JP3687274B2

JP3687274B2 - コークス炉炭化室壁面の表面処理方法

Info

Publication number: JP3687274B2
Application number: JP14742797A
Authority: JP
Inventors: 猛安藤; 拓也高平; 玄樹笠岡; 忠勝岸
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2017-06-05
Also published as: JPH10330758A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温状態にあるコークス炉炭化室壁面の損耗部を補修することのできるコークス炉炭化室壁面の表面処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コークス炉は、多数の隔壁により仕切られた炭化室と燃焼室とを交互に配列した構造であり、炭化室と燃焼室とを仕切っている隔壁は、一般に珪石質耐火煉瓦が使用されている。珪石質耐火煉瓦は、珪石質原料を粉砕し、水で混和した後に型枠に入れて乾燥させ、1200℃前後で焼成することにより製造される。このようにして製造した珪石質耐火煉瓦を用いて築炉したコークス炉は、炭化室を均一な温度で乾燥して煉瓦の応力を除去した後、炭化室の耐火煉瓦として実際のコークス炉の運転に供される。
【０００３】
前記珪石質耐火煉瓦は、断熱性を高める目的で、高い気孔率を有しており、粒子間接触により形成されている。築炉の初期には平滑であった炭化室の煉瓦表面は、装入される配合石炭やコークスによる摩擦または頻繁な加熱と冷却との繰り返しによる剥離や割れ等によって次第に荒れが大きくなり、摩擦抵抗が高まるばかりか、荒れ面は処理石炭、燃焼により生じるカーボンや灰分の付着が助長され、コークス炉操業上の問題となる。
【０００４】
石炭を乾留する炭化室は、高さが約６〜７ｍ、奥行き15〜16ｍ、幅0.4 〜0.6 ｍの長方形の空洞であり、乾留されたコークスを炉外に排出し易くするために、幅は、わずかにコークス排出側の方が広くなっている。原料である配合石炭は、、装入車から炭化室の天井壁に配置されている装入口を介して炭化室内に間欠的に供給され、コークス押出機に付属するレベラで装入石炭の高さを調整した後、両側の燃焼室内で燃焼するガスの燃焼熱により加熱された隔壁を介して乾留される。乾留終了後は、両方のドアが開放され、押出機を用いて炭化室内からコークスが押し出される。
【０００５】
ところで、炭化室内でのコークス化の過程では、配合石炭中のタール質がガス化されると共に耐火煉瓦は過酷な高温条件に晒されている。また、近年、コークスの強度を高める目的で、装入前の配合石炭を乾燥（通常８〜12％の水分を５〜６％付近になるまで乾燥する）させ、炭化室内に装入される配合石炭の嵩密度を高める操業が行われ、強度の高いコークスが製造されている。
【０００６】
しかしながら、前述のように耐火煉瓦表面の平滑さが失われると、配合石炭のコークス化の過程で生じるカーボンが表面に固着しさらに凹凸の著しい表面となると共に、カーボンの固着により炭化室の幅が狭くなってコークスの押し出し抵抗が高まり、コークス炉操業上の大きな問題点となる。また、無理な押し出しにより、目地と呼ばれる煉瓦と煉瓦との隙間を埋めている部分が損傷し、炭化室内で石炭の乾留により発生した生ガスが隔壁の隙間を通じて燃焼室に流入し、不完全燃焼により煙突から黒煙を排出する原因となり、公害上の不都合が生じる。
【０００７】
この防止対策としては、コークス排出後の炭化室の高温の煉瓦表面の付着物を金属棒を用いて人力で除去したり、または空気や酸素を吹き付けることにより、煉瓦に付着したカーボンを燃焼させて除去している（たとえば特開平2-243922号公報参照) 。一方、耐火煉瓦の表面にカーボンが付着するのを防止するため、従来から製造した耐火煉瓦の表面にタールや石油ピッチ等を塗布し、還元状態にすることで、煉瓦表面のシリカ分の融点低下による溶融で煉瓦表面を平滑にする方法が知られている。また、最近では耐火煉瓦の表面に微粉体の酸化珪素や酸化クロムを超高温で溶融噴射（プラズマ溶射）させて緻密な表面層を形成させる方法（特開平2-160896号公報参照）が提案されているが、コストが嵩むだけで十分なカーボン付着防止効果を得るに至っていないのが実状である。
【０００８】
さらに、特開平8-119775号公報には、特定成分からなる有機シリコン化合物処理剤（以下、表面コーティング剤という）を耐火煉瓦の表面にスプレーノズルを用いて塗布することにより、耐火煉瓦表面層と溶融塗着層との反応やナトリウムの蒸発を生じさせ、シリカ濃度が高く、表面が平滑で、強度が高い処理層を得るようにした高温用耐火材表面処理方法が提案され、成果を上げている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の技術は炭化室耐火煉瓦の平滑化を狙う技術であって、炭化室炉壁面の煉瓦が損耗した時、その損耗部は損耗面の凹凸状態でコーティングがなされる結果、平滑化を狙う効果は低くなり、修復等の補修手段が必要となる。
【００１０】
通常、上記損耗部の補修は、モルタルを吹き付けあるいは塗布すること（以下単に吹き付けという）により行われているが、高温状態のままの吹き付けでは炭化室炉壁面を構成する耐火煉瓦とモルタルとの接着強度が不足し、形成したモルタル層が耐火煉瓦から脱落し易いという問題があった。
本発明は、高温状態にあるコークス炉炭化室壁面の損耗部を接着強度に問題を起こさずに補修することのできるコークス炉炭化室壁面の表面処理方法を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、コークス炉における炭化室の炉壁面に塗布する高温用耐火材として、前記特開平8-119775号公報に提案した特定成分からなる表面コーティング剤をモルタル（例えば、耐火物キャスタブル）および水と混練した高温用耐火材を、コークス炉の炉壁面に吹き付ける実験を試みた結果、これらを特定の割合で配合することにより、コークス炉における炭化室炉壁面に吹き付ける高温用耐火材の接着強度を向上できることを知見し、本発明の方法を開発するに至った。
【００１２】
前記目的を達成するための本発明は、高温の炉壁面にモルタルを吹き付け損耗部を補修するコークス炉炭化室壁面の表面処理方法において、前記炭化室壁面に、 (a)モルタルを70〜90重量％、 (b)SiO₂/Na₂O のモル比が3.2 〜3.8 であるケイ酸ナトリウムを53.8〜94.3重量％、水酸化リチウムを1.9 〜15.4重量％、ほう酸ナトリウムを1.9 〜15.4重量％、R -Si(OH)₂ON_a（但し、R は炭素数１〜12のアルキル基）で示される有機シリコーン化合物を1.9 〜15.4重量％からなる表面コーティング剤を１〜18重量％および (c)水を５〜28重量％の範囲で配合した高温用耐火材を吹き付けることを特徴とするコークス炉炭化室壁面の表面処理方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、コークス炉炭化室壁面に吹き付ける高温用耐火材として、前記特開平8-119775号公報に提案されている特定成分からなる表面コーティング剤すなわち有機シリコン化合物処理剤に、モルタルおよび水を加えて混練した高温用耐火材をコークス炉炭化室壁面に吹き付ける実験を行った。
【００１４】
高温用耐火材の吹き付け装置としては、特に限定されるものではない。
本発明で使用する高温用耐火材の主成分となるモルタルは、1000℃以上の高温領域で必要な機械的強度を保持する基材となるものであり、70重量％未満では十分な機械的強度を保持することが困難で、また90重量％を超えると表面コーティング剤と水を併せた重量％が10未満となって高温用耐火材の流動性が不足し、吹き付け作業ができなくなるので70〜90重量％とする必要がある。したがって、表面コーティング剤と水とを併せた重量％は少なくとも10にする必要がある。モルタルは、一般に使用されているAl₂O₃、SiO₂等を含む不定形耐火物であり、その特性値の例を表１に示す。
【００１５】
【表１】

【００１６】
また、高温用耐火材の成分である表面コーティング剤（有機シリコン化合物処理材）は、化学組成がSiO₂/Na₂O のモル比が3.2 〜3.8 であるケイ酸ナトリウムを53.8〜94.3重量％、水酸化リチウムを1.9 〜15.4重量％、ほう酸ナトリウムを1.9 〜15.4重量％、R -Si(OH)₂ON（但し、R は炭素数１〜12のアルキル基）で示される有機シリコーン化合物を1.9 〜15.4重量％からなる。
【００１７】
水酸化リチウムとほう酸ナトリウムとは、ケイ酸ナトリウムの溶融点を降下させるために含有する溶融剤である。また、有機シリコーン化合物は、高温用耐火材を吹き付ける際に、該高温用耐火材が炭化室壁面へ均一にムラなく付着させる目的で混合されていて、これにより均一な処理層が形成可能になる。ケイ酸ナトリウムを53.8〜94.3重量％としたのは、53.8重量％未満では付着性が低下してトータル吹き付け時間が増大し、また94.3重量％を超える高濃度にすると粘性が急上昇し、吹き付け難くなるからである。
【００１８】
水酸化リチウムおよびほう酸ナトリウムを1.9 〜15.4重量％としたのは、1.9 重量％未満の濃度では焼成時にケイ酸ナトリウムの一部が溶融することができず処理層が不均一になり、15.4重量％を超えるとケイ酸ナトリウムの溶融点が低下し過ぎて焼成時に低粘性溶融物が落下し、処理層表面の平滑性が失われるからである。有機シリコーン化合物を1.9 〜15.4重量％としたのは、1.9 重量％未満の低濃度では焼成後の処理層表面の平滑性が不良になり、一方、15.4重量％を超えて添加しても平滑性は変わらず、高濃度にすると不経済的になるからである。
【００１９】
表面コーティング剤は、高温用耐火材を吹きつけた際に、炭化室壁面を形成する珪石質耐火煉瓦の表面から浸透し、該珪石質耐火煉瓦と焼成された高温用耐火材とを強固の接着すると共に、高温用耐火材の表面に平滑で強固な表面処理層を形成させるために配合する。表面コーティング剤の配合割合が、１重量％未満では、炭化室壁面の珪石質耐火煉瓦と高温用耐火材との接着が不十分になるばかりでなく、高温用耐火材の表面に平滑で強固な表面処理層の形成が困難となり、また、18重量％を超えると高温用耐火材が焼成される際に、発泡や割れを生じるので１〜18重量％とする。また、この表面コーティング剤はモルタルとの共存状態において接着強度を上昇させる役割りをはたしている。
【００２０】
表面コーティング剤（有機シリコン化合物処理材）とモルタルに水を加えて混練するのは、コークス炉の炭化室が高温雰囲気であり、壁面に吹き付ける高温用耐火材が高温に晒されるため、引火性を有する有機溶剤を使用できないためである。水は、水溶性の表面コーティング剤に流動性を与えて高温用耐火材の吹き付け施工を可能にするため配合するものであり、５〜28重量％としたのは、５重量％未満では高温用耐火材に吹き付けに必要な流動性が得られず、また28重量％を超えると吹きつけた高温用耐火材が垂れて均一な吹き付けができなくなると共に、高温用耐火材が焼成されるときに割れを生じて処理層の強度が低下するからである。
【００２１】
前述のように、表面コーティング剤中の水酸化リチウムとほう酸ナトリウムとにより、ケイ酸ナトリウムの溶融点を降下させ、表面コーティング剤の溶融を促進させる。また、有機シリコーン化合物は、高温用耐火材を吹き付ける際に、炭化室炉壁面に均一にムラなく付着させる。通常、有機シリコーン化合物の材料に対する濡れの効果は、吹き付けを行う表面温度が400 ℃を超えると有機物が分解し、効果が低下するのが一般的である。しかし、常温の高温用耐火材を瞬時に吹き付けるため、ごく一時的に吹き付け表面温度が低下し、900 ℃°の表面でも有機シリコーン化合物の均一にムラなく付着させる効果が得られる。
【００２２】
吹き付けによってコークス炉炭化室壁面に高温用耐火材を形成した後、壁面が1100℃に昇温されると、表面コーティング剤中のナトリウムが蒸発し、シリカ純度が高く、平滑で、強度が高い処理層を形成することができる。珪石質およびシャモット質またはアルミナ質等代表的な耐火煉瓦は、アルカリ分の浸透で化学的スポーリングの原因となるが、本発明は前記構成によりナトリウムの蒸発によって表面層中にアルカリ分が存在しないから化学的スポーリングを起こすことがない。
【００２３】
表面コーティング剤、水およびモルタル（不定形耐火物）の配合割合（重量％）を変えて20種の高温耐火物を混練し、各高温耐火物をサンプル製造用型枠内に充填し、図３に示すような直径25ｍｍ、高さ50ｍｍの円柱状サンプル１を成形した。これら種類別の円柱状サンプル１を試験炉内で1050℃に１時間保持して焼成した後、自然放冷するサンプル実験を試みた。表２にサンプル別の表面コーティング剤、水およびモルタルの重量部、圧壊試験機を用いて測定した圧縮強度および各サンプルを混練する際の混練難易度状態、焼成後のサンプル状態を比較して示した。
【００２４】
【表２】

【００２５】
なお、図１に示す表面コーティング剤−水−モルタルの３元配合図のように、モルタルが70重量％未満の場合、残部の表面コーティング剤と水とを併せた重量％が30を超えるので、炉壁耐火物の表面に吹き付けた高温用耐火物が垂れて均一な吹き付けが困難となる。またモルタルが90重量％を超える場合、表面コーティング剤と水とを併せた重量％が10未満になり、混練が困難になるのでモルタルの配合割合は70〜90重量％にする必要がある。
【００２６】
表２において、サンプルNo.1〜No.12 までの本発明例およびNo.13 〜No.20 までの比較例に示す表面コーティング剤、水、モルタルの配合割合を図１の３元配合図にプロットした。図１におけるＡ部を拡大した図２に示すようにコークス炉炭化室の高温状態にある壁面に、モルタルを70〜90重量％含み、表面コーティング剤を１〜18重量％および水を５〜28重量％配合する領域（図２において斜線で囲む部分）に該当する本発明例のサンプルNo.1〜No.12 のうち、No.1〜No.8までは配合時の混練および焼成のいずれも良好であったが、No.2〜No.4については表面コーティング剤が少なかったので圧縮強度が小さく、したがって接着強度も小さくなる。、またNo.9〜No.12 は相対的にモルタルが多いため粘度が1000ps以上と高くなりやや混練が困難となったが、いずれも焼成状態は良好であり、使用可能であった。通常のコークス炉に使用されている珪石煉瓦の圧縮強度が300 〜650kg/cm²dであることから、表２に示すレベルの圧縮強度が得られるので、No.1〜No.12 は強度的には十分使用可能であることが分かった。
【００２７】
これに対して、比較例のサンプルNo.13 〜No.20 はモルタルが70重量％未満であると共に、表面コーティング剤と水を併せた重量％が30を超えるため、混練時に発泡したり、割れが生じてサンプル成形が困難となり、圧縮強度の測定が不能といった状態であり、使用不可能であった。
コークス炉炭化室の全窯164 室において高温状態の窯口炉壁面に、７重量％の表面コーティング剤、８重量％の水および85重量％のモルタルからなる高温用耐火材を吹き付けて表面処理したところ、約１か月を経過した段階でも炉壁面に吹きつけた高温用耐火材の脱落がなかった。また上記表面処理した後の炉壁面に表面コーティング剤を塗布したが、補修を加えていない面と同等に炉壁面へのカーボン付着が少ない良好な状態に保持することができた。炭化室壁面を構成する耐火煉瓦に吹き付けた高温用耐火材が脱落し難いのは、炭化室壁面を構成する耐火煉瓦に高温耐火材中のモルタルが表面コーティング剤を介して一体化して強固に結合するからであり、補修して得られた炉壁処理層の表面は、平滑で強度が高く実用上の問題はない。
【００２８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、炭化室の耐火煉瓦に吹きつけた高温用耐火材を一体的に結合することができ、その結果、炭化室の耐火煉瓦に吹きつけた後の剥離等による脱落が防止され、表面が平滑で強度の高い処理層が形成され、コークス炉の安定した操業および炭化室炉壁の寿命延長が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面コーティング剤−水−モルタルの３元配合割合図である。
【図２】図１のＡ部を示す部分拡大図である。
【図３】円柱状サンプルを示す斜視図である。
【符号の説明】
１円柱状サンプル

Claims

高温の炉壁面にモルタルを吹き付け損耗部を補修するコークス炉炭化室壁面の表面処理方法において、前記炭化室壁面に、 (a)モルタルを70〜90重量％、 (b)SiO₂/Na₂O のモル比が3.2 〜3.8 であるケイ酸ナトリウムを53.8〜94.3重量％、水酸化リチウムを1.9 〜15.4重量％、ほう酸ナトリウムを1.9 〜15.4重量％、R -Si(OH)₂ON_a（但し、R は炭素数１〜12のアルキル基）で示される有機シリコーン化合物を1.9 〜15.4重量％含有してなる表面コーティング剤を１〜18重量％および (c)水を５〜28重量％の範囲で配合した高温用耐火材を吹き付けることを特徴とするコークス炉炭化室壁面の表面処理方法。