автор П.В. Третьяков, научный руководитель-проф. А.С. Парфенюк.

Поиск возможностей повышения техногенной безопасности тепловых агрегатов и установок для переработки различных углеродистых материалов и отходов, в частности, коксовых и пекококсовых батарей, пиролизных и мусоросжигательных печей, установок сухого тушения кокса и др. в последнее время становится все более актуальным по многим причинам.

Во-первых, это связано с разработкой технологии переработки различных твердых углеродистых отходов промышленного и бытового происхождения в наклонных термолизных печах.

Во-вторых, происходит быстрое старение основных фондов, низки темпы их восстановления, поскольку капитальные вложения в производство за последние годы снизились в несколько раз, повышаются затраты на ремонты.

В третьих, нарастают частота и тяжесть возможных последствий от аварий и экологического ущерба окружающей среде из-за выбросов в атмосферу газов содержащих вредные вещества.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УРОВЕНЬ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Уровень техногенной безопасности тепловых агрегатов будет складываться на таких основных этапах их жизни, как:

1 этап - разработка и проектирование. На этом этапе уровень техногенной безопасности будет зависеть от конструктивных и компоновочных решений при строительстве батарей; от выбранных конструктивных материалов элементов конструкции.

2 этап - монтаж. От качества и точности монтажа будет во многом зависеть дальнейшая работа агрегата, его долговечность и безотказность.

3 этап - пуск батарей. На данном этапе проявляется основное количество дефектов кладки, связанных с качеством огнеупорных материалов, качеством самой кладки и соединяющих их стыков, или с некорректным режимом ввода батареи в эксплуатацию.

4 этап - эксплуатация батареи. По материалам IV Европейского конгресса по коксохимическому и доменному производствам [1] были выделены следующие основные элементы стратегии увеличения надежности коксовых батарей:

• "безопасность" угольной шихты;

• бережная эксплуатация печей;

• высокая степень управления процессом и условиями эксплуатации;

• высокая пригодность и надежность обслуживания машин;

• ограничение отложений углерода;

• ремонт печей;

• комплексные программы предупредительного обслуживания батарей;

• снижение выбросов в атмосферу;

• эффективность затрат.

Уровень техногенной безопасности в основном определяется экологичностью агрегата и его надежностью. В свою очередь экологичность зависит от степени герметичности между различными элементами конструкции (дверь - рама, рама - бронь, бронь - простенок и т.д.) и герметичности самого массива кладки обогревательного простенка.

Герметичность последнего определяется конструкцией перевязок, свойствами мертеля и такими характеристиками огнеупорного материала, как: износостойкость, трещиностойкость, устойчивость к перепадам температур, химическая стойкость к агрессивным средам.

Надежность агрегата складывается из безотказности, долговечности и ремонтопригодности. Во многом она будет зависеть от надежности кладки обогревательного простенка как наиболее ответственного элемента всей конструкции.

Все выше перечисленные факторы взаимосвязаны между собой. Изменение одного из параметров может повлечь за собой изменение некоторых других.

В определении уровеня техногенной безопасности большую роль играет состояние элементов головочной зоны коксовых, пекококсовых батарей. Это двери, футеровка дверей, бронерама, а также головочная часть простенка (зона первых двух отопительных вертикалов) которая подвержена наиболее сильным разрушениям по сравнению со срединной частью обогревательного простенка. Поэтому данная зона конструкции наиболее сильно будет влиять на уровень техногенной безопасности тепловых агрегатов подобного рода. И речь о критериях оценки техногенной безопасности, которые будут рассматриваться ниже, будет идти именно об элементах головочной зоны конструкции.

Наиболее полно уровень техногенной безопасности характеризуют следующие критерии:

• герметичность - оценивает количество выбросов вредных газообразных веществ в окружающую среду. Данным критерием характеризуются стыковочные узлы конструкции (дверь - бронерама, бронерама - кладка простенка, массив кладки и т.д.);

• прочность - характеризует прочностные свойства каждого из элементов (дверь, футеровка, бронерама, огнеупорная кладка простенка)

• долговечность - характеризует величину ресурса каждого из элементов

Герметичность стыковочных узлов: дверь - бронерама, бронерама - кладка простенка завист от количества печевыдач, перепадов температур действующих в данной зоне, нагрузки от усилия анкерного обжатия и установки двери, динамических нагрузок:

При определении критерия герметичности массива кладки также необходимо учитывать: поперечные нагрузки, возникающие от давления коксования; конструктивные особенности перевязок в кладке; геометрические размеры простенка; свойства огнеупорного материала кладки и мертеля. Что сильно усложняет задачу.

Поперечные нагрузки, возникающие от давления коксования, непостоянны как по длине, так и по высоте печной камеры и зависят от насыпной плотности шихты. Так же непостоянны продольные нагрузки в массиве кладки. Нижние ряды кладки воспринимают большие нагрузки по сравнению с вышележащими слоями. То есть всю площадь кладки необходимо рассматривать как состоящую из нескольких зон.

ПРОЦЕСС НАРУШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ

Процесс нарушения герметичности агрегатов связанный с разрушением огнеупорной кладки обогревательных простенков, футеровки дверей протекает в различное время эксплуатации с различной интенсивностью. Виды дефектов, их плотность по зонам кладки простенка не одинакова. Изучение поведения конструктивных материалов в процессе эксплуатации, выявление причин, общих закономерностей появления дефектов будет влиять на организацию текущих ремонтов, предупреждение появления значительных разрушений и отказов отдельных участков кладки. Что в свою очередь влияет на уровень герметичности, долговечности и безотказности агрегата.

Основные виды дефектов кладки простенков

В процессе эксплуатации на огнеупорную кладку коксовых батарей действуют различные нагрузки, главные из которых:

• статические - от массы кладки и конструктивных элементов печей;

• динамические - от движения коксовых машин (особенно углезагрузочного вагона);

• термомеханические - при загрузке печей и выдаче кокса;

• нагрузки на стены - от давления коксования;

• химические - вследствие корродирующего воздействия на огнеупорную кладку восстановительной среды при высоких температурах.

Нарушение герметичности обогревательного простенка происходит в результате появления различного вида дефектов их дальнейшего увеличения с появлением сквозных прогаров, раковин и проломов. Основные дефекты головочной зоны это выкрашивание материального шва, прогары, трещины, сколы, раковины, эрозия.

По плотности распределения дефектов на поверхности массива кладки и тяжести условий работы обогревательный простенок можно разделить на 3 основные зоны:

• зона заплечиков,
• головочная часть,
• срединная часть простенка.

Зона заплечиков работает в наиболее неблагоприятных условиях - глубокие перепады температур, сильные динамические нагрузки от воздействия коксовых машин при установке и снятии дверей. Головочная часть простенка работает в не менее неблагоприятных условиях, чем зона заплечиков - глубокие перепады температур при выдаче кокса и загрузки шихты, интенсивное ошлакование поверхности, механическое воздействие коксового пирога и штанги при выдаче кокса, динамические нагрузки. Срединная часть работает в более благоприятных условиях по сравнению с вышеуказанными зонами. Однако имеет некоторые характерные дефекты для данной зоны (расшатывание и выпадение отдельных кирпичей из общего массива кладки под средним загрузочным люком).

Механизм разрушения огнеупорной кладки

Образование дефектов наблюдается уже на стадии разогрева печи. На этом этапе проявляются дефекты, связанные с некачественно изготовленными огнеупорными материалами, неточностями при монтаже и повреждении огнеупоров. В дальнейшем идет процесс их увеличения. После ввода батареи в эксплуатацию наблюдается постепенное выкрашивание мертеля в основном начиная с зоны заплечиков и распространяясь на головочную часть простенка. Что приводит к образованию трещин и прогаров. Если трещины вовремя не восстанавливаются при помощи горячих ремонтов, то появляются сколы, а затем и раковины. Появление, таким образом, слабых участков кладки приводит к образованию сквозных дефектов, нарушению герметичности и отказу простенка.

Наблюдается ускоренный износ кладки и сокращение срока службы печных камер с высотой >5м и объемом >30 м ². Для печей с такими характеристиками характерно разрушение кладки под средним загрузочным люком. Отмечают, что этому виду разрушений через 8-15 лет эксплуатации подвержено более 90% таких камер [3]. Причины связывают с увеличением высоты печей >5м, с недостаточной статической устойчивостью обогревательных простенков к распирающим нагрузкам, а также с грубыми нарушениями правил технической эксплуатации.

Механизм разрушения представляется следующим. Вследствие периодического действия поперечной нагрузки - давление коксования простенки камер периодически растягиваются и сжимаются. Растягиваются, когда печь находится на стадии усадки коксуемой нагрузки. Сжимаются, когда печь загружается шихтой и до начала усадки. Наиболее опасны растягивающие напряжения.

Когда кладка простенка защемлена вверху, внизу и анкерными колоннами по сторонам, то наибольший прогиб отмечается в середине простенка под средним люком. Максимальные растягивающие напряжения действуют у свода и пода камеры, а также в районе среднего люка. Прогиб простенка уменьшается по мере удаления от середины простенка к машинной и коксовой сторонам вследствие того, что растягивающие напряжения компенсируются сжимающими усилиями анкерных колонн. Однако если у пода растягивающие напряжения с избытком компенсируются сжимающими напряжениями, обусловленными большой массой вышележащей кладки, то напряжения у свода сжимающими напряжениями не компенсируются.

В этом районе при не достаточной толщине и массе перекрытия и ненадежности защемления верхней части простенка между ними происходит разрыв связи. В следствие верхняя часть простенка под действием поперечных сил получает возможность наибольшего перемещения в стороны соседних камер. При этом происходит раскрытие и постепенное разрушение швов. С начала образуются трещины по швам (так называемые "штробы"), а затем и по целым кирпичам. Если усилия поперечных нагрузок окажутся больше, чем сила сцепления, образующаяся за счет трения между кирпичами и прочности шпунтовых соединений, то эти усилия будут выталкивать кирпичи из стен, как в сторону печной камеры, так и в сторону отопительного канала.

Начавшееся разрушение кладки приводит к высвобождению ее верхних рядов, по крайней мере, в средней части, с продолжением "штробы" вниз, раскрытием трещин и перераспределением напряжения. При этом нормальное напряжение у свода камеры должно уменьшится, у пода увеличиться. Отсюда в кладке простенков ряда на уровне пода может превысить предел прочности материала и привести к его разрушению (скалыванию кромки). Образуется так называемый "подрез", который затем постепенно распространяется в обе стороны.

На взгляд авторов статьи [4], главная причина выдвижения кирпичей из массива кладки под средним загрузочным люком - это температурный режим, в котором работает кладка выше уровня перевала. Кладка в этой зоне имеет температуру существенно меньшую, чем нижерасположенная часть простенка. Прогрев этого массива идет главным образом со стороны печных камер от раскаленных газообразных продуктов коксования и кокса.

Во время загрузки камер рабочая поверхность обогревательных простенков резко охлаждается. В зоне выше уровня перевала процесс охлаждения идет значительно сильнее, глубже по толщине и к тому же он продолжительнее. Причины этого относительно низкая температура этой части кладки (850-950⁰С) и высокие потери тепла вследствие увеличенной плотности столба угольной шихты под средним люком и хорошая теплопроводность динаса. При этом охлаждение поверхности кладки идет крайне неравномерно: зоны, не соприкасающиеся с холодной угольной шихтой (под 1 и 3 люками) охлаждаются меньше, под средним - больше. Здесь возникают значительные термические напряжения, превышающие предел прочности динаса и вызывающие образование трещин, сколов, выкрашивание мертеля из материальных швов.

В этом плане четырехлюковые печи имеют преимущество перед трех-люковыми: в них угольная шихта располагается более равномерно по длине и высоте камеры, т.е. не создаются условия для образования локальных опасных термических напряжений.

Циклические термические сжатия - расширения динасовой кладки печей ослабляют связку между отдельными кирпичами, особенно в горизонтальной плоскости, и во время планирования шихты они вследствие трения и расклинивания легко расшатываются и выдвигаются в камеру.

Для предотвращения появления таких разрушений в статьях [3,4] были даны рекомендации для применения при проектировании и эксплуатации таких тепловых агрегатов, как коксовые печи.

Механизм разрушения шамотной футеровки

Срок службы шамотной футеровки составляет примерно 10-12 мес. Наибольшие разрушения ее начинают проявляться в области углов, где действуют наиболее высокие температурные градиенты. Существенное округление углов шамотного кирпича проходит уже на 4-5 мес. эксплуатации дверей. Второй, не менее существенный тип разрушений связан с разрушением материальных швов шамотного кирпича. На 6-9 мес. эксплуатации двери происходит сильная эрозия кирпича и начинается их разрушение. Наблюдаются также сильные сколы по трещинам, образовавшимся в шамотном кирпиче. Сумму этих явлений объясняют проникновением пиролитического углерода в кристаллическую структуру шамота, что приводит на 10-12 мес. эксплуатации двери к ее разрушению [5].

По механизму разрушение шамотной футеровки делят на три вида: смешанному физико-химическому, химическому и механизму тепловой деструкции.

Физико-химический механизм. При нагревании угольная шихта подвергается многостадийной термической деструкции. Образовавшаяся на одной из стадий этих превращений смола вследствие термодиффузии проникает в поры шамотной футеровки. Так как температура в камере коксования после перехода шихты в пластическое состояние продолжает повышаться, то и температура шамотного кирпича с внутренней стороны камеры достигает этой температуры, соответствующей превращению: "угольная шихта - полукокс + продукты пиролиза", а в дальнейшем и температуры, при которой происходит переход: "полукокс - кокс".

После каждой печевыдачи и новой загрузки холодной шихты процесс нагрева футеровки двери многократно повторяется. Циклический подъем, и спад температуры синхронизирует циклическое продвижение вглубь кирпича фронта пропитки продуктами деструкции, а вследствие этого - циклическую закупорку и раскупорку пор шамотного кирпича. Во время закупорки пор вторичные продукты, диффундируя вглубь шамотной футеровки, одновременно подвергаются дальнейшему пиролизу. Выделяющиеся в замкнутом пространстве газы приводят к интенсивному росту давления в порах. Газообразные продукты пиролиза шихты распирают и взрывают изнутри шамотный кирпич. В каждом следующем цикле стадии этого механизма повторяются.

Химический механизм. Термодиффузия реакционно-активных газообразных и жидких продуктов пиролиза угля в зону взаимодействия по этому механизму заканчивается последовательными химическими стадиями взаимодействия их с веществом шамотного кирпича, что приводит к разрушению его кристаллической структуры. Термодиффузия продуктов пиролиза угля вглубь шамотного кирпича при коксовании шихты сводится к трем одновременным механизмам:

• Объемная молекулярная, атомарная и радикальная диффузия через макропоры шамотной футеровки.
• Объемная и поверхностная молекулярная, атомарная и радикальная диффузия через межзеренное пространство.
• Объемная атомарная диффузия через кристаллическую решетку шамотного кирпича.

Механизм тепловой деструкции. Внешняя и внутренняя поверхности шамотного кирпича футеровки двери, в коксовой камере, находятся в неизотермических постоянно меняющихся состояниях. В силу различия термических расширений шамотного кирпича при различных температурах в теле его возникают изменяющиеся температурные напряжения, вследствие чего происходит его разрушение.

Выводы:

• основную роль в определении уровня герметичности, долговечности, безотказности обогревательного простенка играет его головочная часть;
• улучшение рементопригодности, повышение износостойкости и долговечности данной зоны простенка позволит сильно повысить уровень агрегата в целом;
• к таким мероприятиям можно отнести разработку жаропрочных и износостойких покрытий для головочной части простенков, использование крупноблочной кладки при возведении конструкций;
• сравнительно быстрое разрушение шамотной футеровки двери заметно сокращает срок ее службы (из-за повышения в металле температурных напряжений), а также создает неблагоприятные условия для зоны заплечиков;
• повысить срок ее службы, можно предотвратив проникновение в глубь материала продуктов пиролиза, а также снизив температурные напряжения внутри футеровки.

Поведение динаса мелкоштучной кладки обогревательных простенков

Исследования поведения динаса в работах [6,7] показали, что в ходе эксплуатации в кладке камер коксования снижаются пористость (рис. 4.2) и плотность динаса, существенно повышается его механическая прочность (рис. 4.3) за счет перерождения остаточного кварца, высокой степени тридимитизации и роста кристаллов тридимита. Значительно улучшается такое свойство материала как теплопроводность (рис. 4.1), она увеличивается примерно на 35-40% по сравнению с исходным значением. Следовательно, в процессе эксплуатации увеличивается общая теплопроводность простенков. На рисунках 4.1-4.3 показаны изменения некоторых свойств материалов в зависимости от срока эксплуатации.

Рисунок 4.1-Изменение теплопроводности материала

Рисунок 4.2-Изменение пористости в процессе эксплуатации

Рисунок 4.3-Изменение прочности на сжатие

Термическое расширение динасовых изделий до и после 12.5 лет эксплуатации показано на рис. 4.4. Характер кривых до и после службы практически идентичен.

Рисунок 4.4-Температурное расширение до и после 12,5 лет эксплуатации

Учитывая тот факт, что теплопроводность динаса увеличивается, необходимо через определенные промежутки времени службы периодически производить перераспределение температур по длине камер в сторону их снижения не выше 1100⁰С с целью предотвращения шлакоразъедания поверхности динасовых изделий, а также ее коррозии вследствие восстановления кремнезема.

В процессе службы динаса с коксовой стороны, особенно в нижних рядах кладки, идет насыщение материала оксидами из золы угольной шихты. При этом значительно снижается огнеупорность поверхностного слоя. Образующийся расплав из оксидов золы проникает вглубь динаса и разрушает его.

Поведение крупноразмерных динасокварцитовых блоков

Исследование характера появления дефектов и видов обогревательных простенков из крупноразмерных огнеупорных блоков было проведено на коксовых батареях Стахановского коксохимического завода кафедрой МАХП ДНТУ [9,10]. В процессе эксплуатации таких батарей проводилось регулярное обследование состояния кладки обогревательных простенков камер коксования (через 6 мес; 1 год и 6 мес; 4 года; 5 лет и 4 мес; 6 лет; 7 лет и 4 мес) при каждом осмотре фиксировали развитие дефектов, возникших при сушке и разогреве, а также образование новых дефектов в процессе эксплуатации. Результаты заносили в журналы осмотра. Затем вся информация была подготовлена к обработке информации на ПК. Были классифицированы дефекты по видам, месту расположения, размерам в соответствии с определенной системой кодирования. В результате обработки информации была исследована динамика разрушения блоков, выявлены тенденции развития дефектов и степень влияния условий эксплуатации кладки в различных зонах камер коксования.

Закономерности развития дефектов представлены гистограммами распределения общего количества дефектов и количества трещин на головочных блоках с машинной и коксовой стороны (рис. 4.5). Схема простенка с различными видами дефектов представлена рис. 4.6.

Рисунок 4.5 - Гистограмма распределения общего количества дефектов и количества трещин на крайних на крайних блоках с машинной и коксовой сторон соответственно после: а, б - 6 месяцев эксплуатации; в, г - 4 лет; д, е - 7 лет и 4 месяцев.

Горизонтальные и вертикальные трещины являются доминирующим видом дефектов. Наибольшее их количество сконцентрировано на крайних блоках первого и второго ряда кладки. В начальный период работы (" за 6 мес) происходит наиболее быстрое возрастание количества дефектов в результате скрытых дефектов кладки. Как видно из графиков после 1-го года эксплуатации для машинной стороны (после 2-го года для коксовой стороны) в течении 3-х следующих лет идет стабилизация развития дефектов. Это связано с равновесием процессов разрушения и восстановления в зоне этих блоков. В последующие годы эксплуатации интенсивность образования дефектов возрастала вследствие несоответствия объемов восстановительных работ. Из чего можно сделать вывод об увеличении объема горячих ремонтов, о повышении их эффективности, а также повышении ремонтопригодности участка головочных блоков.

Рисунок 4.6 - Фрагмент блочного простенка с различными видами дефектов: 1-фасад блока; 2-боковая поверхность; 3-головка блока; 4-вертикал; 5-трещина; 6-раковина; 7-скол; 8-выкрашивание материального шва; 9-карниз; 10-выпуклость (дефекты для наглядности увеличены)

Кафедрой МАХП ДонНТУ были проведены испытания кладки обогревательных простенков на прочность и жесткость [8]. Для этого внутри камеры создавали распирающие нагрузки на оба простенка. При этом фиксировали нагрузку и деформацию. Нагрузку прикладывали в середине печной камеры на 50 мм выше уровня шва между блоками первого и второго ряда (1050-1100 мм от пода печной камеры). По результатам опыта был построен график нагружения - деформирования блочного простенка (рис. 4.7).

Рисунок 4.7 -График нагружения-деформирования блочного простенка

Для определения прочностных характеристик динасокварцитового бетона после шестилетней эксплуатации были проведены испытания на раскалывание и сжатие материала [8]. Образцы для испытаний были взяты из различных зон по длине и ширине простенков. Испытания проводили и для образцов бетона, поступивших с завода-изготовителя. После испытаний было установлено, что прочность образцов, бывших в эксплуатации, более чем в 2 раза выше прочности сырых образцов с завода-изготовителя. Разброс величины прочности для образцов бывших в эксплуатации выше, чем для образцов из сырого бетона. Это связано с различными условиями эксплуатации определенных зон простенка. Наименьшую прочность имеет материал из зоны заплечиков блоков, наибольшую - образцы материала срединных блоков обогревательных простенков. Неоднородна прочность материала кладки и по глубине относительно поверхности камеры. Наименьшей прочностью обладает слой толщиной до 10 мм поверхности блока, а наибольшей - срединный слой греющей стенки. Причинами снижения прочности поверхности блоков являются физико-химические изменения, возникающие вследствие контакта с продуктами коксования, ошлакование поверхности, глубокие перепады температур при загрузке камеры и уплотнении дверей влажной уплотнительной смесью, а также эрозионное разрушение и истирающий износ при механическом воздействии коксового пирога и выталкивающей штанги с поверхностью кладки при выдаче кокса.

Поведение шамотной футеровки

Для анализа надежности и долговечности огнеупорных конструкций необходимо знание прочностных характеристик материала элементов и закономерности их изменения в зависимости от различных факторов. Для огнеупорных материалов наиболее важны величины растягивающих напряжений, под воздействием которых в кладке происходит образование и развитие трещин. Определение предела прочности огнеупорного материала шамотной футеровки при растяжении проведено путем их раскалывания при статическом нагружении на прессе с помощью трехгранных призм. Образец устанавливали между призмами таким образом, что нагрузку прикладывали к вертикальной плоскости и фиксировали ее в момент разрушения.

Для прочностных испытаний шамотной футеровки были отобраны образцы из дверей различного срока эксплуатации (200, 290, 480, 520, 580, 860, 1000, 1200, 1400, 1600 печевыдач) и сырых огнеупоров. Результаты испытаний образцов материала с различным периодом эксплуатации позволят установить динамику изменения прочностных свойств шамотной футеровки в зависимости от срока их использования.

Предельное напряжение раскалывания вычислено по формуле:

где P_i - разрушающая нагрузка i-го опыта, Н; F_i - площадь поверхности раскалывания i-го образца, м².

Обычно для прочностных испытаний материалов используют образцы правильной геометрической формы. Однако, процесс придания правильной формы образцам шамотной футеровки, находившейся в эксплуатации, повлиял бы на прочностные характеристики и не позволил получить объективные данные о прочности материала вследствие реализации при обработке образцов трещин и других структурных дефектов. Всего было проведено 47 испытаний. По полученным результатам построен график изменения прочности шамотного огнеупорного материала при растяжении в зависимости от срока эксплуатации (рис. 4.8).

Рисунок 4.8-Изменение предельной прочности шамотной футеровки в процессе эксплуатации

Выводы:

• наибольшее количество из всех видов дефектов простенка составляют трещины. В основном их появление начинается с выкрашивания материальных швов. Поэтому, улучшив качество самих швов, а также уменьшив их количество (протяженность) можно замедлить появление трещин, связанное с выкрашиванием мертеля;
• в этом плане крупноблочная кладка имеет преимущество (при размере камер коксования 11760*2900*510 сокращение протяженности материальных швов в 25-30 раз по сравнению с мелкоштучной кладкой); нужно заметить, что это увеличит прочность и герметичность массива кладки;
• повышение прочности шамота футеровки дверей может быть связано с оплавлением и уплотнением материала под воздействием температур, действующих в данной зоне; с процессами перерождения кварца; а также с недоведенным до конца процессом обжига при изготовлении огнеупоров;
• дальнейшее снижение прочности связано с процессами описанными выше.

Методы ремонтов кладки простенков

Ремонты огнеупорной кладки обогревательных простенков делят на два основных вида:

• холодный ремонт,
• горячий ремонт.

Холодный ремонт камер осуществляют с полным выводом печей из эксплуатации. То есть отключают их от системы обогрева и проводят либо полную перекладку простенка, либо перекладку на глубину первых четырех вертикалов, как с коксовой, так и с машинной стороны батареи. К недостатку этого метода можно отнести большой срок ремонта, большую трудоемкость процесса и затраты материалов, но при этом получают длительный срок службы.

К горячим ремонтам относят ремонты, которые проводят без вывода печей из эксплуатации и отключения от системы обогрева[12,13,14,18,19,20]. Отсюда и название - горячие ремонты. Наибольшее распространение получили следующие способы горячих ремонтов:

• мокрое торкретирование,
• полусухое торкретирование,
• факельное торкретирование,
• метод керамической наплавки (сварки),
• ремонт по технологии СВС (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза) смесей.

Мокрое торкретирование долгое время было единственным промышленным способом профилактического ремонта кладки камер коксования из-за дешевизны, простоты осуществления, неприхотливого оборудования. Однако существующие недостатки данного метода такие, как низкая стойкость ремонтного слоя, тепловые удары, возникающие при нанесении мокрой торкрет массы на раскаленную поверхность кладки, возникновение контактных напряжений, снижающих прочность сцепления торкрет - покрытия с защищаемой поверхностью, заставили искать более надежные способы ремонта.

Метод полусухого торкретирования заключается в нанесении на кладку огнеупорного материала с последующим его спеканием за счет аккумулированного кладкой тепла или тепла пламени горячего коксового газа. Преимущества способа полусухого торкретирования перед мокрым торкретированием обусловлены: использованием сухой смеси, приготовленной заранее (основные свойства сухой смеси при правильном хранении могут оставаться неизменными в течение длительного времени); возможностью использования в составах смеси быстросхватывающихся вяжущих. К недостаткам полусухого способа относятся: пыление в процессе работы; большой отскок наносимых материалов; невысокая производительность.

Факельное торкретирование[15,16,17] отличается от полусухого и мокрого способов тем, что взвешенные в воздушной струе частицы сухой торкрет - смеси до их контакта с ремонтируемой поверхностью подвергаются интенсивному нагреву. Нагрев происходит за счет сгорания подаваемой в насадку смеси топлива и кислорода или включения в состав торкрет смеси материалов типа бездымного пороха.

Метод керамической наплавки (или сварки)[21] заключается в том, что сухой огнеупорный мертель в смеси с металлическим порошком подается струей кислорода на раскаленную поверхность кладки. Происходит экзотермическая реакция окисления металлической составляющей торкрет массы в кислороде. Под действием выделяющегося тепла огнеупорная часть торкрет - массы расплавляется и вместе с продуктами реакции окисления металлов составляет расплав, заполняющий дефекты кладки. Этот способ позволяет получить торкрет - покрытие, которое прочно связано с ремонтируемой поверхностью, имеющее более высокие физико-механические характеристики по сравнению с характеристиками слоя, нанесенного другими методами. Срок службы покрытия, полученного таким методом, на много превышает срок службы покрытий полученных описанными выше методами (от 2 лет и выше, при выполнении всех условий технологии).

СВС технология получения огнеупоров при керамической наплавке[22] пода состоит в том, что воздушно-сухую экзотермическую смесь наносят на нагретый до 900⁰С шамотный или динасовый огнеупор, после чего происходит инициирование процессов синтеза огнеупоров и спекание смеси с получением керамической связки. Основные компоненты смеси для керамической наплавки пода - оксид железа и алюминий. Удельное тепловыделение реакций составляет приблизительно 4000 кДж/кг смеси. Для снижения термичности до 2500 кДж/кг смеси в нее добавляют легкоплавкий теплопоглатитель. Он снижает вязкость расплавленных продуктов реакций, в результате чего последние заполняют все неровности пода, а после затвердевания образуют ровную и гладкую поверхность.

Повышение ресурса шамотной футеровки

Как уже было сказано выше, механизм разрушения шамотной футеровки подразделяют на три вида. Продлить срок службы футеровки и тем самым улучшить такие показатели как герметичность, долговечность, безотказность теплового агрегата в целом, можно подавив разрушения, вызванные различными причинами.

В силу низкой теплопроводности при изменении внешней температуры именно между внутренними и внешними слоями шамота возникают напряжения, обусловленные различием их термических расширений, вызванных тем, что внутренние слои шамотного кирпича отслеживают внешнюю температуру с опозданием, причем значение этой разности знакопеременно.

Анализ термических циклов работы шамотной футеровки дверей коксовых и пекококсовых печей показывает, что для увеличения срока ее службы необходимо уменьшить модуль амплитуды - разность относительного удлинения поверхностного и внутреннего слоев футеровки.

Наиболее критична для стойкости шамотного кирпича область его охлаждения, где температурные градиенты наиболее велики, так как именно для нее величина модуля амплитуды принимает наибольшее значение, что соответствует наибольшим тепловым напряжениям, возникающим в его теле.

Разрушение шамотной футеровки происходит по физико-химическому и химическому механизмам и механизму тепловой деструкции одновременно. Анализ этих механизмов разрушения футеровки приводит к выводу, что, подавив диффузию реакционно-активных частиц к поверхности и объему шамотной футеровки можно эффективно уменьшить ее разрушение. Такую защиту можно организовать разными методами, но во всех случаях необходимо перекрыть внешний слой шамотного кирпича, пористость которого составляет 4-6%, жаростойкими и жаропрочными материалами с пористостью приближенной к нулю.

Покрытия такого рода уже существуют и прошли промышленные испытания в пекококсовом и коксовом цехах ОАО "Запорожкокс" [5,11]. Беспористое керамическое жаростойкое и жаропрочное покрытие имеет высокой адгезию к шамоту и прочностные характеристики, превышающие прочностные характеристики шамота. При нанесении 1 мм слоя такого покрытия происходит уменьшение и сглаживание величины модуля амплитуды. Таким образом, нанесение керамического покрытия на шамотную футеровку, разгружает ее от чрезмерных термических напряжений, тем самым, увеличивая срок ее службы.

При промышленных испытаниях обмазки наносились на шамотную футеровку дверей коксовых и пекококсовых печей, как с коксовой, так и с машинной стороны. Перед нанесением покрытия на новую дверь ее предварительно прогревали в сушильной камере до 190-200⁰С. затем в гараже наносили обмазку (в два или три слоя). При этом заделывали швы и стыки, а также свободное пространство между металлической рамой и шамотными кирпичами. Суммарный расход сухих компонентов не превышал 10кг на 7м² полезной открытой площади шамотной футеровки. после обработки двери вставляли в сушильную камеру и в течение 24 ч прогревали при 190-200⁰С до полного высушивания покрытия. Через сутки дверь запускали в эксплуатацию.

Возможен и другой путь нанесения обмазки на шамотный кирпич. В этом случае в месте хранения его устанавливают ванну с раствором обмазки и малогабаритную печь для его сушки с определенными параметрами. Весь поступающий шамот проходит через стадию нанесения обмазки и сушки централизованно. После завершения сборки шамотной футеровки места, поврежденные механическим воздействием, подмазывают обмазкой. Дверь запускают в эксплуатацию. Промышленные испытания таких обмазок, показали их высокую работоспособность в агрессивной восстановительной среде коксовых и пекококсовых печей и увеличение срока службы шамотной футеровки дверей более чем в два раза. При этом уменьшились обвалы при выдаче коксового пирога, улучшилась экологическая обстановка в зоне коксовой батареи.

Сравнительный анализ стойкости шамотной футеровки в коксовом и пекококсовом цехах как до, так и после нанесения керамических покрытий показывает, что эти покрытия эффективно "подавляют" ее разрушение. Покрытия были рекомендованы для промышленного внедрения.

Выводы:

• существующие в сегодняшние дни методы горячего ремонта и защиты футеровки дверей позволяют без существенных затрат и остановки печей продлевать срок службы кладки, держать в процессе эксплуатации герметичность кладки и агрегата на достаточно высоком уровне;
• при выборе определенного вида метода ремонта необходимо сопоставлять затраты на ремонт и получаемый после ремонта срок службы отремонтированного участка.

В ходе выполненной работы было установлено, что уровень техногенной безопасности тепловых агрегатов для переработки твердых углеродистых материалов определяется уровнем их экологичности и надежности.

На уровень надежности, герметичности, следовательно, и техногенной безопасности агрегата в целом сильно влияет состояние огнеупорной кладки простенка как наиболее ответственного узла конструкции. Процесс ее разрушения не равномерен в течение эксплуатации. Установлено, что в начальный период интенсивность образования дефектов превышает этот же показатель при установившемся режиме эксплуатации более чем в 3 раза. Видимо в начальный период эксплуатации потребуется и большее количество проведения горячих ремонтов (подмазок и торкретирований), чтобы не допускать стремительного увеличения дефектов и усугубления состояния кладки в дальнейшем процессе эксплуатации.

На предприятиях целесообразно производить набор статистической информации о динамике разрушения кладки. Это поможет более эффективно планировать проведение текущих и капитальных ремонтов.

Установлено, что наибольшую концентрацию дефектов (более 90%) имеет головочная часть простенка. Из чего можно сделать вывод о необходимости повышении износостойкости и ремонтопригодности данного участка. Целесообразно в данной зоне простенка использовать блочную кладку, что позволит производить ремонты, связанные с заменой кладки головочной зоны, в более сжатые сроки.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. По материалам IV Европейского конгресса по коксохимическому и доменному производству //Кокс и химия. 2001 г.

2. Ткаченко В.Н., Бритов Н.А., Парфенюк А.С. и др. Математическая модель теплообмена в зоне прессования… //Кокс и химия. 1994. №2. С.19-21.

3. Швецов И.В., Стахеев С.Г., Сухоруков В.И. и др. "О механизме разрушения обогревательных простенков коксовых батарей //Кокс и химия. 1997г. №12. С.11-16.

4. Кривошеин В.Г. Причины разрушения огнеупорной кладки в верхней зоне камер коксования //Кокс и химия. /1998г. №10. С.19-21.

5. Джелали В.В., Рубчевский В.Н., Шакун Г.В. и др. Механизмы разрушения шамотной футеровки. Способы их подавления. //Кокс и химия. 1999г. №3. С. 18-22.

6. Булах В.Л. Исследования динаса после службы в кладке большеемких коксовых печей. //Огнеупоры. 1990г. №11. С.52-56.

7. Булах В.Л., Пятикоп П.Д. Изменение свойств динаса при службе в коксовых печах. //Огнеупоры. 1989г. №4. С.55-58.

8. Парфенюк А.С., Веретельник С.П., Кутняшенко И.В. и др. Физические факторы надежности эксплуатации кладки коксовых печей из крупноразмерных огнеупорных блоков. //Кокс и химия.1992г. №11. С.18-20.

9. Парфенюк А.С., Вертельник С.П., Котова Е.Д. и др. Причины и закономерности возникновения дефектов блочной кладки коксовых батарей. //Кокс и химия. 1993г. №4. С.19-22.

10. Парфенюк А.С., Зборщик М.П., Веретельник С.П. и др. Пути повышения долговечности блочной бетонной кладки коксовых батарей. //Огнеупоры. 1992г. №4. С.24-26.

11. Пат. Украины UA 14680 A. //Промислова власність. 1997. №2. С.31.

12. Швецов В.И., Чемарда Н.А. Об эффективности горячих ремонтов огнеупорной кладки коксовых батарей. //Кокс и химия. 1999г. №9.

13. Филоненко Ю.Я., Шулико С.И. Торкретирование и повышение стойкости футеровки металлургических агрегатов. //Кокс и химия. 1989. №4. С.57-59.

14. Мироненко Л.И. и др. Оптимальные методы ремонта печных камер коксовых батарей. //Кокс и химия. 1989. №6. С.12-15.

15. Ярмаль А.А. Совершенствование установки и технологии факельного торкретирования конвертера в вертикальном положении в условиях меткомбината "Азовсталь". Донниичермет. 1991г.

16. Танкин А.Д. Внедрить в производство технологию, оборудование и составы торкрет-масс для ремонта коксовых печей методом факельного торкретирования. Отчет №2008 Донниичермет. 1991г.

17. Хасин С.И. Освоить в условиях МКХЗ технологию ремонтов кладки косовых печей методом факельного торкретирования. Отчет № 1249. Донничермет. 1991г.

18. Авторское свидетельство № 389123 Вельковский А.И. Устройство для торкретирования газоподводящих каналов коксовых печей.

19. Макаров Г.Н. и др. Горячий ремонт кладки коксовых батарей с помощью термитной торкрет-массы. //Кокс и химия.. 1988. №5. С.13.

20. Бронштейн А.П. Новая технология горячих ремонтов кладки печных камер коксовых батарей. Направления развития и внедрения. //Кокс и химия. 1988. №8. С.18-20

21. Щепетьева Н.П. Высокотемпературная керамическая сварка - новое решение проблемы сохранения огнеупорных футеровок. //Кокс и химия.

22. Щепетьева Н.П.. Бубра А.М., Узунов А.Х. и др. Ремонт подов коксовых печей по технологии "Горизонт" //Кокс и химия. 1999г. №11. С.16-18.