Servicios expertos de reparación de refractarios de hornos de coque para rendimiento óptimo

La batería de hornos de coque es una estructura refractaria, contenida dentro de un exoesqueleto de acero y/o concreto. Este exoesqueleto se mantiene unido en la dirección lateral por una serie de tirantes entre contrafuertes de acero. Los contrafuertes son vigas de acero verticales ubicadas en los extremos de los muros de calentamiento entre los hornos. En dirección longitudinal, los tirantes se extienden entre los muros de piñón en cualquiera de los extremos de la batería.

Los muros de calentamiento se han construido tradicionalmente de refractarios de sílice. La sílice es el refractario de elección principalmente porque, a temperaturas normales de operación de batería de hornos de coque, los refractarios de sílice están sujetos a fluencia mínima. Además, dado que casi toda la expansión de los ladrillos de sílice ocurre a temperaturas que están por debajo de 650 °C, las fluctuaciones moderadas de temperatura de los muros no tienen efecto en la estabilidad volumétrica del refractario que comprende el muro durante la operación normal de una batería.

Las baterías de hornos de coque tendrán una vida operativa de veinte a cuarenta años, dependiendo de las condiciones de operación y mantenimiento de la batería. Hay varios ejemplos de baterías de hornos de coque trabajando por 40-50 años debido a operación correcta y reparación oportuna. También hay casos donde las fallas de refractarios de hornos de coque han ocurrido en menos de 10 años de operación. Usualmente una batería requiere reparaciones específicas a los refractarios, estructura de acero o maquinaria. Estas reparaciones, si se realizan correctamente, extienden la vida de la batería.

Tipos de daño en muros de hornos de coque

Para prolongar la vida útil de la batería de hornos de coque, es esencial evitar daño al muro del horno. En particular, es especialmente importante evitar la rotura de ladrillos, ya que esto causa una abertura en el muro de ladrillos y el horno debe pararse, y el ladrillo del horno puede dañarse aún más durante el proceso de paro.

Los muros de hornos de coque están sujetos a carga mecánica y carga térmica consistente en calentamiento y enfriamiento repetidos en operación rutinaria y por tanto cualquier daño a ellos empeora constantemente año tras año. Hay dos tipos principales de daño a los muros de hornos de coque. Estos son los siguientes:

• Disminución del espesor del muro de ladrillos – Depósitos de carbono en la superficie rugosa del muro causados por erosión del ladrillo y pérdida de mortero sobre los muchos años de operación del horno. A medida que los depósitos de carbono caen o se separan del muro, arrancan más del ladrillo en desintegración, causando mayor erosión del ladrillo.
• Ocurrencia y propagación de grietas verticales transversales – Bajo el impacto mecánico durante la carga de carbón y la tensión térmica inducida por el calentamiento y enfriamiento repetidos, se forman grietas longitudinales que eventualmente llegan a la cámara de combustión. A medida que el carbono entra en esas grietas, el cuerpo del horno se expande.

Las razones para el daño a los refractarios de los hornos son las siguientes:

• Desgaste y deterioro natural de los refractarios debido a su edad resultando en pérdida de espesor, aumento de abrasividad superficial y desprendimiento de muros de ladrillos del horno.
• Violación de la disciplina tecnológica durante la operación de la batería.
• Movimiento de muros de calentamiento en respuesta a presión diferencial desequilibrada a través del muro de calentamiento.
• Presión de coquización excesiva en los muros durante la carbonización. Esta presión de coquización depende de las características de los carbones de coquización.
• Fallos de empuje causados por horno pegajoso. Un empuje duro puede causar rotura de muro porque una fuerza localizada de alrededor de 600 N a menudo ocurre bajo condición de empuje duro y alcanza el límite tolerable en hornos dañados.

La vida de los refractarios del horno depende de la eficiencia operacional, diagnóstico oportuno del daño y calidad del mantenimiento preventivo. El primer daño menor en la albañilería de ladrillos puede observarse en los primeros años de operación. Desde entonces, el carácter de desarrollo del daño se vuelve cada vez más complejo. La naturaleza compleja del desarrollo de los daños en los muros del horno se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Desarrollo de los daños de los muros del horno

Además, a medida que el daño de los ladrillos del muro del horno se vuelve cada vez más conspicuo, la incidencia de fallos de empuje y otros problemas que impiden la operación estable de hornos de coque también van aumentando. Bajo estas condiciones, se vuelve cada vez más difícil reparar los hornos de coque problemáticos eficientemente con métodos convencionales. Por tanto, la detección temprana y análisis cuantitativo de las partes dañadas de los muros del horno es esencial para reparaciones planificadas y oportunas de los refractarios del horno.

Métodos de reparación de refractarios

El trabajo de reparación de refractarios de hornos de coque requiere considerable experiencia. Las técnicas de reparación en caliente de refractarios de muros de hornos de coque deben cumplir los siguientes criterios:

• No hay interrupción al ciclo de producción.
• El método es confiable y proporciona rendimiento de larga vida de las porciones reparadas del muro.
• El método es simple, costo-efectivo y ahorra tiempo.

El trabajo de reparación de refractarios puede llevarse a cabo ya sea en condición fría (conocido como reparaciones en frío) o en condición caliente (conocido como reparaciones en caliente). Hay tres tipos de métodos de reparación en caliente aplicados para reparación de ladrillos de horno de coque. Estos se describen a continuación.

Reparaciones en frío

Si un muro transversal de toda una batería debe ser reemplazado desde el piso del horno hasta la parte inferior del techo del horno, la reparación puede realizarse con el refractario de la batería enfriado a temperatura atmosférica. Este tipo de reparación que se lleva a cabo después del enfriamiento de la batería se conoce como reparación en frío de la batería.

El reemplazo de los muros transversales de toda una batería se logra permitiendo que la batería se enfríe bajo condiciones controladas antes de que se hagan las reparaciones. El enfriamiento puede tomar hasta 21 días durante los cuales se mantiene presión en los muros del horno ajustando los tirantes superiores e inferiores. Los techos de los hornos deben ser soportados. Después de que los muros son reconstruidos y antes del calentamiento, todos los tableros de regenerador se remueven y cualquier grieta en los muros pilares debe ser limpiada y empaquetada con lana cerámica antes de que los tableros sean reemplazados para no obstaculizar la expansión del ladrillo durante el calentamiento.

La batería reparada se calienta de la misma manera que una batería nueva.

Una batería reparada con todos nuevos muros transversales, con mantenimiento adecuado puede esperarse que tenga una vida de aproximadamente 15 a 20 años a una fracción del costo de una nueva batería de hornos de coque.

Reparaciones por proyección (Guniting)

En cuanto a los procedimientos de guniting hay guniting seco y húmedo y métodos de pulverización. Para lograr una vida útil óptima de los materiales de guniting recubiertos, muchos factores deben considerarse. Esto comienza con las diferentes máquinas de guniting, equipos y accesorios de guniting y termina con el procesamiento económico y ecológico.

En el procesamiento de productos de reparación refractaria, es importante que siempre la proporción óptima de mezcla de material y agua necesite ajustarse. Especialmente en la reparación por guniting, un flujo de material uniforme es importante para reducir el desarrollo de polvo y rebote.

Para la reparación por guniting de ladrillos de horno de coque, normalmente se usa una máquina de guniting de rotor. Aquí la dosificación se lleva a cabo por un sistema, que consiste en rotor y arandelas de empaque. El accionamiento se hace por un motor eléctrico de engranajes o un motor de aire comprimido. La máquina es sólida, manejable, móvil y adecuada para capacidades de guniting de 0,25 m³/hr a 4,0 m³/hr.

Las reparaciones por guniting no son reparaciones muy efectivas y proporcionan resultados temporales y más bien cosméticos.

Soldadura cerámica

La soldadura cerámica es un método de reparación ampliamente reconocido. La tecnología de soldadura cerámica proporciona amplias oportunidades para reparación de revestimientos de diversas composiciones físicas y químicas para aumentar la vida útil de reactores de alta temperatura. Esta tecnología fue desarrollada en Europa para aplicación en hornos de vidrio. Esta tecnología fue adaptada posteriormente a hornos de coque para llevar a cabo la reparación en caliente de los refractarios dañados en los muros de hornos de coque. La tecnología proporciona máxima resistencia de áreas reparadas con impacto negativo mínimo en la albañilería. La larga duración de áreas reparadas de refractario de horno de coque puede lograrse basada en la tecnología avanzada de soldadura cerámica usando materiales de alta calidad.

El proceso de soldadura cerámica se aplicó por primera vez en la década de 1970. Este proceso de reparación en caliente se usa para reparar el refractario de horno de coque a temperatura de operación con mínima disrupción a la producción. El material de reparación se une cerámicamente al refractario dañado, utilizando un proceso de fusión que genera una reacción exotérmica en exceso de 2200 °C. La resistencia de unión de la soldadura cerámica permite una reparación superior que restaura la integridad estructural a la albañilería original.

Antes de la soldadura cerámica, un sistema de chorro neumático se usa para limpiar el refractario. Este proceso de limpieza debe llevarse a cabo con trauma mínimo al refractario circundante.

La soldadura cerámica logra lo que el nombre implica que es la soldadura de ladrillo de sílice dentro del horno de coque. Esto se logra transportando una mezcla de polvo, rica en sílice, a través de una pequeña lanza de tubo vía una corriente de aire comprimido enriquecido con oxígeno. La mezcla de sílice en polvo es eyectada fuera del extremo de la lanza e ignita, casi explota, contra el muro caliente del horno de coque. El calor de la reacción penetra el ladrillo de sílice creando una zona plástica de sílice. La reacción también convierte la mezcla de sílice en polvo en una masa fundida, que se une a la zona plástica mencionada en el ladrillo de sílice. La apariencia es similar a la de una junta de soldadura. Además, los efectos son similares, ya que material nuevo, igualmente fuerte, se deposita sobre el ladrillo de sílice existente desgastado y agrietado. Los siguientes aspectos son importantes para la soldadura cerámica:

• Afinidad de composición química y mineral de los materiales de soldadura cerámica a las características de la albañilería a restaurar
• Identidad de la composición de fase estructural del material refractario
• Fuerte enlace interatómico (cristalino) de la capa soldada y la albañilería del muro del horno

El método de soldadura cerámica no solo puede soldar grietas y astillas, sino también defectos de gran área, como cavidades. Además, la tecnología permite la soldadura confiable de juntas de albañilería vieja y nueva.

Instalada correctamente, la soldadura cerámica ha proporcionado veinte años de servicio. Sin embargo, la soldadura cerámica promedio durará aproximadamente 10 años.

Esquema para soldadura cerámica se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Esquema para soldadura cerámica

Reconstrucción de muros de hornos de coque en caliente

La reconstrucción en caliente de muros de calentamiento a varias profundidades hasta reconstrucción completa es también un método de reparación efectivo reconocido. Las reparaciones de albañilería usualmente emprendidas son el reemplazo de conductos finales, el reemplazo de muros de horno entre piso de horno y techo de horno, y reparaciones de emergencia dentro de la cámara del horno. Estas reparaciones se realizan mientras la batería está en condición caliente produciendo coque.

La reparación de albañilería de muro de horno puede consistir en la colocación de muros transversales (lado empujador a lado coque) sobre el piso del horno y bajo el techo del horno. Al mismo tiempo, las reparaciones de albañilería pueden hacerse en el área de cornisa, y albañilería de cara y techos de hornos individuales pueden ser reemplazados.

La reparación se hace con la batería en condición caliente con uno o dos hornos buffer (hornos vacíos) en cada lado del muro siendo reparado. Los otros hornos de la batería pueden estar produciendo coque. Antes de la demolición del muro dañado, se deben añadir vigas de soporte de techo en los hornos adyacentes, paneles aislantes deben instalarse en los muros calientes adyacentes, puentes de riel de coche de carga deben instalarse en la parte superior del horno, y soporte provisto para el techo del horno bajo el cual el muro será reemplazado. Se debe tener cuidado de mantener el calor en los regeneradores y en los muros adyacentes. Las siguientes son las características principales de este tipo de reparaciones:

• Formas originales de ladrillos de sílice se usan.
• La colocación se ejecuta con ladrillos de diseño uniendo en cada hilada, incluyendo la junta de partes viejas y nuevas.
• Calentamiento parcial y expansión de capas de albañilería ocurre continuamente debido a conductividad de calor e intercambio radiativo de calor de los muros adyacentes calentados y partes restantes de los muros reparados.
• Calentamiento final del muro reparado se lleva a cabo y usualmente toma alrededor de 8 a 10 días.
• Crecimiento residual de albañilería (al calentamiento final a temperaturas de trabajo después de reparación) es insignificante, que proporciona durabilidad y hermeticidad al gas de la albañilería nueva ejecutada.

Los mejores resultados de realización de reparaciones en caliente combinando los procesos de albañilería y calentamiento parcial de albañilería colocada se logran bajo las siguientes condiciones:

• Ladrillo de sílice de alta calidad se usa para reparación
• La reparación se lleva a cabo en un muro simultáneamente
• La profundidad de reconstrucción no debe ser menor a 4 verticales, incluyendo techado de verticales de sílice y arcilla refractaria y zonas de techado de horno
• Durante la reparación de muro de calentamiento, los ladrillos de suelo del horno y ladrillos dañados de las hiladas inferiores de la parte final del muro de calentamiento también deben ser reemplazados (así como en cámara de coquización)

La seguridad de los muros adyacentes se logra debido al mantenimiento de temperatura (750 °C a 850 °C) en muros de calentamiento durante la reparación, excluyendo así transformaciones de modificación de sílice.

El problema básico en el uso de refractarios de sílice en reparaciones en caliente es el mantenimiento de durabilidad y hermeticidad al gas de una junta vertical continua entre las porciones viejas y nuevas de albañilería debido a deformaciones al calentamiento, causadas por expansión lineal térmica significativa de sílice (1,2 % a 1,4 %). Debido a esto, las reparaciones de albañilería de hornos de coque se llevan a cabo en algunos países usando módulos de cuarzo fundido, teniendo coeficiente de expansión térmica pequeño de 0,2 % a 0,3 %.

Ventajas de este método de reparación

• La reparación extiende la vida de las baterías de hornos de coque por 7 a 12 años siempre que se mantenga la disciplina tecnológica de operación de la batería.
• Dado que la reparación se toma solo de cámaras desgastadas/dañadas, la producción de la batería no se detiene a diferencia de reparaciones en frío que duran más de 12 meses sin producción de la batería.
• Durante la reparación de tales hornos de coque, las partes desgastadas de anclaje (placas de destello, marcos de puerta, partes de columnas de anclaje, tirantes) y albañilería de refractario se reemplazan. Esto no deteriora la condición de albañilería y anclaje de equilibrio que no se reemplaza.
• La reparación en caliente de la batería tiene más ventajas tecno-económicas sobre reparaciones en frío. El costo de reparación es 30 % a 40 % del costo de las reparaciones en frío.