(57)【要約】      （修正有）【課題】コークス炉の耐火レンガ炉壁に生じた亀裂を熱間で補修する方法において、炉体の寿命を損なうことなく、確実に補修強度が得られる亀裂の補修方法を提供する。【解決手段】耐火レンガ炉壁２に生じた亀裂位置を検知し、当該亀裂１に沿って、レーザ光６を照射して、亀裂部周辺の耐火レンガを溶融、再凝固させて亀裂部を閉鎖する。また亀裂位置を検知し、当該亀裂に沿って、レーザ光を照射して耐火レンガを溶融させるとともに、高圧ガスを噴出して該溶融された耐火レンガを除去して溝部を形成した後、当該溝部に沿って粉体耐火物を溶射して、溝部および亀裂部を充填する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火レンガ炉壁に生じた亀裂を熱間で補修するコークス炉の熱間補修方法であって、
前記亀裂位置を検知する工程と、
当該亀裂に沿って、該亀裂部及びその周辺にレーザ光を照射して、亀裂部周辺の耐火レンガを溶融、再凝固して亀裂部を閉鎖する工程と、を有することを特徴とする、コークス炉の熱間補修方法。
【請求項２】
コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火レンガ炉壁に生じた亀裂を熱間で補修するコークス炉亀裂の熱間補修方法であって、
前記亀裂位置を検知する工程と、
当該亀裂に沿って、レーザ光を照射して耐火レンガを溶融させるとともに、高圧ガスを噴射して該溶融した耐火レンガを除去して溝部を形成する工程と、
当該溝部に沿って粉体耐火物を溶射して、溝部および亀裂部を充填する工程と、を有することを特徴とする、コークス炉の熱間補修方法。
【請求項３】
前記レーザ照射によって耐火レンガを溶融させるとともに、高圧ガスを噴射して該溶融した耐火レンガを除去して溝部を形成する工程において、前記高圧ガスの温度が300℃以上1000℃以下であることを特徴とする、請求項２に記載のコークス炉の熱間補修方法。
【請求項４】
レーザ照射によって形成される前記溝部の幅をWｇ、深さをｄｇ、耐火レンガ厚をtoとした時、Wgが10mm以上であり、溝形成部の耐火レンガ残厚t＝t0−dgが30mm以上であることを特徴とする、請求項２または３に記載のコークス炉の熱間補修方法。
【請求項５】
前記耐火レンガがSiO2含有量93重量%以上の珪石レンガであり、当該耐火レンガの温度または炉内雰囲気温度の少なくともいずれかが300℃以上1800℃以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のコークス炉の熱間補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火物レンガ炉壁に生じた亀裂を熱間で補修する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コークス炉は炉を加熱するための燃焼室とコークスを生成する炭化室に分かれており、壁面は珪石レンガ等の耐火物レンガが使用されている。炉の長年の使用により耐火物レンガ炉壁には表面の欠損や亀裂が発生する。特に炉壁の亀裂が進展すると、炉壁の強度が低下し、炉体の寿命が著しく短くなる問題がある。また亀裂が炭化室から燃焼室まで貫通すると、炭化室からコークスガスが燃焼室に流入して不完全燃焼を起こし、黒煙を発生させる原因となる。従って亀裂は早期に発見して、補修することがコークス炉の長寿命、安定操業には必要不可欠である。
【０００３】
炉壁を補修するには、炉を停止・冷却して行えば最も簡単である。しかし、コークス炉の主要構造体に用いられる珪石レンガは、高温時の機械的強度は高いものの、加熱・冷却時の膨張・収縮が大きい。そのため炉温を低下させるとレンガに大きな割れが発生し、炉壁全体へ損傷を与える危険が高い。よって、この様な危険を回避するため炉壁の補修は操業温度の1000℃近傍の熱間で行う必要がある。
【０００４】
炉壁の損傷の中でも、表面欠損による凹部の補修方法としては、例えば特許文献１や２に開示されているように、粉体耐火物をバーナーで溶射する補修法の使用が可能である。この場合、炉壁観察装置、溶射バーナー等の補修装置を水冷ジャケットで保護することで熱間での補修が可能になる。
【０００５】
亀裂損傷の場合、炉壁表面での亀裂の幅は狭いものは10mm以下である。一方、溶射による補修法では、バーナーから噴射される粉体耐火物の発散は比較的大きいため、溶射範囲は最低でも10mm以上となる。その結果、溶射バーナーで亀裂を補修すると、図７に示すように、溶射充填部５が表面から盛り上がる。炭化室側の炉壁の凸部はコークスを押し出す際の抵抗を増加させ、その結果、炭化室から燃焼室側への押し出し圧力を増加させるため、炉壁への負荷が高まり、炉体寿命を著しく低下させる原因となる。また溶射粉体は、狭い亀裂内には浸透しにくいため、亀裂内部への粉体充填量は少なく、補修強度も十分得られない問題がある。
【０００６】
その他の亀裂の補修方法として、燃焼室に対して炭化室の内圧を高めた状態で、炭化室側から粉末状あるいは液状の耐火物を吹き込み、亀裂内に堆積させるドライシール法が、特許文献３等に開示されている。しかしこの方法では、耐火物は亀裂内に堆積するだけで、溶射法のような強固な密着は得られず、従って炉壁としての強度の保持は難しい。また比較的、大きな亀裂幅を持つ亀裂の補修には粉体の堆積に時間を要し、特に炭化室から燃焼室に直線的に割れた亀裂では粉体が素通りしやすく、場合によっては充填補修が不可能であった。
【０００７】
すなわち、従来の技術では、熱間で炉壁の亀裂を補修する際に、炉壁寿命に影響を与えることなく、確実に且つ高強度な補修が不可能であった。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２１２５６６号公報
【特許文献２】特開２００４−２７７５２７号公報
【特許文献３】特開２００４−２３１６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、コークス炉の炉壁耐火物レンガに生じた亀裂を熱間で補修する方法において、炉体の寿命を損なうことなく、確実に補修強度が得られる亀裂の補修方法を提供することにある。また、補修後の表面を平滑化、コークス押出負荷を低減し、炉体の寿命を延長することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火物レンガ炉壁に生じた亀裂を熱間で補修するコークス炉の熱間補修方法であって、前記亀裂位置を検知する工程と、当該亀裂に沿って、該亀裂部及びその周辺にレーザ光を照射して、亀裂部周辺の耐火レンガを溶融、再凝固して亀裂部を閉鎖する工程と、を有することを特徴とするコークス炉の熱間補修方法である。
【００１１】
また、本発明は、コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火物レンガ炉壁に生じた亀裂を熱間で補修するコークス炉亀裂の熱間補修方法であって、前記亀裂位置を検知する工程と、当該亀裂に沿って、レーザ光を照射して耐火レンガを溶融させるとともに、高圧ガスを噴射して該溶融した耐火レンガを除去して溝部を形成する工程と、当該溝部に沿って粉体耐火物を溶射して、溝部および亀裂部を充填する工程と、を有することを特徴とするコークス炉の熱間補修方法である。
【００１２】
また、本発明は、前記レーザ照射によって耐火レンガを溶融させるとともに、高圧ガスを噴射して該溶融した耐火レンガを除去して溝部を形成する工程において、前記高圧ガスの温度が300℃以上1000℃以下であることを特徴とするコークス炉の熱間補修方法である。
【００１３】
また、本発明は、レーザ照射によって形成される前記溝部の幅をWｇ、深さをｄｇ、耐火レンガ厚をtoとした時、Wgが10mm以上であり、溝形成部の耐火レンガ残厚t＝t0−dgが30mm以上であることを特徴とするコークス炉亀裂の熱間補修方法である。
【００１４】
また、本発明は、前記耐火レンガがSiO2含有量93重量％以上の珪石レンガであり、当該耐火レンガ温度または炉内雰囲気温度の少なくともいずれかが300℃以上1800℃以下であることを特徴とするコークス炉の熱間補修方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の第一の方法により、亀裂部は、レーザ照射によって生成される耐火物レンガの溶融・再凝固物により閉塞され、炉壁表面の凸部は発生せず、また深溶融によって十分深い亀裂の閉塞が可能である。また本発明の第二の方法では、レーザ照射によって亀裂部を中心とした例えば幅10mm以上の溝部を形成し、引き続き溶射バーナーによって粉体耐火物を溶射充填するため、溶射部に凸部が無く、確実な補修が可能である。またレーザによって形成する溝深さを残存レンガ厚が30mm以上となるようにするため、溝形成時のレンガの機械強度を保持することが可能であり、炉壁の強度に影響を与えずに安全に補修を行える。これらの発明により、炉体の寿命を損なうことなく確実にコークス炉の亀裂を補修することが可能である。
【００１６】
加工手段としてレーザを用いているため、断熱、冷却ジャケットで保護された、光ファイバ、あるいは反射ミラー等で構成された伝送光学装置を通して、熱間の炉内の任意の位置にレーザ光を導光可能であるため熱間での補修に適する。またレーザはビームの指向性、パワー制御性が高く、亀裂部周辺に限定して、所望の幅・深さの溶融・再凝固層、あるいは溝を精度良く形成することが可能であるとの利点も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図８は炉壁と炉壁に生じた亀裂の模式図である。炉壁２は耐火レンガを積み上げて作られており、耐火レンガ１個当たりのサイズは幅300〜400mm、高さ約100mm、厚さ100〜150mmである。亀裂１はレンガ間の接合部である目地を起点に発生する事が多く、炉壁２の上下方向に長く繋がった形状となる。また亀裂１は炭化室から燃焼室の幅方向に貫通している場合が多い。
【００１８】
コークス炉壁２の主要構造体には1000℃以上の高温域において熱膨張係数が小さい、珪石レンガ（SiO2含有量93重量%以上、1000℃における熱膨張係数1.25%以下）が用いられる。珪石レンガは高温域では機械的強度が高く、構造体としての特性に優れるからである。しかし、図９に示すように珪石レンガは他の粘土質レンガに比べて、温度変化に対する体積膨張率が大きく、また比較的靭性が低いため、急激な温度変化に対して割れが発生しやすい。従って、一旦コークス炉の操業温度域で安定した後に、珪石レンガを冷却することは炉壁２の構造体に致命的な損傷を与える可能性が高い。また仮に冷却した後に、常温において、溶射等の熱的な加工により亀裂１の補修をしようとすると、局所的な温度偏差が発生するため耐火レンガは割れるという問題がある。
【００１９】
一方で、珪石レンガは300℃を越えた温度域では体積膨張率が減少し、特に700℃を越える領域では、ほとんど体積変化がないという特徴を有する。そこで本発明者らは、高温域での熱加工は低靭性の珪石レンガでも損傷を与えることがなく、またレーザを用いる熱加工であれば、高い位置制御性が要求される亀裂部の補修加工にも適用可能との着想を得て、本発明に至ったものである。
【００２０】
以下に図を用いて本発明を詳細に説明する。図５は本発明に関わる装置の説明図である。本装置は、亀裂を検知するCCDカメラ７とレーザ出力ヘッド８、レーザ光の反射ミラー１０、集光レンズ１１、およびこれらを内包する水冷ジャケット１６、レーザ加工ヘッド１５、および本発明の第二の方法で使用される溶射火炎バーナー１９、高圧ガスノズル１８から成る。水冷ジャケット１６で保護された本装置は図示されないロボットアームでコークス炉炭化室内の任意の場所に移動可能である。
【００２１】
図１は本発明の第一の方法の説明図である。本方法は、上記図５に示した装置を用いて行い、炉壁２に生じた亀裂１の場所をＣＣＤカメラ７により検知して、亀裂１の位置情報を収集蓄積する工程（A）と、検知した位置情報を基に亀裂１に沿ってレーザ光６を照射して、耐火物レンガの溶融・再凝固部３を形成して、亀裂１を閉鎖する工程（B）から成る。
【００２２】
本発明の方法では、まずCCDカメラ７によって炭化室側の炉壁２の画像を撮影して、亀裂位置を探索・検知する。コークス炉内は1000℃であるため、炉壁２からの熱輻射ノイズが生じ、これを除去するために、赤色光を遮断する図５に示すフィルタ１２を使用して鮮明な画像を得ることができる。撮影画像信号とロボットアームの位置座標データを同期させ、亀裂位置データを収集して、図示されないデータ蓄積装置に格納する。
【００２３】
次に、亀裂位置データを基に、ロボットアームの操作によってレーザ加工ヘッド１５を亀裂位置に移動した後、適当な速度で亀裂１に沿ってレーザ光を走査照射する。ここでレーザ光は、コークス炉外に設置された図示されないレーザ装置から光ファイバ９を通して伝送され、レーザ出力ヘッド８から出力される。レーザ光６は反射ミラー１０、集光レンズ１１を介して集光される。集光ビームはレーザ加工ヘッド１５先端のレーザ通過ノズル１７を通して炉内に照射され、亀裂１を加工する。ここで水冷ジャケット１６内は冷却エアー１３で加圧されており、冷却に使用されたエアーはノズル１７より排出される。また冷却エアー１３はノズル開口部からの粉塵流入を防ぎ、光学部品を保護する効果を有する。レーザ加工ヘッド１５は二重菅ノズル構造をしており、ノズル１７と同軸で高圧ガスノズル１８を備える。図示されない高温・高圧ガス供給装置から、ノズル１８を通して300℃から1000℃に加熱された加工アシストガス１４を加工部に噴射することが可能である。
【００２４】
図２は本発明の第一の方法によって亀裂を閉塞させた場合の模式図である。第一の方法は例えば亀裂幅が小さいときに適用する。図２(A)、(B)の耐火レンガ炉壁２はいずれも断面図である。図２(A)は亀裂１にレーザ光６を照射する様子を示す。レーザ照射によって、耐火レンガは瞬時に融点である1700〜1800℃に達し、溶融する。図２(B)は、レーザ照射後、耐火レンガに溶融・再凝固部３が生じた様子を示す。溶融深さdmはレーザ光の集光パワー密度、走査速度に依存して変化し、最大では貫通に相当する100mm以上も可能である。また溶融幅Ｗｍは照射ビーム、パワー密度と走査速度で制御可能である。本発明の方法では、直立した壁面に対して横方向からレーザを照射して溶融層を形成する。従って、溶融部は床面に対して平行で水平となる。このため、溶融レンガは比較的粘性が高いこととも相まって、溶融部から流れ出る溶融成分はほとんど無く、加工位置に留まる。その結果、レーザ光の通過後は溶融・再凝固部３が亀裂１を充填するように形成されて、亀裂１が閉鎖される。
【００２５】
レーザ照射部は局所的に融点に相当する1800℃以上となり、非照射部とは800℃以上の温度差が発生する。しかし、図９から推測されるとおり、高温域ではほとんど体積変化がないため、温度偏差による加工部周辺の割れは発生しない。また溶融・再凝固部３の盛り上がりはほとんど発生しない。これは加工時に溶融レンガの一部が蒸発するためと凝固時の若干の体積収縮によるものと考えられる。従って炉壁補修部表面に凸部が発生しないため、コークス押し出し時の抵抗圧力の増加は発生せず、炉体寿命への影響もない。
【００２６】
図３は本発明の第二の方法の説明図である。本方法は、炉壁２に生じた亀裂１の場所を検知して、亀裂１の位置情報を収集蓄積する工程（A）と、検知した位置情報を基に亀裂１に沿ってレーザ光６を照射して、亀裂部周辺の耐火物レンガを除去して溝部４を形成する工程（B）と、当該溝部に沿って溶射火炎バーナー１９で粉体耐火物２０を溶射して、亀裂１および溝部４を充填する亀裂充填部５を形成する工程（C）とからなる。
【００２７】
亀裂１の検知工程は、本発明の第一の方法に同じである。次に検知した亀裂位置データを基に、レーザ照射を行う。ここでレーザ照射による耐火レンガの溶融と同時に、高圧ガス１４を噴射して溶融した耐火レンガを除去する。この際、高圧ガスは常温でも、レーザ照射部での発熱と炉内雰囲気温度により、加工ガスは瞬時に炉内の雰囲気温度になる。しかし溶融物の除去速度を増加させたい場合は、大量にガスを噴射する必要があるが、その際は耐火レンガが部分的に冷却されて、割れが発生する可能性がある。その場合は、高圧ガス１４を事前に加熱して高温ガスとして噴射することが望ましい。その際のガス温度は珪石レンガの体積安定温度域である300℃以上で、且つ炉内雰囲気温度である1000℃以下が好ましい。
【００２８】
次に、亀裂位置データを基に、溶射火炎バーナー１９を用いて、溝部４の形成後の亀裂１に沿って耐火物粉体２０を溶射し、溶射充填部５を形成して亀裂１を閉塞させる。
【００２９】
図４は本発明の第二の方法によって亀裂１を閉塞させた場合の模式図である。第二の方法は例えば亀裂幅が大きいときに適用する。図４(A)、(B)、(C)の耐火レンガ炉壁２はいずれも断面図である。図４(A)は亀裂１にレーザ光６を照射する様子を示す。図４(B)は、レーザ照射して溝加工を行った後、亀裂周辺部に溝部４が生じた様子を示す。形成する溝部４の幅Wgは10mm以上とすることが望ましい。これは後工程で使用する火炎バーナーによる溶射法では、耐性微粉体は広がるため、粉体の溶射精度に限界があるためであり、溝幅が10mm未満の狭い溝では、溶射部の平坦度を保ち、溝内部を均一に充填することが困難なためである。一方、溶射バーナーは広い面積溝部の充填には適する技術であるため、溝幅の最大値は特に規定されるものではない。しかし、溝幅が100mmを越えると、レーザ溝加工の時間と負荷が増え、また溝形成時の炉壁の強度も減少すると考えられるため、溝幅は100mm程度までとすることが好ましい。また溝深さは、耐火レンガの残厚ｔが30mm未満になると、耐火レンガの強度が著しく減少し、部分的な破孔が生じ、更には挫屈に至る可能性がある。従って、溝部４の深さ形状としては、溝形成後の耐火レンガ残厚ｔと溝部４の深さdgと溝形成前の耐火レンガ厚t0の関係はt＝t0−dgであることから、ｔが30mm以上となる溝部４の深さdgに限定することが望ましい。溝部４の深さの制御はレーザのパワー密度、走査速度などを調整することにより行うことができる。
【００３０】
溝形成後は溶射火炎バーナー１９によって、図４(C)に示すように、耐火物粉体の溶射充填部５が形成される。広幅の溝を形成することで、溶射火炎バーナー１９によって平坦な溶射充填部５が形成可能であり、従って、コークスの押し出し圧力増加もなく、炉体寿命への影響もない。また本発明の第一の方法に比べて亀裂部周辺を広く除去して補修するため、より強固な補修が可能であるとの利点を有する。
【実施例】
【００３１】
実施例1
本発明の第一の方法の実施例を示す。本実施例では、試験炉を用いて、1000℃の熱間での補修を実施し、CCDカメラで補修の様子を観察した後、冷却して加工断面等を解析した。
【００３２】
レーザ装置として、平均出力２ｋWのファイバレーザを用いた。ファイバレーザは光ファイバ自身がレーザ発振媒体であるため、光ファイバへの結合効率も高く、また発振効率が高いことから装置がコンパクトで、コークス炉近傍への装置設置が容易との利点を有する。
【００３３】
図５に示した装置を用いて、珪石レンガ炉壁の炉内温度1000℃にて、本発明の方法を実施した。亀裂はCCDカメラ７で検知し、亀裂幅は0.5〜1mmである。レーザ光６はレンズで集光された後、耐火レンガに照射した。集光レンズ１１の焦点距離は200mmであり、集光ビーム径は約φ0.2mmである。高温・高圧の加工アシストガス１４は使用していない。レーザビームは速度3mm/sにて走査した。熱間でのCCDカメラ７による加工部の観測では、亀裂の閉塞を確認するとともに、周辺部に割れ等が発生していないことを確認した。また、試験炉を冷却した後に、加工断面を解析したところ、溶融・再凝固部が平均深さ約30mm、幅3mmにわたり形成され、その部分の亀裂は閉塞していた。また溶融・再凝固部の正常レンガ面からの凹凸については、凸部は無く、凹部も最大深さが３ｍｍ以下で、ほぼ平坦な表面を持つ亀裂補修がなされていることが確認された。
【００３４】
実施例２
本発明の第二の方法の実施例を示す。本実施例も実施例１と同じく試験炉にて、図５に示した装置を用いて実施した。亀裂幅は1mm〜10mmである。レーザビーム集光径は16mmとして、走査速度を0.5mm/sとした。また同時に高温の高圧ガス１４として約700℃の高温圧縮空気をノズル１８より高圧で噴射した。その結果、レーザ照射部の溶融された耐火レンガは高圧ガスにより除去され、１回の走査で幅15mm、深さ約５mmの溝が形成された。この走査を５回繰り返すことで、同じ幅で深さ約20mmの溝部が形成された。
【００３５】
次に、図６に示すように、溶射火炎バーナー１９で粉体耐火物２０を溶射して、当該溝部の充填補修を行った。熱間での観察により、亀裂は充填されていることが確認された。次に冷却後の補修部断面を解析したところ亀裂は閉塞し、良好な亀裂補修がなされていることが確認された。
【００３６】
尚、本発明は、コークス炉の炉壁に用いられる珪石レンガに対して1000℃近傍の熱間で実施する亀裂補修方法に最もその効果が大きいが、熱膨張係数が異なる他の耐火レンガにおいても、適当な温度域を選ぶことで、炉体に影響を与えずに耐火レンガの補修ができる。
【００３７】
また、上記実施の形態において、ＣＣＤカメラ７により亀裂の幅を確認し、その結果に基づいて、亀裂幅が予め設定された設定値より小さい場合には上記第一の方法を使用し、亀裂幅がその設定値より大きい場合には上記第二の方法を使用するようにしてもよい。
【００３８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第一の方法における工程の説明図である。
【図２】本発明の第一の方法における亀裂補修部の説明図である。
【図３】本発明の第二の方法における工程の説明図である。
【図４】本発明の第二の方法における亀裂補修部の説明図である。
【図５】本発明の第一の方法に関わる装置の説明図である。
【図６】本発明の第二の方法における溶射火炎バーナーによる溝充填工程の説明図である。
【図７】従来の方法による亀裂補修部の説明図である。
【図８】コークス炉の炉壁と亀裂の説明図である。
【図９】レンガの熱膨張の温度依存性の説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    亀裂
２    耐火レンガ炉壁
３    耐火レンガの溶融・再凝固部
４    亀裂周辺に形成した溝部
５    溶射充填部
６    レーザ光
７    CCDカメラ
８    レーザ出力ヘッド
９    光ファイバ
１０  反射ミラー
１１  集光レンズ
１２  赤外光遮断フィルタ
１３  冷却エアー
１４  高圧ガス
１５  レーザ加工ヘッド
１６  水冷ジャケット
１７  レーザ光通過ノズル
１８  高圧ガスノズル
１９  溶射火炎バーナー
２０  粉体耐火物
Wm  溶融・再凝固部の幅
ｄｍ  溶融・再凝固部の深さ
ｗｇ  溝部の幅
ｄｇ  溝部の深さ
ｔ  溝形成部の耐火レンガ残厚
t0  耐火レンガ厚
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008303227.tif 000005
【図４】
2008303227.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008303227.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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