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

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teel, 1

1th

Editio

n

Quelle

: S

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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

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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