Metoda remontu g owicy ciany grzewczej baterii koksowniczej z wykorzystaniem modu ów o zerowej rozszerzalno ci

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 61, 4, (2009), Metoda remontu g owicy ciany grzewczej baterii koksowniczej z wykorzystaniem modu ów o zerowej rozszerzalno ci Janusz Mytych Zak ady Koksownicze Zdzieszowice sp. z o.o. j_mytych@poczta.onet.pl Streszczenie Wyd u enie ywotno ci baterii koksowniczych jest niezmiennie du ym wyzwaniem dla twórców technik remontowych. Pomimo licznych prac, do chwili obecnej nie opracowano jeszcze jednej, uniwersalnej metody i wszystkie nowe próby rozwi zania tego problemu musz budzi zrozumia e zainteresowanie u ytkowników baterii koksowniczych. Przedmiotem prezentowanego opracowania jest wykorzystanie mo liwo ci zminimalizowania czynników determinuj cych czas prowadzenia remontu poprzez zast pienie ma ogabarytowych kszta tek krzemionkowych wielkogabarytowymi blokami o zerowej rozszerzalno ci, zawieraj cymi krzemionk amorfi czn. Uzyskano znaczn redukcj ilo ci formatów kszta tek, skrócenie czasu remontu, popraw jako ci wykonanych prac i ograniczenie wypadu produkcyjnego. S owa kluczowe: baterie koksownicze, materia y ogniotrwa e, czas ycia, remont gor cy, krzemionka amorfi czna A METHOD OF REPAIRING THE HEATING WALL HEAD OF COKE OVEN BATTERY BY USING ZERO EXPANSION MODULES Lifetime extension of coke oven batteries is the invariably large challenge for the creators of repair techniques. Despite of many work done, until now there is no one universal method designed and all new attempts to solve this problem must arouse understandable interest of users of the coke oven batteries. The main topic of the presented study was to utilize possibility of minimization of the factors, determining the time of repair work through the substitution of low-dimension silica bricks for large-dimension block of zero expansion, containing fused silica. Substantial reductions in quantity of the refractory repair pieces, shortening of the repair time, improving quality of the repair work and limitation of the production hearth were achieved. Keywords: Coke oven battery, Refractories, Lifetime, Hot renovation, Fused silica Wprowadzenie Baterie koksownicze (Rys. 1) stanowi podstawow cz (ok. 30%) ogólnej warto ci maj tku trwa ego koksowni. Wyd u enie ich ywotno ci, podobnie zreszt jak ka dego innego obiektu, osi ga si g ównie poprzez starann eksploatacj, tzn. rygorystyczne przestrzeganie: parametrów wsadu w glowego, re ymu temperaturowego i ci nieniowego, sprawno ci maszyn i urz dze obs uguj cych bateri, poziomu fachowej obs ugi baterii, oraz systematyczne prowadzenie remontów uszkodzonych elementów baterii. Intensywno procesu degradacji masywu ceramicznego baterii koksowniczych jest nie zawsze identyczna, gdy trwa- o i ywotno ceramiki zale y od wielu czynników. Ogólnie przyjmuje si, e bateria koksownicza powinna pracowa w sposób ci g y na tym samym krzemionkowym tworzywie ceramicznym przez okres lat, lub w przeliczeniu na jedn komor koksownicz zrealizowa ok cykli produkcyjnych. Przyczyny powstawania uszkodze masywu ceramicznego mo na sklasyfi kowa w nast puj cy sposób: a) Dzia anie si mechanicznych mog one polega na ró nego rodzaju naciskach, wstrz sach lub te cieraniu si materia u obmurza podczas wypychania koksu z komory. Oddzia ywania te s szczególnie niebezpieczne w przypadku g owic cian grzewczych po stronie maszynowej, gdy w pierwszej fazie procesu wypychania koksu z komory nast puje jego zgniecenie i rozepchanie na ciany grzewcze. Ponadto wa nym czynnikiem decyduj cym o warunkach techniczno-eksploatacyjnych w przypadku baterii systemu zasypowego jest smuk o komór, tzn. wzajemny stosunek d ugo ci, szeroko ci i wysoko ci komór. Ma on zwi zek z faktem, e przemieszczaj cy si po stropie wóz zasypowy powoduje du e wstrz sy mechaniczne ceramiki obmurza. b) Szoki termiczne - wyst puj podczas operacji obsadzania komory wilgotn mieszank wsadow ; temperatura obmurza cian grzewczych w strefie powierzchniowej spada wtedy nawet do 600 C; nast puj mechaniczne sp kania na skutek gwa townych zmian temperatury, które roz o one w czasie prowadz do powstania znacznych uszkodze ceramiki. c) Procesy korozji ceramiki powoduj one, w czasie pracy urz dzenia cieplnego, zu ywanie si materia ów ogniotrwa ych. Korozja obmurzy cian grzewczych w wi kszo ci 244

2 METODA REMONTU G OWICY CIANY GRZEWCZEJ BATERII KOKSOWNICZEJ... Rys. 1. Schemat pogl dowy baterii koksowniczej. Fig. 1. General scheme of the coke oven battery. obejmuje dzia anie chlorków i siarczanów metali alkalicznych, zwi zków elaza oraz tlenku w gla pochodz cych z mieszanki wsadowej. Zwi zki te zale nie od charakteru tworz niskotopliwe zwi zki (eutektyki) obni aj ce ogniotrwa o materia u ogniotrwa ego. d) Wysoka temperatura - warunkuje ona w znacznej mierze skuteczno wp ywu pozosta ych czynników destrukcyjnych, takich jak korozja, szoki termiczne oraz mechaniczne uszkodzenia ceramiki. Sama temperatura do rzadko decyduje bezpo rednio o zniszczeniu obmurza. Remonty baterii koksowniczej, jednego z najbardziej skomplikowanych pieców przemys owych, s jednak nie tylko kosztowne i d ugotrwa e, ale przede wszystkim bardzo trudne, z powodu bezwzgl dnej konieczno ci utrzymania zasadniczej cz ci baterii w ci g ej eksploatacji i dlatego nie zawsze prowadz do zamierzonych efektów. W wietle do wiadcze ruchowych, obecnej wiedzy [1-7] i znowelizowanych przepisów, wiele z wypracowanych dotychczas technologii remontowych wymaga weryfi kacji, uzupe nie lub wr cz nowego opracowania. Istotny, w tym wypadku, jest nie tyle koszt prowadzonych zabiegów remontowych, co ich trwa o i pewno, szczególnie w przypadku baterii wyeksploatowanych, na których wzrasta gwa townie ilo koniecznych do przeprowadzenia napraw. Klasyczny sposób remontu Przemurowanie g owic cian grzewczych pieców koksowniczych prowadzi si w przypadku, gdy destrukcja ceramiki obmurza jest na tyle daleko posuni ta, e nie jest mo liwa jej naprawa poprzez torkretowanie (metod pó such ) lub jednostronne przemurowanie. Nale y podkre li, e remont g owicy ma sens tylko w przypadku, gdy pozosta a cz ciany grzewczej jest w dobrym stanie technicznym. Stosowana dotychczas metoda remontu g owicy ciany grzewczej wykorzystuje kszta tki krzemionkowe i wymaga du ego nak adu pracy podczas ich magazynowania ze wzgl du na stosunkowo du ilo stosowanych formatów oraz sposobu ich murowania wymagaj cego u o enia na zaprawie ponad 1200 kszta tek. Ponadto metoda ta wymaga wzgl dnie d ugiego czasu rozgrzewania uwzgl dniaj cego okre lony przyrost temperatur zwi zany z zachodz cymi przemianami polimorfi cznymi w materiale krzemionkowym. Strefa remontu i praca baterii koksowniczej podczas remontu Stref remontu przedstawiono na rysunku 2. Strefa ta obejmuje 5 kana ów grzewczych po stronie maszynowej oraz warstwy od 10 do 63 licz c od posadzki. Jak wida na tym rysunku wy czone z eksploatacji s 4 komory, w tym dwie komory stanowi ce obszar remontowanej g owicy ciany grzewczej, dwie na rozporach (buforowe) bezpo rednio s siaduj ce ze stref remontu i dwie pó buforowe pracuj ce na 1,5 cyklu koksowania. Pozosta e komory baterii pracuj w normalnym, za o onym cyklu koksowania. Remonty zwi zane z przemurówk g owic cian grzewczych po czone s z du ym ryzykiem. Powa nym problemem jest w tym przypadku nie tylko samo murowanie nowej ceramiki, lecz równie ochrona ceramiki starej przed sch odzeniem poni ej temperatury 350 C. Nale y tutaj bezwzgl dnie stosowa system os on izolacyjnych na starej ceramice, aby nie dopu ci do jej degradacji. Problemem pojawiaj cym si podczas remontu jest po czenie starej cz ci ciany z now. Problem ten nie wyst puje w ma ych bateriach, natomiast pojawia si w przypadku baterii wysokokomorowych, w których podczas wypychania koksu z komory wyst puj du e si y nacisku mog ce spowodowa MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 61, 4, (2009) 245

3 J. MYTYCH po czonych kszta tek w ilo ci 153 sztuki. Na rysunku 4 przedstawiono 5 g ównych modu ów (pozycji masowych). Efekty zastosowania bloków po czonych kszta tek W tabeli 1 przedstawiono porównanie w asno ci fi zykochemicznych krzemionki zwyk ej, tradycyjnie stosowanej w koksownictwie, z krzemionk amorfi czn. Porównanie Rys. 2. Praca baterii podczas remontu: 1 remontowana g owica ciany, 2 izolacja cian buforowych, 3 rozpory ceramiczne, 4 komory pracuj ce na 1,5 cyklu koksowania, 5 komory buforowe na rozporach. Fig. 2. Battery operation during a repair: 1 repaired head of the wall, 2 insulation of the buffer wall, 3 ceramic straining beams, 4 chambers working on 1.5 cocking cycle, 5 buffer chambers at straining beams. deformacj wyremontowanej g owicy ciany grzewczej. Tabela 1. Porównanie w asno ci fi zyko-chemicznych krzemionki zwyk ej i amorfi cznej. Table 1. Comparison of physicochemical properties of regular and amorphous silica. L.p. W asno Jednostka miary Krzemionka zwyk a amorfi czna 1 SiO 2 min % 94, Al 2 O 3 max % 1,5 3,0 3 Fe 2 O 4 max % 1,5 0,006 Zmodyfikowany sposób remontu 4 G sto rzeczywista (max) g/cm 3 2,35 2,20 Dla potrzeb zmodyfi kowanej metody remontu g owicy ciany grzewczej baterii koksowniczej opracowano bloki po czonych kszta tek o formatach charakterystycznych dla baterii typu PWR 63, systemu zasypowego o zbie no ci komory 40 mm i redniej szeroko ci 410 mm. Do wykonania bloków nadaje si niskocementowy beton na kruszywie z topionego kwarcu o uziarnieniu max. 10 mm. Beton formuje si w metalowych formach na stole wibracyjnym. Temperatura obróbki cieplnej wynosi 750 C. Za o ono stref remontu obejmuj c g owic ciany komory koksowniczej na g boko ci 5 kana ów grzewczych i pe nej wysoko ci warstw (Rys. 3). Do wykonania remontu zaproponowano 16 typów bloków 5 G sto pozorna g/cm 3 1,9 1,8 6 Porowato otwarta (max) % Wytrzyma o na ciskanie (min) MPa Ogniotrwa o pod obci eniem (min) C Rozszerzalno w 1000 C (max) % 1,3 0,15 10 Przewodno cieplna w 1100 C W/km 1,8 1,2 Rys. 3. Przekrój poprzeczny i wzd u ny ciany grzewczej. Fig. 3. Transverse and longitudinal sections of the heating wall. 246 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 61, 4, (2009)

4 METODA REMONTU G OWICY CIANY GRZEWCZEJ BATERII KOKSOWNICZEJ... Rys. 4. Bloki naprawcze i ich wykorzystanie: a) g ówne modu y (pozycji masowych); b) rysunek z o eniowy dwóch warstw obmurza. Fig. 4. Repair pieces and their usage: a) main modules (bulk positions), b) assembly drawing of two brickwork layers. zakresów rozszerzalno ci tych materia ów w zale no ci od temperatury przedstawiono na rysunku 5. Kolejne tabele przedstawiaj w postaci porównawczej cykl prowadzenia remontów (Tab. 2), postój zwi zany z wykonaniem remontu (Tab. 3) oraz bilans materia owy zwi zany z wykorzystaniem metody klasycznej i zmodyfikowanej (Tab. 4). Porównanie wszystkich parametrów uj tych w tabelach 2-4 tworzy mocne przes anki uzasadniaj ce celowo podj cia si rozwi zania trudnego problemu remontów baterii koksowniczych sposobem zaproponowanym w niniejszej pracy. Z uwagi na zbyt krótki czas eksploatacji baterii koksowni- czych w ZK Zdzieszowice nie by o konieczno ci remontu g owic cian grzewczych i wykorzystania modu ów wykonanych z materia u o zerowej rozszerzalno ci wed ug metody opisanej powy ej. Jednak materia y tego typu zosta y sprawdzone w warunkach znacznie trudniejszych dla materia ów ogniotrwa ych, a mianowicie na drzwiach piecowych podlegaj cych cyklicznym szokom termicznym. Drzwi takie s otwierane co 15,5 h w celu wypchni cia koksu i sch adzane przez ok. 10 min do temperatury otoczenia. Po wypchni ciu koksu zak ada si je na komor i ponownie ulegaj nagrzaniu. Klasyczne betony na bazie kruszywa szamotowego pracowa y rednio MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 61, 4, (2009) 247

5 J. MYTYCH Tabela 2. Porównanie harmonogramów prowadzenia remontów. Table 2. Comparison of schedules of the repair work. Wyszczególnienie robót przy remoncie Metoda Klasyczna Metoda Zmodyfi kowana [dni] Ch odzenie 5 5 Remont Rozgrzewanie 21 2 Razem Rys. 5. Porównanie rozszerzalno ci liniowej krzemionki zwyk ej i amorfi cznej. Fig. 5. Comparison of linear thermal expansion of regular and amorphous silica. 16 miesi cy po czym nast powa a wymiana ca ej wyk adziny ogniotrwa ej, ze wzgl du na widoczne skutki cyklicznie wyst puj cego szoku termicznego (Rys. 6a). Natomiast drzwi z wyk adzin ogniotrwa z kwaru topionego, po tym samym czasie pracy, nie wykaza y adnych oznak destrukcji (Rys. 6b). Najstarsze drzwi wykonane z materia u o zerowej rozszerzalno ci pracuj ju 21 miesi cy. Podsumowanie Wyd u enie pracy baterii koksowniczej by o i jest powa nym wyzwaniem dla twórców technik remontowych. Szczególnie w ostatnim czasie zosta o opracowanych wiele metod i technik maj cych na celu b d zwi kszenie skuteczno ci prowadzonych napraw, b d obni enie ich kosztu. Jednak do chwili obecnej nie opracowano jednej, uniwersalnej metody i ka da nast pna próba rozwi zania tego problemu musi budzi zrozumia e zainteresowanie eksploatatorów Tabela 3. Wypad produkcji. Table 3. Production hearth. baterii koksowniczych, niezale nie od wad i niedomaga proponowanych rozwi za. Przy zastosowaniu zaproponowanej metody uzyskuje si nast puj ce korzy ci: Zmniejszenie ilo ci formatów kszta tek ze 104 wyspecyfi kowanych do 16 wi kszych, co powoduje zmniejszenie ilo ci spoin i warstw, a wi c ogranicza ryzyko wyst pienia przebicia gazu surowego do kana u grzewczego. Skrócenie czasu remontu wynikaj ce z wi kszej szybko ci murowania i krótszego czasu rozgrzewania, gdy tempo przyrostu temperatury nie odgrywa w tej metodzie istotnej roli. Materia ma stabiln struktur, ograniczony stopie transformacji krzemionki i odpowiednie w asno ci dylatacyjne. Jest praktycznie nierozszerzalny temperaturowo, a wi c bloki murowane s w ich ostatecznym po o eniu i ryzyko powstawania szczelin jest niewielkie. O wdro eniu przedstawionej metody do praktyki wykonawczej decydowa b d ró norodne czynniki, pocz wszy od mo liwo ci fi nansowych, a sko czywszy na wymaganej trwa o ci i czasie trwania samego remontu, co wi e si np. z planowanym wypadem produkcji koksu. L.p. Rodzaj wykonywanego remontu Ilo dni remontu Komorogodziny postoju [h] Wypad produkcji [t koksu] 1 Remont klasyczny z zastosowaniem zwyk ej krzemionki Remont z zastosowaniem bloków po czonych kszta tek Za o enia remontu: * 5 komór wy czonych z eksploatacji, * czas koksowania 18 h, * uzysk koksu z komory 17,3 t. Tabela 4. Bilans materia owy wykonania remontu. Table 4. Material balance of repair execution. L.p. Rodzaj wykonywanego remontu Ilo dni remontu Wypad produkcji [t koksu] Straty produkcji [tys. USD] Koszt materia ów [tys. USD] Ca kowity koszt [tys. USD] 1 2 Remont klasyczny z zastosowaniem zwyk ej krzemionki Remont z zastosowaniem bloków po czonych kszta tek ,99 5, , ,89 11,22 570,11 Za o enia: * cena koksu za ton USD, * cena krzemionki (zwyk ej) za ton USD, * cena krzemionki (topionej) za ton USD. 248 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 61, 4, (2009)

6 METODA REMONTU G OWICY CIANY GRZEWCZEJ BATERII KOKSOWNICZEJ... Podzi kowania Dla Tadeusza Maja (ZK Zdzieszowice), Ludwika Kosyrczyka (ICHPW Zabrze) i Ewy Z bek (PCO arów) za to, e zaszczepili we mnie pasj koksownicz, remontow i ceramiczn. Literatura a) b) Rys. 6. Stan wyk adziny ogniotrwa ej na drzwiach piecowych po 16 miesi cach u ytkowania: a) typowy beton szamotowy, b) beton z kwarcu modyfi kowanego. Fig. 6. Refractory lining on furnace doors after 16 months of work: a) typical chamotte castable, b) modifi ed quartz castable. [1] Depouix M., Canon T. i wsp.: Prolonged Coke Oven Life. 3rd International Cokemaking Congress, Gent, Belgium, September [2] Elsner M.: Masy do torkretowania metod pó such, Materia y Ogniotrwa e nr 3, (1981). [3] Leroy J.M., Rasch A.: Repair of End Heating Wall by Prefabricated Large Elements of Non-Dilatating Castable, Cokemaking Intemational, 7, [1], (1995), 54. [4] Ozawa T., Nakada T.: Hot repair technique of coke oven brickwork in a short time, International Congress ECIC, Paris, France, June [5] Szwiecow W., Cziemarda A.: Ob effi ektiwnosti goriaczich riemontow ognieupornoj k adki koksowych batieriej, Koks i Chimija, nr 9, [6] Tatara A, Kosyrczyk L., Klejnowski K.: Wspó czesne technologie gor cych remontów baterii koksowniczych, jako sposób na wyd u enie okresu ich eksploatacji i popraw ochrony powietrza, Referat wyg oszony na Konferencji Naukowo-Technicznej nt.: Koksownictwo 2000, Krynica Górska, pa dziernik [7] Karcz A.: Koksownictwo, cz. I, Wydawnictwo AGH, Kraków MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 61, 4, (2009) 249