(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コークス炉炭化室内へ単味または２種以上の石炭を配合した原料炭を装入したのち、乾留して炭化させたコークスケーキを、押出しラムにより炭化室から押出して排出するコークス炉の操業方法において、
原料炭特性および操業条件から実験的あるいは計算により、炉壁負荷指数としてコークスケーキ圧縮中の一定押力に対する側壁荷重の比を求め、該炉壁負荷指数を指標として操業し、コークスケーキの押出し性を確保することを特徴とするコークス炉の操業方法。
【請求項２】
炉壁負荷指数を原料炭特性の粘結性と石炭化度とを用いて求め、得られた指数値が所定の範囲を満足するように、原料炭の選別または配合比の調整を行うことを特徴とする請求項１に記載のコークス炉の操業方法。
【請求項３】
粘結性として、最大流動度、全膨張率または粘着度指数を用い、石炭化度として、揮発分量、発熱量またはビトリニット平均反射率を用いる請求項２に記載のコークス炉の操業方法。
【請求項４】
炉壁負荷指数を下記式（１）であらわし、該指数を一定値以下に制御することを特徴とする請求項１，２または３に記載のコークス炉の操業方法。
【数１】
0003541552.tif 000015
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、コークスケーキの押出し性を改善するコークス炉の操業方法を提案するものである。
【０００２】
高炉用コークスは、還元材として、熱源として、また通気性を保つための支持材として機能しており、高炉に良質なコークスを安定して供給することが必要不可欠である。しかし、21世紀初頭に日本国内のコークス炉の大半が、現在コークス炉の寿命とされている築炉35年を迎えるため、現状コークス炉の代替炉の検討が鉄鋼会社を始めとして行われている。例えば、連続式成形コークス炉（例えば、奥原ら：鉄と鋼、Ｓ584 〜587 、1979）等である。しかるに、いずれの技術においても設備の投資額は莫大なものとなるうえ、現状では従来の室炉式のコークスと100 ％代替使用できる次世代高炉用コークス製造技術は開発されていない。
【０００３】
そこで、現状のコークス炉の寿命を延長することが、現在の高炉製鉄法にとって最も重要であることは議論を待たない。コークス炉の寿命を決定する要因としては、炭化室側壁（以下、炉壁という）れんがの損傷、バックステー等の炉体変形、ドア部のシール不良等の設備上の問題が挙げられているが、特に操業中の抜本的な補修が不可能な、炉壁れんがの損傷が致命的となると考えられる。このれんがの損傷は、経年劣化による以外に、コークス押出し時に炉壁への負荷が発生して、コークスが炭化室内で閉塞して押出しが困難あるいは不能となる状況（以下、それぞれ押止り、押詰り、まとめて言う場合には押出し不良という）時に著しく進展するとされている。さらに、この炉壁損傷はさらなる押出し不良を誘発しやすいため炉寿命にとって悪循環となるばかりでなく、調湿炭や弱粘結炭の増配合などにより炉壁への負荷は一層増大する。
【０００４】
【従来の技術】
これまで、コークスの押出し特性に関する基礎的な研究はいくつかなされているが（例えば、V.I.Ades et.al : AIME 45th Ironmaking Conference、1986. p.459)、原料特性や操業条件から根本的に押止り、押詰りを防止する技術は得られていない。
さらに、特開平５−339580号公報（コークス炉の操業方法）および特開平６−271865号公報（コークス炉の操業方法）には、炭芯温度が再固化温度に達したのち、あるいは膨張圧が０となったのちの垂直あるいは水平方向の焼き減り量と、装入高さあるいは炉幅との比率を制御することにより押詰りを防止する技術が開示されている。しかしながらこれらの技術は各々の配合炭についてコークス化過程における焼き減り量を測定することが必須であり、日々の操業における配合炭の配合設計に反映させることは困難である。
【０００５】
またこれまでに、上記のような損傷の激しい炉壁状態や劣質原料炭使用の観点からコークスの押出し性について検討された例はない。このため、操業中に得られる情報から炉壁、炉底の損傷を事前に察知して補修を行い、押止り、押詰りを未然に防止し、またそれによって炉壁、炉底のさらなる損傷を防ぐ技術が指向されている。例えば、特開平３−146589号公報（コークス炉炭化室炉壁の異常診断方法）には、押出し時のモーターにかかる負荷情報から炉壁異常を診断する技術が開示されている。
【０００６】
炭化室炉壁の補修はSi, SiO2等のレンガ原料を溶射することによって可能であり、実際に実操業で実施されて押出し不良の低減に大きな効果をあげている。そのため、上記に開示されているような診断方法を用いて炉壁状態を診断して損傷部の溶射補修を行う技術は有意義なものであるが、窯がある程度損傷してからの対策であり、押出し不良の根本的な解決方法とはいえない。さらに、炉団当りの窯数が数10から100 と多いため、この溶射補修は効率的にも経済的にも多大な負荷を伴う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
通常のコークスの製造においては、高炉使用時に要求されるコークス性能を満たすように石炭配合やフリュー温度などのコークス炉の操業条件を決定するのが一般的である。ここで言うコークス性能とは、例えば粒度、タンブラー強度 (ＴＩ) 、ドラム強度（ＤＩ）、反応後強度（ＣＳＲ）、反応性（ＪＩＳ−反応性）などである。しかし、これらの操業方法はコークス押出し性を考慮に入れたものではないため、炉の老朽化や損傷により押出し不良が多発した場合の抜本的な解決方法を与えるものではない。また、現状では操業条件とコークスの押出し性との関係が明らかにされていないため、コークスの押出し性を改善するコークス炉の操業技術は得られていない。
【０００８】
この発明は、これらの背景に鑑み、実操業に適用可能な技術の開発を目的として、種々の操業条件で決定されるコークスケーキの構造とコークスケーキの押出し性との関係に注目し、原料炭の選別または配合比の調整による原料炭特性や操業条件を適正化してコークスケーキの押出し不良の発生を防止するコークス炉の操業方法を提案することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の要旨とするところは以下の通りである。
▲１▼  コークス炉炭化室内へ単味または２種以上の石炭を配合した原料炭を装入したのち、乾留して炭化させたコークスケーキを、押出しラムにより炭化室から押出して排出するコークス炉の操業方法において、
原料炭特性および操業条件から実験的あるいは計算により、炉壁負荷指数としてコークスケーキ圧縮中の一定押力に対する側壁荷重の比を求め、該炉壁負荷指数を指標として操業し、コークスケーキの押出し性を確保することを特徴とするコークス炉の操業方法（第１発明）。
【００１０】
▲２▼  炉壁負荷指数を原料炭特性の粘結性と石炭化度とを用いて求め、得られた指数値が所定の範囲を満足するように、原料炭の選別または配合比の調整を行うことを特徴とする第１発明に記載のコークス炉の操業方法（第２発明）。
【００１１】
▲３▼  粘結性として、最大流動度、全膨張率または粘着度指数を用い、石炭化度として、揮発分量、発熱量またはビトリニット平均反射率を用いる第２発明に記載のコークス炉の操業方法（第３発明）。
【００１２】
▲４▼  炉壁負荷指数を下記式（１）であらわし、該指数を一定値以下に制御することを特徴とする第１，２または第３発明に記載のコークス炉の操業方法（第４発明）。
【数２】
0003541552.tif 000002
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の作用を以下に詳細に述べる。
通常のコークス炉操業においては、押出しラムによってコークスケーキを片側（マシンサイド）から押して排出する。その際、押出し機の能力や炉壁保護のために決められた押力の最大許容値を超える場合に、電気的に押出しを中断、あるいは中止するのが押出し不良である。実機でのコークスケーキの押出しを原料炭装入孔から観察した結果、押出しラムによって押力が与えられると、コークスケーキは横方向（炉壁方向）に拡がりながら押出され、この横方向の拡がりが著しくなると押出し不良に到ることが判明した。これは、コークスケーキの押出し中に横方向への拡がりによって炉壁に荷重が作用すると、壁面との摩擦によってコークスケーキを排出する推力が減少するためである。すなわち、押力に対する炉壁荷重の比（以下、βという）が一定値を超えると押力がその最大許容値になってもコークスケーキの押出しに必要な推力が得られず、押出し不良に至ると考えられる。
【００１４】
この発明は、これらの知見にもとづいて達成したもので、以下にその内容を述べる。
片側の炉壁と炉体との拘束をなくし、コークスケーキを押出しラムで圧縮したときの炉壁への荷重を測定できるようにした石炭乾留試験炉において、押出しラムの押力とコークスケーキ圧縮中の炉壁への荷重との関係を測定する実験を行った。
【００１５】
そこで、上記実験結果の１例として、コークスケーキの圧縮ひずみ（圧縮前コークスケーキ長さに対する圧縮変形量）とβ（炉壁負荷指数）および圧縮応力（圧縮中の押力を応力値に換算した値）との関係のグラフを図１に示す。
【００１６】
図１から明らかなように、コークスケーキの変形は、圧縮方向の変形量（圧縮ひずみ）の増加に従って、図１の点線で示すように４つの領域、すなわち、コークスケーキの変形抵抗（圧縮応力）が小さく安定している第１の領域、変形抵抗が上昇し始める第２の領域、βが発生し、その値が安定している第３の領域および変形抵抗と特にβが急増する第４の領域に分けることができ、コークスケーキの変形量（圧縮ひずみ）が一定値を超えると変形抵抗（圧縮応力）とβとが急激に増加することがわかる。
このコークスケーキの変形量がβの急増領域に入ると、押出し不良が発生する確率が高くなる。
【００１７】
そこで、種々の条件で実験を行った結果、β急増領域の境界の圧縮応力は、原料炭の配合（原料炭特性）や操業条件によらずほぼ一定であることがわかった。このことから、コークスケーキの変形がβの急増する領域、この場合押力６ｔ時の押力に対する炉壁荷重の比（以下、β6tという）が、コークスケーキの押出し性をあらわす指標となることが判明した。
【００１８】
さらに、実験を重ねた結果、β6tは原料炭の特性（粘結性、石炭化度、水分等）、乾留時間およびフリュー温度などの原料炭特性や操業条件と強い関係のあることがわかった。
【００１９】
一般にβ6tは次式（２）で与えることができる。
β6t＝ｆ（ P1, P2, P3---）              ---(2)
ここで、Ｐi は原料炭の特性（粘結性、石炭化度、水分）、乾留時間、フリュー温度、嵩密度および粒度などの原料炭特性および操業条件である。
【００２０】
たとえば、β6tは、原料炭の最大流動度（以下、ＭＦという）、石炭化度（以下、ビトリニット平均反射率：
【外１】
0003541552.tif 000003
という）の増加に伴って減少し、ＭＦおよび
【外２】
0003541552.tif 000004
の関数として一般に次式（３）で与えることができる。
【数３】
0003541552.tif 000005
ここで、ａc ，ｂc ，ｃc ，ｄc およびｅc は他の操業条件から決定される定数である。
【００２１】
なお、上記において、最大流動度、石炭化度の異なる石炭を複数配合して原料炭として使用する場合は、それらの配合比に基づいて荷重平均したＭＦ，
【外３】
0003541552.tif 000006
を代表値として用いることでよい。
【００２２】
ついで、実験結果にもとづく、フリュー温度：１０００℃、乾留時間：１８時間、原料炭水分：６％の場合における
【外４】
0003541552.tif 000007
をパラメーターとするβ6tとＭＦとの関係のグラフを図２に示す。
【００２３】
図２から明らかなように、コークスケーキ圧縮中の炉壁荷重は、原料炭のＭＦ，
【外５】
0003541552.tif 000008
の増加に伴い減少し、この場合β6tはＭＦおよび
【外６】
0003541552.tif 000009
の関数として次式（１）を得ることができる。
【数４】
0003541552.tif 000010
【００２４】
さらに、乾留時間：ｔとβ6tとの関係は一般に次式（４）で与えられる。
β6t＝ａt （ｔ−ｂt )2＋ｃt          ---(4)
ここで、ａt ，ｂt およびｃt は他の原料炭特性や操業条件から決定される定数である。
【００２５】
他の原料炭特性や操業条件の、原料炭の水分、嵩密度、粒度およびフリュー温度などについても、上記と同様なβ6tとの一般的な関係式が得られる。これらの関係式を互いに組合せて上記（２）式を用いることによって、種々の条件におけるβ6tが得られ、このβ6tによってコークスケーキの押出し性を予測することができ、このβ6tを指標とすることにより、コークスケーキの押出し不良が防止できることになる。
【００２６】
つぎに実機のコークス炉操業における、原料炭特性および操業条件とコークスケーキの押出し性との関係を調査した。対象としたコークス炉は、炉高：6.4m、炉幅：430mm 、奥行き：14.8m で、66門の炉団である。この炉団は炉令が約17年と若いため炉壁損傷はほとんど見られない。調査期間は１年間で、調査期間中の原料炭特性および操業条件は、
【外７】
0003541552.tif 000011
＝0.87〜1.14、ＭＦ＝1.82〜2.98、原料炭水分：5.5 〜7.5 ％、炉温：1150〜1250℃および稼働率（１日１窯当りの押出し本数×100 ）：130 〜150 ％である。押出し性の評価は全窯における１日当りの押出し不良件数の合計とした。この押出し不良の発生頻度とコークスのタンブラー強度：ＴＩとの関係のグラフを図３に、押出し不良の発生頻度とそれぞれの原料炭特性および操業条件から前記（１）式で得られるβ6tとの関係のグラフを図４に示す。
【００２７】
これらの図から明らかなように、コークスのＴＩ（タンブラー強度）と押出し不良の発生頻度との間には相関が見られず、これまで考えられていたようにコークス強度が増加するほど押出し不良が減少するとは一概には言えないことがわかる。それに対して、β6tに関しては押出し不良の発生頻度との間に明確な相関が見られ、押出し不良が発生しないしきい値が存在することがわかる。この場合におけるしきい値はβ6t＝0.05であるが、コークス炉の窯寸法や損傷程度等条件によってこのしきい値は変化する。
【００２８】
また、上記と異なる実機コークス炉（91門、炉高：5.9m、炉幅：460mm 、奥行き：14.9m)において、原料炭配合がコークス押出し性に及ぼす影響を調査する実験を行った。各実験は50窯について原料炭の配合以外の操業条件を同一にして行い、β6tの算出には前記の(1) 式を用いた。原料炭の配合はβ6tで0.01〜0.1 の10水準とし、β6tが0.05と0.06の配合ではＭＦ、
【外８】
0003541552.tif 000012
をそれぞれ５水準変えて行った。これらの実験結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
0003541552.tif 000013
【００３０】
この場合においても、β6t≦0.05となる原料炭特性および操業条件によってコークスの押出し不良を防止できることが判明した。
これらの結果から、(1) 式から計算されるβ6tが同一となる原料炭特性および操業条件から得られるコークスケーキについては同一の押出し性を有し、異なる場合にはβ6tが小さいほど押出しに有効な推力が増すため押出し性が向上することがわかった。
【００３１】
一方、コークスケーキの押出し中に発生する炉壁負荷とコークスケーキ内構造との関係を調査した結果、押出し中の炉壁負荷にはケーキ内の亀裂構造が大きく影響していることがわかった。さらに、石炭配合とケーキ内亀裂構造との関係を調査したところ、原料炭特性および操業条件が炉壁負荷の発生に関係する亀裂構造を支配していることが判明した。たとえば、原料炭の粘結性と石炭化度が増加することによってコークスケーキ内の構造が変化し、炉壁負荷を発生するケーキ内の運動が抑制される。
前記(1) 式の場合には原料炭の粘結性をあらわす指標としてＭＦを、石炭化度をあらわす指標として
【外９】
0003541552.tif 000014
を用いたが、この発明では、粘結性をあらわす指標として例えば全膨張率、粘着度指数などを石炭化度をあらす指標として例えば揮発分量、発熱量などを用いてもよく、これらのいずれを用いても管理指標を構成する計算式が異なるだけで、本質的な相違はない。
【００３２】
また、一般にコークスケーキの押出し不良の発生原因には、炉の老巧化、炉壁や天井へのカーボン付着、炉壁損傷などが挙げられている。しかし、この発明を用いて原料炭特性や操業条件を適切に設計し、押出し中に発生する炉壁荷重を抑制するコークスケーキ構造とすることで、上記の諸因子下においても押出し不良の発生を防止することができる。すなわち、原料炭特性や操業条件からコークス押出し中の炉壁負荷をあらわす炉壁負荷指数を算出して、このしきい値を超えないように原料炭や操業の設計を行うことによって、コークスケーキ排出時の押出し性を確保し、押出し不良の発生、さらに押出し不良に伴うコークス炉の損傷を未然に防止することが可能になる。
【００３３】
【実施例】
実機コークス炉、（91門、炉高：5.9m、炉幅：460 mm、奥行き：14.9m)において、この発明に従う設計による操業試験を３月間実施し、従来の操業との比較を行った。
【００３４】
従来の操業期間とこの発明の設計条件（β6t＜0.05）による操業期間における、前記(1) 式により算出されるβ6tおよびコークスケーキの押出し不良の経時変化のグラフを図５に示す。
【００３５】
図５から明らかなように、従来の操業では、計算されるβ6tの平均値が0.089 で、押出し1000回当りの押出し不良発生頻度の平均が25.4回／日であったのに対し、この発明の設計条件による操業では、計算されるβ6tの平均値が0.029 で、押出し1000回当りの押出し不良発生頻度の平均値が0.6 回／日と大幅に低減している。
【００３６】
これらの結果より、コークスケーキ圧縮中の一定押力に対する側壁荷重の比の炉壁負荷指数（β6t) を指標としてコークス炉の操業を行うことにより、コークスケーキの押出し性を大幅に改善できることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
この発明は、コークス炉の操業に当り、コークスケーキ圧縮中の一定押力に対する炉壁荷重の比を炉壁負荷指数とし、この炉壁負荷指数を指標として操業するものであり、
この発明によれば、コークスケーキの押止りや押詰りなどの押出し不良、さらには押出不良発生によるコークス炉の損傷を未然に防止でき、炉の寿命延長に大きく貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コークスケーキの圧縮ひずみとβおよび圧縮応力との関係を示すグラフである。
【図２】
【外１０】をパラメーターとするβ6tとＭＦとの関係のグラフである。
【図３】実機における押出し不良の発生頻度とコークスのタンブラー強度（ＴＩ）との関係のグラフである。
【図４】実機における押出し不良の発生頻度とβ6tとの関係のグラフである。
【図５】実機における従来の操業期間とこの発明の設計条件による操業期間における、β6tおよび押出し不良の径時変化のグラフである。
【図１】
0003541552.tif 000016
【図２】
0003541552.tif 000017
【図３】
0003541552.tif 000018
【図４】
0003541552.tif 000019
【図５】
0003541552.tif 000020