Kupolofenauskleidung

Metallurgy
Die feuerfeste Auskleidung, fachsprachlich auch Zustellung genannt, dient insbesondere der Wärmeisolierung und im unteren Bereich als feuerfestes, chemisch beständiges Tiegelmaterial zum Auffangen des flüssigen Eisens und der Schlacke. Neben hoher Temperaturwechselbeständigkeit wird zudem mechanische Strapazierfähigkeit verlangt. Ab dem Schmelzzonenbereich tritt besonders in Düsennähe, dem Bereich der Verbrennungszone, ein stärkerer Futterausbrand ein, der gleichzeitig an der Schlackenbildung beteiligt ist.

Der im Tageswechsel schmelzende Kalt- oder Heißwind-Kupolofen ist mit saurem Futter ausgekleidet. Dabei ist der obere Teil des Ofenschachtes heute meist aus einem hochabriebfesten Feuerfestbeton, in Ausnahmefällen aus Schamottesteinen, die sich auf Tragringen oberhalb der Winddüsen abstützen, ausgeführt. Der untere Teil wird bei Neuzustellung mit hoch SiO2-reicher Stampfmasse zugestellt, im weiteren Verlauf der Ofenreise wird täglich mit entsprechender, auf die jeweiligen Ofenbedingungen abgestimmter saurer Spritzmasse repariert.

Der Langzeitofen muss gegenüber dem im täglichen Wechsel betriebenen Kalt- oder Heißwind-Kupolofen mit höherwertigem Futter, besonders im Schachtbereich, ausgekleidet werden. Hierin liegt auch in Verbindung mit optimaler Mantel- und Düsenkühlung (Wasser) die Ursache für die längere Futterhaltbarkeit dieses Ofens.

Spezifische Anforderungen an die Feuerfestmaterialien zur Kupolofenzustellung sind:

gute Verarbeitbarkeit bei Neuzustellung und bei Reparaturarbeiten,


geeignet für Trocknungs- und Aufheizprozesse in kürzester Zeit mit heißen Gasen,


Thermoschockresistenz besonders beim Vorblasen und Niederschmelzen durch starke Flammenbildung bis zur Ringkammer,


chemische Resistenz besonders gegenüber Kohlenmonoxid. Beim Beginn des Schmelzvorganges werden nach dem Boudouard-Gleichgewicht ständig Kohlenmonoxid und Kohlendioxid erzeugt, die einen intensiven Kontakt mit dem Feuerfestmaterial haben und chemisch reaktionsfähig sind.


ausreichende mechanische Beanspruchbarkeit durch das Einsatzmaterial beim Durchwandern der einzelnen Ofenzonen,


chemische Resistenz gegenüber der sich bildenden Schlacke, besonders bei großen Schlackemengen,


gutes Ausbruchsverhalten zur Entlastung der Mitarbeiter,


keine Verwendung von pechhaltigen und chromhaltigen Massen.

Die Feuerfestauskleidung von Kaltwind-Kupolöfen erfolgt in zwei Futterschichten:

Hinterfutter: hierfür werden meist hochtonerdehaltige, zementarme Spritzbetone eingesetzt.


Verschleißfutter: Verwendung einfacher Gemische aus Quarz und Ton (klassische Klebsande) für die meist tägliche Erneuerung nach einer Schmelzreise.

Beim wassergekühlten Heißwind-Kupolofen wird durch die wassergekühlten Düsen der rekuperativ gewonnene Heißwind in das Zentrum des Ofenherdes geblasen. Die gesamte Herdfläche steht zum Schmelzen zur Verfügung. Bei optimaler Auslegung der Prozessparameter ist eine Randgängigkeit des Ofens kaum zu beobachten. Der Verschleiß des Feuerfestmaterials ist gering.

Thermische Belastungen des Ofenfutters durch das flüssige Metall erreichen vor den Düsen (mit Sauerstoffanreicherung des Windes) bis zu 2200 °C. Im Koksbett liegt das flüssige E isen bei 1650 °C.

Für diese Belastung haben sich SiC-haltige Stampf- und Gießmassen, die die Wärme in das Kühlwasser gut ableiten können, bewährt.

Die Gehalte an SiC im feuerfesten Material werden nach der Schlackenbasizität eingestellt. Je höher die Basizität desto geringer sollte der SiC-Gehalt gewählt werden und umgekehrt.

Richtwerte:

SiC-Gehalt [%] Basizität = (CaO+Mg0)/SiO2

10 1,0–1,10

15 0,8–0,99
20 0,7–0,79

25 0,6–0,69

30 0,5–0,59

Für die Auskleidung von Langzeit-Heißwind-Kupolöfen haben sich zum Schutz des Kupolofenschachtes vor mechanischem Abrieb und thermischer Beanspruchung gefütterte Öfen bewährt (Bild  1). Das Futter muss eine hohe thermische Wechselbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit aufweisen. Hierfür haben sich hochtonerdehaltige Massen bewährt.

Verarbeitung bei erster Zustellung in der Regel als Gießbeton, die Zwichenreparatur meist mit Spritzbeton. Standzeit der Auskleidung liegt zwischen einem und vier Jahren.

Für den Schacht eines Kupolofens mit einer Schmelzleistung von 20 t/h werden Standzeiten des Schachtfutters zwischen 100.000 und 280.000 t kalter Satz erreicht.

In der Schmelzzone (Bild 2) werden Massen mit hohen SiC-Gehalten gewählt, um die hohen Temperaturen über den Stahlmantel in das Kühlwasser abzuleiten.

Feuerfestmaterialien für den Ofenherd müssen auf die Schlackenzusammensetzung, die von Kalk- und Kieselsteineinsatz, dem Aschegehalt des Kokses und von den oxydischen Anteilen im metallischen Einsatz abhängen, abgestimmt werden. Feuerfestmaterialien auf Basis Tabulartonerde, Korund und SiC kommen hier zum Einsatz. Der Feuerfestaufbau ist in den Bildern 3 und 4 zu sehen.

Bild 1: Auskleidung Ofenschacht© Taschenbuch der GIESSEREI PRAXIS
Bild 2: Auskleidung Schmelzzone© Taschenbuch der GIESSEREI PRAXIS
Bild 3: Auskleidung Ofenherd 
1 Feuerfester Beton oder Stampfmasse mit circa 19 % SiC 
2 Stampfmasse mit circa 19 % SiC um das Mannloch zu verschließen© Taschenbuch der GIESSEREI PRAXIS
Bild 4: Ansicht eines neu zugestellten Ofenherdes© Taschenbuch der GIESSEREI PRAXIS