Experten-Service für Koksofen-Feuerfestreparaturen: Optimale Leistung

Koksofen-Feuerfestreparaturen

Eine Koksofenbatterie ist eine feuerfeste Struktur, die in einem Stahl- und/oder Beton-Exoskelett enthalten ist. Dieses Exoskelett wird in lateraler Richtung durch eine Reihe von Spannstäben zwischen Stahlbändern zusammengehalten. Die Bänder sind vertikale Stahlträger, die an den Enden der Heizwände zwischen den Öfen angeordnet sind. In Längsrichtung erstrecken sich die Spannstäbe zwischen den Ritzelwänden an beiden Enden der Batterie.

Die Heizwände wurden traditionell aus Silica-Feuerfestmaterialien gebaut. Silica ist das Feuerfestmaterial der Wahl, hauptsächlich weil Silica-Feuerfestmaterialien bei normalen Betriebstemperaturen der Koksofenbatterie minimalem Kriechen unterliegen. Auch da fast die gesamte Ausdehnung von Silica-Steinen bei Temperaturen unter 650 °C stattfindet, haben die moderaten Temperaturschwankungen der Wände keine Auswirkung auf die Volumenstabilität des die Wand bildenden Feuerfestmaterials während des normalen Betriebs einer Batterie.

Koksofenbatterien haben eine Betriebslebensdauer von zwanzig bis vierzig Jahren, abhängig von Betriebsbedingungen und Batteriewartung. Es gibt mehrere Beispiele für Koksofenbatterien, die aufgrund korrekter Betriebsweise und rechtzeitiger Reparatur 40–50 Jahre arbeiten. Es gibt auch Fälle, in denen der Ausfall von Koksofen-Feuerfestmaterialien in weniger als 10 Jahren Betrieb aufgetreten ist. Normalerweise erfordert eine Batterie spezifische Reparaturen an Feuerfestmaterialien, Stahlbau oder Maschinen. Diese Reparaturen verlängern, wenn sie ordnungsgemäß durchgeführt werden, die Lebensdauer der Batterie.

Schadensvermeidung und Schadensarten

Um die Lebensdauer der Koksofenbatterie zu verlängern, ist es essenziell, Schäden an der Ofenwand zu vermeiden. Insbesondere ist es besonders wichtig, Ziegelbruch zu vermeiden, da dies eine Öffnung in der Ziegelwand verursacht und der Ofen gestoppt werden muss, und das Ofenziegelwerk während des Stillstandsprozesses weiter beschädigt werden kann.

Die Koksofenwände unterliegen mechanischer Belastung und thermischer Belastung, bestehend aus wiederholtem Aufheizen und Abkühlen im Routinebetrieb, und daher verschlimmert sich jeder Schaden an ihnen stetig Jahr für Jahr. Es gibt zwei Hauptarten von Schäden an den Koksofenwänden:

• Abnahme der Ziegelwanddicke – Kohlenstoffablagerungen auf der rauen Wandfläche, verursacht durch Erosion des Ziegels und Verlust des Mörtels über die vielen Jahre des Ofenbetriebs. Wenn die Kohlenstoffablagerungen abfallen oder sich von der Wand lösen, schälen sie mehr des zerfallenden Ziegels ab, was zu weiterer Erosion des Ziegelwerks führt.
• Auftreten und Ausbreitung von vertikalen Durchgangsrisse – Unter dem mechanischen Aufprall während der Kohlebeschickung und der thermischen Spannung, die durch wiederholtes Aufheizen und Abkühlen induziert wird, bilden sich Längsrisse, die schließlich die Brennkammer erreichen. Wenn Kohlenstoff in diese Risse gelangt, dehnt sich der Ofenkörper aus.

Gründe für Feuerfestschäden

Die Gründe für Schäden an den Feuerfestmaterialien der Öfen sind folgende:

• Verschleiß und natürliche Verschlechterung der Feuerfestmaterialien aufgrund ihres Alters, was zu Dickenverlust, erhöhter Oberflächenrauheit und Abplatzungen der Ofenziegelwände führt.
• Verletzung der technologischen Disziplin während des Batteriebetriebs.
• Bewegung der Heizwände als Reaktion auf unausgeglichenen Differenzdruck über die Heizwand.
• Übermäßiger Koksdruck auf die Wände während der Verkohlung. Dieser Koksdruck hängt von den Eigenschaften der Kokskohlen ab.
• Ausstoßversagen durch klebende Öfen. Ein harter Ausstoß kann Wandbruch verursachen, da eine lokale Kraft von ca. 600 kN oft unter harten Ausstoßbedingungen auftritt und die Toleranzgrenze in beschädigten Öfen erreicht.

Die Lebensdauer der Ofenfeuerfestmaterialien hängt von der Betriebseffizienz, rechtzeitiger Diagnose des Schadens und Qualität der vorbeugenden Wartung ab. Der erste geringfügige Schaden am Ziegelwerk kann in den frühen Betriebsjahren beobachtet werden. Ab dann wird der entwicklungsbedingte Charakter des Schadens zunehmend komplex. Die komplexe Natur der Entwicklung der Ofenwandschäden ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Entwicklung der Schäden der Ofenwände

Je deutlicher der Schaden an den Ofenwandziegeln wird, desto mehr nehmen auch die Häufigkeit von Ausstoßversagen und anderen Problemen zu, die einen stabilen Koksofenbetrieb behindern. Unter diesen Bedingungen wird es zunehmend schwierig, die problematischen Koksofen effizient mit konventionellen Methoden zu reparieren. Daher sind frühe Erkennung und quantitative Analyse der beschädigten Teile der Ofenwände essenziell für geplante und rechtzeitige Reparaturen der Ofenfeuerfestmaterialien.

Reparaturmethoden

Die Koksofen-Feuerfestreparatur erfordert beträchtliches Fachwissen. Die Heißreparaturtechniken für Koksofenwand-Feuerfestmaterialien müssen folgende Kriterien erfüllen:

• Keine Unterbrechung des Produktionszyklus.
• Die Methode ist zuverlässig und bietet eine lange Lebensdauer der reparierten Wandbereiche.
• Die Methode ist einfach, kosteneffektiv und zeitsparend.

Die Feuerfestreparatur kann entweder im kalten Zustand (als Kaltreparaturen bekannt) oder im heißen Zustand (als Heißreparaturen bekannt) durchgeführt werden. Es gibt drei Arten von Heißreparaturmethoden, die für Koksofen-Ziegelreparaturen angewendet werden. Diese werden unten beschrieben.

Kaltreparaturen

Wenn eine gesamte Batterie von Durchgangswänden vom Ofenboden bis zur Unterseite des Ofendachs ersetzt werden soll, kann die Reparatur bei auf atmosphärische Temperatur abgekühlter Batteriefeuerfestmaterialien durchgeführt werden. Diese Art der Reparatur, die nach Abkühlung der Batterie durchgeführt wird, wird als Kaltreparatur der Batterie bezeichnet.

Der Austausch der Durchgangswände einer gesamten Batterie wird erreicht, indem die Batterie unter kontrollierten Bedingungen abgekühlt wird, bevor die Reparaturen durchgeführt werden. Das Abkühlen kann bis zu 21 Tage dauern, währenddessen Druck auf die Ofenwände durch Einstellen der oberen und unteren Spannstäbe aufrechterhalten wird. Die Ofendächer müssen unterstützt werden. Nach dem Wiederaufbau der Wände und vor dem Aufheizen müssen alle Regeneratorkammersteine aus dem Regenerator entfernt und alle Risse in den Pfeilerwänden gereinigt und mit Keramikflocken gepackt werden, bevor die Regeneratorkammersteine ersetzt werden, damit die Ziegelwerkausdehnung beim Aufheizen nicht behindert wird.

Die reparierte Batterie wird auf die gleiche Weise wie eine neue Batterie aufgeheizt.

Eine reparierte Batterie mit allen neuen Durchgangswänden kann bei ordnungsgemäßer Wartung voraussichtlich eine Lebensdauer von ca. 15 bis 20 Jahren bei einem Bruchteil der Kosten einer neuen Koksofenbatterie haben.

Aufspritzreparaturen (Guniting)

Bei den Aufspritzverfahren gibt es trockenes und nasses Aufspritzen und Spritzmethoden. Um eine optimale Lebensdauer der aufgespritzten Beschichtungsmaterialien zu erreichen, müssen viele Faktoren berücksichtigt werden. Dies beginnt mit den verschiedenen Aufspritzmaschinen, Aufspritzausrüstungen und Zubehör und endet mit der wirtschaftlichen und ökologischen Verarbeitung.

Bei der Verarbeitung von Feuerfestreparaturprodukten ist es wichtig, dass immer das optimale Mischverhältnis von Material und Wasser eingestellt wird. Besonders bei der Aufspritzreparatur ist ein gleichmäßiger Materialfluss wichtig, um die Entwicklung von Staub und Rückprall zu reduzieren.

Für die Aufspritzreparatur von Koksofen-Ziegelreparaturen wird normalerweise eine Rotor-Aufspritzmaschine verwendet. Hier wird die Dosierung durch ein System durchgeführt, das aus Rotor und Packungsdichtungen besteht. Der Antrieb erfolgt durch einen Elektrogetriebemotor oder einen Druckluftmotor. Die Maschine ist solide, handlich, mobil und geeignet für Aufspritzkapazitäten von 0,25 m³/h bis 4,0 m³/h.

Aufspritzreparaturen sind nicht sehr effektive Reparaturen und liefern vorübergehende und eher kosmetische Ergebnisse.

Keramisches Schweißen

Keramisches Schweißen ist eine weithin anerkannte Reparaturmethode. Die keramische Schweißtechnologie bietet umfangreiche Möglichkeiten für die Reparatur von Auskleidungen verschiedener physikalischer und chemischer Zusammensetzung, um die Lebensdauer von Hochtemperaturreaktoren zu erhöhen. Diese Technologie wurde in Europa für den Einsatz in Glasöfen entwickelt. Später wurde sie für Koksofen adaptiert, um die Heißreparatur der beschädigten Feuerfestmaterialien in den Koksofenwänden durchzuführen. Die Technologie bietet maximale Widerstandsfähigkeit der reparierten Bereiche mit minimalen negativen Auswirkungen auf das Ziegelwerk. Langfristige Beständigkeit der reparierten Bereiche von Koksofen-Feuerfestmaterialien kann auf Basis der fortschrittlichen keramischen Schweißtechnologie mit hochwertigen Materialien erreicht werden.

Der keramische Schweißprozess wurde erstmals in den 1970er Jahren angewendet. Dieser Heißreparaturprozess wird verwendet, um Koksofen-Feuerfestmaterialien bei Betriebstemperatur mit minimaler Störung der Produktion zu reparieren. Das Reparaturmaterial wird keramisch mit dem beschädigten Feuerfestmaterial verbunden, indem ein Fusionsprozess genutzt wird, der eine exotherme Reaktion von über 2200 °C erzeugt. Die Bindungsfestigkeit des keramischen Schweißens ermöglicht eine überlegene Reparatur, die die strukturelle Integrität des ursprünglichen Ziegelwerks wiederherstellt.

Vor dem keramischen Schweißen wird ein pneumatisches Strahlsystem verwendet, um das Feuerfestmaterial zu reinigen. Dieser Reinigungsprozess muss mit minimalem Trauma für das umgebende Feuerfestmaterial durchgeführt werden.

Keramisches Schweißen bewirkt, was der Name impliziert: das Schweißen von Silica-Ziegeln im Koksofen. Dies wird erreicht, indem ein pulverförmiges Gemisch, reich an Silica, durch eine kleine Lanze über einen sauerstoffangereicherten Druckluftstrom befördert wird. Das pulverisierte Silica-Gemisch wird aus dem Ende der Lanze ausgestoßen und entzündet, fast explodiert, gegen die heiße Wand des Koksofens. Die Reaktionswärme dringt in den Silica-Ziegel ein und schafft eine plastische Zone aus Silica. Die Reaktion wandelt das pulverisierte Silica-Gemisch auch in eine geschmolzene Masse um, die sich mit der oben genannten plastischen Zone am Silica-Ziegel verbindet. Das Erscheinungsbild ähnelt dem einer Schweißnaht. Auch die Effekte sind ähnlich, da neues, gleich starkes Material auf bestehende abgenutzte und gerissene Silica-Ziegel aufgebracht wird. Die folgenden Aspekte sind für das keramische Schweißen wichtig:

• Affinität der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung der keramischen Schweißmaterialien zu den Eigenschaften des wiederherzustellenden Ziegelwerks
• Identität der strukturellen Phasenzusammensetzung des Feuerfestmaterials
• Starke interatomare (kristalline) Verknüpfung der geschweißten Schicht und des Ofenwand-Ziegelwerks

Die keramische Schweißmethode kann nicht nur Risse und Absplitterungen, sondern auch großflächige Defekte wie Hohlräume schweißen. Darüber hinaus ermöglicht die Technologie zuverlässiges Schweißen von Fugen zwischen altem und neuem Ziegelwerk.

Ordnungsgemäß installiert, hat keramisches Schweißmaterial zwanzig Jahre Dienst geleistet. Der durchschnittliche keramische Schweiß hält jedoch ca. 10 Jahre.

Schema für keramisches Schweißen ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abb. 2 Schema für keramisches Schweißen

Heißes Neuausziegeln der Koksofenwände

Heißes Neuausziegeln der Heizwände in verschiedenen Tiefen bis hin zum vollständigen Neuausziegeln ist ebenfalls eine anerkannte effektive Reparaturmethode. Ziegelwerksreparaturen, die normalerweise durchgeführt werden, sind der Austausch der Endabzüge, der Austausch der Ofenwände zwischen Ofenboden und Ofendach sowie Notfallreparaturen im Ofenraum. Diese Reparaturen werden durchgeführt, während die Batterie im heißen Zustand Koks produziert.

Ofenwand-Ziegelwerksreparatur kann das Einsetzen von Durchgangswänden (Schieberseite zu Koksseite) über dem Ofenboden und unter dem Ofendach umfassen. Gleichzeitig können Ziegelwerksreparaturen im Korbelbereich durchgeführt werden, und Frontziegelwerk und einzelne Ofendächer können ersetzt werden.

Die Reparatur erfolgt mit der Batterie im heißen Zustand mit ein oder zwei Pufferöfen (leeren Öfen) auf jeder Seite der zu reparierenden Wand. Die anderen Öfen der Batterie können Koks produzieren. Vor dem Abbruch der beschädigten Wand müssen Dachstützbalken in den angrenzenden Öfen hinzugefügt, Isolierpaneele an den angrenzenden heißen Wänden installiert, Beschickungswagen-Schienenbrücken auf dem Ofendach installiert und Unterstützung für das Ofendach bereitgestellt werden, unter dem die Wand ersetzt wird. Sorgfalt muss darauf verwendet werden, die Wärme in den Regeneratoren und an den angrenzenden Wänden zu erhalten. Die folgenden sind die Hauptmerkmale dieser Reparaturart:

• Originalformen von Silica-Ziegeln werden verwendet.
• Verlegung erfolgt mit Designziegelverband in jeder Lage, einschließlich der Fuge von altem und neuem Teil.
• Teilweises Aufheizen und Ausdehnen der Ziegelwerklagen findet kontinuierlich statt aufgrund von Wärmeleitfähigkeit und Wärmestrahlungsaustausch von den angrenzenden beheizten Wänden und Restteilen der reparierten Wände.
• Endgültiges Aufheizen der reparierten Wand wird durchgeführt und dauert normalerweise ca. 8 bis 10 Tage.
• Restwachstum des Ziegelwerks (beim endgültigen Aufheizen auf Betriebstemperaturen nach Reparatur) ist unbedeutend, was Dauerhaftigkeit und Gasdichtheit des ausgeführten neuen Ziegelwerks gewährleistet.

Die besten Ergebnisse der Realisierung von Heißreparaturen, die die Prozesse der Ziegelwerksverlegung und des teilweisen Aufheizens des verlegten Ziegelwerks kombinieren, werden unter folgenden Bedingungen erreicht:

• Silica-Ziegel von hoher Qualität werden für die Reparatur verwendet
• Reparatur wird an einer Wand gleichzeitig durchgeführt
• Die Tiefe des Neuausziegelns soll nicht weniger als 4 Vertikale betragen, einschließlich Silica- und Feuerlehm-Vertikalabzüge, Dachabdeckung und Ofendachzonen
• Während der Reparatur der Heizwand werden auch die Ofensohlenziegel und beschädigte Ziegel der unteren Lagen des Endteils der Heizwand ersetzt (sowie im Kokskammerbereich)

Sicherheit der angrenzenden Wände wird durch Temperaturerhaltung (750 °C bis 850 °C) in den Heizwänden während der Reparatur erreicht, wodurch Umwandlungen von Silica ausgeschlossen werden.

Das Grundproblem bei der Verwendung von Silica-Feuerfestmaterialien in Heißreparaturen ist die Erhaltung von Haltbarkeit und Gasdichtheit einer kontinuierlichen vertikalen Fuge zwischen altem und neuem Ziegelwerksanteil aufgrund von Verformungen beim Erhitzen, verursacht durch signifikante thermische lineare Ausdehnung von Silica (1,2 % bis 1,4 %). Aufgrund dessen werden in einigen Ländern Reparaturen von Koksofen-Ziegelwerk mit Modulen aus geschmolzenem Quarz durchgeführt, die einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 0,2 % bis 0,3 % aufweisen.

Vorteile dieser Reparaturmethode

• Die Reparatur verlängert die Lebensdauer der Koksofenbatterien um 7 bis 12 Jahre, provided technologische Disziplin beim Betrieb der Batterie gewahrt bleibt.
• Da die Reparatur nur an abgenutzten/beschädigten Kammern durchgeführt wird, stoppt die Produktion der Batterie nicht, im Gegensatz zu Kaltreparaturen, die mehr als 12 Monate ohne Produktion der Batterie dauern.
• Während der Reparatur solcher Koksofen werden die abgenutzten Teile der Verankerung (Blitzplatten, Türrahmen, Teile der Ankerkolonnen, Spannstäbe) und Feuerfestziegelwerk ersetzt. Dies verschlechtert nicht den Zustand des verbleibenden Ziegelwerks und der Verankerung, die nicht ersetzt werden.
• Heißreparatur der Batterie hat mehr technisch-ökonomische Vorteile gegenüber Kaltreparaturen. Reparaturkosten betragen 30 % bis 40 % der Kosten der Kaltreparaturen.