Services experts de réparation de réfractaires de four à coke pour une performance optimale

La batterie de four à coke est une structure réfractaire, contenue dans un exosquelette en acier et/ou en béton. Cet exosquelette est maintenu ensemble dans la direction latérale par une série de tirants entre les contreforts en acier. Les contreforts sont des poutres en acier verticales situées aux extrémités des parois de chauffe entre les fours. Dans une direction longitudinale, les tirants s'étendent entre les murs de pignon aux deux extrémités de la batterie.

Construction et durée de vie

Les parois de chauffe ont traditionnellement été construites en réfractaires de silice. La silice est le réfractaire de choix principalement parce qu'aux températures normales de fonctionnement de la batterie de four à coke, les réfractaires de silice sont soumis à un fluage minimal. De plus, puisque presque toute l'expansion des briques de silice a lieu à des températures inférieures à 650 °C, les fluctuations modérées de température des parois n'ont aucun effet sur la stabilité volumique du réfractaire composant la paroi pendant le fonctionnement normal d'une batterie.

Les batteries de four à coke auront une durée de vie de fonctionnement de vingt à quarante ans, selon les conditions d'exploitation et la maintenance de la batterie. Il y a plusieurs exemples de batteries de four à coke fonctionnant pendant 40 à 50 ans en raison d'une exploitation correcte et d'une réparation en temps opportun. Il y a aussi des cas où les défaillances des réfractaires de four à coke se sont produites en moins de 10 ans d'exploitation. Habituellement, une batterie nécessite des réparations spécifiques aux réfractaires, à l'acier ou aux machines. Ces réparations, si elles sont correctement effectuées, prolongent la durée de vie de la batterie.

Types de dommages aux parois de four à coke

Afin de prolonger la durée de vie de la batterie de four à coke, il est essentiel d'éviter les dommages à la paroi du four. En particulier, il est particulièrement important d'éviter la casse des briques, car cela cause une ouverture dans le mur de briques et le four doit être arrêté, et la maçonnerie du four peut être davantage endommagée pendant le processus de mise à l'arrêt.

Les parois de four à coke sont soumises à une charge mécanique et une charge thermique consistant en chauffages et refroidissements répétés en exploitation de routine et donc tout dommage à elles empire régulièrement d'année en année. Il y a deux types majeurs de dommages aux parois de four à coke. Ce sont les suivants :

• Diminution de l'épaisseur du mur de briques – Les dépôts de carbone sur la surface rugueuse du mur causés par l'érosion de la brique et la perte de mortier au cours des nombreuses années d'exploitation du four. Au fur et à mesure que les dépôts de carbone tombent ou se séparent du mur, ils arrachent plus de brique en désintégration, causant une érosion supplémentaire de la maçonnerie.
• Apparition et propagation de fissures verticales traversantes – Sous l'impact mécanique pendant le chargement du charbon et le stress thermique induit par les chauffages et refroidissements répétés, des fissures longitudinales se forment qui atteignent éventuellement la chambre de combustion. Comme le carbone pénètre dans ces fissures, le corps du four se dilate.

Raisons des dommages aux réfractaires

Les raisons des dommages aux réfractaires des fours sont les suivantes :

• Usure et détérioration naturelle des réfractaires dues à leur âge résultant en perte d'épaisseur, abrasivité de surface accrue et écaillage des parois de briques de four.
• Violation de la discipline technologique pendant l'exploitation de la batterie.
• Mouvement des parois de chauffe en réponse à une pression différentielle déséquilibrée à travers la paroi de chauffe.
• Pression de cokéfaction excessive sur les parois pendant la carbonisation. Cette pression de cokéfaction dépend des caractéristiques des charbons de cokéfaction.
• Échecs de poussage causés par le four collant. Une poussée dure peut causer la rupture de la paroi car une force localisée d'environ 600 N se produit souvent sous la condition de poussée dure et atteint la limite tolérable dans les fours endommagés.

La durée de vie des réfractaires de four est dépendante de l'efficacité d'exploitation, du diagnostic en temps opportun des dommages et de la qualité de la maintenance préventive. Le premier dommage mineur à la maçonnerie de briques peut être observé dans les premières années d'exploitation. À partir de là, le caractère développemental des dommages devient de plus en plus complexe. La nature complexe du développement des dommages aux parois de four est montrée à la Fig 1.

Fig 1 Développement des dommages des parois de four

De plus, à mesure que les dommages des briques de paroi de four deviennent de plus en plus apparents, l'incidence des échecs de poussage et d'autres problèmes qui entravent le fonctionnement stable du four à coke augmentent également. Sous ces conditions, il devient de plus en plus difficile de réparer les fours à coke problématiques efficacement avec des méthodes conventionnelles. Par conséquent, la détection précoce et l'analyse quantitative des parties endommagées des parois de four est essentielle pour les réparations planifiées et en temps opportun des réfractaires de four.

Méthodes de réparation des réfractaires

Le travail de réparation des réfractaires de four à coke nécessite une expertise considérable. Les techniques de réparation à chaud des réfractaires de paroi de four à coke doivent répondre aux critères suivants :

• Il n'y a pas d'interruption du cycle de production.
• La méthode est fiable et fournit une performance de longue durée des parties réparées du mur.
• La méthode est simple, rentable et gain de temps.

Le travail de réparation des réfractaires peut être effectué soit à froid (connu sous le nom de réparations à froid) soit à chaud (connu sous le nom de réparations à chaud). Il y a trois types de méthodes de réparation à chaud appliquées pour la réparation de briques de four à coke. Celles-ci sont décrites ci-dessous.

Réparations à froid

Si un mur traversant entier de la batterie doit être remplacé du sol du four au dessous du toit du four, la réparation peut être effectuée avec le réfractaire de la batterie refroidi à la température atmosphérique. Ce type de réparation qui est effectué après le refroidissement de la batterie est connu sous le nom de réparation à froid de la batterie.

Le remplacement des murs traversants d'une batterie entière est accompli en permettant à la batterie de refroidir sous des conditions contrôlées avant que les réparations ne soient faites. Le refroidissement peut prendre jusqu'à 21 jours pendant lesquels la pression est maintenue sur les parois du four en ajustant les tirants supérieurs et inférieurs. Les toits des fours doivent être supportés. Après que les murs sont reconstruits et avant la remise en chauffe, tous les damiers sont enlevés du régénérateur et toute fissure dans les murs de piliers doit être nettoyée et remplie de flocons céramiques avant que les damiers ne soient remplacés afin de ne pas entraver l'expansion de la maçonnerie pendant la remise en chauffe.

La batterie réparée est remise en chauffe de la même manière qu'une nouvelle batterie.

Une batterie réparée avec tous nouveaux murs traversants, avec une maintenance appropriée, peut s'attendre à avoir une durée de vie d'environ 15 à 20 ans à une fraction du coût d'une nouvelle batterie de four à coke.

Réparations par guniting (projection)

En ce qui concerne les procédures de guniting, il y a le guniting sec et humide et les méthodes de pulvérisation. Afin d'atteindre une durée de vie optimale des matériaux de guniting enduits, de nombreux facteurs doivent être considérés. Cela commence avec les différentes machines de guniting, équipements et accessoires de guniting et se termine avec le traitement économique et écologique.

Au traitement des produits de réparation réfractaire, il est important que le rapport de mélange optimal de matériau et d'eau soit toujours ajusté. Surtout au guniting de réparation, un flux de matériau uniforme est important afin de réduire le développement de poussière et de rebond.

Pour la réparation par guniting des briques de four à coke, normalement une machine de guniting à rotor est utilisée. Ici, le dosage est effectué par un système, qui consiste en un rotor et des rondelles de remplissage. L'entraînement est fait par un moteur électrique à engrenages ou un moteur à air comprimé. La machine est solide, maniable, mobile et adaptée pour des capacités de guniting de 0,25 m³/h à 4,0 m³/h.

Les réparations par guniting ne sont pas des réparations très efficaces et fournissent des résultats temporaires et plutôt cosmétiques.

Soudage céramique

Le soudage céramique est une méthode de réparation largement reconnue. La technologie de soudage céramique offre de nombreuses opportunités pour la réparation de revêtements de diverses compositions physiques et chimiques pour augmenter la durée de vie des réacteurs à haute température. Cette technologie a été développée en Europe pour l'application dans les fours à verre. Cette technologie a été adaptée plus tard aux fours à coke pour effectuer la réparation à chaud des réfractaires endommagés dans les parois de four à coke. La technologie fournit une résistance maximale des zones réparées avec un impact négatif minimal sur la maçonnerie. Une longue durée des zones réparées de réfractaire de four à coke peut être atteinte basée sur la technologie avancée de soudage céramique utilisant des matériaux de haute qualité.

Le processus de soudage céramique a été appliqué pour la première fois dans les années 1970. Ce processus de réparation à chaud est utilisé pour réparer le réfractaire de four à coke à la température de fonctionnement avec une perturbation minimale de la production. Le matériau de réparation est lié céramiquement au réfractaire endommagé, utilisant un processus de fusion qui génère une réaction exothermique excédant 2200 °C. La résistance du lien du soudage céramique permet une réparation supérieure qui restaure l'intégrité structurelle à la maçonnerie d'origine.

Avant le soudage céramique, un système de sablage pneumatique est utilisé pour nettoyer le réfractaire. Ce processus de nettoyage doit être effectué avec un traumatisme minimal pour le réfractaire environnant.

Le soudage céramique accomplit ce que le nom implique qui est le soudage de brique de silice à l'intérieur du four à coke. Cela est accompli en transportant un mélange de poudre, riche en silice, à travers une petite lance de tuyau via un flux d'air comprimé enrichi en oxygène. Le mélange de silice en poudre est projeté hors de l'extrémité de la lance et s'enflamme, presque explose, contre le mur chaud du four à coke. La chaleur de la réaction pénètre la brique de silice créant une zone plastique de silice. La réaction transforme aussi le mélange de silice en poudre en une masse fondue, qui se lie à la zone plastique susmentionnée sur la brique de silice. L'apparence est similaire à celle d'un joint de soudage. Aussi, les effets sont similaires, car un nouveau matériau, également fort, est déposé sur la brique de silice existante usée et fissurée. Les aspects suivants sont importants pour le soudage céramique :

• Affinité de la composition chimique et minérale des matériaux de soudage céramique aux caractéristiques de la maçonnerie à restaurer
• Identité de la composition de phase structurale du matériau réfractaire
• Forte liaison interatomique (cristalline) de la couche soudée et de la maçonnerie de paroi de four

La méthode de soudage céramique peut non seulement souder les fissures et les éclats, mais aussi les défauts de grande surface, tels que les cavités. De plus, la technologie permet le soudage fiable des joints de maçonnerie ancienne et nouvelle.

Correctement installé, le matériau de soudage céramique a fourni vingt ans de service. Cependant, le soudage céramique moyen durera environ 10 ans.

Schéma pour le soudage céramique est montré à la Fig 2.

Fig 2 Schéma pour le soudage céramique

Rebriquetage des parois de four à coke à chaud

Le rebriquetage des parois de chauffe à chaud à diverses profondeurs jusqu'au rebriquetage complet est aussi une méthode de réparation reconnue et efficace. Les réparations de maçonnerie généralement entreprises sont le remplacement des canaux d'extrémité, le remplacement des parois de four entre le sol du four et le toit du four, et les réparations d'urgence à l'intérieur de la chambre de cokéfaction. Ces réparations sont effectuées pendant que la batterie est en condition chaude en train de faire du coke.

La réparation de maçonnerie de paroi de four peut consister en le placement de murs traversants (côté pousseur à côté coke) au-dessus du sol du four et en dessous du toit du four. En même temps, les réparations de maçonnerie peuvent être faites dans la zone de corbeau, et la maçonnerie de face et les toits de four individuels peuvent être remplacés.

La réparation est faite avec la batterie en condition chaude avec un ou deux fours tampons (fours vides) de chaque côté du mur en cours de réparation. Les autres fours de la batterie peuvent produire du coke. Avant la démolition du mur endommagé, des poutres de support de toit doivent être ajoutées dans les fours adjacents, des panneaux isolants doivent être installés sur les parois chaudes adjacentes, des ponts de rail de voiture de chargement doivent être installés sur le dessus du four, et un support doit être fourni pour le toit du four sous lequel le mur sera remplacé. Il faut veiller à maintenir la chaleur dans les régénérateurs et sur les parois adjacentes. Les caractéristiques principales de ce type de réparations sont les suivantes :

• Les formes originales de briques de silice sont utilisées.
• La pose est exécutée avec des briques de conception liant à chaque rangée, y compris le joint des parties anciennes et nouvelles.
• Le chauffage partiel et l'expansion des couches de maçonnerie ont lieu continuellement en raison de la conductivité thermique et de l'échange de chaleur radiant des parois chauffées adjacentes et des parties restantes des murs réparés.
• Le chauffage final du mur réparé est effectué et prend généralement environ 8 à 10 jours,
• La croissance résiduelle de la maçonnerie (au chauffage final aux températures de travail après réparation) est insignifiante, ce qui fournit la durabilité et l'étanchéité au gaz de la nouvelle maçonnerie exécutée.

Les meilleurs résultats de réalisation de réparations à chaud combinant les processus de pose de maçonnerie et de chauffage partiel de la maçonnerie posée sont atteints sous les conditions suivantes :

• Brique de silice de haute qualité est utilisée pour la réparation
• La réparation est effectuée sur un mur simultanément
• La profondeur de rebriquetage ne doit pas être inférieure à 4 verticaux, y compris les canaux de toit en silice et chamotte et les zones de toiture de four
• Pendant la réparation de la paroi de chauffe, les briques de sole de four et les briques endommagées des rangées inférieures de la partie d'extrémité de la paroi de chauffe sont aussi à remplacer (aussi bien que dans la chambre de cokéfaction)

La sécurité des parois adjacentes est atteinte grâce au maintien de la température (750 °C à 850 °C) dans les parois de chauffe pendant la réparation, excluant ainsi les transformations de modification de la silice.

Le problème de base dans l'utilisation de réfractaires de silice dans les réparations à chaud est le maintien de la durabilité et de l'étanchéité au gaz d'un joint vertical continu entre les portions de maçonnerie ancienne et nouvelle en raison des déformations au chauffage, causées par l'expansion thermique linéaire significative de la silice (1,2 % à 1,4 %). En raison de cela, les réparations de maçonnerie de four à coke sont effectuées dans certains pays en utilisant des modules de quartz fondu, ayant un faible coefficient d'expansion thermique de 0,2 % à 0,3 %.

Avantages de cette méthode de réparation

• La réparation prolonge la durée de vie des batteries de four à coke de 7 à 12 ans à condition que la discipline technologique d'exploitation de la batterie soit maintenue.
• Puisque la réparation est prise seulement des chambres usées/endommagées, la production de la batterie ne s'arrête pas contrairement aux réparations à froid qui durent plus de 12 mois sans production de la batterie.
• Pendant la réparation de tels fours à coke, les parties usées d'ancrage (plaques de flash, cadres de porte, parties de colonnes d'ancrage, tirants) et la maçonnerie de briques réfractaires sont remplacées. Cela ne détériore pas la condition de la maçonnerie et de l'ancrage d'équilibre qui n'est pas remplacé.
• La réparation à chaud de la batterie a plus d'avantages techno-économiques sur les réparations à froid. Le coût de réparation est de 30 % à 40 % du coût des réparations à froid.