Hoogovenschacht Refractaire Voering: Bescherming van Schillen voor Continu Bedrijf

Een moderne hoogovenschacht (BF) is refractair gevoerd om de ovenschil te beschermen tegen de hoge temperaturen en abrasieve materialen binnenin de oven. De refractaire voering wordt gekoeld om de bescherming tegen overmatige warmteafgifte die de voering kan vernietigen, te versterken. De BF heeft een complex refractair systeem voor een lange, veilige levensduur, noodzakelijk voor beschikbaarheid en bijna continu ovenbedrijf en gieten.

Omstandigheden binnen de hoogovenschacht variëren sterk per regio en de refractairen worden blootgesteld aan diverse slijtmechanismen. Details in Tabel 1. De toepassingsomstandigheden van verschillende regio's van een hoogovenschacht zijn niet identiek door de geometrie en de pyrometallurgische processen in verschillende stadia. Er zijn diverse fysieke en chemische slijtmechanismen in de verschillende regio's, complex van aard. Bijvoorbeeld: mechanische slijtage/abrasie voornamelijk in de bovenste schachtregio door daling van ladingmateriaal en stofbeladen gassen. Hoge thermische belasting in de onderste schacht en buikregio's. In de kuipregio: horizontale en verticale vloeistof van warm metaal gecombineerd met thermische spanningen vormen vaak ongewenste olifantenpoot-vormige cavitaties. Refractaire materialen in deze regio's moeten rekening houden met deze slijtmechanismen om schade te voorkomen. Daarom vereisen de BF schacht (boven, midden, onder), buik, bosh, raceway en tuyère regio, kuip, en taphole allemaal verschillende kwaliteit refractairen afhankelijk van de respectieve toepassingsomstandigheden.

Selectie van de juiste refractaire combinatie afhankelijk van slijtmechanisme is cruciaal. Een onjuiste selectie leidt vaak tot refractaire falen, wat een complex probleem wordt om op te lossen. Typen refractaire voering per regio en trends in voeringspatronen in Figuur 1.

Figuur 1: Refractaire voering in verschillende regio's van een hoogovenschacht

De campagnelevensduur van een BF is tegenwoordig ~15 jaar of meer. Er is een trend naar grotere capaciteit BF's onder stringente bedrijfsomstandigheden. Voor lange voeringslevensduur onder deze omstandigheden: goede combinatie van hoogwaardige refractairen, hoog-efficiënte koelsystemen, en strakke controle op ovenbedrijf voor hoge productiviteit zonder excessive muurbelasting en minimalisatie van massive 'slips' die vroege schade veroorzaken.

Bekend is dat de bodem en een deel van de kuip gecorrigeerd worden door varkensijzer, slak en alkaliën. Refractaire stenen in deze gebieden onderworpen aan hoge belasting en temperatuur. Vereist voering met: hoge sterkte, lage Kriekwaarde in compressie, hoge RUL (refractoriness under load) en PCE (pyrometric cone equivalent) waarden. Sommige BF's gebruiken laag-ijzer, dicht 42–62% alumina, mulliet stenen, conventionele koolstofblokken in bodem/onderste kuip; huidige trend: vervanging door super microporeus grafietblokken. Kuiplevensduur hangt vooral af van:

• Operationele factoren: (i) hoge productiviteit → hoge warmtebelasting, (ii) hoge vloeistofsnelheid → meer erosie, (iii) hoge koolinjectie → lagere permeabiliteit. Geen van deze factoren controleerbaar door operator → robuuste refractaire voering enige oplossing.
• Refractaire voeringssysteemontwerp: Hele voering onderworpen aan thermische spanning (dominante rol bij ontoereikend ontwerp). Moet: (i) thermische weerstand optimaliseren, (ii) uitzettingverlichting bieden, (iii) scheurvorming voorkomen, (iv) ingebouwde barrières elimineren.
• Refractaire eigenschappen: (i) Hoge thermische geleidbaarheid, (ii) alkaliweerstand, (iii) lage permeabiliteit, (iv) lage thermische uitdijning, (v) lage elasticiteit.

Recente ontwikkeling van microporeuze koolstofstenen en verbetering kwaliteit semi-grafiet en grafietblokken → hogere infiltratiewerstand tegen ijzer/slakken, hogere thermische geleidbaarheid. Probleem van bros laagvorming rond 800 °C isooterm door alkali-condensatie en thermische spanningen adressered door kleinere blokken, optimale uitzettingsmarges. Koolstofrefractairen bedekt door vuurvaste klei of mulliet stenen tegen oxidatie. Ontwerp van deze 'keramische bekertje' (ceramic cup) belangrijk: isothermen veranderen afhankelijk van kwaliteit/dikte bekermateriaal.

Schachtstenen blootgesteld aan hoge abrasie/erosie door ladingmateriaal van boven en hoge-snelheid rook/stofdeeltjes door hoge blastdruk in CO-omgeving. Vereist refractaire materialen met: hoge sterkte, lage permeabiliteit, hoge abrasieweerstand, weerstand tegen CO-desintegratie. Super duty vuurvaste klei steen of dicht alumina steen met Al₂O₃ ~39–42% geeft deze kenmerken voor schachttoepassing.

Tuyère en bosh aangevallen door temperatuurverandering, abrasie, alkaliën; buik en onderste schacht door thermische schok, abrasie, CO-aantasting. In kritieke gebieden (tuyère, bosh, buik, onderste schacht) hebben siliciumcarbide (SiC), SiC-Si₃N₄ en korund refractairen koolstof en 62% Al₂O₃ of mulliet stenen vervangen. Dit benut hoge thermische geleidbaarheid SiC in combinatie met staafkoelers (stave coolers). Door waterlekken rond taphole/tuyère gebied zijn veel BF's gevoerd met hoog-alumina of alumina-chroom korund refractairen. Huidige en trend refractairen in Tabel 2.

Verschillende Typen BF Refractairen

• Gebakken koolstofblokken: Microporeus koolstofblok, semigrafietisch koolstofblok, microporeus koolstof-siliciumblok. Hoofdgrondstoffen: hoogtemperatuur elektrisch gekalcineerd anthraciet, synthetisch grafiet, siliciumcarbide. Kenmerken: hogere thermische geleidbaarheid, lagere permeabiliteit, goede warm metaal en alkali weerstand. Semigrafietische blokken voor onderste bodemvoering. Microporeus koolstofblokken voor bovenste bodem/onderste kuip voering bij geïntensiveerd smelten. Microporeus koolstof-siliciumblokken voor kuip, taphole, slakgat.
• Klein formaat gebakken koolstofstenen: Gegoten microporeus koolstofstenen en koolstof-siliciumcarbide stenen geproduceerd door warm persvormen, hoge temperatuur bakken, afwerken met elektrisch gekalcineerd anthraciet, synthetisch grafiet, SiC, bindmiddelen uit koolteer/fenolformaldehyde hars, ultra-fijn poeder additieven. Gegoten microporeus koolstof-SiC stenen voor bakstenen van tuyère, slakgat, taphole, kuip, slakvormingszones.
• Keramische bekertje steen (Ceramic cup brick): Plastische-fase gebonden composiet korund steen. Samengesteld uit hoogwaardige mulliet en hoge zuiverheid gesmolten korund als grondstoffen met gespecificeerde binder, gevormd onder hoge druk, gesinterd bij hoge temperatuur. Kenmerken: hoge RUL, compacte structuur, lage porositeit, hoge corrosieweerstand. Gebruikt voor BF bodem, keramische bekertje bodemvoering, gecombineerde steen van tuyère, taphole, slakgat grote BF.
• Korund steen: Bruin gesmolten korund en SiC als uitgangsmaterialen, gecombineerd met speciale additieven, door persproces en sinteren vóór fijnafwerking. Kenmerken: goede alkali- en slakcorrosieweerstand, geschikt voor bodem, kuip keramische bekertje, tuyère, taphole, slakgat.
• SiC-Si₃N₄ steen: Veel typen SiC stenen met verschillende bindingssystemen en varierende SiC gehalte. Direct gebonden SiC: hoge alkali- en zinkweerstand, hoge thermische geleidbaarheid, uitstekende erosieweerstand, zeer goede thermische schok eigenschappen, weerstand tegen corrosie en CO-aantasting. Nitride gebonden SiC doorgaans in toepassingen zoals BF buik.
• Microporeus alumina koolstof steen: Speciale graad bauxietklinker, korund, grafiet, midden-alumina als hoofgrondstoffen, gecombineerd met diverse ultra-fijn poeder additieven. Kenmerken: microporen, goede alkaliweerstand, hoge thermische geleidbaarheid. Gebruikt voor voering van bosh, schacht, koelwand BF.
• 50% alumina klasse stenen: Meestal geüpgraded super duty vuurstenen. Samengesteld uit mengsel bauxiet, flint klei/chamotte, plastische klei. 50% alumina stenen: lage porositeit, uitzetting bij herverhitting tot 1600 °C, goede weerstand tegen thermische cycli. Hogere zuiverheid = goede draagkracht, uitstekende alkaliweerstand.
• 60% alumina klasse stenen: Wijde variëteit materialen. Meest gewaardeerd: mineralen uit sillimaniet groep (meestal gecombineerd met kleine hoeveelheden gekalcineerde alumina, plastische klei). Andere: synthetische chamotte, bauxieten, gekalcineerde alumina, plastische klei. Hoge mullietvorming → uitstekende Kriekweerstand (vooral sillimaniet bevattende). Sillimaniet stenen vaak fosfaat/chemisch gebonden en gecureerd voor verbeterde thermische schokweerstand.
• 70% alumina klasse stenen: Gebaseerd op primaire grondstoffen bauxiet of hoog-alumina chamotte + vuurvaste klei. Gegloeid ~1400 °C om excessieve uitzetting tijdens gloeien te voorkomen (reactie siliceus ingrediënten met bauxiet → mulliet). 70% alumina stenen tonen hoge uitzettingswaarden in dienst → vermindering voegdikte.
• 80% alumina klasse stenen: Gebaseerd op bauxiet met toevoeging gekalcineerde alumina en kleimaterialen. Gegloeid ~1420–1480 °C voor consistente steenafmetingen. Gegloeide producten: ~20% porositeit, goede sterkte, thermische cycli weerstand. Geassocieerd met fosfaat/chemische binding (gecureerd en gegloeid) voor hogere abrasieweerstand en lagere porositeit.
• Vuurvaste klei stenen (Fireclay bricks): Samengesteld uit mengsel meestal twee of meer kleien. Flint/kaolien klei → refractoriness; gekalcineerde klei (chamottes) → droog/gleoikrimp controle; plastische klei → vormgeving/bindingssterkte. Groeperingen:
  • Super duty (PCE >33): Al₂O₃ 40–45%, goede refractoriness, thermische schokweerstand, volume stabiliteit hoge temperaturen
  • High duty (PCE 31½–33): vergelijkbaar super duty maar lagere kwaliteit flint klei/chamottes/plastische klei (Al₂O₃ 40–45%), vaak vervanging medium duty bij thermische cycli probleem
  • Medium duty (PCE 29–31): Al₂O₃ 38–42%, minder zware toepassingen, lagere thermische schokweerstand
  • Low duty (PCE 15–29): Al₂O₃ 35–38%, achtervoering, matige temperaturen
  • Semi-silica vuurstenen: Al₂O₃ 18–25%, SiO₂ 72–80%, uitstekende draagkracht, volume stabiliteit relatief hoge temperaturen
• Taphole massa: Hoofdkenmerken: goede viscositeit en sintereigenschappen gecombineerd met corrosie- en erosieweerstand.