(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
７５μｍ以下に微粉砕した石炭を、１４ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の圧力で円筒形状に圧縮成型し、不活性雰囲気下で乾留してコークス化したものを測定試料として、該測定試料の厚さ方向に圧力を付加して破壊時の圧力を接着強度とすることを特徴とするコークス製造用石炭の接着強度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
コークス製造用石炭にとって、軟化溶融時の石炭粒子間の接着特性は非常に重要な性質である。高炉用コークスにおいては、高炉内通気性を維持するため、堅牢なコークスの製造が求められている。石炭は乾留により、軟化溶融して互いに接着し、コークスとなる。従って、石炭の接着特性の違いがコークス強度に大きな影響を及ぼしているといえる。
【０００２】
石炭の接着特性を評価する方法として、ＪＩＳ  Ｍ  ８８０１に規定されるギーセラープラストメーター法による石炭流動性試験方法が挙げられる。ギーセラープラストメーター法は、４２５μｍ以下に粉砕した石炭を所定のるつぼに入れ、規定の昇温速度で加熱し、規定のトルクをかけた撹拌棒の回転速度を測定し、１分ごとの目盛分割をもって試料の流動特性を表す方法である。石炭粒子充填層を乾留した場合、３５０℃から５００℃にかけて石炭は軟化溶融し、隣接する粒子同士が接触し合い、その後固化してコークス化する。より流動性の高い石炭のほうが隣接する粒子との接触面積が広がるため、接着強度も大きいと考えられる。したがって、ギーセラープラストメーター法により石炭の接着特性を示すことができると考えられている。
【０００３】
また、石炭の接着特性を評価する他の方法として、ＪＩＳ  Ｍ  ８８０１に規定されるジラトメーター法による石炭膨張性試験方法が挙げられる。石炭は軟化溶融時に膨張挙動を示す。石炭粒子充填層を乾留した場合、膨張により石炭粒子は隣接する粒子と接触し、接着するため、流動性以外に膨張性も重要視されている。
【０００４】
他にも石炭の接着強度測定方法として、間接引張強度と気孔率より接着強度を求める方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。間接引張強度とは圧縮荷重から間接的に引張強度を求める方法で、コンクリートの引張強度試験法としてJIS化されており、具体的には、円筒型試料の直径方向に圧縮荷重をかけ、破断したときの強度より数式を用いて引張強度を導出する方法である。コークスの場合、コークスから円筒型にくり抜いたものをサンプルとして測定されている（例えば、非特許文献１参照）。また、石炭を円筒型の容器に充填して乾留したものをサンプルとして測定した例も報告されており（例えば、非特許文献２参照）、非特許文献２においては、直径２０ｍｍのステンレス製の円筒容器に０．１５ｍｍ以下に粉砕された石炭を嵩密度０．８ｇ／ｃｍ３となるように装入し、乾留後、厚さ５ｍｍに切り出したものをサンプルとしている。特許文献１では、間接引張強度の対数値と気孔率のグラフの傾きより接着強度を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３３００４８
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】宮川亜夫：燃料協会誌，Ｖｏｌ．５４（１９７５），ｐ９８３
【非特許文献２】Ｔｏｓｈｉｍａｓａ  Ｔａｋａｎｏｈａｓｈｉ，  Ｔａｋａｈｉｒｏ  Ｓｈｉｓｈｉｄｏ，  ａｎｄ  Ｉｋｕｏ  Ｓａｉｔｏ：Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｆｕｅｌｓ，Ｖｏｌ．２２（２００８），ｐ１７７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
石炭軟化溶融時の接着強度を測定するためには、実際に石炭粒子界面の接着強度を測定することが重要である。その点で、ギーセラープラストメーター法やジラトメーター法は、接着に大きく関与すると考えられる流動性と膨張性を測定しているに過ぎず、これらを接着強度と定義することはできない。
【０００８】
間接引張強度と気孔率から接着強度を導出する方法については、実際に強度を測定しているが、間接引張強度と接着強度は同一の特性とは言えない。すなわち、間接引張強度の測定においては、試料の破壊が接着面で起こるとは限らない点が問題となる。特にコークスのような多孔材料の間接引張強度は気孔率に大きく依存することが知られているが、これは、コークスの破壊が粗大な気孔や、連結した気孔、気孔が接近して気孔壁が薄くなった部位で発生することによる。このような気孔は乾留過程における石炭の脱ガスにより生成するものであり、石炭粒子界面の接着性と気孔生成は直接の関係はなく、また、破壊する点も接着面に限られるものでないため、間接引張強度は接着強度評価には不十分である。接着強度を間接引張強度と気孔率より推定する試みも行なわれているが、この方法も実際に強度測定上の問題を回避できているとは言えない。また評価方法の汎用性という点では、間接引張強度試験はコークス化性が不十分で測定のためのサンプルが得られない場合の評価ができない、という問題点も有する。以上のように、従来の技術では、石炭の接着強度を評価するための好適な技術は知られていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）所定の粒径以下に微粉砕した石炭を、圧縮成形後に形状を保つことが可能な程度の荷重で圧縮成型し、不活性雰囲気下で乾留してコークス化したものを測定試料として、該測定試料の圧縮強度を測定し、破壊時の圧力を接着強度とすることを特徴とするコークス製造用石炭の接着強度測定方法。
（２）７５μｍ以下に微粉砕した石炭を、２０ＭＰａ以下の圧力で圧縮成型し、不活性雰囲気下で乾留してコークス化したものを測定試料とする（１）に記載の接着強度測定方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明を用いることにより、コークス製造用石炭の接着強度を、実測値として測定することが可能となる。本発明により、様々な産地で採掘、生産される石炭に対し、接着強度という新たな視点からの評価が可能になり、接着強度の高い石炭を用いることで、高強度のコークスを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例で使用した乾留装置を示す図である。
【図２】実施例における成形物の配置図である。
【図３】実施例で測定した接着強度とＭＦの関係を示す図である。
【図４】実施例で測定した接着強度とＴＤの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明では上記の課題を解決するため、気孔生成を抑制したサンプルを作成し、そのサンプルの強度を測定する方法を見出した。気孔生成を抑制することによって、強度測定試験における気孔の影響を排除し、接着強度の評価を効果的に実施できるようになる。石炭粒子内に生成した気孔は、石炭粒子内より徐々に発生するガスが粒子内に留まりつづけるほど成長するため、気孔の成長を止めるには石炭粒子の径を小さくし、石炭粒子内に生成したガスを迅速に粒子外に放出させることが重要である。また、粒子の径を小さくすることは、単位質量あたりの測定試料に存在する石炭粒子表面積を増加させることにもつながり、測定強度に及ぼす接着強度の影響を高める効果もある。しかし、粒子の径を小さくすると、粒子の比表面積が増大してしまい、ある程度圧縮しないと粒子同士がまったく接着しない。これに対し、高密度に圧縮すると粒子間距離が非常に小さくなり、圧縮物内部にガスが留まることにより圧縮物自体が膨張し、圧縮物内部に気孔率が高く強度が著しく弱い鬆ができる。よって、接着しうる程度の弱い圧縮力を加えて成形した測定試料を強度測定に用いることが好ましく、種々の試料作成条件を調査した結果、好適な条件を見出し本発明が完成された。
【００１３】
本発明に供する測定試料は、粉砕、成形、乾留の３プロセスを経て作成される。以下にそれぞれのプロセスの詳細を記述する。
【００１４】
粉砕については、石炭粒子内部のガス放散を促進するため、可能な限り微細にすることが重要である。石炭粒子が大きい場合には、乾留時に膨張して均一な試料が得られないことが多く、発明者らが検討した結果、７５μｍ以下に石炭を粉砕することが望ましい。
【００１５】
成形について、成形物の大きさは径１０ｍｍ以下、厚さ２．５ｍｍ以下の円筒型が望ましい。径、厚さが大きい場合、乾留後の測定試料内部に鬆が生成する可能性が高いため、上記のような大きさとした。また、試料を大きくした場合、乾留時の試料表面と内部の温度勾配が大きくなり、亀裂の影響が無視できなくなるためである。成形条件については、１４ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の圧力をかけて一定時間保持するのが好適である。１４ＭＰａ以上とした理由は、それ以下の圧力では成形後の測定試料の強度が小さく、圧縮成形後に形状を保つことができずハンドリング時に壊れてしまう可能性が高いためである。また、２０ＭＰａ以下とした理由は、これ以上の圧力で成形した場合、成形物を乾留した後、内部に鬆が生成する可能性が高いためである。
【００１６】
乾留については、乾留速度は通常のコークス炉での乾留条件を模擬することが重要である。不活性ガス雰囲気下で、３℃／ｍｉｎで１０００℃まで乾留することが望ましい。ここで、不活性ガスとは、アルゴンガス等の希ガスのみではなく窒素ガスを含み、通常は窒素ガスを使用するのが実用的である。また、測定試料は熱伝達を均一にすることが重要である。望ましい形態として、粉コークス中に埋め込まれた状態で乾留することが挙げられる。
【００１７】
測定試料の接着強度測定は、圧縮強度測定により行う。成形物の厚さ方向に圧力を付加して破壊した時の圧力をもって接着強度の指標とした。厚さ方向に圧力を付加して強度を測定する理由は圧縮破壊後の測定試料が粉々になるためである。圧縮により試料が少数の部分に割れる場合（例えば２分割される場合など）、圧縮中には試料の亀裂発生部位に応力集中が発生し、亀裂伝播が生じている可能性がある。このような場合には、試料中の欠陥が起点となって破壊が生ずる可能性があるが、本発明は、多くの石炭粒子間の接着の程度を評価することが目的であるため、試料中の欠陥に基づく破壊の影響は極力除外し、圧縮により石炭粒子の多くの結合部分をせん断破壊して粉々になる破壊形態となることが望ましく、厚さ方向からの圧力付与を採用した。コークスの強度測定では円筒型試料の直径方向に加重を付加した間接引張強度がよく採用されているが、直径方向の荷重付加の場合には少数の部分に割れる破壊形態をとることが多く、本発明の目的のためには好ましくなく、石炭粉砕条件、成形条件とともに圧縮試験における荷重載荷方向を制御することで、従来にない物性を評価できる点が本発明が優れている点である。
【実施例】
【００１８】
測定試料を作成し、接着強度を測定した例を以下に示す。９種類の石炭を測定に使用した。使用した石炭の性状を表１に示す。また、２種類の石炭間の接着強度を測定するため、２種類の石炭を１：１で配合した配合炭の強度を測定することとした。配合の組み合わせと平均性状を表１にあわせて示す。石炭を７５μｍ以下に粉砕し、直径６．６ｍｍの孔を持つモールドへ石炭を装入し、成形後の寸法が直径６．６ｍｍ、厚さ２．５ｍｍとなるよう石炭量を調整し、１４ＭＰａの圧力を１０秒間付加して成形物を作成した。１種類の石炭、配合炭あたり１０個の成形物を作成した。成形物の嵩密度は石炭銘柄により異なっており、それらの値は８６０〜９２０ｋｇ／ｍ３の範囲にあった。成形物は、１ｍｍ以下に調整された粉コークス充填層に１０個配置し、乾留した。粉コークスは２００ｍｍ×２００ｍｍ×Ｈ５００ｍｍの鉄製容器に充填した。乾留装置を図１、成形物配置図を図２に示す。乾留条件は、窒素雰囲気下で、３℃／ｍｉｎで１０００℃まで乾留し、乾留後は窒素雰囲気下で冷却した。
【００１９】
圧縮強度の測定は島津製作所製のオートグラフを用いて行った。測定試料の厚さ方向に荷重をかけ、破壊時の荷重を測定した。荷重を測定試料の荷重付加面の面積で除した圧力を接着強度とした。１水準１０個の測定試料の圧縮強度、荷重付加面の面積を測定し、それぞれの接着強度の平均をその水準の接着強度とした。測定結果を表２に示す。
【００２０】
接着強度とギーセラープラストメーターの最高流動度（ＭＦ）との関係を図３、ジラトメーターで測定した全膨張率（ＴＤ）との関係を図４に示す。図中で凡例の「石炭」は単銘柄の石炭をコークス化した試料、「配合炭」は複数銘柄の石炭を配合してコークス化した試料を使用したことを示す。図３、図４より、接着強度とＭＦ、ＴＤにある程度相関はあるものの、全く同じ指標ではないことが読み取れる。
【００２１】
結果に示したとおり、本発明の方法は、単一銘柄の石炭の接着性のみならず、複数銘柄の接着性の評価にも適用可能である。例えば、表２においてＢ炭の接着強度が１０５ＭＰａ、Ｉ炭の接着強度が１０７ＭＰａであるのに、Ｂ炭−Ｉ炭の接着強度が３５ＭＰａとなっているのは、Ｂ炭とＩ炭の界面における接着強度が低いことを示しており、異炭種間の接着性も評価可能であることがわかる。
【００２２】
また、表１、２中のＡ炭、Ｂ炭、Ｃ炭は、通常の方法による乾留では良好なコークスを得ることができない粘結性に劣る石炭であって、従来法の間接引張試験用のサンプルをコークスから切り出して調製することができなかった。本発明の方法は、そのような低粘結性の石炭であっても評価が可能であるという優れた点を有している。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
0005900083.tif 000003
【符号の説明】
【００２５】
１  耐火物
２  発熱体
３  乾留用容器
４  粉コークス
５  測定試料
【図３】
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【図４】
0005900083.tif 000005
【図１】
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【図２】
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