JP2009173939A - コークス炉炉壁の煉瓦積構造 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命なコークス炉壁を実現するための、熱初期亀裂の回避のため、亀裂の起点となり得る目地をロイファー部に設定しない構造、炉壁の剛性を長期にわたって維持し、側圧の増加と炉壁変形の悪循環を発生させない構造、また、万一熱亀裂を生じても剛性低下を起こさない構造を提供する。
【解決手段】炭化室１と燃焼室との仕切り壁であるロイファー煉瓦及び燃焼室フリュー同士の仕切り壁であるビンダー煉瓦を有するコークス炉の炉壁煉瓦積み構造において、ビンダー煉瓦の少なくとも一部が前記ロイファー煉瓦と一体化し、ロイファー煉瓦が炉長方向において燃焼室フリュー８の中心線上に垂直接合面である目地６７を有することを特徴とする。
【選択図】図９

Description

本発明は、コークス炉を構成している耐火物のうち、炭化室と燃焼室フリューの炉壁煉瓦において、熱亀裂を防止し、変形を抑制して炉壁の長寿命化を実現するための、炭化室とフリューの炉壁煉瓦の煉瓦積み構造に関する。

まず、コークス炉の概要を図１により説明する。図において、１は炭化室、２は燃焼室、３は蓄熱室をそれぞれ示し、４は珪石煉瓦により構成される炭化室壁である。炭化室１は炉団方向５に数十門設置される。操業に際しては炭化室１内に石炭を装入しておき、蓄熱室３から加熱した空気またはガスを燃焼室２へ送ってそこで燃焼させ、この高温にした燃焼室２により炭化室壁４を介して炭化室１内の石炭を間接加熱し、石炭を乾留することになる。

図２に典型的な炉壁の煉瓦積の状態を示す。図２（ａ），（ｂ）は炉壁煉瓦の平面図を示し、（ａ），（ｂ）では炉壁煉瓦が炉高方向７に交互（偶数段、あるいは奇数段）に配置され、その正面図を（ｃ）に示す。８は燃焼室フリューであり、炉長方向６に複数並ぶ。９は炭化室と燃焼室フリューとの仕切り壁であるロイファー部であり、１２は燃焼室フリュー同士の仕切り壁であるビンダー部を示す。ロイファー部９は炭化室１と燃焼室フリュー８との間のロイファー煉瓦１０と、ビンダー部１２の煉瓦１３との交差部を有するロイファー煉瓦１１（形状より通常ハンマー煉瓦と呼ばれる）から成る。該交差部は図（ｂ）の円内１４のように必ずしもハンマー形状とは限らない。

図３は各段を構成する一般的な煉瓦積み構造の詳細図を示す。１０はロイファー煉瓦、１３はビンダー煉瓦、１１はビンダー煉瓦１３と交差部１５を有するロイファー煉瓦である。煉瓦と煉瓦の合わせ面を目地と称し、通常、上下敷き目地部１６、及び縦目地部１７からなり、各目地には凹凸嵌合部（ダボ部）１８を有し、煉瓦積み構造強度を上げるとともに、シール性を高める働きがある。また、炉壁煉瓦の上下の積み方は、図２（ｃ）に示す通り、縦目地が炉高方向７に連続するのを避けるため、一段毎に縦目地を交互にずらせ、敷き目地は水平に連続させて積むのが一般的方法である。図２（ｃ）中の破線はビンダー煉瓦１３の位置を示す。

コークス炉の炉壁については、建設時の不均一加熱および操業時の表面温度差等により誘起される熱応力、石炭乾留中の石炭膨張圧、コークス押し出し時の側圧等により発生する圧力に対し、十分な強度を有し、かつ座屈に対して十分な余裕が要求される。また、コークス炉は壁一枚を通しての間接加熱による乾留であり、燃焼室フリューと炭化室間は勿論のこと、相隣り合う燃焼室フリュー同志の気密性が重要となる。従って、コークス炉壁を構成する単体煉瓦は、これらの熱変形、外力に対して強い形状であるとともに、その煉瓦の組み合わせによる気密性、かつ良好な熱伝導性が得られることが必要である。

次にコークス炉煉瓦の損傷原因を以下に説明する。コークス炉の損傷を、（１）ロイファー部炉高方向の縦貫通亀裂、（２）炉壁変形、（３）煉瓦の割れ・破孔、（４）煉瓦材質劣化その他、に分けて考える。

まず、（１）ロイファー部炉高方向の縦貫通亀裂について説明する。図４（ｂ）はロイファー煉瓦に見られる縦貫通亀裂の例を示す。通常、ロイファー煉瓦は（ａ）のように燃焼室フリュー部分に目地のある煉瓦１９と目地のない煉瓦２０が高さ方向に交互に積重ねられている。この状態に、操業に伴う熱負荷の繰返しが作用すると、以下のメカニズムに
より、（ｂ）に示すように、ロイファー部に目地のある煉瓦１９の目地２１は開き、同目地部の上下に隣接する煉瓦２０に亀裂２２が発生し、最終的に高さ方向に亀裂と目地開きが交互に連続発生し、貫通した亀裂となる。

図５は、亀裂発生のメカニズムを示す。図中実線はロイファー部に目地のある煉瓦１９を、図中破線はロイファー部に目地の無い煉瓦２０を示す。炭化室に石炭がない状態では、燃焼室内の高温ガスからの熱伝導を受けて煉瓦全体が高温となり、長手方向の応力は通常圧縮応力２３となり、ビンダー部の目地部を起点に炭化室側への迫り出し変形２５を起こそうとする。その状態で炭化室に石炭が装入された場合、炭化室表面は数１００℃以上の温度降下を引き起こす。この時に、炭化室表面の応力状態は引張応力２４となり、目地のある段の煉瓦は目地部を中心に開き変形２６を起こそうとする。

しかしながら、該目地のある煉瓦１９の上下段の煉瓦２０に目地はなく、目地近傍は目地開きの影響を受けて大きな剪断力を受ける。図６は、上下段の煉瓦に発生する引張応力分布２８，３０と剪断応力２９を示す。煉瓦表面はミクロにみれば相当に粗く、亀裂起点となり得る微細な凹凸が存在する。そのため、目地の直上、直下の煉瓦の目地近傍は上記の、引張応力に加えて大きな剪断応力を受けるため、過大となって亀裂を引き起こす。亀裂は上下方向のどこに最初に入るかは不確定だが、一箇所に入ると、前記剪断力はさらに大きくなって亀裂の入った煉瓦の次の段に伝播するため、最終的にはコークス炉の高さ方向に貫通した亀裂となる。

なお、ビンダー煉瓦と交差部を有するロイファー煉瓦の近傍２７は通常目地が複数あり、ロイファー煉瓦はここをピボットに変形するため、目地は閉じる傾向にあるため、目地がロイファー部にあるときのような亀裂の伝搬はあまり起きないことが実績的にも示されている。

次に（２）炉壁変形について説明する。
図７は、炉壁変形を説明する図である。図中８は燃焼室の各フリューを示し、炉長方向６に複数門並ぶ。９はロイファー煉瓦を、１２はビンダー煉瓦を示す。コークス炉炉壁はコークスの押し出し（３１は押し出し方位）、押詰りや、石炭乾留中の石炭膨張圧によって多大な側圧３２を受ける。結果、炉壁は３３のような張り出し変形を受ける。炭化室は燃焼室フリューの両側にあるため、変形は炉段方向５の３３と３４の方向に交互に受けることになる。煉瓦には目地が存在するが、通常ダボによって拘束を受けるため、側圧に対する剛性を保っているが、前記のような縦貫通亀裂が発生した場合、剛性が低下するため炭化室面の中央が窪むような変形を起こす。コークス押出した時に、炉壁が変形していると壁近傍のコークスの流れを阻害するため、押し出し抵抗が増加し、最悪は押し詰りが発生する。押し詰は炉の変形をさらに助長するため、側圧の増加をきたす悪循環を引き起こす。この頻度が高くなってくると炉は使用できなくなる。また、目地や亀裂部分にはカーボンが侵入し、これが蓄積していくと、残留変形量が逐次増加していくことになり、これも悪循環の一因となる。

次に（３）煉瓦の割れ・破孔について説明する。
煉瓦は通常、直方体であるが、炉壁の変形が大きくなると、煉瓦の角と角が接触することによって、図８に示すような角欠け３５と称する煉瓦の割れが発生する。角欠けが生じると、変形に伴う煉瓦の回転拘束が弱まるため、結果的に炉壁の剛性低下を引き起こし、変形を助長することになる。また、押し詰りは比較的炭化室全面の影響が大きいが、局所的な集中荷重を伴う場合や、縦貫通亀裂部分や、ダボ亀裂等局所的な煉瓦損傷があった場合に、荷重が集中して破孔に至る可能性がある。

次に（４）煉瓦材質劣化その他について説明する。煉瓦は通常珪石煉瓦が用いられるが
、高温での経年的な利用により劣化を起こし、素材の持つもともとの強度が低下する。加えて、表面は常に石炭やコークスによって摩擦を受けたり、石炭装入時の高温〜低温繰返しによるスポーリングを受けるため、表面性状は次第に悪化する。これらは、亀裂の発端となったり、押し出し時の抵抗となって、変形を促進させたり、と言った前述のいろいろな損傷を助長し、悪循環の一因となってしまう。

これらに対して、コークス炉を構成している耐火物のうち、炭化室と燃焼室フリューの炉壁煉瓦において、熱亀裂を防止し、変形を抑制して炉壁の長寿命化を実現するための炉壁煉瓦の煉瓦積み構造に関する技術として以下のものがある。

特許文献１（図１１）は、小口煉瓦の配置によって、炉壁にかかる力を分散して全体の強度を上げようとするものである。しかしながら、小口煉瓦近傍に目地が集中し、煉瓦の回転拘束が弱いため、何らかの原因でロイファー煉瓦に亀裂が入った場合は全体の剛性が低下する。

特許文献２（図１２）、特許文献３（図１３）はともに、目的は薄壁化にあるが、基本的に炉壁の剛性を上げようとするものである。これらもやはり、小口煉瓦近傍に目地が集中し、煉瓦の回転拘束が弱いため、何らかの原因でロイファー煉瓦に亀裂が入った場合は全体の剛性が低下する。

特許文献４（図１４）は、炭化室の炉長手方向の煉瓦の変形拘束と滑り面の併用によって煉瓦の熱亀裂を防止しようとするものである。本方法では上下方向の段積みの中に滑り面を設定することになるが、煉瓦表面の状況によっては滑りが十分を起きず、結果的に目地部起点に亀裂が入る可能性が高い。

特許文献５（図１５）は、炭化室煉瓦を多角形にして強度を上げようとするものであるが、構造的な複雑さから、特にビンダー煉瓦との結合部分に問題があり、実現は困難と思われる。

特許文献６（図１６）は、基本的には煉瓦の種類を低減することが目的であるものの、合わせて強度アップを狙ったものであるが、ロイファー部に目地をもつ構造から亀裂発生の問題解決にはなっていない。

実用新案文献１（図１７）は、ロイファー煉瓦壁厚を規定するものであるが、同煉瓦の目地位置に強度向上の工夫が見られ、また、実用新案文献２（図１８）は、目的は薄壁化にあるが、基本的に炉壁の剛性を上げようとするものである。いずれも、小口煉瓦近傍に目地が集中し、煉瓦の回転拘束が弱いため、何らかの原因でロイファー煉瓦に亀裂が入った場合は全体の剛性が低下する。

また、上記とは別に日本鉄鋼連盟が国家プロジェクトとして推進したＳＣＯＰＥ２１次世代コークス製造技術開発において提示された煉瓦積み構造は、熱亀裂防止を考慮した構造設計となっている。（図１９）本方式は熱亀裂に対しては好ましい方向であるが、ロイファー部の煉瓦厚みが薄く、従って、熱変形が大きく、長期にわたる表面剛性の維持に問題のある可能性がある。長寿命化を実現するためのその他の方法として、材質改善があるが、本発明とは趣旨が異なるため省略する。

上記に引用した特許、実用新案文献を以下に示す。
特開昭５２−２２７６１号公報 特開昭５４−１５７１０２号公報 特開昭５４−１５７１０３号公報 特開昭５８−２２２１８２号公報 特開平７−２９２３６６号公報 特開平９−５０６９０９号公報 実開昭５２−１１５６５１号公報 実開平６−４０５０号公報

以上述べた悪循環を断ち、長寿命なコークス炉壁を実現するためには以下のようにすればよい。
（１）熱初期亀裂の回避のため、亀裂の起点となり得る目地をロイファー部に設定しない構造とする。
（２）炉壁の剛性を長期にわたって維持できる構造とし、側圧の増加と炉壁変形の悪循環を発生させない構造とする。
（３）熱亀裂の発生を完全に止めることは難しい。従って、万一、亀裂を生じても剛性低下を起こさない構造とする。

従って、本発明は、上記（１）〜（３）の条件を満足することで、長寿命なコークス炉壁を実現するもので、熱初期亀裂の回避のため、亀裂の起点となり得る目地をロイファー部に設定しない構造、炉壁の剛性を長期にわたって維持し、側圧の増加と炉壁変形の悪循環を発生させない構造、また、万一熱亀裂を生じても剛性低下を起こさない構造を実現することを目的とする。

本発明では、炭化室と燃焼室との仕切り壁であるロイファー煉瓦及び燃焼室フリュー同士の仕切り壁であるビンダー煉瓦を有するコークス炉の炉壁煉瓦積み構造において、前記ロイファー煉瓦と、前記ビンダー煉瓦の少なくとも一部と一体化し、かつ、前記ロイファー煉瓦が炉長方向において燃焼室フリューの中心線上に垂直接合面である目地を有することを特徴とするコークス炉炉壁の煉瓦積み構造。を課題を解決するための手段とするものである。

本発明により、熱亀裂の起点となり得る目地がロイファー部にないため、熱亀裂の発生が抑えられ、ビンダー煉瓦とロイファー煉瓦の一体化によって、炉壁剛性を大幅に向上させ、さらに熱亀裂が発生したとしても側圧に対する剛性を保つことができる。これにより、コークス炉の炉壁については、建設時の不均一加熱および操業時の表面温度差等により誘起される熱応力、石炭乾留中の石炭膨張圧、コークス押し出し時の側圧等により発生する圧力に対し、十分な強度を有しかつ座屈に対して十分な余裕ができる。また、コークス炉は壁一枚を通しての間接加熱による乾留であり、燃焼室と炭化室間は勿論のこと相隣り合う燃焼室フリュー同志の気密性が重要となる。本発明による、コークス炉壁を構成する単体煉瓦は、これらの熱変形、外力に対して強い形状であるとともに、その煉瓦の組み合わせによる気密性かつ良好な熱伝導性が得ることができる。

一般的なコークス炉の概略を示す縦断面図である。 一般的なコークス炉の煉瓦積みの状況を表す図である。 一般的なコークス炉の炭化室の煉瓦積みの状況を表す図である。 縦貫通亀裂を表す図である。 縦貫通亀裂発生のメカニズムを表す図である。 図５を説明する応力図である。 炉壁変形を現す図である。 煉瓦角欠けを表す図である。 本発明を表す図である。 本発明の剛性アップの計算結果を示す図である。 特許文献１の特開昭５２−２２７６１号公報を説明する図である。 特許文献２の特開昭５４−１５７１０２号公報を説明する図である。 特許文献３の特開昭５４−１５７１０３号公報を説明する図である。 特許文献４の特開昭５８−２２２１８２号公報を説明する図である。 特許文献５の特開平７−２９２３６６号公を説明する図である。 特許文献６の特開平９−５０６９０９号公報を説明する図である。 実用新案文献１の実開昭５２−１１５６５１号公報を説明する図である。 実用新案文献２の実開平６−４０５０号公報を説明する図である。 ＳＣＯＰＥ２１の炉壁構造を現す図である。

ロイファー部に目地がある場合、損傷のメカニズムで述べた通り、該目地開きによって、目地部の上下の目地のない煉瓦に亀裂が発生し、高さ方向の貫通亀裂を発生させ、炉壁の剛性を低下させる。そこで、ビンダー煉瓦とロイファー煉瓦を一体化することを前提に、凹凸嵌合部（ダボ部）を有する垂直接合面がロイファー煉瓦におけるビンダー煉瓦の炉長方向配置ピッチの中央線上、あるいはロイファー煉瓦における燃焼室フリューの中心線上に配列された構造を考える。

図９は本発明を適用した煉瓦構造を示す。（ａ）は偶数段の平面図を，（ｂ）は奇数段の平面図を、（ｃ）は炭化室側から見た正面図を示す。偶数段と奇数段は入れ代わっても構わない。８は燃焼室フリューを、１は炭化室の空間を示す。（ａ）の煉瓦６０，６１に示すようにビンダー煉瓦の一部６２，６３とロイファー煉瓦６４，６５とをそれぞれ一体化した煉瓦を考える。該煉瓦６０，６１には、凹凸嵌合部（ダボ部）６６を有する目地６７を設定する。該煉瓦は反対側の炭化室１に面する部分にも点対称の関係で煉瓦６８，６９を設置するものとする。同煉瓦の上下で接触する段の煉瓦にも、ビンダー煉瓦とロイファー煉瓦とをそれぞれ一体化した煉瓦７０，７１，７２，７３を考える。従って、本構造の場合、（ｃ）に示すように、事実上、炉壁高さ方向にあらかじめ亀裂を想定した目地７４を入れたとの同等の構造となる。

図９に示す構造の場合、初期の熱亀裂については発生をあらかじめ想定して入れておくため、亀裂防止の効果はない。しかしながら、亀裂がロイファーの中央にあること、ビンダー煉瓦とロイファー煉瓦が一体構造であることから、炉締力が作用する状態では、炉壁の高い剛性を維持することができる。図１０（ｃ）は、同図（ａ）、（ｂ）に示す従来構造７５と、今回構造７６の各モデルの剛性を計算によって示したものである。煉瓦中央に集中荷重を与えた場合の変位と荷重の関係から剛性を評価したものである。グラフ中、７７が従来構造、７８が今回構造の計算結果を示す。煉瓦厚みをかえて計算した結果、今回の形状によるものの剛性が２倍程度高いことが判明した。これは、目地がロイファー中央にあるため、集中荷重を受けても、両側のビンダーに力が分散すること、目地部を外から押した場合、目地部に競り合う圧縮力が発生し、これが荷重方向の変形を抑制することによる。

構造の実施例として、図９に示す構造の煉瓦を、部分的に損壊したコークス炉の補修時に、損壊煉瓦の代替として採用した。該構造の煉瓦の採用により、修復されたコークス煉瓦壁の変形は抑えられ、シ−ル不良や押詰りも起こらず順調に経過しており、従来に比べ
て補修期間を延ばすことができた。

１：炭化室
２：燃焼室
３：蓄熱室
４：炭化室壁
５：炉団方向
６：炉長方向
７：炉高方向
８：燃焼室フリュー
９：ロイファー部
１０：ロイファー煉瓦
１１：ロイファー煉瓦とビンダー煉瓦の交差部（ハンマー煉瓦）
１２：ビンダー部
１３：ビンダー煉瓦
１４：ロイファー煉瓦とビンダー煉瓦の交差部
１５：ロイファー煉瓦とビンダー煉瓦間の縦目地部
１６：上下敷き目地部
１７：ロイファー煉瓦間の縦目地部
１８：凹凸嵌合部（ダボ部）
１９：ロイファー部に目地のある煉瓦
２０：ロイファー部に目地のない煉瓦
２１：目地開き部
２２：亀裂部
２３：圧縮応力
２４：引張応力
２５：炭化室への迫り出し変形
２６：目地開き変形
２７：ビンダー部近傍のロイファー煉瓦目地挙動
２８：ロイファー部に目地のない煉瓦の炉長方向応力
２９：上下段煉瓦間の剪断応力
３０：ロイファー部に目地のある煉瓦の炉長方向応力
３１：押し出し力とその方向
３２：側圧
３３：炉団方向の張り出し変形
３４：炉団方向の張り出し変形（３３と反対方向）
３５：角欠け
６０：ビンダー煉瓦の一部６２とロイファー煉瓦６４を一体化した煉瓦
６１：ビンダー煉瓦の一部６３とロイファー煉瓦６５を一体化した煉瓦
６２：ビンダー部
６３：ビンダー部
６４：ロイファー部
６５：ロイファー部
６６：凹凸嵌合部（ダボ部）
６７：目地
６８：煉瓦６０と点対称で、反対側の炭化室に面する煉瓦
６９：煉瓦６１と点対称で、反対側の炭化室に面する煉瓦
７０：煉瓦６０の上下段にある煉瓦
７１：煉瓦６１の上下段にある煉瓦
７２：煉瓦６８の上下段にある煉瓦
７３：煉瓦６９の上下段にある煉瓦
７４：炉壁高さ方向にあらかじめ亀裂を想定した目地
７５：従来構造の計算モデル
７６：構造の計算モデル
７７：従来構造の計算結果
７８：構造の計算結果

Claims (1)

1. 炭化室と燃焼室との仕切り壁であるロイファー煉瓦及び燃焼室フリュー同士の仕切り壁であるビンダー煉瓦を有するコークス炉の炉壁煉瓦積み構造において、前記ロイファー煉瓦と、前記ビンダー煉瓦の少なくとも一部と一体化し、かつ、前記ロイファー煉瓦が炉長方向において燃焼室フリューの中心線上に垂直接合面である目地を有することを特徴とするコークス炉炉壁の煉瓦積み構造。

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