Serviços Especializados de Reparo Refratário para Fornos de Coque: Desempenho Otimizado

Reparos Refratários de Fornos de Coque

A bateria de fornos de coque é uma estrutura refratária contida dentro de um exoesqueleto de aço e/ou concreto. Este exoesqueleto é mantido unido na direção lateral por uma série de tirantes entre contraventes de aço (buckstays). Os contraventes são vigas verticais de aço localizadas nas extremidades das paredes de aquecimento entre os fornos. Na direção longitudinal, os tirantes se estendem entre as paredes de pinhão (pinion walls) em cada extremidade da bateria.

As paredes de aquecimento têm sido tradicionalmente construídas com refratários de sílica. A sílica é o refratário de escolha principalmente porque, nas temperaturas normais de operação da bateria de fornos de coque, os refratários de sílica estão sujeitos a fluência (creep) mínima. Além disso, como quase toda a expansão dos tijolos de sílica ocorre a temperaturas abaixo de 650 °C, as flutuações moderadas de temperatura das paredes não afetam a estabilidade volumétrica do refratário que compõe a parede durante a operação normal da bateria.

As baterias de fornos de coque terão uma vida operacional de vinte a quarenta anos, dependendo das condições operacionais e da manutenção da bateria. Existem vários exemplos de baterias operando por 40-50 anos devido à operação correta e reparos oportunos. Também há casos onde falhas dos refratários ocorreram em menos de 10 anos de operação. Geralmente, uma bateria requer reparos específicos nos refratários, na estrutura metálica ou nos equipamentos. Esses reparos, se realizados corretamente, estendem a vida da bateria.

Importância de Evitar Danos às Paredes do Forno

Para prolongar a vida útil da bateria de fornos de coque, é essencial evitar danos à parede do forno. Em particular, é especialmente importante evitar a quebra de tijolos, pois isso causa uma abertura na parede de tijolos e o forno deve ser parado, podendo o alvenaria ser ainda mais danificada durante o processo de paralisação.

As paredes dos fornos de coque estão sujeitas a carga mecânica e térmica, consistindo em aquecimento e resfriamento repetidos na operação de rotina, e qualquer dano a elas piora progressivamente ano a ano. Existem dois tipos principais de dano às paredes dos fornos de coque:

• Diminuição da espessura da parede de tijolos – Depósitos de carbono na superfície rugosa da parede causados pela erosão do tijolo e perda de argamassa ao longo de muitos anos de operação. À medida que os depósitos de carbono caem ou se separam da parede, eles removem mais do tijolo desintegrado, causando maior erosão da alvenaria.
• Ocorrência e propagação de trincas verticais passantes – Sob impacto mecânico durante a carga de carvão e tensão térmica induzida pelo aquecimento e resfriamento repetidos, trincas longitudinais se formam e eventualmente alcançam a câmara de combustão. À medida que o carbono penetra nessas trincas, o corpo do forno se expande.

Causas dos Danos aos Refratários dos Fornos

• Desgaste e deterioração natural dos refratários devido à idade, resultando em perda de espessura, aumento da abrasividade superficial e descamação (spalling) das paredes de tijolos.
• Violação da disciplina tecnológica durante a operação da bateria.
• Movimento das paredes de aquecimento em resposta à pressão diferencial desbalanceada através da parede.
• Pressão excessiva de coqueificação nas paredes durante a carbonização. Esta pressão depende das características dos carvões de coqueificação.
• Falhas de empurramento causadas pelo forno travado. Um empurramento forte pode causar quebra da parede porque uma força localizada de cerca de 600 N frequentemente ocorre sob condição de empurramento forte e atinge o limite tolerável em fornos danificados.

A vida dos refratários dos fornos depende da eficiência operacional, diagnóstico oportuno do dano e qualidade da manutenção preventiva. O primeiro dano menor na alvenaria pode ser observado nos primeiros anos de operação. A partir daí, o caráter de desenvolvimento do dano torna-se cada vez mais complexo. A natureza complexa do desenvolvimento dos danos às paredes dos fornos é mostrada na Figura 1.

Figura 1: Desenvolvimento dos danos das paredes dos fornos

À medida que o dano aos tijolos das paredes do forno se torna cada vez mais evidente, a incidência de falhas de empurramento e outros problemas que impedem a operação estável dos fornos de coque também aumenta. Nessas condições, torna-se cada vez mais difícil reparar os fornos problemáticos eficientemente com métodos convencionais. Portanto, a detecção precoce e análise quantitativa das partes danificadas das paredes dos fornos é essencial para reparos planejados e oportunos dos refratários.

Critérios para Técnicas de Reparo a Quente

O trabalho de reparo refratário de fornos de coque requer considerável expertise. As técnicas de reparo a quente de refratários de paredes de fornos de coque devem atender aos seguintes critérios:

• Não há interrupção do ciclo de produção.
• O método é confiável e proporciona longa vida de desempenho das porções reparadas da parede.
• O método é simples, custo-efetivo e economiza tempo.

O trabalho de reparo refratário pode ser realizado em condição fria (conhecido como reparos a frio) ou em condição quente (conhecido como reparos a quente). Existem três tipos de métodos de reparo a quente aplicados para reparo de tijolos de fornos de coque, descritos abaixo.

Reparos a Frio (Cold Repairs)

Se uma parede transversal (through wall) de toda a bateria deve ser substituída do piso do forno até a parte inferior do teto, o reparo pode ser realizado com o refratário da bateria resfriado à temperatura atmosférica. Este tipo de reparo, realizado após o resfriamento da bateria, é conhecido como reparo a frio da bateria.

A substituição das paredes transversais de toda a bateria é realizada permitindo que a bateria esfrie sob condições controladas antes dos reparos. O resfriamento pode levar até 21 dias, durante os quais a pressão é mantida nas paredes do forno ajustando os tirantes superiores e inferiores. Os tetos dos fornos devem ser suportados. Após as paredes serem reconstruídas e antes do aquecimento, todos os regeneradores (checkers) são removidos e quaisquer trincas nas paredes dos pilares devem ser limpas e preenchidas com flocos cerâmicos antes que os regeneradores sejam recolocados, para não dificultar a expansão da alvenaria durante o aquecimento.

A bateria reparada é aquecida da mesma maneira que uma bateria nova. Uma bateria reparada com todas as novas paredes transversais, com manutenção adequada, pode ter uma vida de aproximadamente 15 a 20 anos a uma fração do custo de uma nova bateria de fornos de coque.

Reparos por Projeção (Guniting Repairs)

Quanto aos procedimentos de gunite, existem os métodos de projeção seca e úmida e de pulverização. Para alcançar uma vida útil ótima dos materiais de projeção revestidos, muitos fatores devem ser considerados. Isso começa com as diferentes máquinas, equipamentos e acessórios de projeção e termina com o processamento econômico e ecológico.

No processamento de produtos refratários para reparo, é importante que sempre a proporção ideal de mistura de material e água seja ajustada. Especialmente no reparo por projeção, um fluxo de material uniforme é importante para reduzir o desenvolvimento de poeira e rebote.

Para o reparo por projeção de tijolos de fornos de coque, normalmente usa-se uma máquina de projeção por rotor. A dosagem é realizada por um sistema que consiste em rotor e arruelas de vedação. O acionamento é feito por motorredutor elétrico ou motor a ar comprimido. A máquina é robusta, prática, móvel e adequada para capacidades de projeção de 0,25 m³/h a 4,0 m³/h.

Reparos por projeção não são muito eficazes e fornecem resultados temporários e rather cosméticos.

Soldagem Cerâmica (Ceramic Welding)

A soldagem cerâmica é um método de reparo amplamente reconhecido. A tecnologia de soldagem cerâmica oferece amplas oportunidades para reparo de revestimentos de várias composições físico-químicas para aumentar a vida útil de reatores de alta temperatura. Esta tecnologia foi desenvolvida na Europa para aplicação em fornos de vidro. Posteriormente, foi adaptada para fornos de coque para realizar o reparo a quente de refratários danificados nas paredes dos fornos. A tecnologia proporciona máxima resistência das áreas reparadas com impacto negativo mínimo na alvenaria. Longa durabilidade das áreas reparadas de refratários de fornos de coque pode ser alcançada baseada na avançada tecnologia de soldagem cerâmica usando materiais de alta qualidade.

O processo de soldagem cerâmica foi aplicado pela primeira vez na década de 1970. Este processo de reparo a quente é usado para reparar o refratário do forno de coque na temperatura de operação com interrupção mínima da produção. O material de reparo é ligado cerâmicamente ao refratário danificado, utilizando um processo de fusão que gera uma reação exotérmica acima de 2200 °C. A resistência da ligação da soldagem cerâmica permite um reparo superior que restaura a integridade estrutural à alvenaria original.

Antes da soldagem cerâmica, um sistema de jateamento pneumático é usado para limpar o refratário. Este processo de limpeza deve ser realizado com trauma mínimo ao refratário circundante.

A soldagem cerâmica realiza o que o nome implica: a soldagem de tijolos de sílica dentro do forno de coque. Isso é realizado transportando uma mistura em pó, rica em sílica, através de uma pequena lança por um fluxo de ar comprimido enriquecido com oxigênio. A mistura de sílica em pó é projetada para fora da extremidade da lança e ignita, quase explode, contra a parede quente do forno de coque. O calor da reação penetra no tijolo de sílica criando uma zona plástica de sílica. A reação também transforma a mistura de sílica em pó em uma massa fundida, que se liga à zona plástica mencionada no tijolo de sílica. A aparência é similar à de uma junta de solda. Além disso, os efeitos são semelhantes, pois material novo, igualmente forte, é depositado sobre o tijolo de sílica desgastado e trincado. Os seguintes aspectos são importantes para a soldagem cerâmica:

• Afinidade da composição química e mineral dos materiais de soldagem cerâmica às características da alvenaria a ser restaurada
• Identidade da composição de fase estrutural do material refratário
• Forte ligação interatômica (cristalina) da camada soldada e da alvenaria da parede do forno

O método de soldagem cerâmica não apenas solda trincas e lascas, mas também defeitos de grande área, como cavidades. Além disso, a tecnologia permite a soldagem confiável de juntas de alvenaria antiga e nova.

Corretamente instalado, o material de soldagem cerâmica proporcionou vinte anos de serviço. No entanto, a solda cerâmica média durará aproximadamente 10 anos.

Esquema para soldagem cerâmica é mostrado na Figura 2.

Figura 2: Esquema para soldagem cerâmica

Rebricking de Paredes de Fornos de Coque a Quente

O rebricking a quente de paredes de aquecimento a várias profundidades, até o rebricking completo, também é um método de reparo eficaz reconhecido. Reparos de alvenaria geralmente realizados são a substituição de canais de extremidade (end flues), a substituição de paredes de forno entre o piso e o teto, e reparos de emergência dentro da câmara do forno. Estes reparos são realizados enquanto a bateria está em condição quente produzindo coque.

O reparo da alvenaria da parede do forno pode consistir na colocação de paredes transversais (lado do empurrador ao lado do coque) acima do piso do forno e abaixo do teto. Ao mesmo tempo, reparos de alvenaria podem ser feitos na área do corbel, alvenaria de face e tetos individuais de fornos podem ser substituídos.

O reparo é feito com a bateria em condição quente com um ou dois fornos tampão (fornos vazios) em cada lado da parede a ser reparada. Os outros fornos da bateria podem estar produzindo coque. Antes da demolição da parede danificada, vigas de suporte do teto devem ser adicionadas nos fornos adjacentes, painéis isolantes devem ser instalados nas paredes quentes adjacentes, pontes de trilhos do carro de carga devem ser instaladas no topo do forno, e suporte deve ser provido para o teto do forno sob o qual a parede será substituída. Deve-se tomar cuidado para manter o calor nos regeneradores e nas paredes adjacentes. As principais características deste tipo de reparo são:

• Formas originais de tijolos de sílica são usadas.
• Assentamento é executado com tijolos de projeto com amarração (bonding) em cada fiada, incluindo a junta das partes antiga e nova.
• Aquecimento parcial e expansão das camadas de alvenaria ocorre continuamente devido à condutividade térmica e troca radiativa de calor das paredes adjacentes aquecidas e partes restantes das paredes reparadas.
• Aquecimento final da parede reparada é realizado e geralmente leva cerca de 8 a 10 dias.
• Crescimento residual da alvenaria (no aquecimento final às temperaturas de trabalho após o reparo) é insignificante, o que proporciona durabilidade e estanqueidade ao gás da nova alvenaria executada.

Os melhores resultados da realização de reparos a quente combinando os processos de assentamento de alvenaria e aquecimento parcial da alvenaria assentada são alcançados sob as seguintes condições:

• Tijolo de sílica de alta qualidade é usado para reparo
• Reparo é realizado em uma parede simultaneamente
• A profundidade do rebricking não deve ser inferior a 4 fiadas verticais, incluindo cobertura de canais verticais de sílica e chamote e zonas de cobertura do teto do forno
• Durante o reparo da parede de aquecimento, os tijolos do fundo do forno e tijolos danificados das fiadas inferiores da parte final da parede de aquecimento também devem ser substituídos (bem como na câmara de coqueificação)

A segurança das paredes adjacentes é alcançada devido à manutenção da temperatura (750 °C a 850 °C) nas paredes de aquecimento durante o reparo, excluindo assim transformações de modificação da sílica.

O problema básico no uso de refratários de sílica em reparos a quente é a manutenção da durabilidade e estanqueidade ao gás de uma junta vertical contínua entre as porções antiga e nova da alvenaria devido a deformações no aquecimento, causadas pela significativa expansão linear térmica da sílica (1,2% a 1,4%). Devido a isso, reparos de alvenaria de fornos de coque são realizados em alguns países usando módulos de quartzo fundido, com baixo coeficiente de expansão térmica de 0,2% a 0,3%.

Vantagens deste Método de Reparo

• O reparo estende a vida das baterias de fornos de coque em 7 a 12 anos, desde que a disciplina tecnológica de operação da bateria seja mantida.
• Como o reparo é feito apenas nas câmaras desgastadas/danificadas, a produção da bateria não para, ao contrário dos reparos a frio que duram mais de 12 meses sem produção da bateria.
• Durante o reparo de tais fornos de coque, as partes desgastadas da ancoragem (chapas de vedação, armações de portas, partes de colunas de ancoragem, tirantes) e alvenaria refratária são substituídas. Isso não deteriora a condição da alvenaria e ancoragem de equilíbrio que não é substituída.
• O reparo a quente da bateria tem mais vantagens techno-econômicas sobre reparos a frio. O custo do reparo é 30% a 40% do custo dos reparos a frio.