung des Roheisen bei
50 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Feuerfestmaterialien: Unterofen
Problem: Auflsungsisotherme
bei 1150 C
Lsung:
Aufbau einer erstarrten Schutzschicht vor den C-Steinen
Dazu C-Steine mit hoher Wrmeleitfhigkeit und intensive
Gestellkhlung
Problem: Hohe Wrmeabfuhr
Typisches Verschleiprofil
2: Erstarrte Schutzschicht
3: Infiltrierter Bereich der C-Steine
51 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Feuerfestmaterialien: Unterofen
Problem: Auflsungsisotherme bei 1150 C
Lsung:
Verbesserte Gestellkhlung
Boden: Wasser statt Luftkhlung Seitenwand: Umstellung von Spritzkhlung auf Kreislaufkhlung
Verwendung von C-Steinen mit hoher Wrmeleitfhigkeit und
geringer Porositt
Ziel: Auflsungsisotherme zur heien Seite hin verschieben
Hochofen A, SZFG
Carbural A/I
Porositt: 2 %
C: 70 %
SiC+SiO2: 13 %
Al2O3: 9 %
56 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Feuerfestmaterialien: Unterofen
Problem: Morsche Zone (800 C-Isotherme)
1. Zn und K dringen gasfrmig in die Poren der C-Steine ein
2. Zn und K werden oxidiert und kondensieren bei etwa 800 C: Zn (g) + CO2 (g) Zn2O (s, l) + CO (g) 2 K (g) + CO2 (g) K2O (s, l) + CO (g)
3. Reaktion der Zink- und Alkalioxide mit Al und Si aus den Aschen der
C-Steine, Bildung von flssigen Phasen (KAS2, KAS4 Leucit,
ZnAl2O4, ZnSiO3)
4. Durch hohe Schmelzphasenanteile
in den Poren der C-Steine
zerfllt die Mikrostruktur
Folge: Schlechte Wrmeleitfhigkeit, Verschiebung der 1150 C-Isotherme
Lsung: Keramische Tasse (800 C-Isotherme in keramischem Material statt im C-Stein)
57 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Feuerfestmaterialien: Unterofen
Problem: Morsche Zone (800 C-Isotherme)
Typisches Verschleiprofil
4: Zerfallene (brittle oder powder) morsche Schicht
60 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Feuerfestmaterialien: Unterofen
Keramische Tasse
Verminderung der Wrmeabfuhr Verminderung des Verschleies Keine morsche Zone Teuer
Anforderungen an das Feuerfestmaterial
Bestndigkeit gegen Zink, Kalium/Alkalien, Roheisen, Schlacke Bestndig unter reduzierender Atmosphre Gute TWB, geringe thermische Ausdehnung Geringe Porositt Heifestigkeit
Aufbau
Seitenwand: SiAlON-gebundener Schmelzkorund, Mullit Boden: Sintermullit, Schamotte (Verschleisteuerung)
61 12.09.2012 C. Dannert
3.3 Keramische Tasse
ArcelorMittal Galati BF5 Quelle
: M
akin
g, S
hapin
g a
nd T
treating o
f S
teel, 1
1th
Editio
n
62 12.09.2012 C. Dannert
3.4 Verschleiprofile Unterofen
Hochofen A, SZFG Sparrows Point L, Severstal
Beide Hochfen ohne
keramische Tasse
63 12.09.2012 C. Dannert
3.5 Materialbedarf Hochofenzustellung
Neuzustellung Hochofen 9 der TKSE in Duisburg-Hamborn in 2012
Ofenleistung: 1,7 Mio. t Roheisen/Jahr
Kosten der feuerfesten Zustellung: 37 Mio.
Zustelldauer: Ca. 180 Tage
Schacht 500 t Schamotte, hochtonerdehaltige Spritzmassen
Blasformebene 200 t Hochtonerdehaltige geformte Bauteile
Gestell 200 t Graphitsteine
300 t Kohlenstoffsteine
400 t Mikroporse Kohlenstoffsteine
600 t SiAlON-gebundene Korundsteine fr die keramische
Tasse
Allgemein 200 t Mrtel und Massen
Summe 2.400 t
64 12.09.2012 C. Dannert
4. Stichlochmassen
Hochofenabstich
14 Stichlcher
48 t RE/min
14401520 C
Skinningrove, Yorkshire, England (50er Jahre)
65 12.09.2012 C. Dannert
4. Stichlochmassen
Stichlochkonstruktion
Aufgaben der Stichlochmassen:
Kontrolliertes Abstechen
Sicheres Verschlieen
Lange Stichlochlnge
Schutz Gestellinnenwand (Strmung, Verschlei)
Quelle
: M
akin
g, S
hapin
g a
nd T
treating o
f S
teel, 1
1th
Editio
n
auen innen
66 12.09.2012 C. Dannert
4. Stichlochmassen
Stichloch ffnen Stichloch verschlieen
Stichlochbohrer Stopfmaschine
BF2, TKSE (Quelle: AISTech 2007) ROGESA
73 12.09.2012 C. Dannert
4. Stichlochmassen
Anforderungen an die Stichlochmassen
Fliefhig in der Stopfmaschine (Plastizitt) Schnelles Abbinden im Stichloch aber nicht in der Stopfmaschine Bestndig gegen Roheisen und Schlacke Umweltfreundlich (Rauch, Geruch, Emissionen) Leichtes Aufbohren mit dem Stichlochbohrer Lange Stichlochlnge ohne Stichlochaufweitung whrend des Abstichs
Verwendete Feuerfestmaterialien fr Stichlochmassen
Bindung: Teer/Pech (Emissionen!) oder Kunstharz Klassisch: SiO2+C SiO2+SiC+C (Erosionsbestndig) Al2O3-SiO2+SiC+Si3N4 (Erosionsbestndig, hohe Festigkeit) Verbrauch: 0,50,8 kg/t Roheisen
74 12.09.2012 C. Dannert
5. Rinnenmassen
Aufgaben Rinnensysteme
Flieenergie des Roheisen- und Schlackestrahls abbauen
Roheisen und Schlacke voneinander trennen
Ableiten von Roheisen und Schlacke in Transportpfannen
oder zur Verarbeitung
Giehalle Hochofen B, HKM
Quelle
: M
annesm
ann D
em
ag
Modern
e H
ochofe
nte
chnik
75 12.09.2012 C. Dannert
5. Rinnenmassen
Hauptrinne
Fuchs
Schlackenrinne
Roheisenrinne
Kipprinne
Quelle
: M
annesm
ann D
em
ag
Modern
e H
ochofe
nte
chnik
80 12.09.2012 C. Dannert
5. Rinnenmassen
Ohne Khlung Im Stahltrog mit konvektiver Luftkhlung
Hngend im Stahltrog mit
erzwungener Luftkhlung
Wasserkhlung
Quelle
: R
. B
rennem
an
Bla
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ace C
asth
ouse R
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acto
ries D
esig
ns
Rinnen-
ausfhrungen
82 12.09.2012 C. Dannert
5. Rinnenmassen
Anforderungen an die Rinnenmassen
Erosions- und oxidationsbestndig (auftreffender Roheisenstrahl, Turbulenz)
TWB (besonders oberhalb des Badspiegels) Bestndig gegen Roheisen und Schlacke bei
83 12.09.2012 C. Dannert
Landschaftspark Duisburg-Nord
Landschaftspark Duisburg-Nord, Emscherstrae 71, 47137 Duisburg
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