JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）p. 16–19

コークス押出時における炉壁損傷発生挙動
Wall Damage of Coke Oven During Coke Discharge
下山泉

山本哲也

JFE スチール

スチール研究所

製銑研究部

主任研究員（副部長）・博士（工学）YAMAMOTO Tetsuya JFE スチール

SHIMOYAMA Izumi

スチール研究所

製銑研究部

主任研究員（副課長）

要旨
コークス炉寿命延長のための操業指針を得るため，炭化室からコークスを押出す際などに発生する局所的な荷重によって炉壁に破孔損傷が発生する条件について，離散要素法シミュレーションを用いた検討を行った。3 フリュー，5 段の炉壁レンガ構造をモデル化し，炉壁の状態による耐荷重限界の変化を検討した結果，（1）ダボの損傷，（2）ダボ部分に至る炉壁損耗，（3）幅 2 mm を超える貫通亀裂，（4）炉長方向のレンガ緩みが存在する場合に，炉壁の耐荷重限界が著しく低下することが明らかとなった。この知見は老朽炉炉壁の補修要否判断の指標となるものであり，炉壁状態に応じた適切な補修によってコークス炉の寿命延長が達成できるものと期待される。

Abstract:
In order to extend the service life of coke ovens, the effect of localized force on oven-wall damage wasinvestigated by discrete element method simulation. A simulation model that comprises three flues and five layersof bricks was constructed and the effect of various wall damages on tolerable limit of localized force was examined.
It was found that the following liner brick damages cause extreme decrease in tolerable limit; (1) loss of tongue andgroove constraint, (2) wear which reaches tongue and groove (ca. over 35 mm), (3) penetration cracks over 2 mm
wide, (4) loss of horizontal constraint. These findings can provide useful guidelines for effective repair of old cokeovens to achieve oven life extension.

炉壁が接触する面積は炉壁面積に比べてかなり小さいこ

1. 緒言と，炉壁に発生する局部的荷重は圧縮力の増加にともない増大することなどの知見が得られた

コークス炉の延命を図る上でコークス炉炭化室炉壁の損

2,3)。この試験より，押出時にコークス塊と炉壁の接触部分で発生する荷重はばら傷を防ぐことは極めて重要である。特に炉壁破孔は操業やつきが大きいものの，およそ数百ニュートンのオーダーで炉体への悪影響が大きく，極力その発生を未然に防ぐことあると推定され，押詰まりの際に発生する炉壁局所荷重はが強く望まれる状況にある。

老朽炉炉壁の破孔の原因となる可能性が示唆された。

JFE スチール西日本製鉄所福山地区第 3 コークス炉（1969

炉壁破孔は，このような局部的荷重がその部位の炉壁の年稼働：福山地区最老朽炉）において発生した炉壁破孔事耐荷重限界を上回った場合に発生すると考えられるが，炉例を調査した結果，そのほとんどは炉壁レンガ 2 枚以下の壁の耐荷重限界については十分な知見が得られていなかっ狭い範囲（最大でも 3 枚）で発生していることが明らかとた。石炭乾留中に発生する膨張圧による炉壁崩壊を防ぐ目1)なった 。しかしながら，このような狭い範囲での炉壁破的で，炉壁全体の耐荷重（耐圧）限界を求めた例は古くか孔の発生メカニズムについては十分に理解されておらず，らあるが対策を取る上での障害となっていた。これに対し，筆者ら

特に老朽化によって損傷を受けたレンガの耐荷重限界につは，コークス押出時にコークスケーキが炉壁方向に広がっいて検討した例は，新日本製鐵（株）釜石製鉄所 No. 1 コーてコークス塊と炉壁が接触した点で発生する局所荷重が炉クス炉において熱間で炉壁に対して荷重載荷を行った報壁破孔の原因となりうると考え，250 kg 試験炉コークスの告 ，炉壁高さ方向に連続した亀裂がある場合の炉壁倒壊圧縮試験により炉壁に発生する局所荷重を求めた。その結を想定した検討

4,5)，局部的な領域における耐荷重限界について，

6)7)などがあるのみである。

このような背景のもと，筆者らは，老朽化によって損傷果，炉壁に発生する荷重は均一でないこと，コークス塊とが進んだ炉壁レンガ構造の局部的荷重に対する耐荷重限界
2008 年 7 月 22 日受付を求めるため，離散要素法シミュレーションを用いた解析− 16 −

コークス押出時における炉壁損傷発生挙動を行った。その結果，破孔発生危険性と炉壁の損傷状態と20 mm の円に荷重を与えた。載荷荷重を徐々に上昇させての関係をある程度定量的に把握することができ，炉壁破孔

いった場合のレンガの変位をシミュレーションし，載荷点抑止のための補修指針の提示を行うことができたので，そが炉壁レンガ幅の半分まで進行した点を破孔発生と判断の内容について以下に述べる。

し，その時の荷重をもって破孔発生荷重とした。解析は，レンガのダボによる拘束の有無，炉壁損耗量，亀裂幅など2. 解析を変えて行い，炉壁破孔発生荷重に対する炉耐損傷の影響を調査した。

解 析には Itasca 社 の 離 散 要 素 法 ソフト 3DEC を用い，コークス炉を構成するレンガ構造の一部（3 フリュー，5 段3. 結果と考察分）を 3 次元的にモデル化した（図 1，2）。モデルの上方

3.1

向からはレンガ重量によって発生する応力（炭化室の下かダボ損傷の影響

ら約 1.5 m の位置に相当）を載荷，炉長方向の端面には炉載荷するレンガに幅 5 mm の亀裂を存在させたモデルに締め荷重に相当する応力を載荷し，両端面とも局所荷重のついて，ダボ損傷の影響を調査した。ダボ損傷はダボの凸載荷方向に固定の境界条件とした。なお，老朽炉においては目地部の拘束力は期待できないと考え，レンガ目地は省

Vertical sectional view

略している。モデルの中心のレンガの長さ方向中央部に欠陥として炭化室から燃焼室に至る貫通亀裂を与え，レンガ
Load

表面の貫通亀裂中心から炉長方向に 20 mm フリューガス道
中央部方向に離れ，炉高方向中央位置を中心とする直径

Horizontal sectional view

Load

Load

Load(N)
図3

図1

炉壁構造モデルFig. 1Oven wall model300

400600

亀裂幅 5 mm，ダボ無効の場合の炉壁変形

Fig. 3 Deformation of oven wall (Crack width: 5 mm, Damaged
tongue and groove)

Vertical sectional view

Load

Crack
Horizontal sectional view
Load
Load

Load (N)The part shown in Figs. 3 and 4
図2
Fig. 2炉壁構造モデルの載荷位置水平断面

図4

Horizontal sectional view of the model at the level ofapplied load

Fig. 4− 17 −

600

9001 000

亀裂幅 5 mm，ダボ有効の場合の炉壁変形

Deformation of oven wall (Crack width: 5 mm, Soundtongue and groove)
JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）

コークス押出時における炉壁損傷発生挙動

部がレンガから離れて動くことができるように，ダボの根

1 400
Force of wall breakage (N)

元に幅 0 mm の亀裂を入れ，レンガを 2 つの要素に分割することによって表現した。欠陥を与えたレンガに載荷した場合の変位の様子を図 3（ダボ損傷のある場合），図 4（ダボ損傷のない場合）に示す。炉壁破孔発生荷重は，ダボ損傷のある場合には 600 N，ない場合には 1 000 N となり，ダボによる拘束の有無が炉壁破孔発生に大きく影響することが認められた。コークス圧縮時に炉壁に発生する局部的荷

1 200
1 000
8006004002000重の値（数百ニュートン）と比較すると，ダボ損傷のある

24Crack width (mm)場合には，炉壁破孔発生の危険性はかなり大きいものと推図6測される。これに対し，ダボ拘束が有効な場合には，炉壁Fig. 6

破孔発生の可能性は低いと判断されるが，シミュレーショ

6

亀裂幅と破孔発生荷重の関係

Effect of crack width on the force of wall breakage

ンにおいてダボによる拘束が有効の場合にはモデル全体が上下方向に膨らむことが認められており，実炉においてはれている場合には炉壁破孔危険性が高いことが推定されたモデル化した部位の外側からの拘束も受けることを考えるが，亀裂幅がより小さい場合には破孔しにくくなることがと，破孔発生荷重は実際にはさらに大きく，破孔発生の可予想される。そこで，ダボ拘束が失われた条件において亀能性は極めて低いものと推定される。

裂幅を変えたモデルを用い，その影響を調査した。結果は

3.2

図 6 に示すとおりであり，亀裂幅が 2 mm 以下ではダボに炉壁損耗の影響よる拘束が失われていても炉壁破孔危険性は小さいことがダボによる拘束が炉壁破孔発生に大きく影響することか推定された。なお，この場合，解析結果はモデルの炉長方ら，炉壁の損耗が進んでダボによる拘束が失われた場合に向端面の境界条件に依存して変わることが認められた。すは破孔危険性が増大することが推定される。そこで，ダボなわち，炉長方向変位拘束とした場合に比較し，境界条件が有効な場合における炉壁損耗量と破孔発生荷重の関係をを炉締め力による応力境界とし，レンガ構造の変位が炉長調査した。炉壁損耗は，載荷側の炉壁全体を炭化室側から方向に発生しうるとした場合には亀裂幅 1 mm であっても削ったように薄壁化して表現した。なお，今回モデル化し炉壁破孔発生荷重は 600 N と低く，破孔の危険性が大きい

た健全な炉壁の厚みは 100 mm であり，亀裂幅は 3.1 節でという結果となった。炉長方向にレンガが変位可能な条件述べた場合と同様 5 mm とした。シミュレーションによりは，炉体の膨張収縮や，炉壁における複数の亀裂の存在，求められた破孔発生荷重と損耗量の関係は図 5 に示すとおタイロッド損傷などにより，レンガ積み構造が緩みうる状りであり，ダボによる拘 束 が 有 効な場 合 でも損 耗 量 が態に相当するものと考えられ，このような状態もまた破孔35 mm を超えると破孔発生荷重は急激に低下する結果と危険性を増大させるものと推定される。

なった。この損耗量は，レンガの端からダボの隆起の端までの距離とほぼ一致しており，ダボに至る炉壁損耗は炉体4. 結言保全上極めて好ましくないことが推定される。

3.3

離散要素法シミュレーションによりコークス炉炉壁レン亀裂幅の影響

ガ損傷の程度と炉壁破孔危険性の関係を定量的に解析し3.1 節において亀裂幅が 5 mm の条件でダボ拘束が失わた。その結果，以下の知見が得られた。
（1）ダボによる拘束が失われると耐荷重限界は著しく低下

Force of wall breakage (N)1 200する。

1 000（2）ダボが健全であっても炉壁損耗がダボにまで達した場
合には炉壁破孔危険性が増大する。

800（3）ダボによる拘束が失われた場合でも亀裂幅が 2 mm 以

600下であれば破孔危険性は低い。

400（4） 亀裂幅が小さくとも，炉長方向にレンガが緩みうる場
200合には破孔危険性が増大する。

010203040Wear (mm)図5Fig. 5以上の知見のそれぞれに対応し，以下のような炉体延命50

炉壁損耗量と破孔発生荷重の関係を図るための炉体管理上の提言が可能である。
（1）ダボ損傷の有無の検知は困難であるが，レンガ差替えなどでダボによる拘束が期待できなくなっている炉壁

Effect of wear on the force of wall breakage

JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）− 18 −

コークス押出時における炉壁損傷発生挙動の部位については，そのレンガの損傷状態に注意が必

3） 下山泉，板垣省三，花岡浩二，深田喜代志，藤本英和，山本哲也，角谷秀紀．CAMP-ISIJ．2003，vol. 16，p. 977．

要である。
（2） 炉壁損耗がダボまで達した場合（損耗量  約 35 mm），

4） W. Ahlers. Stahl Eisen. 1959, vol. 79, p. 397–405, p. 622–629.
5） 平櫛敬資，堀尾竹弘，大川清．耐火物．1984，vol. 36，p. 378–383．

その部位は肉盛り溶射などによりレンガ厚みの回復を

6） 藤平耕一，伊藤雄，大塚純一，狩野強，村上富士雄．コークスサー行う必要がある。

7） 佐藤央，佐地孝文，富山博次．CAMP-ISIJ．1997，vol. 10，p. 1025．

キュラー．1987，vol. 36，p. 153–157．

（3） 亀裂幅  2 mm の亀裂は線溶射などにより補修することが望ましい。
（4） 炉長方向にレンガの緩みが発生した場合，レンガの拘束のための補修（緩みの大きい場合には積替えなど）が必要である。

参考文献
1） 下山泉，板垣省三，藤本英和，角谷秀紀．CAMP-ISIJ．2002，vol. 15，p. 77．
2） Shimoyama, I.; Itagaki, S.; Fukada, K.; Miyake, T.; Kadoya, H.; Tahara, T.
Proc. of 4th European Coke and Ironmaking Congress, ATS, Paris,
2000, p. 425–429.

− 19 −下山泉

山本哲也

JFE 技報 No. 22（2008 年 11 月）