JP3971563B2

JP3971563B2 - コークスの表面破壊強度の推定方法

Info

Publication number: JP3971563B2
Application number: JP2000313342A
Authority: JP
Inventors: 孝有馬
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: JP2002121565A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコークスの表面破壊強度を推定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コークスは、通常多くの種類の石炭を配合し、コークス炉で乾留して製造されている。高炉用コークスは、高炉までの輸送や高炉内での衝撃に耐えるため、所定の値以上の強度を持つことが要求される。
【０００３】
コークス強度としては、ＪＩＳのドラム強度指数、ＩＳＯのマイカム強度指数、ＡＳＴＭのタンブラー強度指数などの回転強度指数または落下強度指数が用いられており、いずれも、所定の機械的衝撃をコークスに与えたときに粉コークスにならず塊コークスとして残る程度を表す指数である。回転強度指数は円筒形の容器内でコークスの落下試験を自動的に繰返して行って得られる指数で、落下強度指数と本質的に同種の指数である。
【０００４】
石炭の配合を変更する際などには、コークス強度を一定に維持するために、事前にコークス強度を予測することが必要である。
【０００５】
そのために、石炭の特性からコークス強度を推定する技術が開発されており、その大部分は、石炭化度を表す特性と粘結性を表す特性とからコークス強度を推定している。石炭化度を表す特性としては、揮発分、反射率、炭素含有率などが用いられ、粘結性を表す特性としては、ＪＩＳＭ８８０１に規定されている膨脹性や流動性などが用いられている。また、そのほかに、石炭組織分析値から石炭化度と粘結性に相当する２つのパラメーターを算出してコークス強度を推定する方法や元素分析値から石炭化度と粘結性に相当する２つのパラメーターを算出してコークス強度を推定する方法なども開発されている。
【０００６】
これらは、いずれも、石炭の特性あるいは石炭の特性を加工したパラメーターからコークス強度を直接に推定している。しかし、上記の従来法では使用する石炭が大幅に変更された場合などに十分な精度でコークス強度を推定することができない。
【０００７】
これに対し、特開平９−２６３７６４号公報において、コークス強度試験において生成する粉コークスを表面破壊により生成するものと体積破壊により生成するものとに分離してそれぞれを推定し、その和からコークス強度を推定する方法が開示されている。この方法により、より精密な推定が可能になった。表面破壊強度については石炭の膨脹性に基づく推定方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平９−２６３７６４号公報の方法についても、石炭水分、嵩密度などの操業条件が変動した際に十分な精度で表面破壊強度を推定できないという問題点がある。
【０００９】
本発明は、上述したような従来技術における問題点を解決するため、精度の高い、コークスの表面破壊強度の推定方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、石炭の特性から乾留後のコークスの表面破壊強度を推定する方法において、（Ａ）先ず各種石炭の軟化時の比容積を、ＪＩＳＭ８８０１に規定されているディラトメーターにより測定される膨張率ｂ（％）から下記（１）式により算出し、該石炭を乾留しコークスを製造する際の石炭装入時の嵩密度を測定し、前記石炭軟化時の比容積と該石炭装入時の嵩密度から下記（２）式で定義される石炭軟化時の空隙充填度を求めるとともに、前記コークスの表面破壊強度ＤＩ ^１５０ _６を、ＪＩＳＫ２１５１に規定されているドラム試験法により測定し、さらに石炭軟化時の空隙充填度とコークスの表面破壊強度との関係を求め、
（Ｂ）次に使用する石炭の軟化時の比容積とコークス炉装入時の石炭の嵩密度から石炭軟化時の空隙充填度を算出し、該空隙充填度の値から、予め求めておいた前記石炭軟化時の空隙充填度とコークスの表面破壊強度との関係によりコークスの表面破壊強度を推定することを特徴とする。
石炭軟化時の比容積 (cm ³ /g)= ・・・ =0.96 π (1+b/100) ／ディラトメーターへの石炭装入量 (g) ・・・（１）
石炭軟化時の空隙充填度(-)＝石炭軟化時の比容積(cm³ /g)×コークス炉装入時の石炭の嵩密度 (g/cm³ )・・・（２）
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者は、コークスの表面破壊について詳細に検討した結果、以下のような知見を得、本発明を完成させた。
【００１２】
コークスの表面破壊強度は、例えばＩＩＳＫ２１５１のドラム試験法によるＤＩ¹⁵⁰ ₆により表される。コークスの表面破壊は、衝撃によるコークス表面の脆性破壊により起っている。脆性破壊強度は、一般に材料の物性と欠陥とにより支配されている。コークスの場合、原料の石炭は微粘結炭、弱粘結炭、強粘結炭と各種の石炭が用いられているが、原料を変化させても乾留により生成するコークスの物性は大きくは変化しないことが、コークスの基質強度の検討から明らかになった。
【００１３】
一方、欠陥については、一般に材料中の亀裂が問題になり、欠陥への応力集中係数は、亀裂先端の曲率半径と亀裂寸法により決定される。曲率半径が小さく、寸法の大きい亀裂ほど応力集中係数が大きく、破壊強度を低下させる。
【００１４】
コークスの構造について詳細に調べた結果、コークス中には、体積破壊の原因になる巨視的な亀裂は存在するが、表面破壊の原因になるような亀裂は通常は存在せず、コークスの表面破壊の原因になる欠陥は、非接着粒界と連結気孔であることが明らかになった。
【００１５】
非接着粒界とは、石炭粒子が十分接触しないままコークス化し、粒子と粒子の境界に空隙が存在する場合である。連結気孔とは、石炭粒子が自由膨脹状態になった結果、気泡が破裂して連結してできた大きな気孔である。
【００１６】
これらの欠陥の生成機構は下記のように考えられる。
【００１７】
石炭を炭化室に装入した時点では、空隙率が、嵩密度により異なるが、５０％前後あり、石炭粒子同士は部分的に接触しているのみである。また、偏析により空隙率は場所によりばらつきがある。
【００１８】
石炭を加熱すると４００℃前後から石炭は軟化、膨脹し、５００℃前後で再固化する。４００℃前後の温度になると石炭は軟化し急激な熱分解が起りガスを発生する。熱分解ガスの発生速度と拡散速度の競合の結果、粒子内ガス濃度が上昇し限界を超えると気泡が発生する。気泡の成長により石炭粒子は膨脹するが、石炭粒子は粒子間空隙に膨脹していく。これは、炭化室に装入された石炭層全体の膨脹は生成するコークス層により拘束されているため、軟化層は自由に膨脹できないからである。わずかに、軟化層のより低温部分と粉炭層とを圧縮してできる体積と、コークス層の収縮によりできる体積とにのみ、軟化層は膨脹できる。
【００１９】
石炭粒子間の空隙率よりも石炭粒子の膨脹率の方が低い場合は、石炭粒子は自由膨脹状態となり、気泡膜の一部が破れて気泡が維持できなくなるまで膨脹する（最大膨脹率は気泡膜の延性の限界での破損により決定される）。
【００２０】
気泡の破裂により気泡が粒子間空隙と連続になって、発生ガスの拡散が容易になり、気泡の再生成が起りにくくなり、その結果、破裂した際の形のまま固化してしまうことになる。このようにして、連結した気孔が形成される。コークスのこのような部分の気孔は不規則な形状をしているが、よく見ると球形の気孔がいくつか連結した形状をしている場合がある。
【００２１】
石炭粒子間の空隙率よりも石炭粒子の膨脹率の方が大きい場合は、石炭粒子同士が全表面で接触した時点で膨脹できなくなる。すなわち、気泡径は拡大できなくなる。このため、自由膨脹時のように気泡膜が薄くなって破裂する現象は起らない。膨脹できないため気泡内ガス圧が上昇する。発生ガスは粒子間空隙を通って系外に排出されるが、この場合、石炭粒子間の空隙が非常に狭くなっているため通気抵抗が大きく粒子間ガス圧も上昇する。この圧力が炉壁に伝わって膨脹圧となる。気泡は連結せず独立で球形に近い形になる（実際には再固化時に隣接する軟化層の圧力により圧縮されてつぶれた形状になる場合が多い）。
【００２２】
この場合良好なコークス構造になる。組織が異なる粒子間の境界以外は、顕微鏡で粒界は識別できない。
【００２３】
石炭粒子間の空隙率と石炭粒子の膨脹率がほぼ等しい場合は、石炭粒子同士の全表面での接触は起るが、石炭粒子の膨脹の拘束が比較的小さく気泡が自由膨脹に近い状態まで膨脹することになる。この場合は、粒子の輪郭は認識できないが、連結気孔が生成することになる。
【００２４】
以上をまとめると、空隙率に対して石炭の膨脹率が高いと石炭粒子は十分膨脹できず、膨脹率が低いと、相対的に空隙が十分あるため、石炭粒子は自由に膨脹する。自由膨脹すると、気泡が破裂し、連結気孔や非接着粒界が生成して脆弱なコークスになる。
【００２５】
石炭が４００℃前後の温度で軟化し始め、膨脹し、５００℃前後の温度で再固化するが、この間での石炭粒子が空隙をどの程度充填するかを判定すれば、コークス中に非接着粒界と連結気孔の欠陥がどの程度発生するかを予測でき、コークスの表面破壊強度を予測できる。
【００２６】
石炭軟化時の空隙充填度は、石炭軟化時の最大比容積と石炭充填時の比容積の比により評価できる。
【００２７】
石炭軟化時の空隙充填度(-)
=石炭軟化時の比容積(cm³/g)／コークス炉装入時の石炭の比容積(cm³/g)
石炭充填時の比容積は、嵩密度の逆数に等しいので、この式は次式と等しい。
【００２８】
石炭軟化時の空隙充填度(-)
=石炭軟化時の比容積(cm³/g)×コークス炉装入時の石炭の嵩密度 (g/cm³)
ここで、石炭軟化時の比容積は、例えばＪＩＳＭ８８０１のディラトメーターにより測定される膨脹率b(%)から次式により算出できる。
【００２９】
石炭軟化時の比容積(cm³/g)
=最大膨脹時の石炭体積(cm³)／ディラトメーターへの石炭装入量(g)
=0.96π(1+b/100) ／ディラトメーターへの石炭装入量(g)
石炭軟化時の空隙充填度の値が１より小さいと石炭粒子は空隙を完全には充填できないので、非接着粒界が生成し、コークスの表面破壊強度は低くなる。
【００３０】
この値が１に等しい場合は、石炭粒子は空隙をちょうど充填するが、石炭の膨脹性や嵩密度のばらつきのために、この値が１より小さい部分が生じ、非接着粒界や連結気孔が生成する。例えば、石炭粒子毎にマセラル組成が異なるため膨脹率が異なっている。また、組成が同一であれば粒径の大きい粒子の方が発生ガスの拡散距離が長く粒子内滞留ガス量が多くなるため膨脹率が大きい。さらに、石炭の充填にもばらつきがあり、嵩密度が炭化室内の位置により異なっている。
【００３１】
この値が１より大きくなればなるほど、ばらつきがあっても欠陥が生成しない確率が高くなり、コークスの表面破壊強度が高くなる。
【００３２】
従って、コークスの表面破壊強度と石炭軟化時の空隙充填度の関係を予め求めておけば、この関係を用いて、石炭軟化時の空隙充填度からコークスの表面破壊強度を推定することができる。
【００３３】
すなわち、先ず各種石炭の軟化時の比容積を測定し、それらの石炭を単味で、あるいは配合して、乾留しコークスを製造する。その際、石炭装入時の嵩密度を測定しておく。次に、製造されたコークスの表面破壊強度、例えばＩＩＳＫ２１５１のドラム試験法によるＤＩ¹⁵⁰ ₆を測定する。さらに、石炭軟化時の比容積と石炭装入時の嵩密度から算出される石炭軟化時の空隙充填度とコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆の関係を求める。なお、石炭軟化時の比容積は、単味炭の場合は実測値を用い、配合炭の場合は各石炭の実測値の加重平均値を用いればよい。表面破壊強度を推定するには、使用する石炭の軟化時の比容積を測定し、さらに乾留する際の石炭装入時の嵩密度を石炭水分や粒度などから予測し、これらの値から石炭軟化時の空隙充填度を算出し、空隙充填度の値から、予め求めておいた石炭軟化時の空隙充填度とコークスの表面破壊強度の関係により、コークスの表面破壊強度を推定する。なお、石炭軟化時の比容積は、単味炭の場合は実測値を用い、配合炭の場合は各石炭の実測値の加重平均値を用いればよい。
【００３４】
なお、コークスは多孔質材料であり、表面破壊強度は気孔率の影響も受ける。すなわち、気孔率が高いと有効断面積が減少するので有効弾性率や有効表面エネルギーなどの物性が変化し、強度が低下する。従って、気孔率による表面破壊強度の変化を求めておき、石炭配合や石炭嵩密度などによるコークス気孔率変化の影響を織込めば、推定精度はさらに向上する。
【００３５】
ここで、コークスの気孔率は、例えば、石炭の嵩密度とコークス歩留から推定できる。また、コークス歩留は石炭の揮発分などから推定できる。
【００３６】
【実施例】
表１に示す石炭を用いて、表２に示す配合炭から製造されるコークスのＪＩＳＫ２１５１に規定されているドラム強度試験で測定される表面破壊強度指数ＤＩ¹⁵⁰ ₆を推定した。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
６ｍｍ以下表面破壊により生成する粉の量は、単味石炭の最大比容積の加重平均値とコークス炉装入時の嵩密度により算出される石炭軟化時の空隙充填度から、図１を用いて推定した。図１は装入炭量３００Ｋｇの乾留試験炉による各種単味炭およびそれらの配合炭についての炉温１２００℃での乾留実験から作成したものである。石炭の比容積は、ＪＩＳＭ８８０１に規定されている石炭の膨脹性測定装置を使用して石炭を１ｍｍ以下に粉砕して粉体のまま嵩密度０．８ｇ／ｃｍ³に充填して測定した。
【００４０】
推定されたＤＩ¹⁵⁰ ₆の値を表２に示す。表２には、ＤＩ¹⁵⁰ ₆の実測値も併せて示した。実測値は、炭化室内容積３４ｍ³のコークス炉で配合炭を炉温１２００℃で乾留して求めた。本発明による推定値は実測値とよく一致している。
【００４１】
比較例として、特開平９−２６３７６４号公報に開示されている方法で推定したＤＩ¹⁵⁰ ₆も表２に示した。本発明の方法と比べると実測値との差が大きい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明により、コークス強度を精度よく推定できる。これにより、コークス強度を一定の値に保つことができる。その結果、高炉の安定操業と効率的操業が維持でき、その経済効果は大きい。
【００４３】
また、本発明により、コークス強度の推定精度が向上する結果、コークス強度のばらつきが低減される。従って、その分コークス強度の平均値を低下させることができる。そこで、安価な非・微粘結炭の使用可能量を増加でき、コークスのコスト低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】石炭軟化時の空隙充填度とＤＩ¹⁵⁰ ₆の関係を示す図。

Claims

石炭の特性から乾留後のコークスの表面破壊強度を推定する方法において、（Ａ）先ず各種石炭の軟化時の比容積を、ＪＩＳＭ８８０１に規定されているディラトメーターにより測定される膨張率ｂ（％）から下記（１）式により算出し、該石炭を乾留しコークスを製造する際の石炭装入時の嵩密度を測定し、前記石炭軟化時の比容積と該石炭装入時の嵩密度から下記（２）式で定義される石炭軟化時の空隙充填度を求めるとともに、ＪＩＳＫ２１５１に規定されているドラム試験法により前記コークスの表面破壊強度ＤＩ ^１５０ _６を測定し、さらに石炭軟化時の空隙充填度とコークスの表面破壊強度との関係を求め、
（Ｂ）次に使用する石炭の軟化時の比容積とコークス炉装入時の石炭の嵩密度から石炭軟化時の空隙充填度を算出し、該空隙充填度の値から、予め求めておいた前記石炭軟化時の空隙充填度とコークスの表面破壊強度との関係によりコークスの表面破壊強度を推定することを特徴とするコークスの表面破壊強度の推定方法。
石炭軟化時の比容積 (cm ³ /g)= ・・・ =0.96 π (1+b/100) ／ディラトメーターへの石炭装入量 (g) ・・・（１）
石炭軟化時の空隙充填度(-)＝石炭軟化時の比容積(cm³ /g)×コークス炉装入時の石炭の嵩密度 (g/cm³ )・・・（２）