Экспертные услуги по ремонту огнеупоров коксовых печей для оптимальной производительности

Ремонт огнеупоров коксовых печей

Батарея коксовой печи — это огнеупорная конструкция, содержащаяся внутри стального и/или бетонного экзоскелета. Этот экзоскелет удерживается вместе в поперечном направлении рядом тяговых стержней между стальными бакстейми. Бакстеймы — это вертикальные стальные балки, расположенные на концах нагревательных стенок между печами. В продольном направлении тяговые стержни простираются между пиньонными стенками на обоих концах батареи.

Нагревательные стенки традиционно строятся из кварцевых огнеупоров. Кварц — это огнеупор по выбору в первую очередь потому, что при нормальных рабочих температурах батареи коксовой печи кварцевые огнеупоры подвергаются минимальному ползучеству. Также, поскольку почти все расширение кварцевых кирпичей происходит при температурах ниже 650 °C, следовательно, умеренные температурные колебания стенок не влияют на объемную стабильность огнеупора, составляющего стенку во время нормальной работы батареи.

Батареи коксовых печей будут иметь эксплуатационный срок 20–40 лет в зависимости от операционных условий и обслуживания батареи. Существует несколько примеров коксовых печей, работающих 40–50 лет благодаря правильной эксплуатации и своевременному ремонту. Существуют также случаи, когда отказы огнеупоров коксовых печей происходили менее чем за 10 лет эксплуатации. Обычно батарея требует специфических ремонтов огнеупоров, стальной работы или механизма. Эти ремонты, если выполнены правильно, продлевают жизнь батареи.

Виды повреждений стенок коксовых печей

Для продления срока службы батареи коксовой печи необходимо избегать повреждений стенки печи. В частности, особенно важно избегать ломки кирпичей, так как это вызывает отверстие в кирпичной стенке и печь должна быть остановлена, и кирпичная кладка печи может быть дополнительно повреждена в процессе простоя.

Стенки коксовых печей подвергаются механической нагрузке и тепловой нагрузке, состоящей из повторного нагрева и охлаждения в рутинной операции, и поэтому любой ущерб им становится все хуже год за годом. Существует два основных типа повреждений стенок коксовых печей. Они следующие:

• Уменьшение толщины кирпичной стенки — углеродные отложения на шершавой поверхности стенки, вызванные эрозией кирпича и потерей раствора за многие годы эксплуатации печи. По мере того как углеродные отложения отпадают или отделяются от стенки, они сдирают больше распадающегося кирпича, вызывая дальнейшую эрозию кирпичной кладки.
• Возникновение и распространение вертикальных сквозных трещин — под механическим ударом при зарядке угля и термическим напряжением, вызванным повторным нагревом и охлаждением, продольные трещины образуются, которые в конечном счете достигают камеры сгорания. По мере попадания углерода в эти трещины, тело печи расширяется.

Причины повреждений огнеупоров печей следующие:

• Износ и естественное ухудшение огнеупоров из-за возраста, приводящее к потере толщины, увеличению шершавости поверхности и сколю кирпичных стенок печей.
• Нарушение технологической дисциплины во время эксплуатации батареи.
• Движение нагревательных стенок в ответ на неравновесное дифференциальное давление через нагревательную стенку.
• Чрезмерное коксовое давление на стенки при коксовании. Это коксовое давление зависит от характеристик коксующихся углей.
• Отказы при выдавливании, вызванные прилипшей печью. Твердое выдавливание может вызвать ломку стенки, так как локализованная сила около 600 кН часто возникает при условии твердого выдавливания и достигает допустимого предела в поврежденных печах.

Жизнь огнеупоров печей зависит от операционной эффективности, своевременной диагностики повреждений и качества предупредительного обслуживания. Первые незначительные повреждения кирпичной кладки могут быть замечены в ранние годы эксплуатации. С тех пор развивающийся характер повреждений становится все более сложным. Сложная природа развития повреждений стенок печей показана на рис. 1.

Рис. 1 Развитие повреждений стенок печей

Далее, по мере того как повреждение кирпичей стенки печи становится все более очевидным, инциденты отказа при выдавливании и другие проблемы, препятствующие стабильной эксплуатации коксовой печи, также идут на увеличение. При этих условиях становится все более трудно эффективно ремонтировать проблемные коксовые печи обычными методами. Поэтому раннее обнаружение и количественный анализ поврежденных частей стенок печей необходимы для плановых и своевременных ремонтов огнеупоров печей.

Методы горячего ремонта огнеупоров коксовых печей

Ремонт огнеупоров коксовой печи требует значительной экспертизы. Техники горячего ремонта стенок коксовой печи должны отвечать следующим критериям:

• Нет прерывания производственного цикла.
• Метод надежен и обеспечивает длительную работу отремонтированных участков стенки.
• Метод прост, экономичен и экономит время.

Ремонт огнеупоров может быть выполнен либо в холодном состоянии (известен как холодные ремонты), либо в горячем состоянии (известен как горячие ремонты). Существует три типа методов горячего ремонта, применяемых для ремонта кирпичей коксовой печи. Они описаны ниже.

Холодные ремонты

Если вся батарея сквозных стенок должна быть заменена от пола печи до нижней стороны крыши печи, ремонт может быть выполнен с охлажденной до атмосферной температуры батереей огнеупоров. Этот тип ремонта, который проводится после охлаждения батареи, известен как холодный ремонт батареи.

Замена сквозных стенок всей батареи осуществляется путем разрешения батареи остыть под контролируемыми условиями перед ремонтом. Остывание может занять до 21 дня, в течение которых давление поддерживается на стенках печей путем регулировки верхних и нижних тяговых стержней. Крыши печей должны быть поддержанны. После перестройки стенок и перед нагревом все решетки должны быть удалены из регенератора, и любые трещины в столбовых стенках должны быть очищены и заполнены керамическим волокном перед заменой решеток, чтобы не препятствовать расширению кирпичной кладки при нагреве.

Отремонтированная батарея с новыми сквозными стенками, при правильном обслуживании, может ожидать жизнь примерно 15–20 лет за долю стоимости новой батареи коксовой печи.

Гунирование (Guniting repairs)

Что касается процедур гунирования, существуют сухое и мокрое гунирование и методы распыления. Для достижения оптимального срока службы покрытых гунированием материалов, многие факторы должны быть рассмотрены. Это начинается с разных гунировочных машин, оборудования и аксессуаров и заканчивается экономичной и экологичной обработкой.

При обработке огнеупорных ремонтных продуктов важно, чтобы всегда оптимальное соотношение смешивания материала и воды подстраивалось. Особенно при гунировочном ремонте равномерный поток материала важен для уменьшения развивающейся пыли и отскока.

Для гунировочного ремонта кирпичей коксовой печи обычно используется роторная гунировальная машина. Здесь дозирование осуществляется системой, состоящей из ротора и упаковочных прокладок. Привод выполняется электрическим редуктором или компрессированным воздушным мотором. Машина прочная, удобная, мобильная и подходит для гунировочных мощностей 0,25–4,0 м³/ч.

Ремонт гунированием не является очень эффективным ремонтом и дает временные и скорее косметические результаты.

Керамическая сварка (Ceramic welding)

Керамическая сварка — широко признанный метод ремонта. Технология керамической сварки предоставляет широкие возможности для ремонта облицовок различных физико-химических составов для увеличения срока службы высокотемпературных реакторов. Эта технология была разработана в Европе для применения в стекольных печах. Позже эта технология была адаптирована к коксовым печам для проведения горячего ремонта поврежденных огнеупоров в стенках коксовых печей. Технология обеспечивает максимальную стойкость отремонтированных участков с минимальным негативным воздействием на кирпичную кладку. Долговечность отремонтированных участков коксовой печи может быть достигнута на основе передовых технологий керамической сварки с использованием высококачественных материалов.

Процесс керамической сварки был впервые применен в 1970-х годах. Этот процесс горячего ремонта используется для ремонта огнеупоров коксовой печи при рабочей температуре с минимальным нарушением производства. Ремонтный материал керамически связывается с поврежденным огнеупором, используя процесс плавления, генерирующий экзотермическую реакцию выше 2200 °C. Прочность шва керамической сварки позволяет осуществлять превосходный ремонт, восстанавливающий структурную целостность исходной кирпичной кладки.

Перед керамической сваркой пневматическая наждачная система используется для очистки огнеупора. Этот процесс очистки должен проводиться с минимальной травмой для окружающего огнеупора.

Керамическая сварка выполняет то, что подразумевает название — сварку кварцевого кирпича внутри коксовой печи. Это осуществляется путем транспортировки порошковой смеси, богатой кварцем, через маленькую трубную ланцу через обогащенный кислородом сжатый воздушный поток. Порошковая кварцевая смесь вылетает из конца ланцы и загорается, почти взрывается, против горячей стенки коксовой печи. Тепло реакции проникает в кварцевый кирпич, создавая пластичную зону кварца. Реакция также превращает порошковую кварцевую смесь в расплавленную массу, которая связывается с вышеупомянутой пластичной зоной на кварцевом кирпиче. Внешний вид похож на сварной шов. Также эффекты похожи, так как новый, равносильно прочный материал осаждается на существующий изношенный и треснувший кварцевый кирпич. Следующие аспекты важны для керамической сварки:

• Сродство химического и минералогического состава материалов керамической сварки характеристикам кирпичной кладки, подлежащей восстановлению
• Идентичность структурно-фазового состава огнеупорного материала
• Сильное межатомное (кристаллическое) соединение сварного слоя и кирпичной кладки стенки печи

Метод керамической сварки может не только заваривать трещины и сколы, но и дефекты большой площади, такие как полости. Кроме того, технология позволяет надежно сварки стыков старой и новой кирпичной кладки.

Правильно установленный материал керамической сварки обеспечивал двадцать лет службы. Однако средний керамический шов прослужит примерно 10 лет.

Схема для керамической сварки показана на рис. 2.

Рис. 2 Схема для керамической сварки

Перекладка горячих нагревательных стенок коксовой печи

Горячая перекладка нагревательных стенок на различные глубины до полной перекладки также является признанным эффективным методом ремонта. Кирпичные ремонты, обычно предпринимаемые: замена конечных дымоходов, замена стенок печей между полом печи и крышей печи, и аварийные ремонты внутри камеры печи. Эти ремонты выполняются, пока батарея в горячем состоянии производит кокс.

Ремонт кирпичной кладки стенки печи может состоять в укладке сквозных стенок (со стороны выдавливания на сторону кокса) над полом печи и под крышей печи. В то же время кирпичные ремонты могут быть сделаны в области корбеля, и лицевые кирпичи и отдельные крыши печей могут быть заменены.

Ремонт выполняется с батареей в горячем состоянии с одной или двумя буферными печами (пустыми печами) на каждой стороне ремонтируемой стенки. Остальные печи батареи могут производить кокс. Перед демонтажем поврежденной стенки опорные балки крыши должны быть добавлены в смежные печи, изолирующие панели должны быть установлены на смежные горячие стенки, мосты рельсов заряднои машины должны быть установлены на вершине печи, и поддержка должна быть обеспечена для крыши печи, под которой стенка будет заменена. Следует следить за поддержанием тепла в регенераторах и на смежных стенках. Основные характеристики этого типа ремонта следующие:

• Исходные формы кварцевых кирпичей используются.
• Укладка выполняется с проектными кирпичами, с обвязкой на каждом ряду, включая стык старых и новых частей.
• Частичный нагрев и расширение слоев кирпичной кладки происходит непрерывно благодаря теплопроводности и излучению тепла от смежных нагретых стенок и остальных частей отремонтированных стенок.
• Финальный нагрев отремонтированной стенки проводится и обычно занимает около 8–10 дней.
• Остаточный рост кирпичной кладки (при финальном нагреве до рабочих температур после ремонта) незначителен, что обеспечивает долговечность и газоhermeticность выполненной новой кирпичной кладки.

Лучшие результаты реализации горячих ремонтов, комбинирующих процессы укладки кирпичной кладки и частичного нагрева уложенной кирпичной кладки, достигаются при следующих условиях:

• Кварцевый кирпич высокого качества используется для ремонта
• Ремонт проводится на одной стенке одновременно
• Глубина перекладки не менее 4 вертикалей, включая кварцевые и шамотные вертикальные дымоходы крыш и зоны крыш печей
• Во время ремонта нагревательной стенки кирпичи подошвы печи и поврежденные кирпичи нижних рядов конечной части нагревательной стенки также должны быть заменены (как и в коксовой камере)

Безопасность смежных стенок достигается за счет поддержания температуры (750–850 °C) в нагревательных стенках во время ремонта, тем самым исключая модификационные трансформации кварца.

Основная проблема в использовании кварцевых огнеупоров в горячих ремонтах — поддержание долговечности и газоhermeticности непрерывного вертикального стыка между старыми и новыми частями кирпичной кладки из-за деформаций при нагреве, вызванных значительным термическим линейным расширением кварца (1,2–1,4%). Из-за этого ремонты кирпичной кладки коксовой печи в некоторых странах проводятся с использованием модулей из расплавленного кварца, имеющих малый коэффициент термического расширения 0,2–0,3%.

Преимущества этого метода ремонта следующие:

• Ремонт продлевает жизнь батарей коксовых печей на 7–12 лет при условии поддержания технологической дисциплины эксплуатации батареи.
• Поскольку ремонт берется только изношенных/поврежденных камер, производство с батареи не останавливается, в отличие от холодных ремонтов, которые длятся более 12 месяцев без производства с батареи.
• Во время ремонта таких коксовых печей изношенные части крепления (флеш-пластины, рамы дверей, части якорных колонн, тяговые стержни) и огнеупорная кирпичная кладка заменяются. Это не ухудшает состояние балансовой кирпичной кладки и крепления, которые не заменяются.
• Горячий ремонт батареи имеет больше техно-экономических преимуществ над холодными ремонтами. Стоимость ремонта 30–40% стоимости холодных ремонтов.