JP2010043197A - 高強度コークスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】日々の操業の変動を考慮した上で、低品質の石炭を用いても、高強度なコークスを低コストで製造することができる高強度コークスの製造方法を提供すること。
【解決手段】配合炭を乾留してコークスを製造する方法において、事前に配合炭を構成する石炭の充填密度および／または粒度分布と、加熱過程における石炭軟化溶融層の圧力ΔP［Ｐａ］と粘度η［Ｐａ・ｓ］との比で示される式（１）の気孔成長パラメータＲ［１／ｓ］の関係を求めておき、この関係に基づいて配合炭の配合条件および石炭の事前処理条件を決定することを特徴とする高強度コークスの製造方法を用いる。石炭の事前処理条件が、コークス炉に装入するための石炭の粒度分布、水分量、塊成炭配合率の１つ以上の条件で、これらを制御することにより気孔成長パラメータＲを制御することが好ましい。
Ｒ＝ΔＰ／η・・・（１）
【選択図】図３

Description

本発明は、主に鉄鋼製造分野の高炉等で用いられる高強度な冶金用コークスの製造方法に関するものである。

高炉に装入されるコークスは、高炉内の通気性を確保する重要な役割を担っており、安定した微粉炭多量吹込み操業、高出銑比操業あるいは低還元材比操業を達成するためには、高品質なコークスの利用が必要不可欠であると考えられている。このような背景の下で、高炉での粉化が少ない高強度のコークスを安価に製造する技術の開発が強く望まれていた。

コークス品質を左右する石炭の性状としては、ビトリニットの平均最大反射率（Ｒｏ）や最高流動度（ＭＦ）、全膨張率（ＴＤ）などが知られており、従来から、高強度のコークスを製造する方法として、これらの性状に優れる石炭を使用することが一般的である。しかし、近年、ＲｏやＭＦ（あるいはTD）の大きな高品質の石炭は、資源の枯渇化や価格の高騰などから次第に入手するのが難しくなってきている。そのため、単純に高品質の石炭の配合率を高めることは、コークス製造コストの上昇に直結するため問題がある。そこで、高強度なコークスを安価に製造する技術の開発が望まれている。

従来、コークスの製造コストを削減する方法として、低品質ではあるが安価な非微粘結炭を配合用石炭として用いる、例えば、高品質な石炭と共に配合する方法があった。しかし、この方法は、低品質な非微粘結炭の配合率を単純に高めるという方法であり、コークス強度の低下を招くので、限界があった。

このため、低品質で安価な石炭を用いて、高品質（高強度）のコークスを製造するための技術が、様々な視点から検討されてきた。たとえば、石炭の配合技術の開発、石炭の事前処理技術の開発などである。特に、後者の技術は、通常の石炭の水分量や粒度分布の操業変動幅を大きく超えた範囲で制御することを目的としており、石炭水分量の大幅な調整や粉砕プロセスの大幅な変更により、大きな成果が確認されている。しかし、この技術は、巨額の設備投資が必要となるため、実用化するのは容易ではない。

そこで、最近では、配合技術の面からの検討も進められている。例えば、特許文献１は、石炭乾留時のガス圧あるいは膨張圧に着目し、配合炭のガス圧あるいは膨張圧を一定水準以上として石炭の融着状態を改善することにより、低品質で安価な非微粘結炭を使用しつつも、従来相当あるいはそれ以上の品質を有するコークスを得る方法が開示されている。

しかし、ガス圧を高くするだけでは、粗大気孔が形成され、コークス強度の低下を招くというマイナス面もあるため、特許文献２には、このリスクを回避するために、加熱過程における石炭軟化溶融層の圧力と粘度の比で表される気孔成長パラメータを制御因子として配合条件を決定することによって、コークス中に形成される粗大気孔の量を制御する方法が開示されている。
特開平９−２７２８７１号公報 特開２００８−６９２５８号公報

ところで、コークスの強度は、コークス基質構造強度（基質強度、石炭粒子間の接着強度など）と、気孔を含めた欠陥部の割合およびその分布形態等により決定される。そのため、高強度コークスを製造するためには、特許文献１、２の技術のように、ガス圧を高め、石炭粒子間の接着強度や、欠陥部の形状改善（応力集中が起こり易い形状を有する欠陥の減少）を図ると同時に、ガス圧と粘度の関係を適正に保ち粗大気孔の成長を抑制することが重要となってくる。

このように、これまでは石炭自体が持っている軟化溶融特性を把握して、その結果をコークス強度制御に反映させることを前提としてきた。しかし、石炭粒子間の接着強度や気孔の成長挙動は、石炭充填時の粒子間距離や空隙形成状況にも影響されることが予想される。石炭水分や石炭粒度分布など石炭の粒子間距離や充填時の空隙形成に影響を及ぼす操業条件は日々変化しており、したがって、石炭自体が有する軟化溶融特性の効果も変動することが予想される。

そこで、本発明の目的は、日々の操業の変動を考慮した上で、低品質の石炭を用いても、高強度なコークスを低コストで製造することができる高強度コークスの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、従来技術が抱える上記問題点を解決するため、鋭意検討を重ねた。その結果、石炭粒子間の接着強度および気孔の成長挙動の両者を説明可能な気孔成長パラメータに対して、石炭銘柄および石炭充填時の粒子間距離や空隙形成に影響を及ぼす操業条件の両方の影響を明らかにすることで、配合炭の配合条件と石炭の事前処理条件を決定することにより、低品質の石炭を用いても高強度で安価なコークスを安定して製造し得ることを確認し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、配合炭を乾留してコークスを製造する方法において、事前に配合炭を構成する石炭の充填密度および／または粒度分布と、加熱過程における石炭軟化溶融層の圧力ΔPと粘度ηとの比で示される下式（１）の気孔成長パラメータRの関係を求めておき、この関係に基づいて配合炭の配合条件および石炭の事前処理条件を決定することを特徴とする高強度コークスの製造方法である。

Ｒ ＝ΔＰ／η ・・・（１）
ここで、Ｒ ：気孔成長パラメータ ［１／ｓ］
ΔＰ：石炭軟化溶融層内の圧力 ［Ｐａ］
η ：石炭軟化溶融層の粘度 ［Ｐａ・ｓ］
なお、本発明における事前処理条件として、コークス炉に装入するための石炭の粒度分布、水分量、塊成炭配合率のいずれか１つ以上を考慮したほうがよく、これらを制御することにより気孔成長パラメータＲを制御することが、より有効な解決となる。

本発明によれば、低品質の石炭を用いても、従来製造されているコークスと同等以上の強度を有する高品質のコークスを安定して製造することができる。このようなコークスを高炉で使用した場合、通気性が十分に確保され、高炉の安定操業に大きく寄与する。また、本発明によれば、粘結炭よりも安価な非微粘結炭を多量に使用することができるので、コークスの製造コストの削減にも寄与する。

加熱過程での石炭軟化溶融層の圧力を示す物性値（ガス圧、膨張圧等）に加え、さらに石炭軟化溶融層粘度をも取り込んだパラメータである気孔成長パラメータＲ［１／ｓ］は下記式（１）で表され、このパラメータが適切な値になるように配合炭の配合条件を決定することにより、低品質の石炭を用いても高強度のコークスを製造することができる。配合条件は、予め求めておく気孔成長パラメータＲとコークス中の粗大気孔の割合との関係に基き、その粗大気孔の割合が、所定値以下となるように該気孔成長パラメータＲの値を決定することによって行なうことができる。

Ｒ ＝ΔＰ／η・・・（１）
但し、ΔＰ：石炭軟化溶融層内の圧力 ［Ｐａ］
η ：石炭軟化溶融層の粘度 ［Ｐａ・ｓ］
本発明者らは、操業因子が気孔成長パラメータに及ぼす影響について研究した。その中で、気孔成長パラメータに影響を及ぼす操業因子を抽出した。石炭軟化溶融時の気孔成長挙動を概念化すると、大きく以下のａ）、ｂ）２つの現象に分類されると考えた。

ａ）、一つ目は、石炭軟化溶融物内部からの熱分解ガスの発生により気孔核が生成し、そこにさらなる熱分解ガスが生成して内圧が上昇することにより気孔が拡大、成長する場合である。

ｂ）、二つ目は、石炭粒子が軟化溶融した後に、前述した気孔成長の進行にともない軟化溶融物が膨張することで軟化溶融物同士が接着し、粒子間に形成されていた空隙が閉気孔となり、そこに熱分解ガスが充填し、内圧が上昇することで成長する場合である。

ａ）に関しては、ほとんどの場合、石炭自体が持っている軟化溶融特性に依存していることが確認できた。しかし、熱分解ガスが軟化溶融物の外へ放出された場合、気孔成長に寄与しなくなることから、熱分解ガスの拡散時間に影響を及ぼす軟化溶融物の大きさ、すなわち石炭粒子の大きさも影響することを見出した。ｂ）に関しては、軟化溶融物同士が接着して、石炭充填時に形成されていた空隙が閉気孔となり起こる現象であることから、石炭充填層の充填構造が大きく影響することを確認した。

したがって、気孔成長パラメータに影響を及ぼす操業因子としては石炭粒度および石炭充填構造に影響する因子、すなわち石炭の粒度分布および石炭の充填密度が重要となってくる。そこで、配合炭を乾留してコークスを製造する方法において、事前に配合炭を構成する石炭の充填密度および／または粒度分布と気孔成長パラメータの関係を求めておくことにより、実操業の操業変動を考慮した気孔成長パラメータの設計が可能となり、精度高く高強度コークスの製造が可能となる。また、従来の配合設計のみならず石炭粒度および石炭充填構造を積極的に制御することにより、気孔成長パラメータを制御し、高強度コークスの製造が可能となる。

石炭粒度を制御するためには、石炭事前処理の一つである粉砕工程において粉砕機の回転数、粉砕刃のギャップ、石炭処理速度等の変更により制御可能である。また、石炭粒子最大径を制御することは、単に粉砕機で粉砕するよりも効果的であり、それが実現可能となる分級粉砕処理を行なうことが望ましい。分級粉砕方法としては、所定サイズの篩い上を一次粉砕機で１回のみ粉砕する方法、粉砕後の石炭を二次粉砕機でもう一度粉砕する方法、所定サイズの篩い上が無くなるまで篩い工程と粉砕工程を繰返す、閉回路型の分級粉砕方法など、いずれの方法でも良い。さらに、石炭性状により石炭粒径と気孔成長パラメータの関係が異なることから、石炭性状あるいは石炭銘柄毎に分級粉砕することが最善の方法となる。

石炭充填密度を制御するためには、上述した石炭粒度に加えて、石炭の水分量や塊成炭配合率を操作すればよい。これらも石炭事前処理プロセスを経ることで制御が可能である。石炭水分は、石炭水分量を一定管理する調湿処理、石炭水分を除去する乾燥処理あるいは予熱処理を行なうことで制御可能である。塊成炭は粉炭を圧密して密度を上げたものであり、密度が高い塊成炭の配合や配合率を高くすることで、石炭充填密度を高くすることができる。

表１は検討に用いた１０種類の石炭（石炭種Ｎｏ．１〜１０）の性状を示したものである。ビトリニット最大平均反射率Ｒｏと全イナート量ＴＩはＪＩＳ Ｍ８８１６に、ギーセラー最高流動度ＭＦはＪＩＳ Ｍ８８０１に準拠して測定した。

石炭種Ｎｏ．４、５、７、８について、石炭充填嵩密度と気孔成長パラメータ（ΔP／η）の関係を整理した一例を図１に示す。

気孔成長パラメータを構成する軟化溶融層の圧力ΔPと粘度ηの測定は以下の通りに行った。ΔPは、粒径３ｍｍ以下１００ｍａｓｓ％の石炭を所定の充填嵩密度に充填し、その石炭充填層を３℃／ｍｉｎで３００℃から５００℃まで加熱した時の、定容積下で得られた膨張圧で評価した。ηは、粒径０．５ｍｍ以下１００ｍａｓｓ％の石炭を所定の充填嵩密度に充填し、その石炭充填層を３℃／ｍｉｎで３５０℃から５００℃まで加熱し、この時の剪断速度０．０１（１／ｓ）から求めた粘度で評価した。

図１によれば、石炭充填嵩密度の増加にともない気孔成長パラメータは大きくなることが明らかとなった。これは、石炭粒子間距離が小さくなることで、石炭軟化溶融物の接着確率が高まり、石炭粒子間に存在していた空隙由来の開気孔が減少する一方で閉気孔が増加し、石炭軟化溶融層内の圧力が大きくなるためと考えられる。また、石炭性状によって、石炭充填嵩密度が気孔成長パラメータに及ぼす影響の仕方が異なることを明らかにすることができた。

次に、石炭種Ｎｏ．１、３、６、１０について、石炭粒度と気孔成長パラメータ（ΔP／η）の関係を整理した一例を図２に示す。図２の横軸の石炭粒度は、粒径の上限を示しており、３ｍｍとは３ｍｍ以下１００ｍａｓｓ％であることを表している。

気孔成長パラメータを構成する軟化溶融層のΔPとηの測定は以下の通りに行った。ΔＰは、所定の粒度に調整した石炭を８００ｋｇ／ｍ³に充填した石炭充填層を３℃／ｍｉｎで３００℃から５００℃まで加熱した時の、定容積下で得られた膨張圧で評価した。ηは、所定の粒度に調整した石炭を８５０ｋｇ／ｍ³に充填した石炭充填層を３℃／ｍｉｎで３５０℃から５００℃まで加熱し、この時の剪断速度０．０１（１／ｓ）から求めた粘度で評価した。

図２によれば、石炭粒度と気孔成長パラメータの関係は、石炭性状により異なり、大別して次の２つに分類されることを見出した。一つは、石炭粒度の増加にともない気孔成長パラメータが減少する性状の石炭であり、もう一つは、石炭粒度に対して極大値を有する性状の石炭である。

以上のように、事前に石炭銘柄毎の充填密度および粒度分布と、気孔成長パラメータの間の関係を得ることができる。そこで、これらの結果に基づいて、気孔成長パラメータの値が所定の値となるように配合炭の配合条件および石炭の事前処理条件を決定すればコークス強度を制御することが可能である。

次に、石炭の事前処理条件に基づくコークス強度の制御に関する検討を行った。石炭事前処理としては、石炭粒度の制御に着目し、石炭を銘柄別に分級粉砕した場合における本発明の効果の検証を行った。

表２に配合炭の配合構成および配合構成炭の石炭粒度毎に前述した方法で得られた気孔成長パラメータを測定した結果を示す。銘柄ごとに６ｍｍまたは３ｍｍで分級し、篩上を粉砕する分級粉砕処理を想定して、石炭粒度−６ｍｍ（６ｍｍ以下１００ｍａｓｓ％）および−３ｍｍ（３ｍｍ以下１００ｍａｓｓ％）の石炭について気孔成長パラメータを測定した。

次いで、表２の石炭粒度−６ｍｍおよび−３ｍｍの２種類の配合炭を、それぞれ実コークス炉の乾留条件をシミュレート可能な電気炉を用いて乾留し、コークスを製造する試験を行った。なお、電気炉への石炭の充填は、水分が８ｍａｓｓ％、充填質量は１６ｋｇ一定条件とした。上記のようにして得られたコークスについて、ＪＩＳ Ｋ２１５１に規定された回転強度試験法を用いて、ドラム１５０回転１５ｍｍ指数（ＤＩ¹⁵⁰ ₁₅）を測定し、コークス強度を相対評価した。

上記コークス強度の測定結果を図３に示す。配合炭構成は同じ条件であるが、石炭粒度により気孔成長パラメータを変化させることができることが明らかになった。また、石炭粒度により気孔成長パラメータを大きくしても、コークス強度が高くなることが確認できた。

このことから、配合炭の構成のみならず石炭粒度など操業因子を制御してやることにより、気孔成長パラメータを変化させて、高い強度を有するコークスを製造できることがわかる。

石炭の充填嵩密度と気孔成長パラメータ（ΔＰ／η）の関係を示すグラフである。 石炭粒度と気孔成長パラメータ（ΔＰ／η）の関係を示すグラフである。 石炭粒度条件と気孔成長パラメータ（ΔＰ／η）とコークスドラム強度（ＤＩ¹⁵⁰ ₁₅）の関係を示すグラフである。

Claims (2)

1. 配合炭を乾留してコークスを製造する方法において、事前に配合炭を構成する石炭の充填密度および／または粒度分布と、加熱過程における石炭軟化溶融層の圧力ΔPと粘度ηとの比で示される下記式（１）の気孔成長パラメータＲの関係を求めておき、この関係に基づいて配合炭の配合条件および石炭の事前処理条件を決定することを特徴とする高強度コークスの製造方法。
   Ｒ ＝ΔＰ／η ・・・（１）
   ここで、Ｒ ：気孔成長パラメータ ［１／ｓ］
   ΔＰ：石炭軟化溶融層内の圧力 ［Ｐａ］
   η ：石炭軟化溶融層の粘度 ［Ｐａ・ｓ］
2. 石炭の事前処理条件が、コークス炉に装入するための石炭の粒度分布、水分量、塊成炭配合率の中から選ばれるいずれか１つ以上の条件であり、これらの事前処理条件を制御することにより気孔成長パラメータＲを制御することを特徴とする請求項１に記載の高強度コークスの製造方法。

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