(57)【要約】【課題】レンガ構造物の変形量を少ない労力で精度よく算出することができる算出方法を提供する。【解決手段】レンガ構造物を形状モデル化し、該レンガ構造物の機械物性値及び境界条件を与えて有限要素法による構造解析を行い、レンガ構造物の変形量を算出する方法であって、レンガ構造物の機械物性値として、目地ｂを間に含む２つ以上のレンガａからなり、該レンガａ及び目地ｂがレンガ構造物のレンガ及び目地と同等の構成を有するレンガ構成体Ａにより予め求めた値を用いて構造解析を行う。好ましくは、構造解析において算出される主応力が引張強度を超えると主応力方向と直交する方向にひび割れが発生すると判定し、ひび割れと直交する方向には軟化させる引張挙動の構成則を適用する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンガ構造物を形状モデル化し、該レンガ構造物の機械物性値及び境界条件を与えて有限要素法による構造解析を行い、レンガ構造物の変形量を算出する方法であって、
レンガ構造物の機械物性値として、目地（b）を間に含む２つ以上のレンガ（a）からなり、該レンガ（a）及び目地（b）がレンガ構造物のレンガ及び目地と同等の構成を有するレンガ構成体（Ａ）により予め求めた値を用いることを特徴とするレンガ構造物の変形量算出方法。
【請求項２】
構造解析において算出される主応力が引張強度を超えると主応力方向と直交する方向にひび割れが発生すると判定し、ひび割れと直交する方向には軟化させる引張挙動の構成則を適用することを特徴とする請求項１に記載のレンガ構造物の変形量算出方法。
【請求項３】
レンガ構造物がコークス炉であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレンガ構造物の変形量算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コークス炉などのようなレンガ構造物の変形量を構造解析により算出する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レンガ構造物の一例として、コークス炉（室炉式コークス炉）が挙げられる。図１はコークス炉の概略斜視図、図２は炉体内部のレンガ構造の概略斜視図である。図１に示すように、コークス炉は、石炭をコークスに乾留するための多数の炭化室２０と、石炭加熱用の燃料ガスを燃焼するための多数の燃焼室２１とを交互に炉幅方向に配置し構成されている。図２に示すように、炭化室２０は、燃焼室２１に対して炉壁２２で仕切られた空間であり、燃焼室２１は燃焼ガスが通るフリュー２３を持つレンガと目地の構造体である。そして、燃焼室２１と炭化室２０の炉体レンガは金物（図示せず）によって表面を覆われ、金物をバックステー２４が支持し、これを炉頂部や炉下部に配置したテンションロッド（図示せず）で締め付けて炉体を保持している。乾留したコークスは押出し機２５によって炉外に押し出される。
【０００３】
レンガ構造物であるコークス炉は、長年の操業中に押出し負荷や熱負荷が掛かり、次第に目地やレンガに亀裂が発生する。テンションロッドが切れて炉締めが解放された場合にも、レンガ構造が緩んで目地やレンガに亀裂が発生し、損傷が進むと炉壁全体の変形へと進んでいく。この変形が進行するとレンガを積替える大規模な補修を行う必要が生じるため、コークス炉の変形程度の把握は極めて重要である。
従来、コークス炉の変形程度や損傷程度を把握するために、以下のような方法が提案されている。
特許文献１には、炭化室の任意高さにおける長さ方向の炉壁間距離を測定し、設計時の炉壁間距離と比較して、カーボン付着量やレンガ欠損量を判断する方法が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２には、電磁波距離計による炭化室壁面までの距離計測結果を、押出しラム移動軌跡を用いて補正して、炭化室壁面の絶対形状を算出し、壁面補修終了後、操業毎に壁面の絶対形状を計測し、補修終了直後の壁面絶対形状の変化から壁面へのカーボン付着状態あるいは壁面の損耗状態を定量的に把握する方法が提案されている。
また、特許文献３には、コークス炉の燃焼室に観察ランスを挿入し、燃焼室の壁面を観察ランスにより撮像して欠陥部画像を得る方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３３２３８２号公報
【特許文献２】特開２００６−３６９５８号公報
【特許文献３】特開２００２−２２６８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、コークス炉の変形程度や損傷程度を把握する方法はいくつか提案されており、その手法は、主に距離計による測定若しくは観察装置による撮像である。しかしながら、特許文献１の方法では、コークス炉が老朽化すると設計時と基準位置がずれている場合があり、設計時の距離を基準とすることは必ずしも正確ではない。また、特許文献２の方法では、壁面補修後に毎度壁面の絶対形状を測定する必要があり、労力のかかる方法である。また、特許文献３の方法では、撮像からの判断になり、定量的な把握が困難な場合がある。
【０００７】
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、レンガ構造物の変形量を少ない労力で精度よく算出することができる算出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、目地を間に含む２つ以上のレンガからなり、そのレンガ及び目地が、解析対象となるレンガ構造物のレンガ及び目地と同等の構成を有するレンガ構成体について、予めその機械物性値を求め、その機械物性値を利用して構造解析を行うことにより、コークス炉などのレンガ構造物の変形量を精度よく算出できることを見出した。
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
【０００９】
［1］レンガ構造物を形状モデル化し、該レンガ構造物の機械物性値及び境界条件を与えて有限要素法による構造解析を行い、レンガ構造物の変形量を算出する方法であって、レンガ構造物の機械物性値として、目地（b）を間に含む２つ以上のレンガ（a）からなり、該レンガ（a）及び目地（b）がレンガ構造物のレンガ及び目地と同等の構成を有するレンガ構成体（Ａ）により予め求めた値を用いることを特徴とするレンガ構造物の変形量算出方法。
［2］上記［1］の変形量算出方法において、構造解析において算出される主応力が引張強度を超えると主応力方向と直交する方向にひび割れが発生すると判定し、ひび割れと直交する方向には軟化させる引張挙動の構成則を適用することを特徴とするレンガ構造物の変形量算出方法。
［3］上記［1］又は［2］の変形量算出方法において、レンガ構造物がコークス炉であることを特徴とするレンガ構造物の変形量算出方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、目地（b）を間に含む２つ以上のレンガ（a）からなり、該レンガ（a）及び目地（b）が、解析対象となるレンガ構造物のレンガ及び目地と同等の構成を有するレンガ構成体（Ａ）について、予めその機械物性値を求め、その機械物性値を利用して構造解析を行うことにより、コークス炉などのレンガ構造物の変形量を少ない労力で精度よく算出することができる。さらに、構造解析において、レンガ構造物の主応力が引張強度を超えた場合には軟化する特性を含むようにすることにより、レンガ構造物の変形量をより精度よく算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】室炉式コークス炉の概略斜視図
【図２】室炉式コークス炉の炉体内部におけるレンガ構造の概略斜視図
【図３】本発明において、機械物性値を求めるために用いるレンガ構成体の一例を示す説明図
【図４】本発明で用いる圧縮挙動における構成則の一例を示す図面
【図５】本発明で用いる引張挙動における構成則の一例を示す図面
【図６】本発明のレンガ構造物の変形量算出方法のフローチャート
【図７】本発明法の実施に供される演算システム（変形量算出装置）の一例を示す説明図
【図８】実施例におけるコークス炉解析モデルの図面
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、レンガ構造物がコークス炉である場合を例に説明する。
本発明者らは、コークス炉は高温で、しかもセンサーなどを挿入したり、設置したりできる空間が限られているため、コークス炉の変形量の把握には構造解析技術を適用することが適当であると考えた。すなわち、この方法は、コークス炉のなかで変形量を算出したい領域（レンガ構造を含む炉体部分）を形状モデル化し、その領域の機械物性値及び境界条件などを与えて有限要素法による構造解析を行い、コークス炉の当該特定領域の変形量を算出するものである。しかしながら、コークス炉は主にレンガと目地を組み合わせた構造体であり、その材質の非一様性から、目地切れやレンガの亀裂などの局所的な損傷挙動が見られ、コークス炉の損傷の予測は困難である。コークス炉のひとつの窯を考えた場合であっても、レンガと目地の挙動を個別に取り扱って評価することはほとんど不可能である。
【００１３】
そこで、本発明では、構造解析によりコークス炉の変形量を算出するに当たり、コークス炉の機械物性値として、目地を間に含む２つ以上のレンガからなるレンガ構成体を用いて予め求めた値を利用することを考えた。レンガ構造物の変形の度合いはレンガの大きさ、材質、ダボの有無、目地の厚さなどに大きく依存するので、２つ以上のレンガと目地が一体となったレンガ構造体で機械物性を評価し、その機械物性を構造解析に利用することが、コークス炉などのレンガ構造物の変形量を精度よく算出するのに有効であると考えられる。図３は、このように予め機械物性を求めるレンガ構成体Ａの一例を示している。このレンガ構成体Ａは、目地ｂを間に含む２つのレンガａからなり、各レンガａはダボｃ（及びダボ穴）を有している。レンガａ及び目地ｂは、解析対象となるコークス炉（レンガ構造物）で使用されているレンガ及び目地と同等の構成（レンガのサイズ・材質・ダボの有無及び構成、目地の厚さなど）を有する。ここで、レンガａ及び目地ｂが、解析対象となるコークス炉（レンガ構造物）で使用されているレンガ及び目地と同等の構成を有するとは、レンガ及び目地の材質が解析対象となる領域のレンガ構造物と同じであり、且つレンガの寸法（ダボの有無及び構成を含む）及び目地の厚みが当該領域のレンガ構造物を代表する寸法及び厚み（つまり、解析対象となる領域のレンガ構造物において最も多く使われているレンガの寸法と目地の厚み）であることを意味する。１つのコークス炉に使用されるレンガの形状や寸法は全て同じである訳ではなく、また、目地の厚みも部分的に変更されているのが一般的だからである。
レンガ構成体Ａは、目地ｂを間に含む３つ以上のレンガａで構成してもよい。ただし、技術的・経済的に容易に試験を実施できる「レンガ構成体Ａ」を用いるという観点からして、レンガ構成体Ａを構成するレンガａの数は多くても１０個程度とするのが適当であり、普通には２〜３個程度である。
【００１４】
このレンガ構成体Ａで求められる機械物性値には、例えば、密度、弾性係数、ポアソン比、圧縮強度、引張強度などが含まれる。また、対象がコークス炉などのように高温で使用され、温度変化が大きいレンガ構造物の場合には、熱膨張率や各物性の温度依存性を考慮することが望ましく、例えば、幾つかの代表温度での機械物性を含めることが好ましい。必要であれば、温度物性（熱伝導率や比熱など）を与えて温度解析を実施することが望ましい。これらの機械物性値は、主に、レンガ構成体Ａについて圧縮試験、引張試験などの必要な試験を実施することで求められる。
【００１５】
さらに、上記の機械物性値から圧縮挙動および引張挙動における構成則を決定し、これを構造解析に利用することが望ましい。構成則の一例を図４及び図５に示す。図４は圧縮挙動における構成則を、図５は引張挙動における構成則を、それぞれ示している。この例では、機械物性値として、弾性係数Ｅo、圧縮強度fc、引張強度ftに加えて、極限圧縮ひずみεu、極限引張ひずみεmを用い、応力−ひずみ関係を決定する。ここで、極限圧縮ひずみεuは、最大圧縮応力値に対応するひずみであり、その数値は、構成則のモデルによって異なるが、例えば図４のモデルの場合、経験的に０．００１〜０．０５の範囲で決められる。また、極限引張ひずみεmは、破壊時に対応する引張ひずみであり、その数値は、構成則のモデルによって異なるが、例えば図５のモデルの場合、経験的に０．１〜０．５の範囲で決められる。
圧縮挙動は、図４のように、作用する圧縮応力σが大きくなればひずみεも大きくなるように仮定し、極限に達すれば材料が圧壊する。また、引張挙動は、図５のように、引張強度ftに達するまでは引張応力σが大きくなればひずみεも大きくなる。引張強度ftに達すると材料がひび割れ、引張が作用してもひずみεだけが大きくなり、極限に達すると破断する。
引張挙動における構成則では、引張強度ftを超えた場合には、ひび割れが発生し、軟化する特性が考慮されていることが望ましい。
【００１６】
本発明では、コークス炉（レンガ構造物）を形状モデル化し、有限要素法による構造解析を行い、コークス炉の変形量を算出するものであるが、この構造解析は、上述したレンガ構成体Ａにおいて予め求めた機械物性値（さらに好ましくは、この機械物性値から決定された構成則）を利用して行われる。
図６に、本発明法のフローチャートを示す。本発明法では、まず、対象となるコークス炉のなかで解析によって変形量を算出したい領域（レンガ構造を含む炉体部分）を選び、その領域を形状モデル化する。解析の対象となる領域とは、例えば、１つの燃焼室や天井部分などである。この形状モデル化では、例えば、適切なプリプロセッサーを使用してその形状を作成し、計算メッシュを作成する。
【００１７】
次に、形状モデルに含まれる炉体部分（レンガ構造部）および付帯構造物（レンガ構造を拘束するバックステーや金物など）の機械物性値、さらに好ましくは機械物性値に基づいて決定された圧縮挙動及び引張挙動の構成則を入力する。炉体部分（レンガ構造部）の機械物性値と圧縮挙動及び引張挙動の構成則については、上述したとおりである。
また、コークス炉は高温で使用されるため熱膨張率、熱伝導率などの温度物性も入力する。
【００１８】
さらに、解析に必要な初期条件、境界条件として、温度条件、拘束条件、外力を入力する。温度条件は定常操業時には等温で扱ってよい場合もあるが、例えば、（i）補修時に一時操業を停止した場合には、窯の温度が数百℃降下した後に操業温度１２００℃程度まで上昇すること、（ii）温度分布が一様でなく、部分的に温度が低い（例えば端部のみが温度が低い）場合があること、などが考えられ、温度条件は重要になる。また、拘束条件とは、解析対象となる炉体部分（レンガ構造部）をその位置に留め置いている付帯構造物や他の炉体部分などによる拘束条件のことである。特に、上述したようにコークス炉はレンガ構造が金物やバックステーによって拘束されており、どのような力で締め付けが行われているか（例えば、何らかの理由で締め付け力が緩むような場合を含む）が計算には必要になる。また、石炭の乾留中には炉壁に石炭膨張圧が作用し、コークス押出し時には炉壁に押出し負荷がかかり、これらの作用も外力として考慮する。また、以上のような温度条件や拘束条件、外力は、窯に石炭を装入した直後か否か、乾留の末期か否か、コークス押出し時か否か、補修時か否か、隣窯が空窯か否か、といった操業条件に応じて変わってくるので、それらの違いに応じて温度条件や拘束条件、外力を決める。
【００１９】
以上の各項目を入力した上で、有限要素法によるコークス炉の構造解析を実施する。この有限要素法による構造解析は、上記のような各項目の入力に基づき、コンピュータ上で汎用的な構造解析用プログラムを用いて実行される。この構造解析では、ひび割れの発生を判定し、このひび割れによる部材の軟化を考慮して変形量を算出することが好ましい。すなわち、算出される主応力が引張強度を超えると主応力方向と直交する方向にひび割れが発生すると判定し、ひび割れ発生まで或いはひび割れと平行する方向には弾性体として扱うが、ひび割れと直交する方向には軟化させる引張挙動の構成則を適用する。ひび割れの発生により変形量は著しく大きくなるため、ひび割れを判定し、ひび割れ後の軟化特性を考慮することは重要である。
【００２０】
繰り返し計算にて解が得られた後、コークス炉の変形を出力する。出力方法は任意であり、例えば、コークス炉の形状モデルを変形させた可視化表示であっても、コークス炉形状モデル上に色で区別した等変形線図であっても、Ｘ−Ｙグラフのような出力であってもよい。また、解析で得られる応力などの他のパラメータを表示してもよい。適切なポストプロセッサーを用いて実施してもよい。
【００２１】
本発明に実施に供される演算システム（算出装置）の一例を図７に示す。この演算システム（算出装置）は、物性値（機械物性、温度物性）及び初期条件・境界条件（温度条件、拘束条件、外力）を入力する入力部１と、入力された物性値（機械物性、温度物性）及び初期条件・境界条件（温度条件、拘束条件、外力）に基づいて有限要素法による構造解析を実行し、変形量などを演算する演算処理部２と、この演算処理部２で得られた変形量などを出力する出力部３を備えている。
本発明は、コークス炉に限らず、加熱炉や転炉などをはじめとするあらゆる種類のレンガ構造物を対象とすることができる。
【実施例】
【００２２】
老朽化した室炉式コークス炉において、保守点検のために、ある窯を空窯にして炉蓋が開放された。操業影響にて炉蓋開放時間が長くなり、通常温度が約１２００℃のところ約８００℃程度まで温度低下が見られた。再度昇温して約１２００℃にしたところ、炉壁レンガが部分的に約３５ｍｍ張り出した。張り出し箇所は奥行きが窯口から２ｍ、高さ方向が炉底から５ｍの付近であった。張り出し部分の窯口炉壁レンガを回収して調べたところ、本来１００ｍｍのはずの厚みが４５ｍｍしかなかった。
【００２３】
本発明の効果を確認するために、燃焼室１つを解析領域として形状モデル化した。この形状モデル化では、所定のプリプロセッサーを使用してその形状を作成し、計算メッシュを作成した。その形状を図８に示す。炉壁で厚みが減少していた部分（図８参照）は、厚み４５ｍｍとした。図６のフローに従い、物性値および境界条件等を入力し、有限要素法による構造解析を実施した。付帯構造物（金物）関して使用した物性値、ケース１（比較例）及びケース２（本発明例）で使用した物性値を表１に示す。また、境界条件を図８に示す。天井部と底面はＹ方向への変位をゼロ（Ｕｙ＝０）として拘束した。端部下端では炉長方向には伸びない（Ｕｘ＝０）とした。温度については、事前に温度の伝熱解析を行った。外気温度３０℃と仮定し、炉頂、炉端部で熱伝達係数５０Ｗ／ｍ２Ｋとした。炉底部は断熱とした。燃焼室温度が炉蓋開放時８００℃から通常操業時１２００℃になったときの伝熱解析結果から熱膨張量を計算し、熱応力として構造解析で考慮した。
【００２４】
ケース１（比較例）では、引張強度と極限引張ひずみは目地の物性値を利用し、それ以外はレンガの物性値を利用し、構造解析を実施した。
ケース２（本発明例）では、図３に示すような目地ｂを間に含む２つのレンガａからなるレンガ構成体Ａにより表１に示す機械物性値を求めた。レンガ構成体Ａのレンガａ及び目地ｂは、コークス炉のレンガ及び目地と同等の構成を有するものであり、レンガaの寸法は、長さＬ＝２００ｍｍ、幅Ｗ＝１００ｍｍ、高さＨ＝１３０ｍｍ、目地bは厚みＴ＝４ｍｍであった。目地部にはダボｃがあり、凸部はＲ１２ｍｍであった。また、レンガおよび目地（モルタル）の材質は珪石質であった。
ケース１，２ともに、圧縮挙動および引張挙動における構成則は図４、図５に示す形態とした。
【００２５】
ケース１（比較例）の場合には７ｍｍの張り出しが計算されたのに対して、ケース２（本発明例）では３３ｍｍの張り出しが計算された。ケース２が実際のコークス炉の変形を精度よく再現できていることが判った。
このように、目地ｂを間に含む２つ以上のレンガａからなるレンガ構成体Ａ（レンガａ及び目地ｂはレンガ構造物のレンガ及び目地と同じ構成を有する）の機械物性を利用して構造解析を行うことで、コークス炉の変形を精度よく把握できることが判った。
【００２６】
【表１】
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【符号の説明】
【００２７】
Ａ  レンガ構成体
ａ  レンガ
ｂ  目地
ｃ  ダボ
１  入力部
２  演算処理部
３  出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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