Optimalisatie van refraktaire voering voor maximale beschikbaarheid in basische zuurstofovens

De functie van een refraktaire voering in een basische zuurstofoven (BOF) is om maximale ovenbeschikbaarheid te garanderen tijdens de omzetteroperatie, zodat productie-eisen worden gehaald en de specifieke refraktairverbruik zo laag mogelijk blijft. Hiervoor zijn drie pijlers essentieel: (1) optimalisatie van het voeringsontwerp, (2) optimalisatie van onderhoudspraktijken, en (3) goede technologische discipline tijdens de omzetteroperatie. Afbeelding 1 toont een typische dwarsdoorsnede.

Voeringsontwerp

Slijtage van de BOF-voering wordt veroorzaakt door individuele of gecombineerde effecten van diverse agenten:

1. Hitteduur (verblijftijd slak en metaal in de omzetter)
2. Corrosie door chemische aanval van de slak (chemische samenstelling)
3. Temperatuur van vloeibaar staal en slak
4. Corrosie door oxidatietoestand van de smelt
5. Erosie door slak en metaal tijdens zuurstofblazen en kantelen
6. Impact en abrasie van stof en gassen
7. Impact van schroot en metaal bij laden
8. Impact en penetratie van zuurstofstraal
9. Thermische cycli tijdens de hitte
10. Mechanische schade bij deskuilling

De omzetteroperatie en voeringsconfiguratie hebben grote invloed op de levensduur. De aftaptemperatuur varieert significant met de benodigde overhitting voor gietkwaliteit en beschikbare secundaire staalmakingfaciliteiten. De oxidatietoestand is cruciaal voor voeringslijtage en wordt verergerd door hoge temperatuur. Slakchemie is op meerdere manieren belangrijk. Mag-C (magnesia-koolstof) stenen zijn basische refraktaria die een basische slak vereisen. Basische slakken proberen MgO uit de steen op te lossen tot verzadiging (typisch ~8% MgO, afhankelijk van temperatuur en oxidatietoestand). Zonder MgO-toevoeging (meestal gekalcinede dolomiet) lost de slak de voering preferentieel op, wat slijtage verhoogt. Slakchemie hangt samen met oxidatietoestand en temperatuur: basiciteit en MgO-gehalte worden gedilueerd door hoge FeO-niveaus, temperatuur verhoogt reactiesnelheden. Erosie en abrasie hangen sterk af van staalmakingpraktijken.

Theoretisch zou de voering zo ontworpen moeten zijn (refraktairtype en diktes per zone) dat alle zones gelijktijdig de stopdikte bereiken aan het einde van de campagne. In de praktijk slijten zones ongelijk. Een gebalanceerd voeringsontwerp streeft naar maximale levensduur bij optimale kosten. Bij zonale voering worden verschillende kwaliteiten en diktes toegepast per zone na analyse van het slijtagepatroon. Zones met minder slijtage krijgen lagere kwaliteit/dunne voering; zones met hoge slijtage krijgen hogere weerstand (vaak duurdere) refraktaria. Afbeelding 2 toont de verschillende zones.

Refraktaria voor omzettervoering variëren van teer-gebonden dolomiet, pek-gebonden dolomiet, pek-gebonden magnesia, tot geavanceerde refraktaria met harsbindingen, metalen, grafiet, en gesinterde/gesmolten MgO (99% zuiver). Verwachte eigenschappen: hittevastheid, oxidatiewerstand, slakwerstand. Mag-C refraktaria zijn momenteel meest populair.

Mag-C refraktaria: variabelen voor verbeterde levensduur

• Type magnesia-korrel: chemie, kristalgrootte, dichtheid
• Bindingstype en persgrootte: wrijving/hydraulisch
• Bindmiddel: pek, hars, hoeveelheid, herimpregnering
• Type grafiet: zuiverheid, korrelgrootte, hoeveelheid
• Antioxidanten: type, hoeveelheid, korrelgrootte
• Fysieke eigenschappen steen: dichtheid, porositeit, sterkte (heet/koud)

Magnesia-korrel

De grootste component van een Mag-C steen is het MgO-korrel. Samenstelling en eigenschappen bepalen de steenkwaliteit. Hogekwaliteit MgO-korrels nodig voor basische slakken, erosie, abrasie, temperatuur. Korreldichtheid, -grootte, -chemie zijn vitaal. CaO/SiO2-ratio van het korrel is belangrijk: 0 of >2:1 voor di-calciumsilicaat (hoge smeltpuntsfase). Ratios tot 6:1 zijn mogelijk, maar verhogen hydratatiegevoeligheid. Lage ratio geeft lage smeltpuntsfasen en catastrofale verlies van hittevastheid. Secundaire mineralen in het korrel: SiO2 zo laag mogelijk (<0,3%). Hoog boorgehalte (B) vernietigt hittevastheid.

Korreldichtheid

3,2 tot >3,5 g/cm³. Lage dichtheid = hoge porositeit = gevoelig voor slakpenetratie.

Kristalgrootte

Grotere kristallen presteren beter door reductie interstitiële porositeit (minder slakpenetratie aan korrelgrenzen) en minder reductie van MgO door C in de steen bij hoge temperatuur. Reductie vernietigt C en MgO, produceert Mg-damp en CO-gas. >140 micron = groot. Gesmolten MgO kan >1000 micron, maar met variatie in chemie/kristalgrootte.

Bindmiddel

Mag-C stenen zijn C-gebonden; rest van fijnverdeeld C na koksen van binder houdt steen samen.

Type grafiet

Grafiet is niet-benattend voor staalmakingslakken, voorkomt slakpenetratie en MgO-ontbinding. Grafiet is thermisch geleidend, warmteafvoer van steenoppervlak, verlaagt kinetiek agressieve reacties. Chemisch zuiver C, maar bevat as (kleimineralen). Onzuiver grafiet voegt fluxen toe (SiO2, Al2O3) met negatieve effecten. Vlokgrafiet wordt gebruikt: hogere oxidatiewerstand en thermische geleiding dan amorfe grafiet. Hoeveelheid 5-25%; hogere grafiet = hogere slakwerstand en thermische geleiding (ceteris paribus).

Antioxidanten

Metaalpoeders als O2-scafners, vertragen oxidatie van grafiet en C-binding. Verbeteren hittevastheid door complexe metaal-carbide-oxide bindingen.

VOeringsontwerp verschilt per centrale, alle met doel: gewenste levensduur/beschikbaarheid, gelijkmaking slijtage over verschillende mechanismen/gebieden. Afbeelding 3 toont een typische zonale voering.

Voeringsonderhoudspraktijken

Meet van refraktaireslijtage met laserstraal

Techniek voor dikte meting met laser (Afbeelding 4). Wijd toegepast. Laserstraal wordt gereflecteerd op gekalibreerde punten op de omzetter en vergeleken met punten in de versleten voering. Computeranalyse plottet resterende dikte. Nuttig voor vergelijking slijtagesnelheden van verschillende refraktaria en schilschade voorkomen. Bepaalt en controleert benodigd onderhoud door guniten. Identificeert gebieden die guniten nodig hebben, controleert hoeveelheid gunietmateriaal.

MgO-niveaus in de slak

MgO-gehalte van slak is cruciaal voor voeringslevensduur. Doel: meer MgO laden dan verzadigingsniveau bij werktemperatuur. Hogere MgO verbetert bekistingseigenschappen tijdens slakbekisting en hechteigenschappen tijdens slakspattering. MgO-bronnen: lage-kost MgO-bronnen, gebruikt basisch voeringsmateriaal. MgO-niveaus gebaseerd op aftaptemperaturen.

Slakbekisting

Techniek van omzetter schudden om een werkende voering van slak te creëren. Vereist aandacht tijdens operatie. Vereisten voor succes: (1) juiste slaktype selecteren, (2) slak conditioneren met juiste toevoegingen, (3) correct schudden, (4) slak afvoeren wanneer nodig, (5) bekisten op optimale moment. Goed plannen en uitvoeren.

Slakspattering

Bijdraagt sterk aan verlengde voeringslevensduur. Gebruikt residuele slak na staalmaking, geconditioneerd, om een coating op de refraktaire oppervlakte aan te brengen die fungeert als slijtvoering in de volgende hitte. Vloeibare viscieuze slak wordt door hoge-druk stikstof (N2) in diverse delen van de omzetter geblazen, waar het kleeft aan de werkvoering. Nodig 2-3 minuten na aftappen vorige hitte, voor start volgende hit. Ontwikkeld tegen erosie en voor vriesvoering. Gebruikt zuurstoflaans voor N2-blazen. Geautomatiseerd op basis van laanshoogte.

Guniten

Verlengt voeringslevensduur. Guniten van refraktair materiaal (meestal monolithisch) op zwaar belaste zones: trunnions, slaklijn. Selectief uitgevoerd. Schietertype pistool voor vijandige procesomgeving. Gunietmateriaal water-gebaseerd. Continue kwaliteitsverbetering. Kosten guniten afwegen tegen specifieke refraktairkosten.

Omzettervoering en voeringsmaterialen

Meestal twee lagen: dunne veiligheidsvoering (150-225 mm) beschermt schil, dikke werkvoering (450-750 mm). Veiligheidsvoering duurt meerdere werkvoeringcampagnes. Gehouden met staalbevestigingsringen en mortel. Voeringsstappen: (1) afkoelen na campagne, verwijderen versleten werkvoering mechanisch (de-brikmachine), refraktaria vallen door omzetter te inverteren; (2) herstel beschadigde veiligheidsvoering, installeer werkvoering zonder mortel; (3) werkvoering met minimale steensnijden in geringsleutelconstructie (kleinere hete kant dan koude kant).

Slijtcondities en aanbevolen refraktaria per zone

Bodem

Erosie door vloeibaar metaal, slak, gassen. Thermomechanische spanningen bij gecombineerd geblazen omzetter door thermische gradienten tussen door gas gekoelde tuyeres en bodemvoering. Mag-C levert geen verbeterde prestaties. Diep blazen versnelt bodemslijtage. Reparaties tijdens campagne: opbouwen met dolomiet-gerijkte viscieuze slak of pleisteren met mengsel vloeibare slak en gebroken basische stenen. Gecombineerd blazen zorgt voor hoge spanning op bodem; gebakken MgO refraktaire blokken met modifiers en pek-impregnatie zijn standaard.

Bodem tuyeres en omgeving

Bodemblazen en badroering via tuyeres veroorzaken gelokaliseerde slijtage. Oorzaken: turbulente vloeistofstroom (erosie) en thermische spanning door koude gassen. Hoogdichte, lage porositeit, pek-gebonden en geïmpregneerde Mag-C blokken op basis van gesmolten MgO zijn bevorzugd.

Laadkussen (charge pad)

Tegenover aftaphgat. Belasting: impact vallend schroot (zware stukken als bloomeinden), erosie vloeibaar staal, waswerking door hoge-temperatuurslak bij monstering/temperatuurmetering (schip gekanteld). Oorspronkelijke oplossing: pek-geïmpregneerde gebakken MgO stenen. Met langere levensduur door Mag-C werd laadkussen kritieke slijtzone; hars-gebonden Mag-C met metaaltoevoegingen voor impactweerstand, veerkracht, sterkte, slakwerstand (grafiet).

Aftapgebied

Erosie vloeibaar staal hoge temperatuur, corrosie vloeibare slak. Ontwikkeling parallel aan laadkussen. Vroegere materialen vervangen door pek-gebonden geïmpregneerde Mag-C met metaaltoevoegingen. Dominante slijtage: hoge-temperatuur slakaanval. Refraktaire blokken van grootkristallijne MgO worden standaard. Pek-gebonden geïmpregneerde refraktaria superieur door reductie penetrerende slakoxiden door C in porositeit.

Slakzone kruising (crossover)

Kruising tussen onderste aftapgebied en bovenniveau statisch bad. Complex: slakaanval, hoge temperatuur, erosie tijdens aftappen. Benodigd: weerstand hoge-temperatuur slakaanval en oxidatiewerstand. Pek-gebonden, geïmpregneerde Mag-C op basis van grootkristal MgO, hoge zuiverheid vlokgrafiet, metaaltoevoegingen. Hoge zuiverheid vlokgrafiet beperkt 'zelfoxidatie' door inherent onzuiverheden in grafiet.

Trunnion zone

Moeilijkst te onderhouden: op rotatie-as, geen slakwassing mogelijk. Slijtage primair door oxidatie C-binding. Guniten is enige praktische onderhoudsmethode. Refraktaire blokken met hoge oxidatiewerstand bevorzugd.

Hoofdvat (main barrel)

Onderverdeeld in: (1) knokkel, (2) bovenwand.

Knokkel: vaak grote slijtzone, ontwerpswijzigingen effectief. Zware slakaanval, vooral wanneer niet geblazen wordt. Benodigd: uitstekende slakcorrosie- en erosieweerstand.

Bovenwand: slakaanval, extreme temperatuurcycli. Goede slakwerstand, plus capable van slakbekisting aan te nemen en te behouden.

Monsterslaklijn

Kegelgebieden aan weerskanten laadkussen: preferentiële slakaanval bij kantelen voor temperatuurmeting en monsterpeiling. Pek-gebonden geïmpregneerde Mag-C presteert goed.

Kegel (cone)

Hoge-temperatuur erosie door hoge-snelheidsgassen met deeltjes. Oxidiserende atmosfeer. Hars-gebonden Mag-C presteert goed.

Bovenste kegel

Bovenste 6-10 ringen: slijtmechanisme gewijzigd door verlies materiaal bij skuilling. Schade bij mechanische deskuilling: progressief verlies steeneinden of lossen van hele stenen. Vereist: hoge veerkracht, sterkte, oxidatiewerstand. Pek-gebonden geïmpregneerde MgO, soms met co-gegoten metalen platen die bij oxidatie expanderen en steenringen strakker trekken. Meest succesvol materiaal voor dit gebied.