(57)【要約】【課題】炉壁の剛性を長期間維持し、側圧の増加と炉壁変形の悪循環を発生させず、熱亀裂を生じても剛性が低下しないコークス炉の煉瓦積み構造、コークス炉構成用煉瓦を提供する。【解決手段】炭化室と燃焼室が炉団方向に交互に配列され、燃焼室は炉長方向に配列された燃焼室フリュー８列からなるコークス炉に用いる耐火性の煉瓦であって、ロイファー部を構成するロイファー壁部３６１と、ロイファー壁部３６１の両端に二枚のビンダー部を構成するビンダー壁部３６２、３６３が連続し、二枚のビンダー壁部３６２、３６３が、ロイファー壁部３６１の中心を通りロイファー壁部の反対側の炉団方向の炭化室に向かう中心線に向かって間隔を狭める方向に伸び、合体部をハンマー部とし、ロイファー壁部３６１を底辺とし、両ビンダー壁部３６２、３６３を二辺としたハンマー部３６４を頂点とする三角形をなす三角ユニット構造を有しているコークス炉構成用煉瓦。【選択図】図９
2020033402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化室と燃焼室が炉団方向に交互に配列され、燃焼室は炉長方向に配列された燃焼室フリュー列からなるコークス炉に用いる耐火性の煉瓦であって、
隣り合う燃焼室フリューの仕切り壁をビンダー部、燃焼室フリューと炭化室の仕切り壁をロイファー部と呼び、
前記耐火性の煉瓦は、ロイファー部を構成するロイファー壁部と、ロイファー壁部の両端に二枚のビンダー部を構成するビンダー壁部が連続し、前記二枚のビンダー壁部が、前記ロイファー壁部の中心を通り前記ロイファー壁部の反対側の炉団方向の炭化室に向かう中心線に向かって間隔を狭める方向に伸び、合体部をハンマー部とし、前記ロイファー壁部を底辺とし、両ビンダー壁部を二辺としたハンマー部を頂点とする三角形をなす構造（三角ユニット構造）
を有していることを特徴とするコークス炉構成用煉瓦。
【請求項２】
炭化室と燃焼室が炉団方向に交互に配列され、燃焼室は炉長方向に配列された燃焼室フリュー列からなるコークス炉の煉瓦積み構造において、
請求項１に記載のコークス炉構成用煉瓦を少なくとも一部に用いて燃焼室と炭化室を構成することを特徴とするコークス炉の煉瓦積み構造。
【請求項３】
コークス炉の同じ段を構成する煉瓦群は、請求項１に記載のコークス炉構成用煉瓦同士が、前記三角ユニット構造のロイファー壁部で隣り合うように連続的に炉長方向に配置され、
頂点であるハンマー部と隣の三角ユニット構造の頂点であるハンマー部との間にロイファー部を構成する直線状の連結煉瓦が配置されており、
前記三角ユニット構造のロイファー壁部の連続でロイファー部を構成する側が現れる前記煉瓦群と、前記連結煉瓦でロイファー部を構成する側が現れる煉瓦群を、高さ方向に交互に配置しロイファー部構造を構成すること、を特徴とする請求項２に記載のコークス炉の煉瓦積み構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コークス炉構成用煉瓦およびコークス炉の煉瓦積み構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、コークス炉の概要を図１により説明する。図において、１は炭化室、２は燃焼室、３は蓄熱室をそれぞれ示し、４は珪石煉瓦により構成される炭化室壁である。炭化室１は炉団方向５に数十門設置される。操業に際しては炭化室１内に石炭を装入しておき、蓄熱室３から加熱した空気またはガスを燃焼室２へ送ってそこで燃焼させ、この高温にした燃焼室２により炭化室壁４を介して炭化室１内の石炭を間接加熱し、石炭を乾留することになる。
【０００３】
図２に典型的な炉壁の煉瓦積の状態を示す。図２（ａ）、（ｂ）は炉壁煉瓦の平面図を示し、図２（ａ）、図２（ｂ）に示す炉壁煉瓦が炉高方向７に交互（偶数段、あるいは奇数段）に配置され、その正面図を図２（ｃ）に示す。８は燃焼室フリューであり、炉長方向６に複数並ぶ。９は炭化室と燃焼室フリュー８との仕切り壁であるロイファー部９であり、１２は燃焼室フリュー８同士の仕切り壁であるビンダー部を示す。ロイファー部９は炭化室１と燃焼室フリュー８との間のロイファー煉瓦１０と、ビンダー部１２を構成するビンダー煉瓦１３との交差部１４を有するロイファー交差部煉瓦（形状より通常ハンマー煉瓦と呼ばれる。以下、ハンマー煉瓦１１という。）から成る。該交差部１４は図２（ｂ）の円内のように必ずしもハンマー形状とは限らない。ここでいうハンマー形状とは、一部がビンダー部１２へと突出した形状をいう。
【０００４】
図３は各段を構成する一般的な煉瓦積み構造の詳細図を示す。１０はロイファー煉瓦、１３はビンダー煉瓦、１１はビンダー煉瓦１３とロイファー煉瓦１０間の縦目地部１５を有するハンマー煉瓦１１である。煉瓦と煉瓦の合わせ面を目地と称し、通常、上下敷き目地部１６、及び縦目地部１７からなり、各目地には凹凸嵌合部（ダボ部）１８を有する。凹凸嵌合部（ダボ部）１８は、煉瓦積み構造強度を上げるとともに、シール性を高める働きがある。また、炉壁煉瓦の上下の積み方は、図２（ｃ）に示す通り、縦目地部１７が炉高方向７に連続するのを避けるため、一段毎に縦目地部１７を交互にずらせ、上下敷き目地部１６は水平に連続させて積むのが一般的方法である。図２（ｃ）中の破線はビンダー煉瓦１３の位置を示している。
【０００５】
コークス炉の炉壁については、建設時の不均一加熱および操業時の表面温度差等により誘起される熱応力、石炭乾留中の石炭膨張圧、コークス押し出し時の側圧等により発生する圧力に対し、十分な強度を有し、かつ座屈に対して十分な余裕が要求される。また、コークス炉は壁一枚を通しての間接加熱による乾留炉であり、燃焼室フリュー８と炭化室１間は勿論のこと、相隣り合う燃焼室フリュー８同志の気密性が重要となる。従って、コークス炉壁を構成する単体煉瓦は、これらの熱変形、外力に対して強い形状であるとともに、その煉瓦の組み合わせによる気密性、かつ良好な熱伝導性が得られることが必要である。
【０００６】
次にコークス炉煉瓦の損傷原因を以下に説明する。コークス炉の損傷を、（１）ロイファー部９の炉高方向７の縦貫通亀裂、（２）炉壁変形、（３）煉瓦の割れ・破孔、（４）煉瓦材質劣化その他、に分けて考える。
【０００７】
まず、（１）ロイファー部９の炉高方向の縦貫通亀裂について説明する。図４（ｂ）はロイファー煉瓦１０に見られる縦貫通亀裂の例を示す。通常、ロイファー煉瓦１０は、図４（ａ）のように縦目地部１７のある段の煉瓦１９（縦目地部１７が上に来るように積み上げたロイファー煉瓦１０の段）と縦目地部１７のない段の煉瓦２０が炉高方向７に交互に積重ねられている。ロイファー煉瓦１０に見られる縦貫通亀裂の例を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）の状態に、操業に伴う熱負荷の繰返しが作用すると、以下のメカニズムにより、図４（ｂ）に示すように、ロイファー部に縦目地部１７のある段の煉瓦１９の縦目地部１７は目地開き部２１となり、同目地開き部２１の上下に隣接するロイファー部９に縦目地部１７のない段の煉瓦２０に亀裂２２が発生し、最終的に高さ方向に亀裂と目地開きが交互に連続発生し、貫通した亀裂となる。
【０００８】
図５は、亀裂発生のメカニズムを示す。図中実線はロイファー部９に縦目地部１７のある段の煉瓦１９を、図中破線はロイファー部９に縦目地部１７のない段の煉瓦２０を示す。炭化室１に石炭がない状態では、燃焼室２内の高温ガスからの熱伝導を受けて煉瓦全体が高温となり、縦目地部１７のある煉瓦１９の長手方向の応力は通常圧縮応力２３となり、ビンダー部１２と縦目地部１７のある煉瓦１９の間の目地部を起点に炭化室１側への迫り出し変形２５を起こそうとする。その状態で炭化室１に石炭が装入された場合、炭化室１表面は数１００℃以上の温度降下を引き起こす。この時に、炭化室１表面（縦目地部１７のある煉瓦１９の表面）の応力状態は引張応力２４となり、縦目地部１７のある段の煉瓦１９は縦目地部１７を中心に開き変形２６を起こそうとする。
【０００９】
しかしながら、該縦目地部１７のある段の煉瓦１９の上下段の煉瓦２０には、煉瓦１９と同じ位置に縦目地部１７はなく、煉瓦１９による縦目地部１７近傍は縦目地部１７の目地開きの影響を受けて大きな剪断力を受ける。
図６は、上下段の煉瓦に発生する引張応力分布２８、３０と剪断応力２９を示す。ここでいう上段は、縦目地部１７のない段の煉瓦２０、下段は、縦目地部１７のある段の煉瓦１９である。
煉瓦表面はミクロにみれば相当に粗く、亀裂起点となり得る微細な凹凸が存在する。そのため、縦目地部１７の直上、直下の煉瓦の縦目地部１７近傍は上記の、引張応力に加えて大きな剪断応力を受けるため、過大となって煉瓦に亀裂を引き起こす。亀裂は上下方向のどこに最初に入るかは不確定だが、一箇所に入ると、前記剪断力はさらに大きくなって亀裂の入った煉瓦の次の段に伝播するため、最終的にはコークス炉の高さ方向に貫通した亀裂となる。
【００１０】
なお、ビンダー煉瓦１３と交差部１４を有するロイファー煉瓦１０の近傍２７（図５）は通常目地が複数あり、ロイファー煉瓦１０はここをピボットに変形するため、目地は閉じる傾向にあるため、目地がロイファー部９にあるときのような亀裂の伝搬はあまり起きないことが実績的にも示されている。
【００１１】
次に（２）炉壁変形について説明する。
図７は、炉壁変形を説明する図である。図中、燃焼室フリュー８は各々、炉長方向６に複数門並ぶ。９はロイファー部を、１２はビンダー部を示す。コークス炉壁はコークスの押し出し（３１は押し出し方位）、押し詰りや、石炭乾留中の石炭膨張圧によって多大な側圧３２を受ける。結果、炉壁は３３のような炉団方向の張り出し変形を受ける。炭化室１は燃焼室フリュー８の両側にあるため、炉団方向５の炉団方向の張り出し変形３３と、３３とは反対方向の炉団方向の張り出し変形３４を交互に受けることになる。煉瓦には目地が存在するが、通常ダボによって拘束を受けるため、側圧３２に対する剛性を保っているが、前記のような縦貫通亀裂が発生した場合、剛性が低下するため炭化室１面の中央が窪むような変形を起こす。コークスを押し出した時に、炉壁が変形していると壁近傍のコークスの流れを阻害するため、押し出し抵抗が増加し、最悪は押し詰りが発生する。押し詰りは炉の変形をさらに助長するため、側圧３２の増加をきたす悪循環を引き起こす。この頻度が高くなってくると炉は使用できなくなる。また、目地や亀裂部分にはカーボンが侵入し、これが蓄積していくと、残留変形量が逐次増加していくことになり、これも悪循環の一因となる。
【００１２】
次に（３）煉瓦の割れ・破孔について説明する。
煉瓦は通常、直方体であるが、炉壁の変形が大きくなると、煉瓦の角と角が接触することによって、図８に示すような角欠け３５と称する煉瓦の割れが発生する。角欠けが生じると、変形に伴う煉瓦の回転拘束が弱まるため、結果的に炉壁の剛性低下を引き起こし、変形を助長することになる。また、押し詰りは比較的炭化室全面の影響が大きいが、局所的な集中荷重を伴う場合や、縦貫通亀裂部分や、ダボ亀裂等局所的な煉瓦損傷があった場合に、荷重が集中して破孔に至る可能性がある。
【００１３】
次に（４）煉瓦材質劣化その他について説明する。煉瓦は通常珪石煉瓦が用いられるが、高温での経年的な利用により劣化を起こし、素材の持つもともとの強度が低下する。加えて、表面は常に石炭やコークスによって摩擦を受けたり、石炭装入時の高温〜低温繰返しによるスポーリングを受けるため、表面性状は次第に悪化する。これらは、亀裂の発端となったり、押し出し時の抵抗となって、変形を促進させたり、といった前述のいろいろな損傷を助長し、悪循環の一因となってしまう。
【００１４】
これらに対して、コークス炉を構成している耐火物のうち、炭化室と燃焼室フリューの炉壁煉瓦において、熱亀裂を防止し、変形を抑制して炉壁の長寿命化を実現するための炉壁煉瓦の煉瓦積み構造に関する技術として以下のものがある。
【００１５】
特許文献１（図２０）には、ロイファー煉瓦１０及びビンダー煉瓦１３を有するコークス炉壁の煉瓦積構造において、ロイファー煉瓦１０は、燃焼室フリュー８部分に縦目地部１７を持たず、両端部分がビンダー部１２側に張り出し、その少なくとも一方の端部の上下面に、ロイファー部９方向及びビンダー部１２方向のダボを有し、ロイファー煉瓦１０の上下面に有するロイファー部９方向及びビンダー部１２方向のダボ間の角度を９０度とすることが記載されている。
【００１６】
特許文献２（図２１）には、次のように、燃焼室フリュー８と炭化室１を隔てるロイファー部を構成していることが記載されている。
ロイファー部９の一部とビンダー部１２の一部を一体化したＬ字型煉瓦の一方の端部にロイファー部９を形成する直方体の煉瓦の端部を配置してロイファー部９を構成する。さらに、Ｌ字型煉瓦のもう一方の端部に、ビンダー部１２を形成するための直方体の煉瓦の端部を配置して、ビンダー部１２を構成する。
【００１７】
特許文献３（図２２）には、ビンダー煉瓦１３の少なくとも一部がロイファー煉瓦１０と一体化し、ロイファー煉瓦１０が炉長方向６において燃焼室フリュー８の中心線上に垂直接合面である目地を有することが記載されている。
【００１８】
特許文献４には、以下のような構造（図２３〜２６）が記載されている。
図２３は炭化室１に面し、燃焼室フリュー８を挟む、炉長方向６のビンダー部１２およびロイファー部９を一体構造としたものである。結果的にハンマー煉瓦１１は存在しない。
該煉瓦は反対側の炭化室１に面する部分にも点対称の関係で当該煉瓦を設置するもので、全体として、リング状の煉瓦ユニットを構成する。該煉瓦ユニットは燃焼室２の１フリューに一つ飛び毎に設置し、その間は直方体の煉瓦で連結され、ロイファー部９を構成している。
この構造によれば、まず、ロイファー部９に目地を持たないため、目地開きに起因する熱亀裂について避けることができる。また、ビンダー部１２とロイファー部９が一体構造となっているため、側圧３２や部分的な集中負荷に対しても非常に剛性が高くなる。また、リング状の煉瓦ユニットは空間的に千鳥に配置されるため（後述）、炉壁全体としての剛性も極めて高くなる。結果的にコークス押し出しや押し詰り時の側圧３２に対しても平面を維持することができ、変形と側圧３２増加の悪循環も起きにくい構造となっている。
【００１９】
図２４は、炭化室１に面し、炉長方向６のビンダー部１２、およびロイファー部９を一体構造とする煉瓦である。結果的にハンマー煉瓦１１は存在しない。該煉瓦は反対側の炭化室１に面する部分にも点対称の関係で設置するものとする。ビンダー部１２には該煉瓦を連結する形の煉瓦を配置する。
【００２０】
図２５は、炭化室１に面し、炉長方向６のビンダー部１２、およびロイファー部９を一体構造とする煉瓦を考える。この場合も結果的にハンマー煉瓦１１は存在しない。該煉瓦は反対側の炭化室１に面する部分にも点対称の関係で設置するものとする。ビンダー部１２には該煉瓦同士を連結する形の煉瓦が存在しないため、全体的な剛性はさらに高くなる。
また、図２４、図２５に示す構造によれば、まず、ロイファー部９に目地を持たないため、本目地開きに起因する熱亀裂について避けることができる。また、ビンダー部１２とロイファー部９が一体構造となっているため、側圧３２や部分的な集中負荷に対しても非常に剛性が高くなる。ただし、図２３に示すような燃焼室フリュー８両側のビンダー煉瓦を含まないため、側圧３２や集中荷重に対して、剛性は低下する。しかしながら、炭化室１の全煉瓦壁が同一構造となるため、相対的に高い強度を有する。
【００２１】
図２６は図２３の４煉瓦によるリング状の煉瓦ユニットを一体化し、ロイファー部９、ビンダー部１２を一体化して単体煉瓦とするものである。強度的には最大のものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００７−０９９９６８号公報（特許第４７７７０３４号公報）
【特許文献２】特開２００８−１２７４７２号公報（特許第４９２６６６７号公報）
【特許文献３】特開２００９−１７３９３９号公報（特許第４９７５７７２号公報）
【特許文献４】特開２０１０−２０９３４５号公報（特許第５１７７１６９号公報）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
上記図２６に示した特許文献４に記載されたコークス炉の煉瓦積み構造は、上記に挙げた従来技術の中では、最も強度が優れている。しかしながら、近年の過酷な操業条件においても、炭化室１と燃焼室フリュー８の炉壁煉瓦において、熱亀裂を防止し、変形を抑制して炉壁の長寿命化させるには、より一層の高剛性化が求められている。
本発明は、炉壁の剛性を長期にわたって維持し、側圧３２の増加と炉壁変形の悪循環を発生させず、また、万一熱亀裂を生じても剛性低下を起こさないコークス炉の煉瓦積み構造、およびそのための高剛性のコークス炉構成用煉瓦を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
以上述べた目的を実現するためには、以下の点を満たすことが求められた。
（１）熱初期亀裂の回避のため、亀裂の起点となり得る縦目地部１７を燃焼室フリュー８部分に設定しない構造とする。
（２）炉壁の剛性を長期にわたって維持できる構造とし、側圧３２の増加と炉壁変形の悪循環を発生させない構造とする。
（３）熱亀裂の発生を完全に止めることは難しい。従って、万一、亀裂を生じても剛性低下を起こさない構造とする。
【００２５】
上記課題を解決する本発明の要旨は以下のとおりである。
〔１〕炭化室と燃焼室が炉団方向に交互に配列され、燃焼室は炉長方向に配列された燃焼室フリュー列からなるコークス炉に用いる耐火性の煉瓦であって、
隣り合う燃焼室フリューの仕切り壁をビンダー部、燃焼室フリューと炭化室の仕切り壁をロイファー部と呼び、
前記耐火性の煉瓦は、ロイファー部を構成するロイファー壁部と、ロイファー壁部の両端に二枚のビンダー部を構成するビンダー壁部が連続し、前記二枚のビンダー壁部が、前記ロイファー壁部の中心を通り前記ロイファー壁部の反対側の炉団方向の炭化室に向かう中心線に向かって間隔を狭める方向に伸び、合体部をハンマー部とし、前記ロイファー壁部を底辺とし、両ビンダー壁部を二辺としたハンマー部を頂点とする三角形をなす構造（三角ユニット構造）
を有していることを特徴とするコークス炉構成用煉瓦。
〔２〕炭化室と燃焼室が炉団方向に交互に配列され、燃焼室は炉長方向に配列された燃焼室フリュー列からなるコークス炉の煉瓦積み構造において、
〔１〕に記載のコークス炉構成用煉瓦を少なくとも一部に用いて燃焼室と炭化室を構成することを特徴とするコークス炉の煉瓦積み構造。
〔３〕コークス炉の同じ段を構成する煉瓦群は、〔１〕に記載のコークス炉構成用煉瓦同士が、前記三角ユニット構造のロイファー壁部で隣り合うように連続的に炉長方向に配置され、
頂点であるハンマー部と隣の三角ユニット構造の頂点であるハンマー部との間にロイファー部を構成する直線状の連結煉瓦が配置されており、
前記三角ユニット構造のロイファー壁部の連続でロイファー部を構成する側が現れる前記煉瓦群と、前記連結煉瓦でロイファー部を構成する側が現れる煉瓦群を、高さ方向に交互に配置しロイファー部構造を構成すること、を特徴とする〔２〕に記載のコークス炉の煉瓦積み構造。
【発明の効果】
【００２６】
本発明により、高剛性でありながら、熱亀裂の起点となり得る縦目地部１７が燃焼室フリュー８部分にないため、熱亀裂の発生が抑えられる。本発明は、ビンダー部１２を構成する煉瓦部（ビンダー壁部）とロイファー部９を構成する煉瓦部（ロイファー壁部という）が一体化した三角ユニット構造を有する単体煉瓦で煉瓦積み構造を構成することによって、炉壁剛性を大幅に向上させ、さらに熱亀裂が発生したとしても側圧３２に対する剛性を保つことができる。さらに、上記の単体煉瓦が、三角ユニット構造を有することにより、コークス炉の炉壁については、建設時の不均一加熱および操業時の表面温度差等により誘起される熱応力、石炭乾留中の石炭膨張圧、コークス押し出し時の側圧等により発生する圧力に対し、十分な強度を有しかつ座屈に対して十分な余裕ができる。
また、コークス炉は壁一枚を通しての間接加熱による乾留であり、燃焼室２と炭化室１間は勿論のこと相隣り合う燃焼室フリュー８同志の気密性が重要となる。本発明による、コークス炉壁を構成する単体煉瓦は、三角ユニット構造を有するため、これらの熱変形、外力に対して強い形状であるとともに、その煉瓦の組み合わせによる気密性かつ良好な熱伝導性が得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】一般的なコークス炉の概略を示す縦断面図である。
【図２】一般的なコークス炉の煉瓦積みの状況を表す図である。
【図３】一般的なコークス炉の炭化室の煉瓦積みの状況を表す図である。
【図４】縦貫通亀裂を表す図である。
【図５】縦貫通亀裂発生のメカニズムを表す図である。
【図６】図５を説明する応力図である。
【図７】炉壁変形を現す図である。
【図８】煉瓦角欠けを表す図である。
【図９】本発明を表す図である。（ａ）奇数段１０１。（ｂ）偶数段１０２。（ｃ）奇数段１０１と偶数段１０２を煉瓦積みした構造を炭化室１側から見た正面図。
【図１０】本発明で煉瓦高さを変えた場合を表す図である。
【図１１】本発明と従来技術の炉長方向の煉瓦分割数を表す図である。（ａ）（ｂ）本発明の煉瓦積み構造。（ａ）奇数段１０１。（ｂ）偶数段１０２。（ｃ）（ｄ）従来の煉瓦積み構造。
【図１２】本発明のコークス炉構成用煉瓦による実炉の煉瓦積み構造のイメージ図である。（ａ）奇数段１０１。（ｂ）偶数段１０２。
【図１３】本発明の煉瓦積み構造を構成する三角ユニット煉瓦３６と連結煉瓦３７の各部の寸法について説明する図である。
【図１４】三角ユニット煉瓦３６の燃焼室２側面のコーナー部に設けたラウンド（Ｒ部）を示した図である。
【図１５】有限要素法による煉瓦積み構造についての応力解析を示したモデル図。（ａ）本発明の煉瓦積み構造。（ｂ）従来の煉瓦積み構造。
【図１６】変形解析結果を示した図である。（ａ）本発明の煉瓦積み構造。（ｂ）従来の煉瓦積み構造。
【図１７】熱伝導解析結果を示した図である。（ａ）本発明の煉瓦積み構造。（ｂ）従来の煉瓦積み構造。
【図１８】温度分布より熱変形を求めた結果を示した図である。（ａ）本発明の煉瓦積み構造。（ｂ）従来の煉瓦積み構造。
【図１９】従来構造の応力値の最大値を１とし、０．５以上の領域を可視化した図である。（ａ）本発明の煉瓦積み構造。（ｂ）従来の煉瓦積み構造。
【図２０】特許文献１を説明する図である。
【図２１】特許文献２を説明する図である。
【図２２】特許文献３を説明する図である。
【図２３】特許文献４を説明する図である。
【図２４】特許文献４を説明する図である。
【図２５】特許文献４を説明する図である。
【図２６】特許文献４を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図９に本発明による煉瓦、および煉瓦積みの基本構造を示す。
三角ユニット構造を有する煉瓦（以下、三角ユニット煉瓦３６という。）、及び該三角ユニット煉瓦３６同士を連結し、ロイファー部９を形成する形状の連結煉瓦３７からなる煉瓦積み構造は、非常に強固なリング状の煉瓦構造体となり、該リング状の煉瓦構造体が空間的に、ロイファー部９を形成する連結煉瓦３７とともに空間的には千鳥配列されることになり、コークス炉壁全体として非常に剛性を高める効果をもたらす。
【００２９】
以下、本発明の耐火物煉瓦を適用したコークス炉壁の煉瓦積み構造の実施の形態について図面を参照しながらさらに詳細に説明をする。
図９（ａ）は奇数段１０１の平面図を、図９（ｂ）は偶数段１０２の平面図を、図９（ｃ）は炭化室１ｂ側から見た正面図を示す。偶数段１０２と奇数段１０１は入れ代わっても構わない。８は燃焼室フリュー８を、１ａ、１ｂは炭化室１の空間を示す。
【００３０】
図９（ａ）に示すように、三角ユニット煉瓦３６は、炭化室１に面するロイファー壁部３６１とその両端で接続するビンダー壁部３６２、３６３が連続している。そして、両ビンダー壁部３６２、３６３が、中心線１００に向かって間隔を狭める方向に伸び合体してハンマー部３６４をなしている。中心線１００は、ロイファー壁部３６１の中心を通り、ロイファー壁部３６１の反対側の炉団方向５の炭化室１に向かう。このように、三角ユニット煉瓦３６は、このようなロイファー壁部３６１を底辺とし、両ビンダー壁部３６２、３６３とロイファー壁部３６１の交点、ならびにハンマー部３６４を頂点とする三角形をなす三角ユニット構造をとる。
【００３１】
本発明のコークス炉の煉瓦積み構造は、少なくとも一部に、上記の三角ユニット煉瓦３６を用いて燃焼室２と炭化室１を構成する。三角ユニット煉瓦３６は、その形状、構造上、組み合わせた場合に、ビンダー壁部３６２、３６３が炉団方向５の張り出し変形３３（図７参照）に対し、筋交いの役割を果たすので、コークス炉の煉瓦積み構造の剛性を向上させることができる。
【００３２】
煉瓦積み構造を構成する場合には、たとえば、図９（ａ）（ｂ）に示すように、三角ユニット煉瓦３６は、ロイファー壁部３６１の両端で隣り合うように連続的に炉長方向６に配置する。そして、三角ユニット煉瓦３６の頂点であるハンマー部３６４ととなりの三角ユニット煉瓦３６の頂点であるハンマー部３６４との間に直線状の連結煉瓦３７を配置する。さらに、三角ユニット煉瓦３６ならびに連結煉瓦３７からなる煉瓦群を偶数段１０２とし、該煉瓦群と炉団方向５に対して対称となる煉瓦群を奇数段１０１として高さ方向に交互に配置し壁構造を構成する。図９（ｃ）は、配置した壁構造を炭化室１ｂの側から見た図である。図９（ｃ）に示すように、炭化室１ｂ側から見た壁構造は、奇数段１０１は三角ユニット煉瓦３６のロイファー壁部３６１の連続として構成され、偶数段１０２は三角ユニット煉瓦３６頂点ハンマー部３６４と連結煉瓦３７とで構成されている。このように構成で煉瓦積みすることにより、従来に比べ、目地の開きが防止できる。
【００３３】
一般に築炉時は、人間によってハンドリングされるため、また、煉瓦製造上の限界から、高さ方向は１５０ｍｍ程度、煉瓦単体の重量を最大１５ｋｇ程度に抑えることが要求される。本構造の煉瓦は従来に比べて重量が重たくなる。これを避けるためには高さを従来の２／３程度低くすることで対応できる。ハンドリングを補助的な重機を用いて行う場合はその限りではない。図１０は煉瓦の高さを図９（ｃ）よりも低くした例を示す。
本発明の三角ユニット煉瓦３６は、従来に比較すれば、一つの煉瓦が大型化している。そのため、煉瓦を製造し、コークス炉を構築後に運転状態の温度を上げた際、熱膨張による変形量が大きくなる。これを低減させるためには、三角ユニット煉瓦３６は、熱膨張時の線膨張率の低い溶融シリカで構成することが好ましい。さらに、連結煉瓦３７も同様に溶融シリカで構成することが好ましい。
【００３４】
本構造によれば、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、炉長方向６の煉瓦分割数が、剛性が高いとされた図１１（ｃ）、（ｄ）（特許文献４参照）に示す矩形の一体化よりも少なくなる。これは三角ユニット煉瓦３６の場合、ロイファー煉瓦１０に相当する連結煉瓦３７があるのは炭化室１の片側であり、底辺相当部位は隣同士接してロイファー煉瓦１０が存在しないのに対し、矩形の場合は、炭化室１に面する両サイドにロイファー煉瓦１０に相当する連結煉瓦３７が存在するためである。このため、炉壁への乾留圧力負荷の際の変形自由度（分割点４０である●の数）が低くなり、剛性は高くなる。
【００３５】
繰り返し構造
本発明のコークス炉構成用煉瓦による実炉の煉瓦積み構造のイメージ図として、図１２に（ａ）奇数段１０１と（ｂ）偶数段１０２の平面図を示す。偶数段１０２と奇数段１０１の構造は入れ替わっても良い。
偶数段１０２においては、基本的に三角ユニット煉瓦３６の底辺（ロイファー壁部３６１）が隣り合うように並べられ、隣り合う三角形の頂部（図９におけるハンマー部３６４に相当する。）と頂部の間に直線状の連結煉瓦３７が配置される。一方、奇数段１０１では、該偶数段１０２の三角ユニット煉瓦３６の天地を入れ替えた構造のロイファー壁部３６１側が隣り合うように並べられ、隣り合う三角形の頂部側と頂部側の間に直線状の連結煉瓦３７が配置される。また、偶数段１０２と奇数段１０１は三角ユニット煉瓦３６のロイファー壁部３６１の２分の１ずれた形で交互に積み重ねられて煉瓦壁を構成する。
このように本発明の三角ユニット煉瓦３６による煉瓦積み構造は、水平方向、高さ方向に規則正しく並ぶが、煉瓦と煉瓦の合わせ面には両者の噛み合わせによる強度アップやガス通り抜け防止のためのダボ３６５が設置され、また、接着用のモルタルが装入される。
【００３６】
設計式
前記の煉瓦積み構造の実現のために各部の寸法に制約が存在する。図１３にて本制約について説明する。ダボ３６５部は積み重ねによって噛み合うため、本制約の影響を受けないので省略する。なお、本制約はそのまま設計条件となるものである。
図１３において、三角ユニット煉瓦３６のロイファー壁部３６１の幅をLb、三角ユニット煉瓦３６のロイファー壁部３６１からの高さ（即ち炭化室から炭化室まで距離）をHt、三角ユニット煉瓦３６の頂部の長さをLt、ビンダー壁部３６２、３６３の幅をBb、炭化室の壁の厚みをHw、一枚当たりの煉瓦の厚さをLhとすると、これらが基本的な寸法となり、設計で決定するものである。なお、煉瓦の厚さLhは水平方向の煉瓦構成に直接影響しないため、本説明からは省略する。
また、三角ユニット煉瓦３６のビンダー壁部３６２、３６３の角度θbを決定する必要があるが、本角度が小さくなると三角ユニット煉瓦３６の頂部の燃焼室側が狭くなり、応力集中による割れが発生することもある。そこで、設計のし易さを考えてここでは頂部燃焼室側距離etを決定し、ビンダー壁部３６２、３６３の角度θbは従属的に決まるものとする。最後にモルタルの幅Gmを決めることによって平面上の制約を全て検討することができる。
【００３７】
関係式
前記に基づき、各部の寸法を求める入力パラメータはLb、Lt、Ht、Hw、Gm、Bb、etとなり、以下の制約条件を踏まえて未知の数値として、三角ユニット煉瓦３６の燃焼室高さHf、三角ユニット煉瓦３６のビンダーからの飛び出し長さe、三角ユニット煉瓦３６のビンダー壁部３６２、３６３の角度θb、三角ユニット煉瓦３６と連結煉瓦３７の掛り長さel、連結煉瓦３７の長さLl、三角ユニット煉瓦３６の燃焼室側底辺長さebを順次決定する。
【００３８】
Hf=Ht-2Hw
e=(et-Gm)/2
θb=arcsin(-c/√(a2+b2))-arcsin(b/√(a2+b2))
ここで
a=2Hf
b=et+2e-Lb
c=2Bb
el=Lb/2-Lt/2-e-(Hf-Gm)tanθb-Gm
Ll=Lb-Gm-Lt
eb=L_b-2e-2(Bb/(cosθb))
ここで
et<Lt<2(eb/2+B_b/(cosθb)-(Hf-Gm)sinθb)
el<Bb/(cosθb)-Gm
【００３９】
ここで三角ユニット煉瓦３６の燃焼室２側面のコーナー部に応力集中による損傷を避けるため、ラウンド（Ｒ部）を設ける必要がある。このＲ部は任意に決定できるが、その最大値は図１４に示すように、半径ｒの円が、三角形ブロックの頂部および両ビンダーに内接する場合であり、そのｒは以下の式で決定できる。
r=et/2tan(π/4-θb/2)
【実施例】
【００４０】
煉瓦構造剛性ならびに強度評価
本発明の効果を確認するために実機サイズの煉瓦積み構造について有限要素法による応力解析を実施した。図１５にモデル図を示す。比較のため従来構造の応力解析も実施した。
本発明による煉瓦積み構造の代表例を図１５（ａ）に、比較のための従来構造の代表例を図１５（ｂ）に示す。
計算に用いたモデルの諸元は、本発明については図１３において三角ユニット煉瓦３６のロイファー壁部３６１の幅Lbを705mm、三角ユニット煉瓦３６の底辺からの高さHtを800mm、三角ユニット煉瓦３６の頂部の長さLtを250mm、ビンダー壁部３６２、３６３の幅Bbを120mm、炭化室の壁の厚みHwを100mm、頂部燃焼室２側距離etを50ｍｍとした。なお、モルタル厚みGmは本計算ではゼロとした。
また、本発明と比較する従来構造については、ビンダー数と煉瓦の長さを同じとし、本発明モデルで設定した数値に対して、三角形ブロックの各ビンダー部の角度θbを0°として各部の寸法を決定した。
【００４１】
剛性評価
図１５中の矢印によって煉瓦壁のコークス圧力負荷時の変形解析条件を示す。向かって手前の面の炭化室壁にコークス圧力を付加し、奥の面の炭化室１の両端を回転中心として拘束した。図１６に変形解析結果を示す。また、解析結果の代表値を表１に示す。これより、従来構造の最大変位を１とすると、操業時コークス圧力を負荷した場合の本発明の変形は44.2%と１／２以下となり、高剛性であることがわかる。また、この時の従来構造の応力値の最大値を１とし、0.5以上の領域を可視化したものを図１６に示す。これより、従来構造では0.5以上の応力値の領域が多数あるのに対し、本発明の構造では極めて少ないことがわかる。表１に応力値の代表値同士の比較を示すが、本発明は従来構造に対して25%以下と１／４以下になっており、応力値も優れていることが分かる。
【００４２】
【表１】
2020033402.tif 000003
【００４３】
熱応力
図１５に記入した温度数値により、煉瓦壁の温度解析条件を示す。また、この条件での熱伝導解析結果を図１７に示す。本温度分布より熱変形を求めたものを図１８に、代表数値を表１に示す。これより、石炭投入時熱応力による熱変形は、従来に比べて6%程増加傾向にあるが、三角ユニット煉瓦３６のロイファー壁部３６１の幅lbが、従来構造のどの部分よりも大きいためであるが、変形の絶対値が低いため特に問題とはならない。一方、従来構造の応力値の最大値を１とし、0.5以上の領域を可視化したものを図１９に示す。
【００４４】
これより、応力の高い領域は前記、三角ユニット煉瓦３６のロイファー壁部３６１の幅lbが、従来構造のどの部分よりも大きいためであるが、そのピーク値は表１に示すように従来構造よりも6%低い値となり問題がないことがわかる。
本発明による構造は、従来に比べて、機械的あるいは熱的負荷に対して壁剛性が大きく向上し、同剛性のアップにもかかわらず熱応力を抑えることができるので、煉瓦壁損傷に対してメリットがある。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、コークス炉の煉瓦積み構造において、構造炉壁の剛性を長期にわたって維持し、側圧３２の増加と炉壁変形の悪循環を発生させず、熱亀裂を生じても剛性が低下しないため、コークス炉の寿命を長寿命化することができるという産業上の利用性を有する。
【符号の説明】
【００４６】
１  炭化室
１ａ、１ｂ  炭化室の空間
２  燃焼室
３  蓄熱室
４  炭化室壁
５  炉団方向
６  炉長方向
７  炉高方向
８  燃焼室フリュー
９  ロイファー部
１０  ロイファー煉瓦
１１  ハンマー煉瓦
１２  ビンダー部
１３  ビンダー煉瓦
１４  交差部
１５  ロイファー煉瓦とビンダー煉瓦間の縦目地部
１６  上下敷き目地部
１７  縦目地部
１８  凹凸嵌合部（ダボ部）
１９  燃焼室フリュー８部分に縦目地部１７のある段の煉瓦
２０  燃焼室フリュー８部分に縦目地部１７のない段の煉瓦
２１  目地開き部
２２  亀裂部
２３  圧縮応力
２４  引張応力
２５  炭化室への迫り出し変形
２６  目地開き変形
２７  ビンダー部近傍のロイファー煉瓦目地挙動
２８  燃焼室フリュー８部分に縦目地部１７のない段の煉瓦の炉長方向応力
２９  煉瓦１９、２０間の剪断応力
３０  燃焼室フリュー８部分に縦目地部１７のある段の煉瓦の炉長方向応力
３１  押し出し方位
３２  側圧
３３  炉団方向の張り出し変形
３４  ３３とは反対方向の炉団方向の張り出し変形
３５  角欠け
３６  三角ユニット煉瓦
３６１  ロイファー壁部
３６２、３６３  ビンダー壁部
３６４  ハンマー部
３６５  ダボ
３７  連結煉瓦
４０  分割点
１００  中心線
１０１  奇数段
１０２  偶数段
Lb  三角ユニット煉瓦３６の底辺の幅
Ht  三角ユニット煉瓦３６の底辺からの高さ
Lt  三角ユニット煉瓦３６の頂部の長さ
Hf  三角ユニット煉瓦３６の燃焼室２高さ
eb  三角ユニット煉瓦３６の燃焼室２側底辺長さ
e  三角ユニット煉瓦３６の底辺部のビンダーからの飛び出し長さ
Bb  ビンダー壁部３６２、３６３の幅
Hw  炭化室の壁の厚み
et  頂部燃焼室２側距離
θb  ビンダー壁部３６２、３６３の角度
Gm  モルタルの幅
el  三角ユニット煉瓦３６と連結煉瓦３７の掛り長さ
Ll  ロイファー煉瓦１０の長さ
【図１】
2020033402.tif 000004
【図２】
2020033402.tif 000005
【図３】
2020033402.tif 000006
【図４】
2020033402.tif 000007
【図５】
2020033402.tif 000008
【図６】
2020033402.tif 000009
【図７】
2020033402.tif 000010
【図８】
2020033402.tif 000011
【図９】
2020033402.tif 000012
【図１０】
2020033402.tif 000013
【図１１】
2020033402.tif 000014
【図１２】
2020033402.tif 000015
【図１３】
2020033402.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2020033402.tif 000018
【図１６】
2020033402.tif 000019
【図１７】
2020033402.tif 000020
【図１８】
2020033402.tif 000021
【図１９】
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【図２０】
2020033402.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2020033402.tif 000028
【図２６】
2020033402.tif 000029