6.2. Влияние технологии эксплуатации коксовых печей на их сохранность
По принятым нормативам коксовая батарея должна работать без снижения производительности 25 лет. В большинстве случаев ускоренный износ кладки происходит вследствие нарушений правил технической эксплуатации и создания условий, опасных для службы динасовых огнеупоров. Продолжительность периода нормальной эксплуатации коксовых батарей могла бы быть увеличена, если бы удалось замедлить скорость разрушения отдельных быстроизнашивающихся зон.
К самым распространенным видам износа камер коксования относятся: вертикальные трещины на крайних вертикалах и смещения - деформация кладки между ними; заужения - деформация стен камер на уровне верхних рядов кладки крайних вертикалов; деформация стен - выпуклости или вогнутости против различных вертикалов; трещины и выдвижение кирпичей в центральной части камер, главным образом, под загрузочными люками; "подрезы" - борозды в стенках на первых двух рядах кладки от пода; раковины - коррозия динаса в зоне максимальных температур на 2 - 3 вертикалах коксовой стороны на 5 - 8 рядах от пода; отбитости и сколы кромок заплечиков со стороны армирующих броней; трещины; стертости и разрушения крайних сводовых и подовых кирпичей; прогары в стенах.
Указанные выше дефекты в зависимости от причин появления можно условно подразделить на 3 группы: 1) возникшие в результате механических усилий; 2) возникшие в результате термических ударов при глубоких теплосменах; 3) возникшие в результате нарушений гидравлического и температурного режимов обогрева.
К механическим повреждениям относятся все виды деформации стен камер, подрезы в стенах камер у подов, стертости и разрушения стен от соприкосновения с деформированными штангами коксовыталкивателей, истирание коксом подов печей, смещения и наклоны простенков в сторону камер, провалы стен в головочной части камер, отбитости кромок головочных кирпичей, смещения и разрушения кладки под загрузочными люками, разрушения фасадов простенков. Наиболее опасными механическими повреждениями являются деформации стен - вогнутости и выпуклости, которые предопределяют необходимость аварийной остановки коксовых батарей.
Анализ динамики увеличения количества камер с деформациями кладки камер коксования показывает, что деформации имеются не на всех батареях, даже со сроком службы более 20 - 25 лет, и не во всех камерах коксования, а только там, где были в разное время допущены грубые нарушения ПТЭ, основными из которых являются перегрузки камер шихтой, отложения избыточного графита на стенах печей и связанный с ними и другими причинами "тугой" ход коксового пирога, то есть движение кокса при усилиях выдачи намного превышающих нормативные, а зачастую и "бурение" - заклинивание в камере при выдаче кокса, выдача кокса из камер, расположенных рядом с пустыми.
В случаях "тугого хода" и "бурениях" кокса усилия на кладку значительно превышают расчетные показатели, Появляющиеся при этом незначительные деформации в свою очередь становятся причиной дальнейших случаев "бурения" кокса и полного разрушения простенков. Как показывает анализ случаев "бурения" кокса на 12 заводах 50 % всех случаев происходило из-за дефектов кладки в сочетании с нарушением особого режима загрузки недогружаемых печей, 15 - 20 % приходится на различные нарушения обогрева, остальные причины - это несоответствие планируемого состава шихты состоянию кладки старых батарей, частые перешихтовки с ухудшением усадочных свойств шихты, нарушения технологической дисциплины в коксовых и углеподготовительных цехах.
Разрушения стен в головочной части камер коксования с машинной стороны появляются в результате повторных толканий кокса при его "забуривании" без выяснения причин и принятия необходимых мер к устранению причин, вызывающих "бурение" кокса. "Тугой ход" коксового пирога возникает в результате сопротивлений, которые могут возникнуть при выталкивании его из камеры. Известны два основных вида таких сопротивлений: не связанные с изменением свойств коксового пирога, возникающие в результате внешних механических сопротивлений и связанные с изменением свойств коксового пирога, например, недостаточная поперечная усадка, недогрев, перегрев и т.п.
Одной из причин "тугого хода" и "бурения" кокса являются излишние отложения стенового и сводового графита (пироуглерода), который при выдаче создает значительные механические сопротивления. Графит, откладывающийся в материальных швах и неплотностях кладки, способствует ускоренному разрушению печей. Если своевременно не устранять "свежие", еще непрочные отложения пироуглерода при каждой выдаче кокса, то в дальнейшем эти операции значительно усложняются, кроме того, упрочнение отложений приводит к возрастанию механических сопротивлений при выдаче кокса и его "бурению".
На печах с нижним подводом газа "бурение" кокса зачастую происходит из-за нарушений обогрева вследствие забивания газоподводящей арматуры смолистыми веществами и нафталином при плохой очистке отопительного газа.
Одним из признаков возможного "бурения" кокса, особенно при изменении свойств угольной шихты, является "тугой ход" (повышение ампеража при выдаче кокса) групп камер, объединенных одной серией. В этих случаях следует выяснить характер изменения качества угольной шихты для принятия мер, в том числе изменение температурного режима, периода коксования и т.д.
Из других видов механических повреждений стен камер коксования серьезную опасность представляют собой глубокие сколы кромок кирпичей между первыми и вторыми рядами кладки, считая от пода камеры, так называемые "подрезы", которые имеют вид борозд различной протяженности и глубины. Наличие "подрезов" приводит, как правило, к "тугому ходу" и "бурению" кокса и, соответственно, ускоренному износу кладки печей. Замечено, что интенсивность нарастания "подрезов" связана с забрасыванием образующихся на обслуживающих площадках при выдаче кокса из камеры коксования остатков кокса ("концов") в камеру коксования. Большому износу подвергаются крайние 5-10 подовых кирпичей с обеих сторон печей. Крайние подовые кирпичи подвергаются не только истирающим усилиям в результате воздействия глубоких теплосмен при выдаче кокса и обработке печей, но и при эксплуатации неисправных коксовыталкивателей, неисправных путях коксовых машин, неравномерных осадках батарей.
К механическим причинам разрушения можно также отнести разрушения головочных участков простенков, регенераторов, корнюрной зоны при ослаблении или нарушении армирующих устройств, в том числе: разрыве или вытягивании поперечных анкерных стяжек, деформации анкерных колонн (особенно при горении газа у дверей), броней, бронерам. Обеспечение нормальной службы армирующих устройств - одно из важнейших условий сохранности кладки коксовых печей.
Износ камер коксования начинается с их головочных зон, что определяется условиями службы динаса в двух крайних вертикалах.
Неодинаковые условия сжигания газа в парах головочных вертикалов приводит к тому, что поспевание кокса против первых и вторых вертикалов происходит не одновременно; в результате этого происходят разрывы в "упаковке" кокса, что является одной из причин обвалов кокса при снятии дверей, особенно при простоях выдачи. Вследствие короткого факела во вторых вертикалах кокс в нижней части камер поспевает раньше, чем в вышележащих зонах, и это приводит к перегреву участков этого кокса и кладки, и ее коррозии. Кладка стен камер коксования против головочных вертикалов, как правило, заграфичивается недостаточно и через образовавшиеся трещины в головочных вертикалах происходят прососы сырого газа в отопительную систему. Особенно это заметно в районе смотровых шахточек в перекрытии камер.
При большом избытке воздуха догорает сырой газ перетока, что приводит к резкому повышению температур, оплавлению кладки косых ходов и образованию сквозных перегаров в крайних вертикалах.
При нормальной работе коксовых батарей на внутренней поверхности стен печных камер за один оборот печей происходят два значительных понижения температуры: первое - во время выдачи кокса и обработки печной камеры за счет охлаждения воздухом и второе - после загрузки шихтой. Наиболее опасными, определяющими последовательный износ камер коксования, являются термические напряжения, приводящие к развитию трещин в головочной части отопительных простенков.
Износ кладки печных камер начинается с разрыхления поверхностной структуры кирпича ("рубашки"), появления трещин на стеновых кирпичах против крайних вертикалов. Динамика и характер трещинообразования на стенках камер против крайних вертикалов и разрушения кладки между трещинами показаны на рис. 6.1. Вначале трещины появляются на кирпичах в отдельных рядах кладки, а в дальнейшем количество их непрерывно увеличивается до образования сплошной трещины во всех рядах кладки от пода до перекрытия вертикалов. Сначала появляется одна, а затем втораяпараллельная трещина. По кромкам трещин, выходящим на поверхность стен камер, появляются сколы кирпичей. Сколы кромок постепенно увеличиваются и углубляются. Как только глубина скола по краям трещины становится больше величины поперечной усадки шихты, кокс остается в кромке и при выдаче создает усилия, приводящие к смещению "столбиков" между параллельными трещинами. Схема появления таких усилий показана на рис. 6.2. В связи с этим очень важно приступить к ремонту трещин до того, как глубина сколов по кромкам трещин не превысит критических величии (~ 10 - 15 мм).
Смещения кладки между двумя параллельными трещинами предшествуют, как правило, полному разрушению стен против головочных вертикалов и провалу кирпичей в отопительные вертикалы. Через образующиеся сквозные отверстия шихта и кокс попадают в вертикалы, забивают горелочные и соединительные каналы, что в свою очередь приводит к прекращению горения, "омертвлению" отопительного канала и резкому ухудшению готовности кокса против этих каналов.
Рис. 6.1. Стадии разрушения головочных вертикалов коксовых печей (по Г.М. Вольфовскому): 1- появление трещин в кирпичах; 2- образование сколов кромок по трещинам; 3- дальнейшее увеличение сколов по глубине и ширине; 4- появление смещения кирпичей.
Рис. 6.2. Схема возникновения усилий при разрушении стен крайних отопительных каналов
Кроме того, наличие смещений кладки между двумя параллельными трещинами, особенно при расположении их против хода коксового пирога приводит к "забуриванию" кокса при выдаче и дальнейшему последовательному износу и разрушению стен камер против других отопительных каналов (рис. 6.1.. 6.2.).
Последовательный износ отопительной системы печей, оплавление и замусоривание насадки регенераторов, приводящие к резкому повышению сопротивления движению газов, а следовательно, и к уменьшению производительности печей, также связаны с описанными выше видами разрушений головочных вертикалов и являются следствием этого разрушения. Для уменьшения скорости разрушения печей необходимо обеспечить такой режим обогрева, чтобы температура в осевой плоскости коксового пирога перед выдачей против осей крайних вертикалов составляла не ниже 900 - 950°С, а температура поверхности стен не ниже 600 °С.
Наличие трещин на крайних вертикалах и смещений кладки между ними требует уже на 4 - 5 году службы коксовых батарей проведения как горячих профилактических, так и весьма серьезных аварийных ремонтов. После перекладки сместившихся столбиков кирпичей, расположенных между двумя параллельными трещинами, как правило, появляются сужения кладки в районе перекрытия вертикалов. Наличие подобных деформаций приводит к массовым случаям "тугого хода", "бурения" при выдаче кокса, необходимости уменьшать разовую загрузку печей и ускоренному износу стен камер.
К дефектам кладки, возникающим в связи с температурными условиями службы динасовых огнеупоров, следует отнести коррозию динаса и появление раковин на стенах камер в зоне максимальных температур против второго-третьего отопительных каналов с коксовой стороны на пятом-восьмом рядах кладки, считая от пода.
Основными показателями износа отопительной системы являются: 1) оплавление и замусоривание отопительных каналов; оплавление и замусоривание косых ходов и горелочных каналов. Наличие этих дефектов зачастую приводит к "омертвлению" отопительных каналов и невозможности поддерживать заданный режим обогрева; 2) оплавление, растрескивание, ошлакование регулировочных средств, в результате которых нарушается и ухудшается равномерность прогрева кокса по длине и высоте камер коксования; 3) трещины в кирпичах, образующих корнюрные каналы, главным образом, в головочной части, приводящие к перетокам газа в регенераторы, горению газа в них и газовоздушных клапанах, оплавлению насадки, ухудшению обогрева печей; 4) трещины и разрывы в разделительных стенках регенераторов, газораспределительной зоне и подовых каналах (в основном, в головочной части), приводящие к изменению заданного направления газовоздушных потоков, перетокам газа и воздуха из регенератора в регенератор, резкому ухудшению обогрева печей, особенно головочной части, повышению сопротивления отопительной системы, оплавлению насадки регенераторов, необходимости снижать производительность печей. Одной из основных причин отрывов головочной части корнюрной зоны и стен регенераторов является плохое состояние армирующих устройств.
Стены регенераторов несут нагрузку верхнего строения печей и разделяют разноименные потоки газов (воздуха, бедного газа и продуктов горения) с большим перепадом разрежений, они подвергаются попеременному нагреванию продуктами горения из отопительных каналов с температурой 1300 -1350°С и охлаждению воздухом и бедным газом, поступающим в регенераторы с температурой 30 - 40°С. Температура верха стен регенераторов достигает 1220 - 1270 °С при отоплении коксовым газом и 1150 - 1200 °С при отоплении доменным газом.
Низ стен регенераторов нагрет соответственно до 230 - 150 °С. Колебания температур поверхности кладки в результате реверсии газовых потоков составляют 40 - 60 °С, а в нижней части стен эти перепады еще больше. При таких колебаниях температуры на поверхности кладки стен в нижней части их могут проходить превращения модификаций динаса и его разрушения (в последних конструкциях печей нижняя часть стен регенераторов в связи с этим выполняется из шамотных огнеупоров).
Повышение сопротивления насадки регенераторов выше 70 - 80 Па делает невозможной подачу необходимого количества воздуха на обогрев и поддержание заданного температурного режима. При этом, естественно, снижается производительность печей. Опасными и серьезными, с точки зрения службы всего печного массива и обеспечения производительности печей, являются дефекты газораспределительной (корнюрной) зоны и стен регенераторов, главным образом, трещины в них. Количество воздуха, проходящего через неплотности стен регенераторов, можно определить по разности между объемами продуктов горения, проходящих газовый и воздушный регенераторы по формуле:
где ФВ - количество воздуха, проходящего через неплотности в стенах регенераторов; α - коэффициент избытка воздуха по пробам продуктов сгорания, отобранных из подовых каналов, соответственно: (α Вмс - воздушного регенератора машинной стороны; αГМС - газового регенератора машинной стороны; α Вкс и αГКС - то же из воздушного и газового регенераторов коксовой стороны.
Через неплотности стен регенераторов может теряться до 50% воздуха, поступающего на обогрев. При этом резко повышается сопротивление отопительной системы. Особенно при этом ухудшается обогрев крайних вертикалов, в них снижается температура, следовательно, ускоряется их износ. Это обусловлено тем, что с увеличением сопротивления регенераторов возникает необходимость увеличивать разрежение в их верхней части, что приводит к увеличению подсосов воздуха через неплотности в фасадах регенераторов и соответственному снижению теплоты сгорания доменного газа, поступающего в крайние вертикалы.