JP2020143177A - コークス炉押出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラムビームによってコークスを炉内に押し出す作業を繰り返しても、ラムビームのフランジに亀裂が発生することを防止する。【解決手段】側面のウェブ１０４の厚さがフランジ１０２の厚さよりも薄いラムビーム１１を有するコークス炉押出装置において、コークス押出直後のコークス炉外にてラムビーム１１の先頭部分におけるフランジ１０２と１０４の表面温度差が、当該表面温度差によってフランジ１０２に発生する引張応力が、フランジ１０２の材質で決まる疲労限の応力となる温度差Ｔ未満となるように、ウェブ１０４の外側表面に断熱材を設ける。【選択図】図４

Description

本発明は、コークス炉押出装置に関するものである。

一般的にコークス炉には装炭車、押出装置、ガイド車、消火電車の４つの移動機が設置されており、炭化室で蒸し焼きにされた赤熱コークスは押出装置のラムビームで押し出され、ガイド車を経て、消火電車のバケット、キャリッジに排出される。この場合、ラムビームは赤熱コークスの排出作業時に１０００℃を超える高温環境下にさらされ、高温の炉壁からその両側に輻射熱を受ける。

そしてそのような高温の輻射熱を受けて昇温したラムビームは、炉外に出ると急速に冷却状態におかれる。そのためラムビームによる赤熱コークスの押し出し工程に伴う炉内への進入、炉外への押し出しを繰り返すと、その際の温度差によってラムビームが左右に湾曲するという問題が発生することがある。

このような点に関し、特許文献１は、コークス押出装置の運転中、ラムビーム近傍の風速、風向、ラムビームの表面温度およびラムビームの湾曲量を連続的に測定し、これらの測定結果に基づいてラムビームを直線状に矯正するのに必要な風量を演算し、前記風量の風をラムビームに吹き付けることによって、温度差で湾曲したラムビームを、自動的に直線状に矯正する技術を開示している。これによって、ラムビームの左右方向の湾曲を抑えて、ラムビームの湾曲に起因する、炉内挿入時のラムビームまたはラムビーム先端のラムヘッドが炉壁に接触して、コークス炉を損傷させることを防止するというものであった。

特開２０００−２８２０４９号公報

しかしながら、ラムビームの炉内への挿入、炉外への押し出しに伴うラムビーム自体の温度差によって生ずる問題は、ラムビームの左右方向への湾曲のみならず、ラムビームを構成する上下のフランジ、及び当該フランジ間に設けられたウェブと呼ばれる支持体に亀裂が発生することを発明者は知見した。

すなわち図１に示したように、ラムビーム１０１は、上下に配置されたフランジ１０２、１０３と、フランジ１０２、１０３間に垂直に設けられたウェブ１０４、１０５によって構成されている。そして上側のフランジ１０２の上面には、駆動用のラック１０６が設けられている。

かかる構成のラムビーム１０１においては、一般的にウェブ１０４、１０５はフランジ１０２、１０３よりも薄い材料からなっている。そのため、ウェブ１０４、１０５は、コークス炉１０７内に挿入された際に内部まで高温になる時間が早い。一方、フランジ１０２、１０３はウェブ１０４、１０５よりも肉厚のため、表面はウェブ１０４と同程度の温度に上昇するものの、内部の温度は上がりにくい。またコークス炉１０７内への挿入最中は、ウェブ１０４、１０５はフランジ１０２、１０３よりも膨張が大きい。

そしてラムビーム１０１がコークス炉１０７の炉外に出た際には、ウェブ１０４、１０５は全体の温度が上がっているため表面温度が下がりにくいが、フランジ１０２、１０３は内部の温度が低いため表面温度が急激に下がる。そのため、図２に示したようにウェブ１０４、１０５には圧縮応力が発生し、一方上下のフランジ１０２、１０３には引張応力が発生する。このような圧縮応力、引張応力の発生の繰り返しによって、特にフランジ１０２、１０３に亀裂が入ることが確認された。フランジ１０２、１０３に亀裂が発生すると、亀裂が進展してラムビーム１０１が折損するおそれがあった。

この点特許文献１の技術では、ラムビーム１０１の左右方向の湾曲を抑えることはできても、このようなフランジ１０２、１０３に亀裂が発生することを防止できない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ラムビームによってコークスを押し出す作業を繰り返しても、ラムビームのフランジに亀裂が発生することを防止することを目的としている。

前記したラムビームのフランジに亀裂が発生する原因は、既述のように、コークス炉内ではウェブ材とフランジ材の表面温度は同程度の温度まで上昇するが、コークス炉外では薄いウェブ材は炉内で全体が高温になっているため、温度が下がりにくく、厚いフランジ材は内部の温度が低いために表面温度は急速に温度が下がり、ウェブ材との温度差が発生することにある。そこで発明者らは、亀裂を発生させないためのウェブ材とフランジ材の温度差を明らかにし、その温度差以下になるようにラムビームの構成を新たに構築することで、前記亀裂の発生を防止することができると考えた。

本発明はかかる点からなされたものであり、前記目的を達成するため、本発明は、側面のウェブ材の厚さが上下のフランジ材の厚さよりも薄いラムビームを有するコークス炉押出装置において、コークス押出直後のコークス炉外にて前記ラムビームの先頭部分における前記フランジ材と前記ウェブ材の表面温度差が、当該表面温度差によって前記フランジ材に発生する引張応力が、前記フランジ材の材質で決まる疲労限の応力となる温度差Ｔ未満となるように、前記ウェブ材の外側表面に断熱材が設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、コークス押出直後のコークス炉外にて前記ラムビームの先頭部分における前記フランジ材と前記ウェブ材の表面温度差が、当該表面温度差によって前記フランジ材に発生する引張応力が、前記フランジ材の材質で決まる疲労限の応力となる温度差Ｔ未満となるように、前記ウェブ材の外側表面に断熱材が設けられているので、前記した亀裂の発生を防止することができる。

前記した温度差Ｔは、前記フランジ材の材質がＳＳ４００の場合、たとえば３５℃としてもよい。

また前記断熱材は、前記ウェブ材の表面に直接吹き付けられ、あるいは塗装することによってウェブ材の表面に直接設けるようにしてもよい。これによって、既存のラムビームを改造することなく、極めて容易に亀裂の発生を防止することが可能である。

かかる場合の断熱材は、例えばセラミックファイバーを例示することができる。

また別な観点によれば、本発明は、側面のウェブ材の厚さが上下のフランジ材の厚さよりも薄いラムビームを有するコークス炉押出装置において、前記ウェブ材の外側表面に、厚さが１ｍｍ以上２０ｍｍ以下となるように、吹き付けまたは塗装によって、断熱材を設けたことを特徴としている。かかる場合の断熱材は、例えばセラミックファイバーを例示することができる。

本発明によれば、ラムビームによってコークスを炉内に押し出す作業を繰り返しても、ラムビームのフランジに亀裂が発生することを防止することができる。

コークス炉内に挿入されたラムビームの挿入方向に沿って見た説明図である。 コークス炉内に挿入されたラムビームに生ずる熱応力を示す側面説明図である。 実施の形態にかかるコークス炉押出装置の側面図である。 実施の形態にかかるコークス炉押出装置におけるラムビームの背面図である。 従来技術にかかるコークス炉押出装置におけるラムビームの伝熱解析結果を示すグラフである。 フランジとウェブの温度差と引張応力の関係を示すグラフである。 実施の形態にかかるコークス炉押出装置におけるラムビームの伝熱解析結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお本明細書において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略している。図３は実施の形態にかかるコークス炉押出装置１０の側面概略を模式的に示している。

このコークス炉押出装置１０は、ラムビーム１１を有している。ラムビーム１１の先端には、コークスと接してこれを直接押し出すラムヘッド１２が設けられている。ラムビーム１１の下面には、ラムビーム１１の円滑な移動を実現するためのラム受けローラ１３、１４、１５が設けられている。

ラムビーム１１の上面には、ラック１０６がラムビーム１１の長手方向に沿って設けられている。このラック１０６を駆動ピニオン１６によって駆動させることで、ラムビーム１１は、コークス炉（図示せず）内に挿入、押し出すことが可能である。

ラムビーム１１は、図４に示した構成を有し、上下に配置されたフランジ１０２、１０３と、フランジ１０２、１０３間に垂直に設けられたウェブ１０４、１０５とを有している。本実施の形態におけるフランジ１０２、１０３は、厚さが各々５６ｍｍのＳＳ４００によって構成されている。またウェブ１０４、１０５は、厚さが各々２５ｍｍのＳＳ４００によって構成されている。またラムビーム１１の全長は３０ｍである。

かかる構成を有するラムビーム１１において、ウェブ１０４、１０５の各外側表面には、断熱材として、アルミナファイバー２１が例えば吹き付け等によって設けられている。アルミナファイバー２１の厚みは１ｍｍである。もちろんこれに限らず、アルミナファイバー２１の厚みは後述の温度差Ｔに応じて、適宜設定できる。アルミナファイバーは、約１６００℃までの耐熱性を有している。
断熱材としては、１０００℃以上の耐熱性を有しているセラミックファイバーであればよく、アルミナ系、アルミナ−シリカ系、ムライト系のファイバーを用いればよい。
セラミックファイバーを吹き付けによって設ける場合は、セラミックファイバーにバインダーを混合して吹き付ければよい。
バインダーとしては、ケイ酸塩やリン酸塩などを用いればよい。

またウェブ１０４、１０５の各外側表面に設けるアルミナファイバー２１は、例えばラムビーム１１における先頭から少なくとも半分の長さに設ければよい。もちろんこれに限らず、たとえばコークス炉内に挿入される部分のみに設けてもよく、もちろんラムビーム１１の全長に亘って、ウェブ１０４、１０５の各外側表面にアルミナファイバー２１を設けてもよい。

実施の形態にかかるコークス炉押出装置１０は、以上の構成を有している。次にその作用効果等について説明する。発明者らは、まずラムビーム１１の解析モデルを設定して、フランジとウェブとの温度差に起因する亀裂の発生について調べた。解析モデルは、上側のフランジ１０２の厚さが５６ｍｍ、下側のフランジ１０３の厚さが５６ｍｍ、両側のウェブ１０４、１０５の厚さは２５ｍｍとした。またこれらフランジ１０２、１０３、ウェブ１０４、１０５の材質はいずれも一般的なＳＳ４００とした。

そしてまず、断熱材を施していない従来のラムビーム１０１について、コークス炉の炉内の温度が１０２５℃、炉外の大気温度が２０℃として、ラムビーム１０１の押し出しを行なった場合のラムビーム１０１の先頭部分のフランジ１０２とウェブ１０４の温度差をシミュレーションによって解析し、図５のグラフに示した。

これによれば、コークス炉からのコークスの押し出しは、複数のコークス炉の窯を連続して押し出すため、ラムビーム１０１の温度は、コークス炉に挿入されると上昇し、コークスを押し出した後炉外に引き出されると下降することの繰り返しになる。このような押し出し動作を繰り返すことで、ラムビーム１０１の温度は徐々に上がっていき、最終的には炉内に挿入したときには６００℃、炉外に引き出したときには５００℃程度になっていることがわかる。またフランジ１０２とウェブ１０４は、炉内での表面温度は同程度であるが、炉外ではフランジ１０２の表面温度の方が低くなることも確認できた。

これは既述したように、ラムビーム１０１側面のウェブ１０４は、上下のフランジ１０２、１０３と比べて薄肉であるため、コークス炉内に挿入された際に内部まで高温になる時間が早く、また一方、フランジ１０２、１０３は肉厚のため、表面はウェブ１０４と同程度に温度が上がるものの、内部の温度は上がりにくいからである。そして炉外に出た際には、ウェブ１０４、１０５は全体の温度が上がっているため表面温度が下がりにくいが、フランジ１０２、１０３は内部の温度が低いため表面温度が急激に下がる。それゆえ、前記した図２に示したような熱応力によって、上下のフランジ１０２、１０３には引張応力が発生し、亀裂が発生したと考えられる。

そこで発明者は、フランジ１０２、１０３とウェブ１０４、１０５の温度差と熱応力の差の関係を調べて、以下の知見を見出した。まず、６００℃のときの、フランジ１０２とウェブ１０４の温度差と引張応力との関係を調べた。図６は、フランジ１０２とウェブ１０４の温度差が８５℃、４０℃、２０℃の時にラムビームに発生する最大応力を解析によって算出し、これをグラフに表したものである。

ラムビーム１０１の材質ＳＳ４００の疲労限の応力は、６００℃では１０５ＭＰａであるから、ラムビーム１０１に発生する応力が当該１０５ＭＰａ未満となれば許容応力上問題がなく、したがって亀裂の発生も防止できると考えられる。

したがって、図６のグラフから近似曲線上、フランジ１０２とウェブ１０４の温度差が３５℃以下の場合に、許容応力以下となる。そのためフランジ１０２とウェブ１０４の温度差を３５℃未満にすれば、亀裂の発生を防止できることが分かる。ここで、疲労限となる応力は材質によって異なるため、材質に応じた疲労限の応力が発生する温度差Ｔを設定し、フランジとウェブの温度差が温度差Ｔ未満となるようにウェブに断熱材を設ける。

前記した実施の形態にかかるラムビーム１１について、図５の場合と同一の条件で、ラムビーム１１の先頭部分のフランジ１０２とウェブ１０４の温度差をシミュレーションによって解析すると、図７のグラフに示した結果となった。

これによれば、フランジ１０２とウェブ１０４の最大温度差は１９℃であった。したがって、実施の形態にかかるラムビーム１１では、フランジ１０２とウェブ１０４の材質であるＳＳ４００の６００℃における疲労限の応力となる温度差３５℃よりも低い温度差であるから、実施の形態にかかるラムビーム１１では亀裂が発生しない。実際に装置を稼働させて確認したところ、亀裂の発生は見られなかった。

また前記した図７の結果は、既述したように、アルミナファイバー２１の厚みが１ｍｍの場合であったが、１ｍｍ以上の厚さでアルミナファイバー２１を設ければ、さらにフランジ１０２とウェブ１０４の温度差は低くなると考えられる。したがって、別な観点からすれば、側面のウェブ材の厚さが上下のフランジ材の厚さよりも薄いラムビームを有するコークス炉押出装置において、前記ウェブ材の外側表面に、厚さが１ｍｍ以上２０ｍｍ以下となるように、吹き付けまたは塗装によって、断熱材を設けることでフランジ材に亀裂が発生することを防止できる。また、吹き付けや塗装によってウェブ１０４，１０５の表面に容易にこの種の断熱材を設けることが可能であるから、既存の鋼材からなるラムビームに対しても容易に適用することが可能であり、ラムビーム１１自体に別途加工を施したり、別部材を設ける必要はない。
なお吹き付けまたは塗装によって断熱材を設ける方法では、断熱材の厚さが２０ｍｍを超えると、断熱材がウェブから脱落する恐れがある。そのため断熱材の厚さは、２０ｍｍ以下が好ましい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ラムビーム１１内の熱応力が緩和されるため、亀裂やビームの折損トラブルを減少させることができる。またフランジ１０２、１０３とウェブ１０４、１０５との間の温度差を低減することができるから、ラムビーム１１の左右方向の湾曲も減少させることができる。したがってラムビーム１１とコークス炉の炉壁との接触を抑え、炉壁の長寿命化を図ることも可能である。さらにまた既述したように、ラムビーム１１自体に別途加工を施したり、別部材を設ける必要はないので、既存のラムビームに対しても容易に適用することが可能である。

本発明は、コークス炉押出装置に有用である。

１０ コークス炉押出装置
１１ ラムビーム
１２ ラムヘッド
１３、１４、１５ ラム受けローラ
１６ 駆動ピニオン
２１ アルミナファイバー
１０２、１０３ フランジ
１０４、１０５ ウェブ
１０６ ラック

Claims (5)

1. 側面のウェブ材の厚さが上下のフランジ材の厚さよりも薄いラムビームを有するコークス炉押出装置において、
   コークス押出直後のコークス炉外にて前記ラムビームの先頭部分における前記フランジ材と前記ウェブ材の表面温度差が、
   当該表面温度差によって前記フランジ材に発生する引張応力が、前記フランジ材の材質で決まる疲労限の応力となる温度差Ｔ未満となるように、前記ウェブ材の外側表面に断熱材が設けられていることを特徴とする、コークス炉押出装置。
2. 側面のウェブ材の厚さが上下のフランジ材の厚さよりも薄いラムビームを有するコークス炉押出装置において、
   前記ウェブ材の外側表面に、厚さが１ｍｍ以上２０ｍｍ以下となるように、吹き付けまたは塗装によって、断熱材を設けたことを特徴とする、コークス炉押出装置。
3. 前記温度差Ｔは、前記フランジ材の材質がＳＳ４００の場合には、３５℃であることを特徴とする、請求項１に記載のコークス炉押出装置。
4. 前記断熱材は、前記ウェブ材の表面に直接吹き付けられるか、または塗装されていることを特徴とする、請求項１または３のいずれか一項に記載のコークス炉押出装置。
5. 前記断熱材は、セラミックファイバーであることを特徴とする、請求項２または４のいずれか一項に記載のコークス炉押出装置。

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