JP4396295B2

JP4396295B2 - 冶金用コークスの製造方法

Info

Publication number: JP4396295B2
Application number: JP2004024698A
Authority: JP
Inventors: 喜代志深田; 健史野田; 省三板垣; 泉下山; 浩二花岡; 英和藤本; 哲也山本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP2005213462A

Description

本発明は、粒度の大きなコークスを製造する冶金用コークスの製造方法に関する。

冶金用コークスは、高炉操業の安定化を図ることを品質管理の目標として設定されており、特にコークスの役割である高炉内通気性を確保するための充填材としての役割が、最近の高炉での微粉炭多量吹き込み操業や高出銑比においては注目されている。このためコークス品質としては、コークス強度を維持しながらコークス粒径の拡大が求められている。コークス粒径は、コークス炉の乾留温度の低下、装入石炭の嵩密度の低下あるいは装入石炭性状（例えば、反射率（Ｒ_o）、流動性（ＭＦ）)の向上により拡大するものの、コークス生産性の確保及びコークス製造コスト上昇などの制約からほとんど採用されていない。そこで、コークス生産性やコークス製造コストへの影響度の小さい、炭材添加によるコークス粒度制御技術が一般的に採用されている。

特許文献１（特開平６−１７０５６号公報）及び特許文献２（特開平６−２６４０６９号公報）では、原料配合炭にコークス粉、無煙炭あるいはオイルコークスなど、石炭の再固化温度以上での収縮率が石炭より小さい炭材を添加するとともに、炭材と石炭粒子の接着強度を補強するためにピッチなど歴青物をあわせて添加することにより、コークス粒度を増大する方法が開示されている。また、特許文献３（特開昭６０−６９１９３号公報）では、目的とするコークス粒度に応じて添加する炭材の粒度を調整する方法が開示されている。

特開平６−１７０５６号公報特開平６−２６４０６９号公報特開昭６０−６９１９３号公報

特許文献１及び特許文献２に開示された方法では、特許文献３で説明されているように、添加する炭材の粒度により得られるコークスの粒度拡大と強度低下効果が異なってくる。つまり、炭材粒度を考慮した対応をとらない場合には、粒度拡大効果が十分に得られないばかりか、予想以上にコークス強度が低下することが考えられる。この結果、目標粒度と強度を有するコークスを製造するためには、微小亀裂の発生量を抑制するため高価な瀝青物を過剰に添加することになり、コークス製造コストの増加につながる。

また、配合炭性状や乾留条件によっても得られるコークスの性状が異なることから、これら条件によって添加炭材の最適な粒度分布は変わってくると考えられる。すなわち、コークス製造コストを増加させることなくできるだけ大きなコークスを製造するためには、コークス品質に応じた最適な粒度構成の微粉炭材を添加する必要がある。

本発明者は、コークス強度や気孔率などコークスの性状により、炭材の粒径の最適値は異なるものの、ラボ実験ならびにモデル解析の結果から、コークス平均気孔壁厚みがもっとも炭材の粒径の最適値に相関性があることを見出した。

すなわち本発明は、コークス炉装入石炭に微粉化した炭材を配合して、粒度の大きなコークスを製造する方法において、コークス炉装入石炭の品位及び／又はコークス炉の操業条件に基づいて製造されるコークスの平均気孔壁厚みを、下記の（１）式、
Ｄｗ＝ａ・ρ・ｅｘｐ（ｂ・ｌｏｇＭＦ）＋ｃ…（１）
ａ，ｂ，ｃは、定数、
ρは、装入嵩密度、
ＭＦは、コークス炉装入石炭（添加される炭材を含む）の最高流動度、
により推定し、得られたコークスの気孔壁厚みに基づいて粒度分布を調整した炭材を、コークス炉装入石炭に添加することを特徴とする。

得られたコークスの気孔壁厚みを、製造されたコークスの気孔−気孔間距離を測定し、測定値の平均値を平均気孔壁厚みとして実測することもできる。

炭材の粒度は、コークス平均気孔壁厚みの０．５〜２．０倍程度の大きさが好ましく、炭材の８０質量％以上がこの粒度範囲に含まれることが望ましい。

炭材は、１質量％以上１０質量％以下添加されるのが望ましい。

本発明によれば、コークス強度を低下させずに粒度の大きなコークスを製造できる。また、その効果が配合条件や操業条件の変動に左右されにくいため、一定の強度と粒度を有するコークスを安定供給できる。この結果、高炉内において充分な通気性が確保され、高炉の安定操業も継続することができる。

コークス炉にはカールスチル式、コッパース式、オットー式等種々のものが開発されているが、本発明の方法はその型式を問わず適用できる。原料となる石炭品位は、冶金用コークスとしての品質を維持するために粘結性、石炭化度、全イナート量が適当な範囲にあることが必要であり、配合炭の品位を調整するため、性質の異なる１種類以上の石炭を配合したものを使用している。この中に、粘結材や炭材が配合されている場合もある。本発明において使用されるコークス炉装入石炭（装入配合炭）はこのコークス原料炭としての要求を満足するものである。

粘結材はピッチ、軟ピッチ、中ピッチなどの石炭系粘結材、ASP、PDAなどの石油系粘結材、膨潤炭やSRCなどの溶剤処理炭、その他、芳香族性が高く、軟化溶融する高分子系の物質であれば使用することができる。

炭材は乾留時に軟化溶融し難い物質であり、コークス、無煙炭、ディレードオイルコークス、フルードオイルコークス等である。炭材の粒径は、コークス強度や気孔率などコークスの性状により最適値は異なるものの、ラボ実験ならびにモデル解析の結果から、コークス平均気孔壁厚みが炭材の粒径の最適値にもっとも相関性ある。炭材の粒径は、コークス平均気孔壁厚みの０．５〜２．０倍程度の大きさが好ましく、炭材の８０質量%以上がこの粒度範囲に含まれることが望ましい。例えば標準的なコークスの場合、平均気孔壁厚みは２００μｍ程度といわれており、このようなコークスの場合には粒度が０．１〜０．６ｍｍ程度のものを８０質量%含む炭材が望まれることになる。

炭材粒度分布の調整方法は、ふるいによる整粒、粉砕機を用いた粒度調整、粒度分布の異なる1種類以上の炭材を配合するなどいずれの手法により得られたものでも構わない。例えば炭材としてコークスを例にとると、ロッシュミルなど粉砕機により粒度調整する方法やコークス炉廻りから発生する沈殿粉、集塵粉などを適正粒度分布となるように配合する方法などが考えられる。

炭材の配合量は０．０１質量％以上１５質量％以下の範囲であり、１質量％以上１０質量％以下程度の範囲が好ましい。

コークスの平均気孔壁厚みは、気孔−気孔間の最短距離と定義される。図１は、実際の測定イメージを示した図である。顕微鏡画像を二値化することで、気孔（白地）とコークス基質（黒地）を分離可能としている。実際の測定に際しては、等間隔で測定ラインを決め、このライン上のすべての気孔−気孔間距離（白抜き矢印）を画像処理ソフトにより測定、測定値の平均値を平均気孔壁厚みとした。

コークスの平均気孔壁厚みは例えば以下の手順で測定される。まず、塊コークスの胴部から試料を切り出す。切り出す位置でコークスの構造は異なるため、品質が安定している胴部を選択する。切り出したコークスを樹脂に埋め込み、顕微鏡観察できるように表面を研磨する。次に、所定の倍率で顕微鏡写真を撮影する。次に、上記顕微鏡写真を画像処理する。画像処理には汎用の画像処理装置あるいは画像処理ソフトのいずれを使用しても構わない。測定内容は上述した通りである。

また、コークスの平均気孔壁厚みは、石炭の最高流動度(以下ＭＦ)あるいは全膨張量(以下ＴＤ)など粘結性指数を変数とした配合条件と装入嵩密度や稼働率(加熱速度)などを指数とした操業条件を関数化して推算される。

具体的には、Ｄｗ＝ａ・ρ・ｅｘｐ（ｂ・ｌｏｇＭＦ）＋ｃ…（１）から算出される。

ここで、ρは装入嵩密度、ＭＦはコークス炉装入石炭（添加される炭材を含む）の最高流動度を表す。ａ、ｂ、ｃ各係数は以下のように求められる。流動性（ＭＦ）の異なる配合炭を何種類か調整し、それぞれを試験炉で乾留し、また嵩密度の変更試験も同様に実施し、得られたコークスの平均気孔壁厚みを上記方法により測定する。得られた結果から、回帰的に係数を決定する。

加熱速度の影響を考慮する場合、石炭のＭＦ測定は通常３℃／分の加熱速度で実施される（ＪＩＳで規定）。本法で加熱速度の影響を評価する場合、事前に所定加熱速度で当該炭のＭＦを測定、得られた値を上式に代入してＤｗを推定する。

乾留試験は実際のコークス炉をシミュレート可能な乾留炉を用いて行った。配合炭品位(添加炭材含む)は、通常品位の中でもＭＦが低いレベル（Ｒ_o＝１．１、ＭＦ＝１９０、ＴＩ＝３１）となるように調整した。尚、添加炭材には粒度範囲の異なる５種類のコークス粉（０．０７５〜０．１５、０．１５〜０．３０、０．３０〜０．５０、０．５０〜０．７１、０．７１〜１．００ｍｍ）を３質量％添加した。

コークスの平均気孔壁厚み（Ｄｗ）は上記の（１）式により推算した。（１）式より、コークスの平均気孔壁厚みは約１５０μｍと算出された。

図２に添加コークス粒径とコークス平均粒径、ドラム強度の関係を示した。添加したコークス粉の粒度が大きくなるにつれ、製造されるコークスの粒径は大きくなるがドラム強度は低下した。この中で、平均気孔壁厚みの０．５〜２倍相当の粒度（０．０７５〜０．１５ｍｍ、０．１５〜０．３０ｍｍ）を有するコークス粉を添加したときのみ、コークス強度を低下させることなくコークスの粒度は大幅に拡大した。また、もっともコークス粒度拡大効果の大きな粉粒度は、気孔壁厚みの１〜２倍相当の０．１５〜０．３０ｍｍであった。

乾留試験は実際のコークス炉をシミュレート可能な乾留炉を用いて行った。配合炭品位（添加炭材含む）は、通常品位の中でもＭＦが低いレベル（Ｒ_o＝１．１、ＭＦ＝４００、ＴＩ＝３１）となるように調整した。尚、添加炭材には粒度範囲の異なる５種類のコークス粉（０．０７５〜０．１５、０．１５〜０．３０、０．３０〜０．５０、０．５０〜０．７１、０．７１〜１．００ｍｍ）を３質量％添加した。本条件では、コークスの平均気孔壁厚み（Ｄｗ）は（１）式から約２５０μｍと推算された。

図３に添加コークス粒径とコークス平均粒径、ドラム強度の関係を示した。添加したコークス粉の粒度が大きくなるにつれ、製造されるコークスの粒径は大きくなるがドラム強度は低下した。この中で、平均気孔壁厚みの０．６〜２倍相当の粒度（０．１５〜０．３０、０．３０〜０．５０ｍｍ）を有するコークス粉を添加したときのみ、コークス強度を低下させることなくコークスの粒度は大幅に拡大した。また、もっともコークス粒度拡大効果の大きな粉粒度は、気孔壁厚みの１．２〜２倍相当の０．３０〜０．５０ｍｍであった。

乾留試験は実際のコークス炉をシミュレート可能な乾留炉を用いて行った。配合炭品位（添加炭材含む）は、通常品位の中でもＭＦが低いレベル（Ｒ_o＝１．１、ＭＦ＝１９０、ＴＩ＝３１）となるように調整した。添加炭材には粒度範囲０．１５〜０．３０ｍｍのコークス粉を使用した。添加率は１、３、５、１０質量％の４水準とした。

図４にコークス粉添加率とコークス平均粒径、ドラム強度の関係を示した。コークス粉添加率５％までは、粉添加率の増加にともないコークス強度を低下することなくコークスの平均粒径は拡大した。一方、粉添加率が１０％の場合には、コークス強度はベースに比較して若干の低下傾向を示すも許容可能レベルであった。また、ベースに比較して平均粒径は大きかったが、粉添加率５％に比較して粒径拡大効果は大幅な低下を示した。

このように、粉コークスの添加率１〜１０％で粒径拡大効果が認められたが、粉添加の強度への影響と粒径拡大効果を考慮した場合、添加率の上限は１０％と考えられる。また、最も粒径拡大効果の得られるコークス粉の添加率は５％であった。

乾留試験は実際のコークス炉をシミュレート可能な乾留炉を用いて行った。配合炭品位（添加炭材含む）は、通常品位の中でもＭＦが低いレベル（Ｒ_o＝１．１、ＭＦ＝１９０、ＴＩ＝３１）となるように調整した。尚、添加炭材にはＣＤＱから発生した粉とコークス炉廻りから発生した沈殿粉などを混合して作成した粒度範囲の異なる３種類のコークス粉（Ａ、Ｂ、Ｃ）及び粉コークス製造設備（ロッシュミル）により製造した１種類のコークス粉（Ｄ）を使用した。添加率は５質量％一定とした。表１に添加コークス粉の粒構成を示す。

図５に添加したコークス粉の種類とコークス平均粒径、ドラム強度の関係を示した。コークス粉Ａを添加した場合にはコークス平均粒径は増加するものの、コークス強度の大幅な低下が認められた。一方、コークス粉Ｂ、Ｃ、Ｄを添加した場合には、コークス強度を低下することなくコークス平均粒径の大幅な向上を確認した。コークス粒径拡大効果はＣ＞Ｄ＞Ｂの順で得られた。

本試験で得られたコークスの平均気孔壁厚みは（１）式より１５０μｍと推算されることから、最適なコークス粉の粒度構成は０．１５〜０．５０ｍｍである。コークス粉Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ中の０．１５〜０．３０ｍｍの粒度割合はそれぞれ５１．９、８１．８、９０．３、８２．３％であった。以上の結果、強度を低下させることなくコークス粒径の拡大効果を効率的に得るためには、製造されたコークスの平均気孔壁厚みの０．５０〜２．０倍の粒度範囲に８０質量％以上が入るように粒度分布を調整したコークス粉を添加することが望ましいと考えられる。

コークスの気孔壁厚みの測定イメージを示した図。配合炭ＭＦが低いときの添加コークス粉粒径とコークス平均強度、ドラム強度を示すグラフ。配合炭ＭＦが高いときの添加コークス粉粒径とコークス平均強度、ドラム強度を示すグラフ。粒度範囲０．１５〜０．３０ｍｍのコークス粉添加率とコークス平均強度、ドラム強度を示すグラフ。粒度構成のことなる製鉄所発生コークス粉の混合割合を変えた粉、ならびに粉コークス製造設備で製造したコークス粉を添加したときのコークス平均強度、ドラム強度を示すグラフ。

Claims

コークス炉装入石炭に微粉化した炭材を配合して、粒度の大きなコークスを製造する方法において、
コークス炉装入石炭の品位及び／又はコークス炉の操業条件に基づいて製造されるコークスの平均気孔壁厚みを、下記の（１）式、
Ｄｗ＝ａ・ρ・ｅｘｐ（ｂ・ｌｏｇＭＦ）＋ｃ…（１）
ａ，ｂ，ｃは、定数、
ρは、装入嵩密度、
ＭＦは、コークス炉装入石炭（添加される炭材を含む）の最高流動度、
により推定し、得られたコークスの気孔壁厚みに基づいて粒度分布を調整した炭材を、コークス炉装入石炭に添加することを特徴とする冶金用コークスの製造方法。
得られたコークスの気孔壁厚みを、製造されたコークスの気孔−気孔間距離を測定し、測定値の平均値を平均気孔壁厚みとして実測することを特徴とする請求項１に記載の冶金用コークスの製造方法。
得られた気孔壁厚みの０．５〜２．０倍の粒度範囲に、炭材の８０質量％以上が入るように、炭材の粒度分布を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の冶金用コークスの製造方法。
前記炭材をコークス炉装入用石炭に、１質量％以上１０質量％以下添加することを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の冶金用コークスの製造方法。