JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）p. 61-67

老朽化したコークス炉の診断・補修技術
Diagnostic and Repair Technology in Aged Coke Oven亀崎俊一

KAMEZAKI Shunichi

JFE スチール

コークス技術部主任部員（副部長）

要旨JFE スチールの各コークス炉の稼働が 40 年を超え，老朽化が進行し，押詰りの増加による稼働率の低下が顕著となった。炭化室の炉壁張出しは押詰りの発生原因の一つである。レーザースキャナにより炉壁形状を測定する技術を開発することにより張り出し量を定量的に評価できるようにし，さらに燃焼室の観察と併用することで補修必要範囲を特定する技術を開発した。また，積替えに関する様々な工法の開発により，中央まで劣化が進行した燃焼室の補修を可能にした。燃焼室を診断・劣化分類し計画的な補修を進めることで，急激な生産性の低下を抑止し，計画的な大規模補修につなげた。

Abstract:
Coke ovens in JFE Steel have been continuously operated over 40 years, and show reduced productivity due todamage over time. Bulging deformation of oven wall is one of the causes of stickers which reduced productivity. JFE
Steel has developed diagnostic technology, including a new measuring method of the bulge shape with Laser-Scanner
and use of flue observation device which enables determination of the range of partial repairing area for coke ovenwall. In addition, partial repair methods, half oven replacement, oven roof replacement, and other techniques wereimproved, along with a new through repair method. Coke ovens in Kurashiki and Chiba district were repaired withthese technologies according to the strategic plan and kept operation before pad-up renewal.

2）

1． はじめに応でコークスを製造する 。反応が完了すると炭化室の両側の炉蓋を開け，高温状態のままの赤熱コークスを一方の側鉄鉱石から銑鉄を取り出す主な方法として「高炉法」がから押出機のラムで押出し，反対側のガイドを介してバケッ使用されている。コークスは，高炉で還元ガスの原料となトに受けて排出する。再び炉蓋を装着するとすぐに次の石り，またガスや溶けた鉄分の通り道となる層を作る重要な材炭を炭化室に投入，この繰り返しによりコークスを製造す1）料である 。

る。

コークス炉は，レンガを積み上げ，周囲から炉締め構造

2.2

物で締め付けて安定化させた大型構造物である。建造後内コークス炉の構造

部温度が 1 200˚C 程度になるまで注意深く昇温し，全体構造

コークス炉は，レンガを積み上げた炉体，炉体を安定にが安定したところで稼働を開始させる。稼働開始後は，基保つ役割の炉締め機構，ガス・空気の吸排気設備，原料・本的に炉温を下げることはできず，炉体の主要部分は高温コークスを供給・運搬する移動機などで構成される 。本報を保ったままのメンテナンスが必要となる。

は炉体を対象とし，その他については省略する。

3）

JFE スチールの各コークス炉の稼働が 40 年を超え，老朽

2.2.1

炉体化が進行した。このため，炉体の診断・補修技術を開発・

炉体は，レンガをモルタルで接着し組積した壁体を基本適用し，急激な生産性の低下を抑止，コークス炉更新につ構造とした建造物である（図 1）。炉底，コーベル，天井はなげた。

2． コークス炉の概要
2.1

コークス炉の機能

コークス炉では，炭化室に石炭を投入し，両側の燃焼室で発生させた熱で乾留状態にすることによるコークス化反図 1 コークス炉体構造
Fig. 12021 年 11 月 22 日受付－ 61 －Copyright © 2022 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

Coke oven structure老朽化したコークス炉の診断・補修技術

レンガを数段積み重ねた中実の水平スラブである。その間け，片側半分で燃焼を行う。上部に連通した水平焔道に炉長方向に一列に積み上げたレンガ壁で蓄熱室（炉底―に燃焼後のガスを合流させ，他方のブロックを通してコーベル間），炭化室および燃焼室（コーベル―天井間）を作り，コーベルおよび天井を支える構造となっている。

蓄熱室を通し炉体から排気する。
（2）ヘアピン式炉（オットー炉，Wilputte-Otto）（図 2（b））

レンガ壁はその上部構造の自重を支えるとともに，自重垂直方向の隣り合う 2 フリューの上部を連通させ 1 セッで締め付けられて静的に安定した構造となっている。炭化トとし，片側でガスを燃焼させ他方で排気する。1 セッ室と燃焼室は交互に並び，数十セット並んだ集合を炉団とトごとにビンダーレンガが炉壁を上から下までつなげて呼ぶ。

いる。

2.2.2

炭化室

いずれの形式も燃焼・排気を一定時間ごとに交互に切り石炭を装入する炭化室は幅が 0.4 m 程度，奥行きは 16 m

替えることで，温度を一定に保っている。

程度，高さは 6～7 m の，炉壁に囲まれた薄く平らな空間で

2.2.5

炉締め機構ある。ここに装入された石炭は，燃焼室で加熱され乾留が組積したレンガ壁は，静的な状態では重力により安定的進み，不定形の数 cm～数十 cm の塊コークスとなる。塊に自立しているが，水平方向の力（次項）に対しては弱いコークスはコークスケーキと呼ぶ集合体となり，炉壁との間ことから耐力を確保する必要がある。このため，レンガを水に数 mm～十数 mm 程度の隙間がある状態で自立する。乾

平方向に締め付ける炉締め機構を備えている。炉締め機構

留が終わると両端の炉蓋を取り，一方から押出機で他方には，炉団方向にはピニオンウォールとロングタイロッドで，向けてコークスケーキを押し出す。炉壁面はコークスケーキ

炉長方向には各燃焼室の外側のバックステーとクロスタイの形状を決める型枠であり，また，押出時には，コークスロッドでつなぎ締め付ける（図 3）。炉壁の面外耐力は，上ケーキを崩さず整然と移動させるガイドとなる。そのため，部荷重とバックステーによる締め付け力で決まる 。

4）

炉壁面は，凹凸のない平滑な面であることが必要である。
2.2.3

2.2.6

燃焼室にかかる力

燃焼室部分には重力以外に以下のような水平方向の力が燃焼室

燃焼室は，炉団方向両側に厚み 100 mm 程度の炉壁で仕かかる。これらの力は燃焼室炉壁にかかり，後述する炉壁切られた空間内に，両壁を接続する仕切り壁（ビンダーレ変形を引き起こす原因となる。

ンガ）で燃焼回路（フリュー）を形成している。ビンダーレ（1）‌石 炭の膨張圧：乾留中の石炭が軟化溶融し，膨張する際に炉壁に面外方向に加わる圧力である。石炭の種類

ンガは炉壁を接続し，構造強度を強化する役割を持つ。
2.2.4

ガス燃焼回路により大きく異なり，数 kPa から数十 kPa になる。

均質なコークスを製造するためには，炭化室温度を炉長（2）‌押 出し圧力：ラムがコークスケーキを押し始めるとコー方向に決められた温度分布にする必要がある。炉長方向にクスが炉壁と接触し始め，炉壁を面外に押す力がかか多段に作られたフリューは，それぞれ個別に燃焼調節を行る。

うことで最適な温度分布を作る。当社のコークス炉は回路（3）‌押 出力：炉壁に押出し圧力がかかった状態でコークス構成の違いにより大きく以下の 2 形式に分けられる。

ケーキが移動する際に，押出方向の摩擦力が炉壁にか（1）水平焔道式炉（カールスチル炉，Carl Still）（図 2（a））かる。

垂直方向多段のフリューを炉長方向に 2 ブロックに分以上の力はコークス製造の 1 サイクルの特定の段階で発生し，稼働とともに繰り返し回数が増加する。
（4）‌装 炭車荷重：装炭車とは，炉頂を走行し，石炭を石炭

図 2 炉形式による燃焼回路の違い
Fig. 2図 3 ‌炉締め機構

Type of combustion system

JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）

Fig. 3－ 62 －Bracing system of oven chamber

老朽化したコークス炉の診断・補修技術

塔から燃焼室に運搬・装入する移動機で，1 装入ごとに張出し変形がビンダーレンガ上端に引っ張り力を発生させ，1 往復を繰り返す。石炭も含め百数十 t の重量が，燃焼ひび割れが発生・進展する（図 6）。これにより張り出し範室に交番荷重となってかかる。石炭塔に近い燃焼室ほ囲が下方向・奥方向に拡大し，変形量が増大する。図 7 にどその回数が多くなる。

典型的な例を示す。

（5）‌熱 負荷：レンガは温度変化により膨張収縮が発生する。
厳密には内力であるが，大きな負荷変動となりうる。

ビンダーレンガが切れると外力に抗する耐力が下がるため，小さな負荷でも炉壁が崩れる現象が発生した。
3.2.2

3． 炉体の劣化

装炭車軌条下を起点とする張り出し変形

ビンダーレンガのない水平焔道の炉壁部分では，垂直荷重がモーメント荷重となる。2.2.6 項で述べた装炭車荷重が炉体の劣化は概ね図 4 のとおり進行し，押詰りが発生し，繰り返しかかると，応力集中で亀裂が発生する（図 8）。

生産性が低下していく。

3.1

モーメントは，炉壁が外側（炭化室側）に膨らむ方向で，炉締め機構の劣化による構造の劣化

燃焼室の炉締め機構の劣化により構造変形が起こる。
バックステー，クロスタイロッド，炉締め金物の劣化と燃焼室の変形パターンを表 1 に示す。この変形は窯口（炭化室両端部）の 1 フリュー程度の範囲で発生する。

3.2

水平焔道式炉特有の構造劣化

水平焔道式炉の焔道部分には，全長に渡り両側の炉壁をつなぐビンダーレンガがなく，耐力が低下する。これに対

図 5 ‌炉締め機構の劣化による変形形状例
Fig. 5Bulge deformation types of bracing system

し，ヘアピン式炉は 1 セットごとに仕切り壁が炉壁をつなぐため，耐力の低下が限定的である。この構造上の違いにより，炉壁の損傷の形態，程度に違いがある。当社で最初に顕著な構造劣化が発生したのは水平焔道式炉であった。ヘアピン式炉では以下に述べる変形は比較的少なかった。
3.2.1

窯口上部を起点とする張出し変形

水平焔道付近では，ビンダーレンガがないことから図 5に示した変形が発生しやすく，張出し量が大きくなる。その図 6 ‌窯口張出し時のレンガの状態
Fig. 6図 7 ‌水平焔道形式における窯口上部の張り出し変形

図 4 ‌炉体の劣化と押詰り
Fig. 4

Condition of brick structure under bulge deformation

Fig. 7

Damaged oven wall and stickers

Bulge deformation near mouth of coking chamber

表 1 ‌炉締め機構の劣化
Table 1

Damage of bracing system

Component

DamageFigureBuckstay

Bending by overheating

Fig 5 (a)Cross tie-rod

Expansion or breakage

Fig 5 (b)Breakage or fallFig 5 (c)Protection parts

図 8 ‌水平焔道部に発生した亀裂
Fig. 8－ 63 －Crack in brick around horizontal duct
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老朽化したコークス炉の診断・補修技術

天井とビンダーレンガに引っ張り力を発生させる。引っ張り京浜の炉はドアフレームで押さえられ変形しにくかった

力により亀裂が発生し，亀裂が進行すると張り出し変形とな（図 10）。

る。張り出し変形は水平焔道方向，下方向に概ね円形形状ためである。

で拡大していく（図 9）。
3.2.3

主にこの 2 点の違いにより，京浜の炉体は炉締め劣化が起こりにくく，炉壁変形が少なかったと考えられる。

地区により異なる劣化の発生状況

表 2 に示すように水平焔道式炉は当社の 3 地区にあり，3.3劣化はいずれの地区でも発生しているが，その度合いは千葉・倉敷と京浜で大きく異なっている。その理由は，燃焼室変形と押詰り構造劣化が進むとコークスケーキと炉壁の摩擦力が増え，（1）千葉・倉敷の各炉はバックステーの断面二次モーメン必要となる押出力が増大する。押出力が押出用モーターのトがほぼ同等であるが，京浜の炉は約 1.5 倍と曲げ変形

設定電流値を超えると押出は停止し，「押詰り」となる。押を起こしにくい構造となっている。

詰りとなった場合には，負荷を下げるために，コークスを掻（2）千葉・倉敷の炉は，炉締め金物が分割構造でピン締結き出す作業と再押出を繰り返し，押詰りを解除する。その間のため，変形・脱落を起こしやすかった。これに対し，は生産できなくなり，生産を再開しても押出順序が元に戻るまでは生産性が落ちる。また，押詰りの発生数が増えると他の窯の操業にも支障が発生し，さらに生産性が落ちる（稼働率が下がる）。

3.4

稼働率低下

稼働年数が長くなるとともに，各コークス炉は押詰りが増え，稼働率が徐々に低下するようになり，リーマンショック時の低稼働率操業以降，さらに低下速度が速くなった。倉
敷地区コークス炉の稼働率，押詰数の推移を図 11 に示す。
倉敷地区では，生産量低下によるコークス不足が問題と

図 9 ‌装炭車軌条下の円形張り出し
Fig. 9Bulge under charging car rail

なり，緊急対策が必要となった。この際に変形の定量的判断が大きな課題となったことから，新たに診断技術を開発した。

表 2 JFE スチールのコークス炉の炉形式
Table 2Region

Chiba

KeihinKurashiki

Fukuyama

No

Coke oven type in JFE Steel

NumberNumber Operationof batteries of ovens
startedOven
type

5492

1964

621021973

72661980

141241976

2274197912781967 Carl-Still

22841968

32861969

42861971

52861973

6243A1980

43B2011321041969431751971

54165

1973

55D2006

図 10 ‌窯口金物構造の違い
Fig. 10Uhde
WilputteOttoUhde

図 11 ‌倉敷地区コークス炉の稼働率，押詰り数の推移（Batteries in operation in 2010）
JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）

Difference of protection parts－ 64 －Fig. 11

Trend of productivity and stickers rate in Kurashiki老朽化したコークス炉の診断・補修技術

4． 診断技術
測定対象の炉壁は幅 400 mm 程度の狭隘な空間の内面で，温度が 1 200˚C 程度の高温空間内である。以前は，空にした炭化室を外側から目視で観察すること，もしくは T 型の治具を当てて幅を見積もることで変形を確認していた。しか図 12 ‌レーザースキャナ

し，目視では定量的に判断しがたく，治具測定でも測定しFig. 12た箇所（点）の評価しかできなかった。また，奥の方は治Laser scanner

具が届かず，目視も困難であった。このため炉壁の変形を面で定量的に測定する方法を開発した。

4.1

炉壁変形定量化技術

接触式，超音波式，マイクロ波式などによる距離測定は，プローブを炉内に挿入し，動かしてスキャンする必要があり，8 m 程度の範囲を動かすためには大型で強力な冷却機構を備えた機構が必要となる。これに対し，レーザー式による距離測定は，離れた所からでも十分な精度で測定できる特

図 13 ‌炭化室測定状況と測定した点群データの例

徴があり，外からでも測定できる可能性があった。
4.1.1

Fig. 13

Measurement scene of oven wall

レーザースキャナによる炉壁測定

このことから，炉壁測定にはレーザー式を採用し，具体強い上昇気流により，プラットホーム上では高温空気に的な装置として，機動性が高く，定点から広範囲のスキャ直接触れることはないものの，炭化室内部からの輻射熱がン測定が可能なレーザースキャナ（以下 LS）を選択した

課題となった。LS をカバーで覆うなどの対策を検討したが，（図 12）。

レーザーの通り道は露出する必要があること，カバー重量

LS はレーザー光線を対象物に照射し，Time Of Flight 方5, 6）式で距離を測定する。レーザー光線を照射し，高速回転増のため機動性が損なわれることから断念し，動作保証温度範囲を超えないように測定時間を最小化した。

する鏡と装置全体の回転により，極座標系で全天周の各方（2） 安全対策

向の対象物との距離を測定する。装置は重量 1 kg 程度（最LS には，スキャン動作速度に基づく危険距離があること新の機種）で，三脚に固定して測定できる。測定結果はクから，次の方法で安全を確保した。

ラウドデータと呼ばれる，3 次元直行座標系に変換された点・危険距離内のエリアは，測定者以外立ち入り禁止とする。

座標の集合データとなる。点群密度（単位面積当たりの測・測定者は指定保護眼鏡を着用する。

定点数）は対象物との距離とスキャンの角度分解能で決定・レーザー発振中は，LS に背を向け LS を見ない。

され，距離の二乗に反比例する。LS に近い対象は点群密度（3） データ処理が高い精細な情報が得られるが，距離が離れるに従い情報

LS のデータは容量が膨大であり，データをそのまま処理量は少なくなる。
4.1.2

しようとするならば，計算処理能力の高い PC と，点群処理専用のソフトウエアが必要である。このため，測定した点群

炉壁測定方法

炉壁測定は，窯の前の奥行き 1.5～2 m 程度の中間デッキ

データの炉壁設計形状からのずれ量（炉壁変形量）を算出（プラットホーム）から行う。この場合，幅 400 mm 程度のし，格子状に分割した各ブロックに含まれる点群のずれ量

窯口から奥行き数 m をのぞき込む形となる。窯の真正面かの平均値を各ブロックの平均変形量として定義することで，ら測定すれば両壁が見えて一度の測定で済むが，壁とレーデータを大幅に圧縮，表計算アプリケーションで処理できザー光線のなす角が小さくなり，反射光量の低下（精度のるようにした。

悪化），点群密度の低下が顕著になる。このため，2 回の測4.1.4

炉壁データの活用

実測データによる定量評価が可能となったことから，これ定とし，片方の壁ごとに，所定の奥行まで見通せるように窯の正面から少し左右にずれた位置から測定した。炭化室測を活用した診断システムを開発した。

定状況と点群データの例を図 13 に示す。

（1） コークスと炉壁の接触判定

4.1.3

凹凸が発生した炉壁ではコークスケーキに凹凸が転写さ課題と対策

炉壁測定の課題は温度・粉塵対策，安全対策，データ処れ，押出時にはほぼそのまま移動するため，コークスケーキ理であった。

が，炉幅が狭い（炉壁が張り出した）部分を通過する際に（1） 温度・粉塵対策

強く接触する場合がある。まず操業情報から各位置の収縮－ 65 －

JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）

老朽化したコークス炉の診断・補修技術量を計算しコークスケーキ形状を推定し，固定した炉壁形状データに対し，コークスケーキ形状データを移動させて干渉量をチェックする。同じ張り出し量でも干渉の大小が違うことを見える化し，補修優先度を決定するシステムを開発した。
（2） 変形の進行予測
炉壁の変形は，時間をかけて範囲が広がり，張り出し量が増加することがデータで確認された。測定データのある

図 14 ‌炉体補修技術

全窯を評価したところ，変形速度は概ね炉団ごとに一定値Fig. 14

Oven repair technologyになることが統計的に分かった。このことから，形状データを定期的に測定し，特定の部位について変形の時間変化を

表 3 開発（導入）した診断・補修技術算出することにより，その部位が補修を必要とする状態になTable 3るまでの時間を予測するシステムを開発した。このシステム

Developed (Introduced) diagnosis and repairtechnologies

により各窯の補修必要時期を予測できるようになり，積替え補修計画の立案が可能となった。

TypeTechnique

Diagnosis

Measurementof oven wallwith laser
scanner

Measure oven wall with laser
scanner and calculatecharacteristic amount ofdeformation, compare anddecide priority

Flueobservation

Observe crack in binder brickwith flue observation device

Decision ofrepair area

Decide the region to repair withmeasured information of ovenwall

Deformation
prediction

Estimate the period to repair
with change rate of characteristic
amount of deformation

End flue
repairReplace the brick from mouth ofchamber to halfway in hot
condition

Through wall
repairReplace the brick of a wholechamber

Oven roof
repairReplace the oven roof not toloosen the bracing of nonrepairing roof

5． 積替え補修
5.1

コークス炉の炉体補修

炉体に関連する補修は図 14 のように多岐にわたる。この中で，炉壁の平滑化のための重要な技術である積替え補修についての取り組みを概説する。

5.2

燃焼室積替え補修

5.2.1

積替え補修に関わる個別技術の確立

3.4 節で述べたとおり，倉敷地区では 2010 年に非稼働窯

Repairが多くなり正常な操業が難しくなったため，早期復旧が課題となった。
当初は定量的な診断ができず，経験で範囲を決め燃焼室の積替え補修を行ったが，積替えのやり直し，短期間で変形が再発する，操業度が上がらないなどの課題があった。
また，積替え後に変形が奥に進む・奥で発生するケースもOverview

Reinforcement Disperse the charging car loadof charging
with reinforcement beam to the
car railchamber adjacent to therepairing

出始め，経験のない範囲（奥行方向）の補修が必要となってきた。
このため劣化診断と積替え補修について表 3 に示す各種の技術開発を進め実用化した。
5.2.2

課題とならないよう，最善な支持点の取り方を FEM 解析に

積替え範囲拡大時の課題と対策

燃焼室劣化の奥部への進行が多数発生し，補修が大規模より検討し，基準化した。
この二つの技術により補修範囲の大規模化に対応でき，になるにつれて，同時に劣化が進んだ天井の積替えと装炭補修の成功率が大きく向上した。

車軌条の補強が近隣燃焼室に与える影響が課題となった。
天井の積替えにあたっては，天井を取り外すことにより，5.2.3

積替え補修ランクの定義

その両側の非積替え天井部の炉団方向の炉締め力を喪失し炉壁の変形範囲を事前に把握できるようになったことかないように補強支持する必要があった。天井断面の押さえ

ら，積替え補修ランクを表 4 のとおり定義し，ランクごとの方，支持部材の強度・力調整機構を実工事で試験施工し，補修方法をメニュー化した。これにより積替え方法が特定取り外さない両側の天井のゆるみを防止する技術を開発しでき，補修時間を正確に見積もれるようになった。
5.2.4た。

炉体補修の戦略的実行

装炭車軌条補強では，補強部材の支持点を両側の燃焼室積替え補修を計画的に行えるようになったことで，図 14に取り，荷重を預ける。この際に非積替え燃焼室の負荷がに示す他の補修についても計画的に行えるようになったこと

JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）

－ 66 －

老朽化したコークス炉の診断・補修技術

Rank

表 4 積替え補修のランク分け

コークス炉の一層の健全化に向けた取り組みを多面的に進Table 4

めていきたい。

P

Classified flue repair
DI

参考文献

Depth of In front ofCharging car rail Center of ovendamage charging car to center of ovenrailMethod• End flue
repair• Oven roof
repair1）彼島秀雄．高炉技術の系統化．国立科学博物館 技術の系統化調査報
告 第 15 集．独立行政法人 国立科学博物館，2010.
2）美浦義明．高炉用コークス製造法の基礎（IV）．燃料協会誌．1984,
vol. 63, no. 10, P. 882-892. 1984.

• End flue repair • Thru wall repair• Reinforcement • Includeof charging car
reinforcement ofrailcharging car• Oven roof
railand oven roof
repairrepair3）加藤元永，岡恒夫，山本雅章．西日本製鉄所（福山地区）第 5 コーク
ス炉 D 団の建設と操業．JFE 技報．2008, no. 22, p. 6-10.
4）AhlersWalterVon. Grenzbelastung von Koksofenwanden. Stahl undEisen 79. 1959, no. 7, p. 397-405.
5）早川裕弌，小口高．地形学における地上レーザ測量の活用．地学雑誌．2016, vol. 125, no. 3, p. 299-324.

から，倉敷地区では押詰りの鎮静化に成功した。LS データ

6）福森秀晃，佐田達典，大久保秀晃，清水哲也，村山盛行．3 次元レーザースキャナーの測定精度に関する基礎的実験．土木情報利用技術論
文集．2009, vol. 18, p. 193-200.

による窯毎の劣化予測から炉団の稼働率を将来予測し，炉団の更新（パドアップ）を計画的に進められるようになった。

6． おわりに
本稿ではコークス炉燃焼室の診断・補修についての JFEスチールの取り組みを報告した。コークス炉の健全化には報告では省略したレンガ劣化，燃焼機能劣化，移動機劣化

亀崎俊一などを含めた総 合的な対 策が 必 要であった。引き続き，－ 67 －JFE 技報 No. 49（2022 年 2 月）
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