Mattoni MgO-C per EAF: meccanismi di usura e progettazione degli antiossidanti

1. Perché esiste questo documento tecnico

I mattoni in magnesia-carbonio furono sviluppati inizialmente per i punti caldi dei forni ad arco elettrico e solo in seguito furono introdotti nei convertitori, alla fine degli anni ’70. Perciò è nell’EAF che questo materiale ha la storia più lunga. È anche il contesto in cui i team acquisti e tecnici discutono ancora più spesso: un mattone con più grafite è migliore? Il carburo di boro vale il suo prezzo? Perché la stessa marca è durata il doppio nel forno adiacente?

Produciamo materiali refrattari, quindi abbiamo un punto di vista. Cerchiamo anche di indicare quali affermazioni provengono da studi pubblicati e quali sono frutto della nostra interpretazione. Quando non disponiamo di un dato solido, lo diciamo e non ne inventiamo uno.

In questo documento troverai:

• I quattro meccanismi di usura di un mattone MgO-C per EAF, spiegati con parole semplici;
• Cosa fa ciascun antiossidante e quali problemi può causare;
• Come adattare un mattone a ciascuna zona del forno;
• Come esaminare un mattone usato e cosa inviare a un fornitore;
• Un metodo basato sul costo per tonnellata e 18 domande con risposte dirette.

2. Com’è fatto un mattone in magnesia-carbonio per forno EAF

Tre funzioni, tre ingredienti

Un mattone MgO-C è composto da diversi materiali, ognuno con una funzione specifica.

• I grani di magnesia resistono alla scoria e al calore. Costituiscono la maggior parte del mattone.
• La grafite non viene bagnata dalla scoria, conduce bene il calore e si dilata poco. Questo tiene fuori la scoria e aiuta il mattone a resistere ai cicli di riscaldamento e raffreddamento.
• Un legante carbonioso (di solito resina) tiene unito il mattone e lascia una rete di carbonio dopo il primo riscaldamento.

Il problema è che la grafite brucia. Tutto il resto di questo articolo deriva da questo.

Intervalli riportati in letteratura

Si tratta di valori generali tratti da rassegne pubblicate, non di specifiche per un particolare forno. I vostri dati dovrebbero provenire dalla scheda tecnica del fornitore e dal vostro forno.

Magnesia fusa o sinterizzata?

Una tabella di riferimento pubblicata confronta una magnesia fusa da acqua di mare (99.07% MgO, porosità apparente del 2.6%) con una magnesia sinterizzata naturale (95.46% MgO, porosità apparente dell’8%). È un singolo esempio, non una regola. Ma mostra la tendenza: i grani fusi tendono a essere più puri e densi, quindi la scoria trova meno percorsi per penetrarvi. Le impurità come SiO2 e CaO presenti nel grano sono importanti perché formano fasi a basso punto di fusione con l’ossido di ferro.

A nostro avviso, la scelta dei grani dovrebbe dipendere dalla zona. Riprenderemo l’argomento nella tabella delle zone.

3. I quattro modi in cui si usura un mattone MgO-C per EAF

1. La scoria dissolve la magnesia

La scoria attacca la magnesia in due modi. La silice e la calce penetrano nei bordi tra i grani e li allentano. L’ossido di ferro (FeO) diffonde all’interno del grano di magnesia e forma una soluzione solida di magnesia e ossido di ferro, che fonde a una temperatura inferiore rispetto alla magnesia pura.

Uno studio di laboratorio a 1.600 °C con scoria contenente il 25% di FeO ha rilevato l’usura più grave con una basicità di 0,5 e un’usura limitata da circa 2,0 in su. Contano quindi tanto le condizioni del forno e la composizione chimica della scoria quanto il mattone. Un mattone che resiste bene con una scoria basica e satura di MgO può subire gravi danni quando la scoria diventa acida.

2. L’ossido di ferro brucia il carbonio dall’interno

Quando la scoria penetra nel mattone, l’ossido di ferro incontra la grafite e la reazione FeO + C → Fe + CO consuma il carbonio. Il mattone diventa poroso e fragile, altra scoria vi penetra e la perdita accelera. Una rassegna pubblicata indica questa reazione come causa dell’infragilimento strutturale del mattone.

3. Aria e CO2 bruciano il carbonio dove la scoria non lo ricopre

La superficie calda di una parete EAF non è sempre a contatto con la scoria. Dove il mattone è esposto all’aria del forno o alla CO2, il carbonio brucia direttamente. Gli studi pubblicati collocano l’ossidazione diretta sotto circa 1.400 °C e quella indiretta, causata dalla magnesia o dalla scoria, al di sopra. Per questo le pareti laterali inferiori e le zone spesso non coperte richiedono resistenza all’ossidazione, anche quando l’attacco della scoria è lieve.

4. Il mattone si attacca da solo

Ad alte temperature, la magnesia e il carbonio possono reagire: MgO + C → Mg(gas) + CO(gas). In condizioni standard, la reazione inizia a circa 1.850 °C. In un mattone reale, i gas possono fuoriuscire attraverso i pori, quindi la reazione può avvenire a temperature molto più basse. Il mattone perde materiale dall’interno e la struttura risultante è debole e porosa. I test pubblicati riportano inoltre che l’impiego di magnesia molto fine (0,1 mm e meno) riduce questo tipo di danno.

Cicli termici e usura meccanica

Oltre a questi quattro meccanismi, un mattone per EAF viene riscaldato e raffreddato ripetutamente, colpito dai rottami e dilavato dall’acciaio in movimento. Con il tempo, i cicli di riscaldamento allentano la struttura. Uno studio pubblicato sui convertitori ha rilevato che cicli ripetuti di riscaldamento oltre i 1.500 °C e raffreddamento sotto i 500 °C possono riprodurre in laboratorio i danni reali ai mattoni. L’usura dovuta all’acciaio in movimento diminuisce all’aumentare della resistenza a caldo del mattone.

Perché si alimentano a vicenda

I quattro meccanismi raramente agiscono da soli. La perdita di carbonio apre i pori. I pori aperti lasciano penetrare la scoria. La scoria apporta altro FeO. Più FeO brucia più carbonio. Se ricordi una sola cosa di questa sezione, ricorda questa: un mattone di solito si deteriora a causa di un ciclo, non di una sola causa. Interrompi il ciclo nel suo punto più debole e il mattone durerà di più.

4. Dove si usurano i mattoni nel forno

In molti forni, la parete superiore è realizzata con pannelli raffreddati ad acqua, quindi i mattoni sono impiegati soprattutto nella parte inferiore del mantello, lungo la linea della scoria e nei punti caldi. Le configurazioni variano, quindi verifica la tua (vedi le nostre soluzioni complete per i rivestimenti refrattari dei forni EAF).

L’ordine esatto dell’usura dipende dalla progettazione del forno, dalla potenza immessa, dalla gestione della scoria e dalla miscela di rottami. Non forniamo una stima generica della durata. Se qualcuno ne indica una senza specificare le condizioni, valutala con cautela.

5. Cosa fanno gli antiossidanti e cosa non possono fare

Un antiossidante è un materiale che reagisce con l'ossigeno più facilmente della grafite, oppure che ne blocca il percorso all'interno del mattone. Protegge il carbonio, ma non rende buono un mattone scadente.

Alluminio

L'alluminio reagisce con il monossido di carbonio e con il carbonio del mattone. Uno studio di laboratorio pubblicato, condotto in atmosfera di argon, ha rilevato la formazione a bassa temperatura di un liquido contenente alluminio e magnesio; poi, a circa 850 °C, si sono formate piastrine sottili di carburo di alluminio. Sopra i 1.000 °C, il carburo di alluminio reagisce con la magnesia formando alluminato di magnesio spinello (MgAl2O4), compatibile sia con la magnesia che con il carbonio. Nel complesso, l'effetto è riempire i pori e rallentare l'ossigeno.

Attenzione (una nota basata sulla nostra esperienza): il carburo di alluminio può reagire con l'umidità. Conserva i mattoni all'asciutto, sia in magazzino che durante il trasporto.

Silicio

Il silicio reagisce con il carbonio formando carburo di silicio (Si + C → SiC). Il nuovo SiC riempie i pori e protegge la grafite. Spesso viene abbinato all'alluminio. Le rassegne pubblicate segnalano che l'alluminio e il silicio sono gli antiossidanti più usati, perché efficaci e poco costosi.

Carburo di silicio (aggiunto come SiC)

Aggiunto in polvere, il SiC agisce in due modi: resiste all'ossidazione e riempie i pori. Nella pratica pubblicata per i convertitori, il SiC viene aggiunto alla gola e al cono, dove l'ossidazione in fase gassosa è un problema. Lo stesso principio è adatto alle pareti del forno, spesso prive di copertura di scoria.

Carburo di boro

Il carburo di boro reagisce con il monossido di carbonio e forma ossido di boro liquido, che si combina con la magnesia dando luogo a una fase liquida MgO-B2O3. Nelle rassegne pubblicate si afferma che, a temperature intermedie, questa fase liquida riempie i pori e limita l'accesso dell'aria. È questo il suo punto di forza.

Attenzione (è una nostra valutazione, non un dato pubblicato): una fase liquida può ammorbidire il mattone quando la superficie è molto calda. Prima di usare il carburo di boro nelle zone più calde, lo verificheremmo attentamente e chiederemmo al fornitore i dati sulla resistenza a caldo.

Cosa non possono fare gli antiossidanti

• Non impediscono alla scoria di dissolvere la magnesia. Per evitarlo servono grani puri e compatti e una corretta gestione della scoria.
• Non rimediano a un riscaldamento iniziale inadeguato. Un mattone umido o riscaldato troppo rapidamente si creperà, qualunque cosa contenga.
• Di più non è sempre meglio. Un antiossidante che reagisce troppo presto o lascia una fase debole può compromettere la resistenza a caldo. La progettazione complessiva conta più di un singolo additivo.

6. Adattare il mattone alla zona

Non esiste un unico mattone EAF migliore. Esiste il mattone migliore per ogni zona del forno, realizzato in base alla tua scoria, ai tuoi rottami e alla tua pratica operativa.

«Medio» e «alto» indicano livelli relativi all’interno della propria gamma di mattoni. Non forniamo percentuali fisse, perché il valore giusto dipende dal forno e dalla ricetta del fornitore.

Tre compromessi da conoscere

1. Una maggiore quantità di grafite riduce il rischio di shock termico, ma offre anche più materiale che l’ossidazione può consumare. Più carbonio richiede una protezione migliore, non semplicemente una quantità maggiore.
2. La magnesia più pura costa di più, ma spesso ripaga nei punti caldi e sulla linea di scoria, dove l’attacco della scoria causa la perdita di materiale. Nella parete laterale, il risparmio potrebbe non valerne la pena.
3. Gli antiossidanti metallici rinforzano il mattone, ma possono aumentare i costi e le esigenze di manipolazione. Usali dove sono efficaci, non ovunque.

Cosa serve per un progetto su misura

Più informazioni ci invii, più accurato sarà il primo progetto:

• tipo di forno, capacità, potenza e tempo tra una colata e l’altra;
• disegno del rivestimento e spessore dei mattoni per zona;
• miscela di rottame ed eventuale ferro preridotto o ghisa liquida;
• pratica di gestione della scoria (basicità, aggiunta di MgO, schiumatura, intervallo di FeO);
• mattone attuale, durata in colate e modalità di usura, per zona;
• foto di mattoni usati e del forno in funzione.

7. Come leggere un mattone usato: analisi in 4 passaggi

Un mattone usato è un rapporto di prova gratuito. Ecco come leggerlo.

Passaggio 1. Fotografa per prima la faccia calda

Scatta foto prima di tagliare o pulire il mattone. Annota la zona, la posizione e il numero di colate.

Passaggio 2. Tagliare attraverso lo spessore

Taglia dalla faccia calda a quella fredda e osserva la superficie di taglio.

Passaggio 3. Misurare gli strati

Registra lo spessore di ogni strato, dalla faccia calda, in millimetri: strato ricoperto di scoria, strato denso, strato privo di carbonio, nucleo inalterato.

Passaggio 4. Decidere

Cosa possono rivelare le prove

Inizia con strumenti semplici

Le foto, un righello e un microscopio ottico possono rivelare molto. La densità apparente e la porosità apparente di un mattone inutilizzato si misurano con prove standard.

Poi aggiungi gli strumenti quando servono

Un microscopio elettronico a scansione con analisi degli elementi (SEM/EDS) mostra in quale fase si trova ciascun elemento. La diffrazione a raggi X (XRD) identifica le fasi cristalline, per esempio lo spinello o il carburo di silicio.

Non trarre conclusioni affrettate da un solo mattone

Un solo mattone può trarre in inganno. Confrontalo con un mattone inutilizzato dello stesso lotto e con un altro mattone usato della stessa zona.

8. Calcolo del costo per tonnellata di acciaio

Un mattone meno costoso ma che dura meno colate può costare di più per tonnellata.

Un esempio con numeri inventati, solo a scopo illustrativo:

In questo esempio inventato, il mattone più costoso è la scelta migliore. Aggiungi altre due righe dai tuoi dati: il costo di un fermo imprevisto e gli eventuali costi aggiuntivi di riparazione della zona. Un fermo imprevisto può costare più dei mattoni.

9. Sei controlli da fare prima di ordinare

10. Come YK Chanshine collabora con i team EAF

Produciamo mattoni di magnesia-carbonio e altri refrattari per gli stabilimenti siderurgici nei nostri impianti di produzione interni. Il nostro processo per un progetto EAF è semplice:

1. Ci invii i dati del forno, le procedure relative alla scoria e le foto dei mattoni usati.
2. Esaminiamo insieme il profilo di usura, zona per zona.
3. Proponiamo un design dei mattoni per ogni zona e spieghiamo cosa modificheremmo e perché.
4. Mettiamo per iscritto le istruzioni per lo stoccaggio, l’installazione e il riscaldamento iniziale.
5. Dopo la prova esaminiamo insieme i mattoni usati e apportiamo le modifiche necessarie.

11. Domande frequenti (FAQ)

12. Fonti di riferimento

I dati pubblicati in questo articolo provengono dalle seguenti fonti. Le nostre valutazioni sono indicate come tali nel testo.

• Refrattari magnesia-carbonio, Ispatguru
• Refrattari magnesia-carbonio per convertitori, Nippon Steel Technical Report n. 125, 2020
• Chimica delle reazioni e sviluppo della microstruttura dei refrattari MgO-C contenenti antiossidanti metallici, Guha e Smith, 2006
• L'influenza della basicità e della composizione della scoria sui refrattari magnesia-carbonio ConArc durante la fase di insufflazione, A. Muller, Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2011