Von Jack Xing, Technischer Vertriebsleiter, YK Chanshine · Feuerfestmaterialien für Hochöfen ·
Hochofenbetreiber fahren mit heißerem Heißwind, höherem Druck, mehr Sauerstoff und mehr Kohlenstaub. Dadurch werden alle Teile des Heißwindleitungssystems stärker belastet, besonders der Düsenstock. Wenn ein Düsenstock rotglühend wird oder durchbrennt, muss der Hochofen heruntergefahren oder gedrosselt betrieben werden.
Dieser Artikel untersucht eine detaillierte Schadensanalyse von Gießbeton am Düsenstock aus der chinesischen Hochofenpraxis. Er verfolgt den Abfall der Festigkeit im mittleren Temperaturbereich, der den Weg für den Schlackenangriff öffnet, reproduziert den Schaden mithilfe von XRD und SEM und leitet daraus die Anforderungen ab, die Käufer in eine Bestellung für Gießbeton aufnehmen sollten.
Wichtigste Ergebnisse der Schadensanalyse:
- Das Material ist ein Al₂O₃-SiO₂-Gießbeton, gebunden mit Calciumaluminatzement. Bei 1100 bis 1200 °C sinkt die Kaltzerstörungsfestigkeit um ~47 % und die scheinbare Porosität nimmt zu.
- Hochofenschlacke greift diese gelockerte Struktur an: Ca und Mg wandern in den Gießbeton und bilden niedrig schmelzenden Gehlenit (Ca₂Al₂SiO₇) und MgSiO₃.
- Der Angriff wird durch nicht mullitisierte Rohstoffe, freien Quarz und Fe₂O₃ aus Eisenschlacke verstärkt.
- Drei Abhilfemaßnahmen: reinere Rohstoffe, Ausdehnung durch Andalusit/Kyanit zum Ausgleich der Schwindung und 3 bis 6 Gew.-% plastischer Ton zur Senkung der Sintertemperatur.
Warum Gießbeton am Düsenstock versagt
Betriebsbedingungen
Hohe Heißwindtemperatur, hoher Heißwinddruck, Sauerstoffanreicherung und starke Kohlenstaubeinblasung belasten das Heißwindleitungssystem stärker. Risse, Kollaps und Durchbrennen von Heißwindkomponenten werden dadurch wahrscheinlicher. Der Düsenstock ist dem am stärksten ausgesetzt. Der Düsenkühler lässt nur wenig Platz, daher ist der Rohrkörper schmal und die Feuerfestschicht dünn, während die Beanspruchung hoch ist.
Dokumentierte Ursachen für Rotglut und Durchbrennen
Die wichtigsten in der Studie genannten Ursachen sind:
- Spalt an der Flanschverbindung: Heißwind entweicht an der Kontaktfläche und überhitzt den Rohrkörper
- Qualität des Gießbetons: Geringe Temperaturwechselbeständigkeit, niedrige Heißfestigkeit oder schwache Schlackenbeständigkeit
- Verschleiß der Kohlenstaublanze: Hohe Gasgeschwindigkeit und Abrieb durch Kohle dünnen die Auskleidung aus
- Kollaps des Ofenwandmaterials: Die Beschickung fällt auf das Blasrohr und beschädigt es mechanisch
Zwei dokumentierte Fälle
Liugang
Die Untersuchung kam zu dem Schluss, dass die schlechte Qualität des Gussmaterials die Hauptursache für den Durchbrand des Tüyerenteils war. Das Werk verbesserte die Qualität des Gussmaterials und das Herstellungsverfahren für das Tüyerenteil. Rotglut und Durchbrand traten nicht mehr auf, und Qualität sowie Lebensdauer verbesserten sich.
Shougang
An einem lange in Betrieb gewesenen und häufigen Stillständen ausgesetzten Blasrohr kam es zum Durchbrand. Starke Temperaturschwankungen führten zu Rissen in der Auskleidung zwischen der vorderen Wassermanschette und dem Rohrkörper. Anschließend brannte sich der sauerstoffreiche Heißwind durch die Vorderseite nach außen. Das Werk analysierte das Gussmaterial, um die Qualität zu prüfen und den Einsatz des Tüyerenteils zu überwachen.
Leistungsanalyse des Tüyerengussmaterials
Probenahme
Sowohl gebrauchtes Gussmaterial (aus dem ausgefallenen Tüyerenteil) als auch neues Gussmaterial wurden analysiert. Fotos der gebrauchten und neuen Proben sind in der Abbildung nach Tabelle 2 zu sehen.
Chemische Zusammensetzung: neu im Vergleich zu gebraucht
Tabelle 1. Chemische Analyse des Tüyerengussmaterials, Gew.-%
| Probe | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | CaO | MgO | TiO₂ | K₂O | Na₂O | ZnO | S |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Neu | 42.14 | 49.69 | 1.36 | 3.92 | 0.60 | 0.63 | 0.46 | 0.32 | 0.001 | 0.018 |
| Gebraucht | 42.19 | 49.54 | 2.10 | 3.66 | 0.58 | 0.86 | 0.29 | 0.22 | 0.004 | 0.006 |
Beide sind Al₂O₃-SiO₂-Materialien, und die Hauptoxide änderten sich während des Betriebs kaum. Der Fe₂O₃-Gehalt ist in der gebrauchten Probe höher; die Autoren vermuten, dass dies auf beigemischte Eisenschlacke zurückzuführen ist. Der CaO-Gehalt von etwa 3,9 % im neuen Gussmaterial ist mit der Bindung durch Calciumaluminatzement vereinbar und stimmt mit der späteren Identifizierung des Bindemittels durch die Autoren überein.
Physikalische Eigenschaften des neuen Gussmaterials
Tabelle 2. Kalt-Druckfestigkeit des neuen Gussmaterials aus beiden Werken
| Werk | Wärmebehandlung | Kalt-Druckfestigkeit, MPa |
|---|---|---|
| Werk A (Shougang) | 110 °C × 24 h | 18.5 |
| Werk A (Shougang) | 1200 °C × 3 h | 9.80 |
| Werk B (Liugang) | 110 °C × 24 h | 30.0 |
Das Gussmaterial von Werk A hatte eine geringere Rohdichte und Kaltfestigkeit als das von Werk B. Nach 1200 °C × 3 h sank die Kaltfestigkeit von Werk A von 18,5 MPa auf 9,80 MPa, also um etwa 47 %. Die Autoren berichten, dass die scheinbare Porosität nach der Behandlung bei 1200 °C deutlich zunahm und sich die Struktur dadurch lockerte.
Bei hoher Gasgeschwindigkeit und hoher Temperatur verschleißt eine schwache Auskleidung schneller und kann abplatzen.
Schlackebeständigkeit des neuen Gussmaterials
Die Autoren verwendeten einen statischen Tiegeltest, um die Einwirkung von Hochofenschlacke auf das neue Gussmaterial bei hoher Temperatur zu simulieren. Die Schlackenzusammensetzung war:
Tabelle 3. Zusammensetzung der im Test verwendeten Hochofenschlacke, Gew.-%
| SiO₂ | CaO | MgO | Al₂O₃ | TiO₂ | FeO |
|---|---|---|---|---|---|
| 34.42 | 41.22 | 7.32 | 14.04 | 1.21 | 0.43 |
XRD der schlackengetesteten Probe
Probe 1 wurde mittels XRD an vier Stellen analysiert: Schlacke, weiße Zuschlagkörner, gelbe Matrix und schwarze Matrix.
Tabelle 4. Hauptphasen in Probe 1 nach Position
| Position | Aussehen | Hauptmineralphasen |
|---|---|---|
| Schlacke | Anhaftende Schlackenschicht | Gehlenit, Melilith, Glasphase |
| Zuschlag | Weiße Körner | Mullit, Korund, Spuren von Cristobalit |
| Matrix (gelb) | Reaktionszone | Gehlenit, Anorthit, Mullit |
| Matrix (schwarz) | Unveränderte Gießmasse | Mullit, Korund, Zementhydrate |
SEM an der Grenzfläche zwischen Schlacke und Gießmasse
Die SEM-Untersuchung an der Grenzfläche zwischen Schlacke und Gießmasse zeigte höhere Calcium- und Magnesiumkonzentrationen auf der Feuerfestseite. Ca und Mg aus der Schlacke waren in die Gießmasse eingedrungen. Sie reagieren mit Al₂O₃ und SiO₂ in der Matrix und bilden Gehlenit (Ca₂Al₂SiO₇) und MgSiO₃. Das ist der Angriff. Die Gesamteinschätzung der Autoren zum Schlackentest: geringe Schlackenbeständigkeit, anfällig für den Angriff durch Hochofenschlacke.
Gebrauchte Gießmasse: XRD und SEM
XRD an sechs Positionen
Sechs repräsentative Positionen an der gebrauchten Gießmasse wurden analysiert. Position 1 liegt an der Grenzfläche zwischen Schlacke und Gießmasse.
Tabelle 5. Hauptmineralphasen in der gebrauchten Gießmasse im Blasformstock
| Position | Beschreibung | Identifizierte Phasen |
|---|---|---|
| 1 | Grenzfläche zwischen Schlacke und Gießmasse | Gehlenit, eisenreiche Phasen, Melilith |
| 2 | Oberflächennahe Matrix (0–5 mm) | Gehlenit, Mullit, Anorthit |
| 3 | Zwischenzone (5–15 mm) | Mullit, Korund, Gehlenit |
| 4 | Kernmatrix (15–30 mm) | Mullit, Korund, Spuren von Quarz |
| 5 | Grobkornzuschlag | Mullit, Korund |
| 6 | Hinterfüllung an der kalten Seite | Mullit, Zementdehydratationsphasen |
SEM-EDS nach Abstand von der Schlackenoberfläche
Die Messpunkte wurden von der anhaftenden Schlacke in Richtung Gießmasse erfasst. Die Schlackenoberfläche liegt bei 0 mm.
Tabelle 6. EDS-Analyse der gebrauchten Gießmasse von der Schlackenoberfläche nach innen, Gew.-%
| Abstand | Al₂O₃ | SiO₂ | CaO | Fe₂O₃ | MgO |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 mm (Schlackenoberfläche) | 18.4 | 31.2 | 38.1 | 6.2 | 6.1 |
| 2 mm (Reaktionsschicht) | 36.5 | 35.8 | 19.4 | 4.5 | 3.8 |
| 5 mm (Eindringzone) | 45.2 | 39.1 | 8.6 | 3.9 | 1.2 |
| 15 mm (unveränderte Zone) | 49.4 | 42.0 | 3.8 | 2.1 | 0.6 |
Verschleißmechanismus von Gießmasse im Blasformstock
Warum der Bereich von 900 bis 1200 °C die Schwachstelle ist
Aus den Ergebnissen der Materialprüfung, der XRD- und der SEM-Analyse identifizieren die Autoren das Material als Mullit-Gießmasse, gebunden mit Calciumaluminatzement.
Bei 1100 bis 1200 °C sind die Hydratbindungen des Zements zersetzt, während die keramische Sinterung kaum begonnen hat. Das Gefüge ist am lockersten und am schwächsten. Diese Temperatur entspricht zufällig der Betriebstemperatur der Ausmauerung am Blasformstock.
Schadensablauf im Betrieb
- Die Ausmauerung verliert an Festigkeit und wird im Einsatztemperaturbereich poröser.
- Ca und Fe aus der Schlacke dringen in die offene Struktur ein.
- Sie reagieren mit dem Al₂O₃ und SiO₂ in der Matrix und bilden Gehlenit, MgSiO₃ und andere niedrigschmelzende Verbindungen.
- Rohmaterial, das nicht vollständig mullitisiert ist, verschärft das Problem.
- Die geschwächte Ausmauerung wird durch Gasgeschwindigkeit und Temperatur abgetragen.
So beheben Sie das Problem: drei Maßnahmen
1. Rohstoffqualität erhöhen
Verunreinigungen reduzieren, insbesondere Alkalimetalle, die die Bindungen des Calciumaluminatzements schädigen.
2. Andalusit oder Kyanit zugeben
Diese dehnen sich bei der Mullitbildung aus und gleichen so die Schwindung sowie den Verlust an Festigkeit bei mittleren Temperaturen aus. Das Ergebnis ist ein Feuerfestbeton mit Mikroexpansion.
3. Sinterhilfsmittel zugeben
Als Beispiel werden 3 bis 6 Gew.-% plastischer Ton angegeben. Der Feuerfestbeton sintert dadurch bei niedrigerer Temperatur, wodurch die heftige Gefügeveränderung verhindert oder abgeschwächt und die Festigkeit bei mittleren Temperaturen erhöht wird.
Angaben im technischen Datenblatt für Feuerfestbeton am Blasformstock
Tabelle 7. Empfohlene Parameter für die Spezifikation beim Kauf von Feuerfestbeton für den Blasformstock
| Parameter | Prüfbedingung | Zielwert |
|---|---|---|
| Al₂O₃-Gehalt | Röntgenfluoreszenzanalyse / Nasschemie | ≥ 50.0% |
| Fe₂O₃-Gehalt | Röntgenfluoreszenzanalyse / Nasschemie | ≤ 1.2% |
| Kaltdruckfestigkeit | 110 °C × 24 h | ≥ 30.0 MPa |
| Kaltdruckfestigkeit (mittlere Temperatur) | 1200 °C × 3 h | ≥ 18.0 MPa (Abfall ≤ 40%) |
| Permanente Längenänderung | 1200 °C × 3 h | 0.0 bis +0.4% (Mikroexpansion) |
| Schlackebeständigkeitsindex | Tiegeltest, 1500 °C × 3 h | Erosionstiefe ≤ 3.0 mm |
Checkliste für Einkäufer und RFQ-Daten
Was Sie von Ihrem Lieferanten anfordern sollten
- Kaltdruckfestigkeit nach 110 °C und nach 1200 °C
- Permanente Längenänderung bei 1200 °C
- Herkunft des Zuschlagstoffs (gesinterter Mullit, Schmelzmullit oder Andalusit)
- Bindemitteltyp und CaO-Gehalt
Was Sie uns für eine Empfehlung senden sollten
Um eine Empfehlung zu erhalten, senden Sie diese Angaben an sales@ykchanshine.com oder nutzen Sie unsere Kontaktseite:
- Hochofen-Inhalt, Heißwindtemperatur und Sauerstoffanreicherung
- Bestandszeichnung der Blasform und Dicke der Ausmauerung
- aktuelles Datenblatt des Feuerfestbetons und Fotos der Schäden
- Anzahl der Abblasungen pro Monat
- angestrebte Jahresmenge und Hafen
Fazit
- Der Festigkeitsabfall bei 1100–1200 °C ist die Hauptursache für den Ausfall des Düsenstock-Gießbetons.
- Hochofenschlacke dringt in diese lockere Matrix ein und bildet niedrigschmelzendes Gehlenit.
- Mikroexpansionszusätze (Andalusit/Kyanit) und Sinterhilfsmittel beseitigen das Festigkeitstief wirksam.
Häufig gestellte Fragen (FAQ): Gießbeton für Hochofendüsenstöcke
Was ist ein Hochofendüsenstock?
Das Blasrohr leitet den Heißwind vom Heißwindring zur Düsenkühlung. Es besteht aus einem dünnen Stahlkörper mit einer dünnen feuerfesten Auskleidung.
Warum glüht ein Düsenstock rot oder brennt durch?
Als Ursachen werden Heißwindleckagen an der Kontaktfläche, schlechte Gießbetonqualität, starker Verschleiß der Kohleeinblasslanze und Materialabplatzungen von der Ofenwand genannt. Wiederholte Abblasvorgänge können außerdem die Auskleidung in der Nähe der vorderen Wassermanschette reißen lassen.
Warum ist zementgebundener Gießbeton bei 1100 bis 1200 °C schwach?
Zu diesem Zeitpunkt sind die Hydratbindungen verschwunden und keramische Bindungen haben sich noch nicht gebildet. Die Struktur lockert sich und schwindet, wodurch die Festigkeit abnimmt. Ein Düsenstock arbeitet in diesem Temperaturbereich.
Welche Funktion haben Andalusit oder Kyanit in einem Düsenstock-Gießbeton?
Diese Mineralien dehnen sich bei der Umwandlung in Mullit aus. Die Ausdehnung gleicht die Schwindung der Zementbindung aus und ergibt einen Gießbeton mit Mikroexpansion.
Wie viel plastischer Ton wird als Sinterhilfsmittel zugegeben?
Laut Studie liegt der Anteil bei 3 bis 6 Gew.-%. Er trägt dazu bei, dass der Gießbeton bei niedrigeren Temperaturen sintert und erhöht die Festigkeit bei mittleren Temperaturen.
Warum steigt der Fe₂O₃-Gehalt in gebrauchtem Gießbeton?
Die Autoren vermuten, dass Eisenschlacke in die Probe gelangt ist. Ein EDS-Messpunkt an der Schlackenoberfläche ergab 37.57 % Fe, was diese Vermutung stützt.
Wonach sollte ich außer der Festigkeit bei 110 °C fragen?
Festigkeit bei mittleren Temperaturen, Festigkeit und Porosität nach 1200 °C, Alkaligehalt, Bindemittelsystem und Ergebnisse eines Schlackentests.
Senden Sie uns Ihre Hochofen-Betriebsparameter und Düsenstockzeichnungen
Treten Rotglut, Durchbrennen oder Risse in der Blasrohrauskleidung auf? Senden Sie uns Ihre Heißwindtemperatur, Sauerstoffanreicherungsrate, Düsenstockzeichnungen und das aktuelle technische Datenblatt Ihres Gießbetons. Unser Team für Feuerfesttechnik erstellt innerhalb von 24 bis 48 Stunden eine maßgeschneiderte Gießbetonrezeptur mit Mikroexpansion und einen technischen Vorschlag.