JP3562328B2

JP3562328B2 - コークス炉の炉壁の補修方法

Info

Publication number: JP3562328B2
Application number: JP20251398A
Authority: JP
Inventors: 浩明西尾
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2018-07-17
Also published as: JP2000034485A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコークス炉の炉壁の補修方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コークス炉は石炭を乾留してコークスを製造する炉であり、石炭を装入する炭化室と、この炭化室を加熱するために燃料を供給して燃焼させる燃焼室が仕切り壁を介して交互に配列されている。石炭の乾留に際しては、まず、常温の石炭が炭化室の上部に設けられた装入口から装入される。この常温の石炭の装入によって、炭化室側の炉壁が冷却されるが、燃焼室側から炉壁を通じて炭化室側へ熱が伝わって、炭化室側の炉壁が再び昇温し、石炭に熱が伝えられる。そして、石炭の熱分解が起こり、乾留が進行する。乾留が終了すると、押し出し機側とコークス側の蓋が外され、高温のコークスが押出機によりコークス側へ排出される。このような操作の繰り返しにより、炉壁の加熱と冷却が繰り返される。
【０００３】
炉壁は、通常、厚さ５０〜１５０ｍｍの珪石煉瓦で形成されている。この珪石煉瓦はクリストバライトとトリジマイトを主構成結晶相とし、１８〜２２％の開気孔を有している。炉壁は加熱、冷却の繰り返しにより、煉瓦間の目地や煉瓦本体に亀裂が発生する。これらの損傷が炭化室側から燃焼室側へ進展して炉壁を貫通した状態になると、炭化水素を含む乾留ガスが炭化室から燃焼室へ漏洩するので、コークス炉の操業が困難になる。また、炭化室側の壁面には、熱的スポーリング、コークスの押し出しによる機械的な磨耗、カーボンの付着成長等によって、凹凸が発生する。この凹凸が大きくなると、コークスを押し出す際の圧力が過大になって炉壁煉瓦に割れが発生し、破片が脱落する。そして、炉壁の凹凸がさらに大きくなる。このため、炉壁にかかる押圧が上昇し、状況によってはコークスの押し出しが不能になりコークスの生産に支障を来す。このため、炉壁の補修が行われる。
【０００４】
補修については、幾つかの方法が知られている。その一つとして、空にした炭化室へ焼結性の耐火物粉末を気流輸送し、貫通亀裂部の閉塞を図るドライシール法が知られている。
【０００５】
また、他の補修方法として、湿式吹き付け法が知られている。この方法は耐火性粉末に無機バインダーと水を加えて混合し、損傷部に吹き付ける方法である。
【０００６】
さらに、他の補修方法としては、溶射法が知られている。この溶射法は、耐火物粉末を酸素一燃料ガスからなる火炎中に投入する火炎溶射法による方法（特公平３−９８１５）、あるいは耐火物粉末に金属粉末を混合して炉内に噴射し、金属の燃焼によって火炎を形成するテルミット反応法による方法（特公昭６２−１５５０８）などがある。これらの方法は材料を半溶融または溶融状態にして炉壁の損傷部位に接着させるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ドライシール法による場合、一時的にガス漏れを減少させることは可能であるが、その効果を長続きさせることはできない。これは、貫通亀裂部を閉塞させた耐火物粉末が焼結した際に収縮するので、再び空隙が発生することは避けられず、この部位からガスが流通して、焼結片が飛散し、再び亀裂が拡大する。また、施工時に粉末が貫通亀裂部を通って反対側の燃焼室まで到達して堆積し、別の問題が生じる。すなわち、燃焼室から粉末を除去することは困難であり、これを放置すると、燃焼空間が狭まり、燃焼性能が低下する。
【０００８】
また、湿式吹き付け法や溶射法により得られる補修層は通気性を有しており、また、表面に凹凸が多い。このため、石炭の乾留の過程で発生するピッチの蒸気が石炭とともに補修層の気孔へ進入して熱分解し、カーボン、灰分を蓄積させ、ここを起点にしてカーボンの付着成長が起こり、凹凸が増加する。この現象は炉壁煉瓦の補修層に共通して見られる。
【０００９】
また、ドライシール法、湿式吹き付け法、溶射法においては、補修に使用した耐火材料の一部が飛散して炉底に溜まり損失となる。このようなリバウンドロスが不可避であると言う問題点もある。
【００１０】
本発明は、開気孔がなく、かつ平滑な補修面を形成することができるコークス炉の炉壁の補修方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明は、稼働中のコークス炉の炉壁の補修方法であって、空窯になった際の高温の炉壁に、主成分としてＳｉＯ_２を４０〜９５ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏの中から選ばれた酸化物を合計で５〜３０ｗｔ％含有するセラミックシートと、軟質金属フォイルの２層からなる補修シートを、軟質金属フォイルを炉壁側にして加圧密着させることを特徴としている。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、補修シートを構成する軟質金属フォイルがアルミニウムフォイルであることを特徴としている。
【００１３】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、補修シートを構成するセラミックシートがセラミッククロスよりなるものであることを特徴としている。
【００１４】
第４の発明は、第１〜第３の何れかの発明において、補修シートを構成するセラミックシートがセラミッククロスとこのセラミッククロスに担持させたセラミック粉末よりなるものであることを特徴としている。
【００１５】
第５の発明は、第１〜第４の何れかの発明において、補修シートを構成するセラミックシートが面積当りの質量が２００ｇ／ｍ^２以上のものであることを特徴としている。
【００１６】
第６の発明は、第１〜第５の何れかの発明において、補修シートを炉壁に接触させ、この補修シートをローラーで転圧することにより炉壁に加圧密着させることを特徴としている。
【００１７】
次に、セラミックシートと軟質金属フォイルよりなる補修シートについて説明する。
【００１８】
セラミックシートが上記の組成を有するものであると、炉壁に加圧密着させた際に、破断することなく炉壁表面の形状に合わせて変形する。加圧密着したセラミックシートは、炉壁との接触部位から急速に加熱され、軟化して溶融する。この過程で溶融物が炉壁表面の凸部から凹部へ流れ込み凹部を埋める。次いで、溶融物から揮発成分が気化して放散し、残留物の融点が上昇して固化する。そして、炉壁表面に開気孔の殆どない平滑な膜（表層膜）が形成される。
【００１９】
セラミックシートの主成分をＳｉＯ_２とすることにより、溶融した際に、煉瓦の珪石あるいはＳｉＯ_２を主成分とする補修層と良く濡れ、密着性がよくなる。また、セラミックシートの主成分をＳｉＯ_２とすることにより、ＳｉＯ_２を主体とした結晶相からなる表層膜が形成されるので、表層膜の熱膨張特性を珪石および補修層に近づけることができる。このような観点から、セラミックシートのＳｉＯ_２含有率は４０ｗｔ％以上であることが望ましい。
【００２０】
ところで、燃焼室側から加熱される炉壁の炭化室側は９００から１３００℃の温度になるので、補修シートを構成するセラミックシートはこの温度で溶融するものでなければならない。このため、融点降下物質を添加し、ＳｉＯ_２の融点を下げる必要がある。融点降下物質としては、Ｂ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏが挙げられ、これらの中から選ばれた酸化物を合計で５〜３０ｗｔ％含有させることによって、上記温度範囲でセラミックシートを溶融させることができる。このように、５〜３０ｗｔ％の融点降下物質を含有させる必要があるので、セラミックシートのＳｉＯ_２の含有率は９５ｗｔ％以下とする。
【００２１】
セラミックシートが溶融した際には、その溶融物が適度の粘性を有している必要がある。溶融物の粘度が低過ぎると、溶融物の炉壁への浸透が過度になり、表層膜の形成が困難になる。また、粘度が高過ぎると、溶融物の炉壁への浸透が不足し、表層膜の接着強度が不十分となる。このため、必要に応じて、Ａｌ_２Ｏ_３，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ_２，ＴｉＯ_２等の酸化物を加えて溶融時の粘度を調節してもよい。また、Ａｌ，Ｓｉ等の金属を添加し、これらの金属の酸化発熱によって溶融物の粘度を調節してもよい。
【００２２】
上記のようにして形成される表層膜はＳｉＯ_２を主成分とするものであるので、その熱膨張特性は炉壁の特性に近いが、両者の熱膨張特性が一致する訳ではない。このため、炉壁とセラミックシートを直接接合させて表層膜を形成させると、炉壁温度の周期的な変化により、炉壁との界面近傍で亀裂が発生し、表層膜が剥離しやすい。
【００２３】
このような問題に対処し、本発明においては、補修シートをセラミックシートと軟質金属フォイルの２層からなるものにし、生成した表層膜と炉壁との間に軟質金属の層を存在させる。そして、温度変化によって起る表層膜と炉壁の膨張・収縮の度合いに差が生じ、これによる応力が発生しても、上記軟質金属が変形し、その応力を吸収するので、表層膜の亀裂や剥離は防止される。
【００２４】
本発明において、軟質金属とは、フォイル化可能な展性を有し、低融点の金属（合金を含む）を指すものとする。このような軟質金属の中で、特に好ましい金属はアルミニウムである。
【００２５】
アルミニウムは炭化室側の炉壁温度である９００〜１３００℃の温度領域では溶融状態になっており、炉壁と表層膜の間に発生する応力を極めて容易に吸収する。また、アルミニウムは強固な酸化膜を形成する金属であり、内部の酸化が防止されるので、その内部が金属アルミニウムの状態で維持される。このため、応力吸収効果が長期間持続する。
【００２６】
軟質金属フォイルの厚さは２０〜２００μｍ程度であるのが望ましい。その厚さが２０μｍ未満では応力吸収効果の発現が不十分であり、また、２００μｍを超えると、表層膜が溶融した軟質金属層の部分から剥離する。
【００２７】
なお、上記のような作用をなす軟質金属の層は表層膜と炉壁の間の全面にわたって存在しなければならないものではなく、断続的に存在していてもよい。
【００２８】
また、セラミックシートの面積当りの質量は２００ｇ／ｍ^２以上とすることが望ましい。２００ｇ／ｍ^２未満では、セラミックシートが溶融して炉壁の凹部を埋める際に、その溶融物の量が不足し、平滑な膜を形成することが困難となる。
【００２９】
セラミックシートはセラミッククロスよりなるものであってもよい。セラミッククロスとしては、上記組成範囲のセラミック繊維を織ったものを用いる。セラミック繊維は非晶質のガラス繊維であっても、結晶質の繊維であってもよい。セラミック繊維の太さについては特に制約されない。また、織り方については、平織り、綾織り、朱子織り等、何れであってもよい。
【００３０】
セラミックシートはセラミッククロスとこのセラミッククロスに担持させたセラミック粉末よりなるものであってもよい。セラミック粉末としては、珪砂、ろう石等の天然鉱物を主成分とし、これに上記融点降下成分を添加したものであってもよい。また、セラミック粉末としては、Ｅ−グラス組成、Ｃ−グラス組成のカレットを使用することもできる。
【００３１】
また、セラミックシートの形成に際しては、上記セラミック粉末に有機バインダーと水を添加してスラリーとし、このスラリーをセラミッククロスに塗布し、乾燥してもよい。また、セラミッククロスをキャリアシートとし、ドクターブレード法により上記スラリーをシート状に形成し、乾燥してもよい。さらに、セラミックシートの形成に際しては、平均組成が上記範囲になるように調整する。
【００３２】
セラミックシートを炉壁表面に加圧密着させる方法については、特に制約されものではなく、例えば、平板を押し付けて加圧密着させたり、ローラーを押し付けてこれを転動させて加圧密着させもよい。
【００３３】
セラミックシートをローラーにより加圧密着させる方法は、炉壁表面に沿ってローラーを移動させるだけで均一に加圧することができるので、より好ましい方法である。このローラーによる方法は、ローラーが１段であってもよく、複数段であってもよい。ローラーが複数段の場合には、まず、１段目のローラーでセラミックシートを炉壁に密着させる。このセラミックシートが溶融して発泡し、次いで、気泡が抜けて開気孔がある溶融膜ができた後、この溶融膜が固化する前に２段目以降のローラーで加圧して開気孔を潰し、緻密な表層膜を形成させる。また、ローラーが１段であっても、１段目のローラーを時間をおいて往復させることにより複数段の機能を果たさせてもよい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明において使用する補修シートの一例を示す断面図である。この補修シート１はセラミックシートであるセラミッククロス２と軟質金属であるアルミニウムのフォイル３により構成されている。セラミッククロス２の具体的な構成例としては、主要成分がＳｉＯ_２５４ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３１５ｗｔ％、ＣａＯ２０ｗｔ％、ＭｇＯ３ｗｔ％、Ｋ_２Ｏ１ｗｔ％であるガラス繊維を平織りにしたもので、面積当りの質量が３４０ｇ／ｍ^２、厚さが０．５ｍｍのものが挙げられる。
【００３５】
図２は本発明によりコークス炉の炉壁に補修シートが加圧されて密着する状態を示す断面図である。ローラーを備えた補修装置を使用する場合、補修シートは次のようにして加圧密着される。まず、補修シート１をアルミニウムフォイル側を炉壁３０の表面に接触させる。ローラー１２で補修シート１を炉壁３０に押し付けつつ、ローラー１２を転動させて押し付ける位置を連続的に移動させる。このようにして、炉壁３０の表面の凹凸を転写するように、補修シート１を変形させ、炉壁に密着させる。セラミックシート１は炉壁３０から受熱して軟化し、容易に密着する。この際、凸部と接触していた部分が凹部へ移動し、加圧面は平滑になる。そして、図３に示すように、加圧された補修シートは炉壁３０の凹凸を均し、平滑な表層膜４となる。
【００３６】
表層膜４はさらに加熱されて溶融し、炉壁３０との接触界面においては溶融物の一部が炉壁中へ浸透する。また、加圧密着された補修シートにおいては、添加された融点降下剤の一部が気化して表層膜４が発泡し、気化物質は表層膜４の表面から抜ける。この発泡が繰り返される間に、融点が上昇し、溶融物は固化する。このようにして、炉壁３０に根を張った平滑な表層膜４が形成される。
【００３７】
図４は補修シートをコークス炉の炉壁に加圧密着させる補修装置を示す図である。（ａ）図は炭化室内へ補修装置を挿入した状態を示す横断面図、（ｂ）図は炭化室内へ補修装置を挿入した状態を示す縦断面図である。図４（ａ），（ｂ）において、３２ａ，３２ｂは燃焼室、３１は炉壁３０ａ，３０ｂによって区画された炭化室、２０はコークスの押し出し機、１０は押し出し機に取り付ける補修装置である。
【００３８】
補修装置１０は、補修を開始する際に、押し出し機のラムヘッド２１の先端に取り付けるものであって、コイル状の補修シート１をセットするシートストッカー１１ａ，１１ｂと、補修シート１を壁面に押圧するローラー１２ａ，１２ｂと、補修シート１の端を固定するピンチ１３ａ，１３ｂとからなる。
【００３９】
炉壁の補修に際しては、押し出し機側とコークス側の炉蓋を外して窯出し、炭化室３１を空窯の状態にした後、まず、シートストッカー１１ａ，１１ｂおよびローラー１２ａ，１２ｂをコークスの押し出し機のラムヘッド２１の先端に取り付ける。ピンチ１３ａ，１３ｂをそれぞれ炉壁３０ａ，３０ｂの炉外押し出し機側に取り付ける。コイル状の補修シートをシートストッカー１１ａ，１１ｂにセットし、その補修シート１ａ，１ｂの端部をそれぞれピンチ１３ａ，１３ｂで固定する。
【００４０】
そして、押し出し機の駆動モーター２２を起動する。これにより、押し出し機のラムヘッド２１が押し出し機側からコークス側に向けて移動する。ラムヘッド２１の移動により、シートストッカー１１ａ，１１ｂが回転して補修シートが巻き戻され、この補修シート１ａ，１ｂが高温の炉壁３０ａ，３０ｂの壁面に供給される。この補修シート１ａ，１ｂは、転動するローラー１２ａ，１２ｂにより、それぞれ炉壁３０ａ，３０ｂに押し付けられて接着する。ラムヘッド２１がコークス側に行き着いたところで、シートストッカー１１ａ，１１ｂは空になり、壁面に接着した補修シート１ａ，１ｂはシートストッカー１１ａ，１１ｂから切り離された状態になる。
【００４１】
次いで、駆動モーター２２を逆回転させてラムヘッド２１をコークス側から押し出し機側まで戻す。この戻りの間に、補修シート１ａ，１ｂは、それぞれローラー１２ａ，１２ｂにより再度転圧される。この再度の転圧によって、補修シート１ａ，１ｂは、内蔵されていた気泡が潰され、緻密で気孔がなく、かつ、平滑な表層膜となる。
【００４２】
【実施例】
コークス炉で２６年間使用した珪石煉瓦を採取した。この珪石煉瓦には炭化室側の壁面に当初面から最大３ｍｍの深さの凹部を有する凹凸があった。この炭化室側の壁面を上にして、この面を、Ｅ−グラス（５２〜５６ｗｔ％ＳｉＯ_２、１２〜１６ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３、１５〜２５ｗｔ％ＣａＯ、０〜６ｗｔ％ＭｇＯ、８〜１３ｗｔ％Ｂ_２Ｏ_３、０〜１ｗｔ％（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ））の繊維を平織にし、質量２０１０ｇ／ｍ^２、厚さ３．０ｍｍにしたガラスクロスで覆い、マッフル炉に入れた。１５℃／分の昇温速度で１１００℃まで加熱し、１０分間保持後、内部を観察したところ、ガラスクロスが発泡状態になって珪石煉瓦の表面を覆っていた。マッフル炉の前面扉を開けて、軟鋼製ローラーを挿入して転圧した後、直ちにローラーを取り出して扉を閉じた。１０分間保持後、炉の電源を切って放冷した。このような処理を施した珪石煉瓦の上面は緻密で平滑な白色の膜により覆われていた。この表層膜には亀裂はなく、１００倍の顕微鏡で観察した結果では開気孔は認められなかった。表層膜の一部を採取してＸ線回折にかけたところ、クリストバライトとトリジマイトの結晶の存在が確認された。
【００４３】
稼働中のコークス炉の炉壁の補修をシミュレートした上記の実験により、平均組成でＳｉＯ_２を４０〜９５ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏの中から選ばれた酸化物を合計で５〜３０ｗｔ％含有し、かつ、質量２００ｇ／ｍ^２以上の補修シートを炉壁表面に加圧密着させることにより、緻密で平滑な表層膜が得られることがわかった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、炉壁に、開気孔がなく、かつ平滑な補修面を形成することできる。このため、コークスの押し出しが容易となり、壁面を傷めることもなくなる。また、補修面に開気孔がでず、カーボンや灰分が付着し難いので、付着物の成長による凹凸の増加も起こらない。従って、補修後の壁面を平滑な状態に維持することができ、長期にわたって安定したコークス炉の操業が可能となる。
【００４５】
また、本発明の方法によれば、ドライシール法、湿式吹き付け法、溶射法等の従来技術で施工した場合に問題となる材料のリバウンドロスが発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において使用する補修シートの一例を示す断面図である。
【図２】本発明によりコークス炉の炉壁に補修シートが加圧されて密着する状態を示す断面図である。
【図３】補修シートが炉壁に密着して平滑な表層膜が形成された状態を示す断面図である。
【図４】補修シートをコークス炉の炉壁に加圧密着させる補修装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ補修シート
２セラミッククロス
３アルミニウムフォイル
４表層膜
１０補修装置
１１ａ，１１ｂシートストッカー
１２ａ，１２ｂローラー
１３ａ，１３ｂピンチ
２０押し出し機
２１押し出し機のラムヘッド
２２押し出し機の駆動モーター
３０，３０ａ，３０ｂ炉壁

Claims

稼働中のコークス炉の炉壁の補修方法であって、空窯になった際の高温の炉壁に、主成分としてＳｉＯ_２を４０〜９５ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏの中から選ばれた酸化物を合計で５〜３０ｗｔ％含有するセラミックシートと、軟質金属フォイルの２層からなる補修シートを、軟質金属フォイルを炉壁側にして加圧密着させることを特徴とするコークス炉の炉壁の補修方法。
補修シートを構成する軟質金属フォイルがアルミニウムフォイルであることを特徴とする請求項１に記載のコークス炉の炉壁の補修方法。
補修シートを構成するセラミックシートがセラミッククロスよりなるものであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のコークス炉の炉壁の補修方法。
補修シートを構成するセラミックシートがセラミッククロスとこのセラミッククロスに担持させたセラミック粉末よりなるものであることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のコークス炉の炉壁の補修方法。
補修シートを構成するセラミックシートが面積当りの質量が２００ｇ／ｍ^２以上のものであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載のコークス炉の炉壁の補修方法。
補修シートを炉壁に接触させ、この補修シートをローラーで転圧することにより炉壁に加圧密着させることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載のコークス炉の炉壁の補修方法。