JP4884947B2

JP4884947B2 - コークス炉の破孔補修方法

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Publication number: JP4884947B2
Application number: JP2006330433A
Authority: JP
Inventors: 辰彦坂井; 浩文今井; 淳中嶋; 信太郎小林; 正彦横溝; 雅人杉浦
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: JP2008143966A

Description

本発明は、コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる炉壁に生じた炭化室から燃焼室を貫通する破孔を熱間で補修する技術に関する。

コークス炉は炉を加熱するための燃焼室とコークスを生成する炭化室に分かれており、壁面は耐火物レンガが使用されている。炉の長年の使用により耐火物レンガには表面損傷や亀裂、遂には炭化室から燃焼室まで貫通するような破孔が発生する。特に破孔が発生すると、挿入した石炭が燃焼室にこぼれ落ちてガスポートを閉塞させたり、炭化室からコークスガスが燃焼室に流入して不完全燃焼を起こし、黒煙を発生させる原因となる。

炉壁の補修は炉を停止して冷却して行うと耐火レンガの熱変形が大きく、炉壁全体へ損傷を与える危険がある。そのため炉壁の補修は操業温度の1000℃近傍の熱間で行う必要がある。

表面の損傷は一般にレンガ表面の欠損による凹部であり、補修方法としては例えば特許文献１や２に開示されているように、耐火物をバーナーで溶射して補修することが可能である。この場合、炉壁観察装置、溶射バーナー等の補修装置は水冷ジャケットで保護されるため熱間での補修が可能になる。

凹部に欠損した耐火物表面の補修方法としては、補修材の密着性を高めるために補修前の表面を機械的なハツリ加工で処理する方法（特許文献１）や表面に溝形状を形成する方法（特許文献３）、あるいは、損傷した部分をレーザで除去する方法（特許文献４）等が提案されている。

一方、炭化室から燃焼室へ貫通した破孔の場合、直径10mm程度の小さな破孔であれば溶射によって塞ぐことも不可能ではないが、大きくレンガが欠落した破孔の場合は溶射するターゲットがないため溶射補修は不可能である。そこで、破孔を塞ぐ方法として、例えば図５に示すように破孔に耐火レンガを充填する方法が考えられる。この際には、例えば特許文献１に開示されているような熱間炉壁観察装置を用いて炭化室側から破孔の表面形状を計測して、形状に合わせた耐火物レンガを炉外で整形加工して、それを熱間で操作可能なマニピュレータで破孔に挿入すればよい。
特開２０００−２１２５６６号公報特開２００４−２７７５２７号公報特開平０１−１５５１９１号公報特開昭５８−６４３０６号公報

しかしながら、上記特許文献１〜４の補修技術を用いた場合には、破孔発生時は、炭化室のコークスを押し出す際に炉壁にかかる圧力でレンガが燃焼室側に崩落することが多いため、すなわち図４に示すように破孔の断面形状は燃焼室側に向かって広がっている場合が多い（なお、図４において、上段左手には炉壁における破孔の図、上段右手には破孔のＢ−Ｂ’断面図、中段には破孔のＡ−Ａ’断面図、下段には破孔の拡大図を示した）。その様な破孔に対しては、炭化室側からの表面形状測定で得られた情報で充填レンガを整形して挿入しても、炉壁内部では隙間が発生して補修後の炉壁は十分な強度が得られない問題があった。すなわち、すべての破孔に対応可能な信頼性の高い補修技術がこれまで無かった。

本発明は、上記課題に鑑み、従来公知技術では困難であった炭化室から燃焼室に貫通する破孔部を熱間で補修し、補修後も高い炉壁強度を得られる補修技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明によれば、コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火物レンガ炉壁に生じた炭化室から燃焼室に貫通する破孔部を熱間で補修する破孔補修方法において、破孔断面形状が炭化室から燃焼室に向かって狭くなる階段形状あるいはテーパー形状になるように前記破孔部を整形する工程と、前記整形した破孔部に充填用耐火物レンガ材を挿入して固定する工程と、を有することを特徴とする、コークス炉の破孔補修方法が提供される。

上記破孔補修方法は、前記破孔部を整形する工程において、前記炭化室側からのレーザ照射により前記破孔部を整形するようにしてもよい。

上記破孔補修方法は、前記充填用耐火物レンガ材を前記整形された破孔部に挿入して固定する工程において、前記整形された破孔部に挿入できるように、前記整形された破孔部に整合する形状に前記充填用耐火物レンガ材を整形するようにしてもよい。

上記破孔補修方法において、前記破孔部の整形及び前記充填用耐火物レンガ材の整形の少なくともいずれか一方の整形によって、前記挿入された充填用耐火物レンガ材と前記破孔部との境界に開先部を形成し、前記開先部に粉体耐火物を溶射して前記挿入された前記充填用耐火物レンガ材を固定するようにしてもよい。

本発明により、破孔部を断面形状が燃焼室に向かって狭くなるテーパー形状、あるいは階段形状に整形し、また、充填する耐火物レンガ材をそれと合致するよう整形しているため、炭化室側からの破孔部への挿入が容易であり、且つ挿入後は破孔部との接触面積も広い。また炭化室側からの圧力に対して強い構造を持つ。更に固定方法として破孔部と挿入レンガとの境を開先状として、そこに耐火物を溶射することでより強固な固定が可能である。このように、コークス炉の炉壁に生じた破孔を確実に補修することができる。また、加工手段として、レーザ加工を用いているため、切削加工に比べて機械的な応力が発生せず、破孔周辺の正常な炉壁部の強度に影響を与えず、安全に補修を行える利点がある。

以下に図を用いて本発明を詳細に説明する。図３は本発明の第１の実施の形態に係る破孔補修方法を実施するのに適した破孔部１の補修装置２０の一例を示す構成図であり、コークス炉を炉頂部から見下ろした図に相当する。図３では、コークス炉の破孔部１を含む炉壁２の断面と、炭化室内でレーザにより炉壁２を補修する一工程が示されている。炉壁２は耐火レンガを積み上げて作られており、耐火レンガ１個当たりのサイズは例えば幅300〜400mm、高さ約100mm、厚さ100〜150mmである。破孔１の発生メカニズムは、以下のように考えられる。炭化室で製造されたコークスを押し出す際には炭化室から燃焼室に向かって炉壁２を押す圧力がかかる。特に炉壁２の表面に凹凸があると、そこに局所的に大きな圧力がかかり、耐火レンガは欠損する。そのレンガは燃焼室側に押し出されるため、破孔断面は図３に示されるように炭化室側から燃焼室側に広がった形状となる。

本発明に用いる装置２０はレーザ加工ヘッド部と加工部観察部とに大きく分けられる。まず、レーザ加工ヘッド部について説明する。レーザ光は炉外に置かれた図示されないレーザ装置より出力され、光ファイバ１５を伝送してコリメータヘッド８から出力される。コリメータヘッド８は出力ビーム径をφ8mmの平行ビーム１４に変換する。レーザビームは反射ミラー６で反射され集光レンズ４で集光されて加工ヘッド３のピンホール１３を通過して破孔部１近傍の耐火レンガ２とに照射される。レーザビームの照射径はレンズ４と耐火レンガ２の距離を加減して調整する。ここで、加工ヘッド３は回転機構としての加工ヘッド回転可動装置５により炉壁２に対するレーザビームの入射角を変更することが可能である。また、加工ヘッド３は伸縮可能であり、レンズ４と炉壁２の距離を変更して炉壁２への照射ビーム径を変更することができる。炉壁２と加工ヘッド３の距離はレーザ変位計７にて測定する。また、レーザ加工後の破孔部１の形状もレーザ変位計７にて測定する。使用するレーザは光ファイバでの伝送が容易であることから波長1.1μm帯のYAGレーザ、あるいはファイバレーザが適する。また、ミラー反射による伝送も可能であることからCO_２レーザも使用可能である。

次に加工部観察部について説明する。破孔部１はＣＣＤカメラ１０にて観察する。観察は耐熱ガラス９を通して行う。1000℃近傍の輻射エネルギーは波長2〜3μmにあるため輻射熱を抑制するためカメラ１０の前にこの波長域を遮断するフィルター１８を用いても良い。

加工ヘッド３に取り付けられた変位計７と加工部観察部は破孔部１の観測手段として機能する。また、レーザ加工ヘッド部３と加工部観察部は水冷機構を備えた断熱ボックス１１内に納められ、1000℃以上の熱間に於いてマニュピレータ（図示せず）により炉内を上下左右に移動可能である。

本発明の加工手段としては、レーザを用いることを特徴としている。その理由について説明する。破孔発生部は耐火物の欠損により局所的な応力が集中している。従って機械的なドリルや刃物による加工では周辺部にも強い応力がかかるため、破孔部周辺に新たな損傷を与え、強度を劣化させる可能性がある。一方、レーザ加工はレーザ照射点での急加熱による局所破砕、もしくは溶融による加工であり、機械的応力がほとんど発生しない。その結果、破孔周辺部の強度には影響を与えない利点がある。

次に、以上のように構成された装置２０を用いて実施される、本発明の第１の実施の形態に係る破孔補修方法を説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る破孔補修方法を実行する手順の一例を示している。なお、破孔部１のレンガを破砕除去して整形する際に、すべて1000℃の熱間で実施した。炉壁２のレンガ厚は100mmである。まず図１−（１）のように観測手段を用いて破孔部１の位置と形状が計測される。ここではCCDカメラ１０とレーザ変位計７にて詳細な表面破孔形状と位置を特定する。次に、図１−（２）で破孔位置と形状情報を基に表面破孔部１の周辺にレーザを照射して破孔部１の整形加工を行う。本発明の第１の実施形態では、レーザ装置として炉外に設置したファイバレーザを用い、レーザ光を光ファイバでレーザ加工ヘッド３に伝送した。レーザパワーを700W、照射ビーム径をφ10mm、ビーム走査速度を50mm/sに設定したレーザビームを走査して加工を行った。

その結果、レーザ照射部の急加熱による熱膨張でレンガは破砕され、ほとんど溶融することなく表面から一定の速度で除去された。これにより図１−（３）に示すように破孔部１の破孔断面形状を炭化室側に一定の平坦部１６を持つ階段形状とした。平坦部１６の深さは70mmとした。ここで照射レーザビームのパワー密度Pdを0.１〜100W/cm^２の比較的低い範囲に限定すると、照射部の耐火レンガは一定の速度で表面から効率的に破砕除去され、本発明の方法に適する。Pdが0.1W/mm^２以下ではレーザ加熱よりもレンガの熱伝導が速くなるため十分な加熱がなされず、100W/mm^２以上ではレンガの溶融が顕著になり溶融部のガラス化で破砕が抑制されるものである。

次に図１−（３）に示すように階段形状に整形した破孔部１を観測手段により正確に計測し、その情報を基に充填する耐火物レンガ材を炉外で整形加工した。ここで、充填用耐火物レンガ材と破孔部１との炭化室側の境界に開先部が形成されるように、破孔部１と充填用耐火物レンガ材を整形する。開先部は、図１−（４）に示すように、紙面に平行な断面がＶ字形状になるように形成されている。炉外で加工された充填用耐火物レンガ材１９は図示されない熱間仕様のマニピュレータで破孔部１に運ばれ装填される。次に、図１−（５）に示すように、炭化室側の表面からＶ字形に凹んだ隙間に火炎バーナーを用いた溶射装置１７で耐火物の粉体（以下、粉体耐火物とする）を溶射して充填用耐火物レンガ材１９を固定した。ここで、火炎バーナーによる溶射は隙間が20mmより狭いと隙間に効果的に浸透しないため、破孔部１と充填用耐火物レンガ材１９で作られる隙間は20mm以上であるのが好ましい。

本発明の第１の実施形態に係る破孔補修方法により破孔１を補修した炉壁部分２と、全く損傷のない炉壁部分２の破壊耐圧テストを行ったところ、ほぼ同等の強度が得られた。尚、本発明の主旨は炭化室側から燃焼室側に狭くなる階段形状を形成し、充填用耐火物レンガ材１９を挿入しやすく、且つ挿入後は充填用耐火物レンガ材１９が炭化室側からの圧力に耐えうるように十分広い物理的な接触面積を得ることにある。よって整形する破孔平坦部１６の幅は、加工前の破孔１の径より10mm以上広く取ることが望ましい。

以上の第１の実施形態によれば、破孔部１を断面形状が燃焼室に向かって狭くなる階段形状に整形し、また、充填する耐火物レンガ材１９をそれと合致するよう整形しているため、炭化室側からの破孔部１への挿入が容易であり、且つ挿入後は破孔部１との接触面積も広くなる。また炭化室側からの圧力に対して強い構造を持つ。更に固定方法として破孔部１と挿入レンガ１９との境を開先状として、そこに粉体の耐火物を溶射することでより強固な固定が可能である。このように、コークス炉の炉壁２に生じた破孔１を確実に補修することができる。また、加工手段として、レーザ加工を用いているため、切削加工に比べて機械的な応力が発生せず、破孔１周辺の正常な炉壁部２の強度に影響を与えず、安全に補修を行える利点がある。

本発明の第２の実施形態として、破孔部１近傍のレンガを溶融切断除去することにより、破孔部１をテーパー形状に整形するようにしてもよい。図２は、本発明の第２の実施形態の手順を示す説明図である。なお、本発明の第２の実施形態についても第１の実施形態と同様に、図３に示す補修装置２０を用いて補修を行っている。以下、本発明の第２の実施形態の手順について図２を用いて説明する。

まず図２−（１）に示すように、破孔部１を観測手段で計測した後、その位置情報を基にレーザ加工ヘッド３を破孔部１に移動し加工する。図２−（２）に示すように第２の実施形態では破孔部１の周辺をレーザ溶融切断により、炭化室側から燃焼室側に狭くなるテーパー状に切断加工する。従って、レーザビームは図示するように傾斜して照射される。レーザ装置として炉外に設置したファイバレーザを用い、レーザ光を光ファイバでレーザ加工ヘッド３に伝送した。耐火レンガを溶融させるためにレーザビームは、第１の実施形態よりも高いパワー密度、すなわち小さい集光径で照射する。本発明の第２の実施形態ではレーザパワーを1800W、パワー密度Pdを5000W/mm^２、切断速度を10mm/s、レーザビームの入射角を45°に設定して溶融切断を行った。また加工ヘッド３内に封入したパージガス１２を酸素として、加工ヘッド３のピンホールから加工ガスとして噴出させた。第２の実施形態では、レーザの熱源に加え、1000℃雰囲気での酸素とコークス炉表面の炭素成分の燃焼反応により溶融が促進され、常温下での加工に比べて比較的効率的な切断加工が可能である。尚、レーザ溶融切断では溶融を効率的に行うため、パワー密度は1000W/mm²以上が望ましい。それ以下では溶融が不十分で切断速度、深さが著しく減少する。

次に図２−（３）に示すように、テーパー加工後の形状を測定し、そのデータを基に整形されたレンガ１９を図２−（４）に示すように破孔部１に挿入する。図示するように、挿入する充填用耐火物レンガ材１９の端部は破孔１のテーパー形状とでＶ字断面の隙間ができるように加工した。次に図２−（５）に示すように前記のＶ字の隙間に溶射装置１７で粉体耐火物を溶射し、挿入した充填用耐火物レンガ材１９を固定した。補修後の炉壁２の破壊耐圧強度は損傷の無かった炉壁と同等の強度が得られた。

整形後の破孔部１の断面のテーパー角度に特に制限はないが、20°〜70°程度の範囲になっているのが適切である。また整形前の破孔１の断面については燃焼室側の開口径を測定することは困難である。従って、最適な切断位置の計画は難しい。しかしながら、図２−（２）、（３）に示すように炭化室側から適当な位置と角度で切断を開始すれば、切断線が燃焼室に到達する前に破孔部に到達しても、炭化室から一定距離まではテーパー断面を整形することができる。また観察装置にて形状を測定して再加工することもできる。なお、本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果も有する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

上述した実施形態においては、破孔部１と挿入レンガ１９との境の開先部に粉体耐火物を溶射して耐火物レンガ材１９を固定する場合について説明したが、開先部に溶射する際に粉体以外の耐火物を用いてもよい。

本発明は、コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる炉壁に生じた炭化室から燃焼室を貫通する破孔を熱間で補修する際に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る、コークス炉の破孔補修方法の手順を説明する説明図である。本発明の第２の実施形態に係る、コークス炉の破孔補修方法の手順を説明する説明図である。本発明のコークス炉補修方法に使用する補修装置の説明図である。コークス炉の破孔の説明図である。本発明を用いない従来公知の破孔補修方法の一例の説明図である。

符号の説明

１破孔（部）
２耐火レンガ炉壁
３加工ヘッド
４集光レンズ
５加工ヘッド回転可動装置
６反射ミラー
７レーザ変位計
８コリメータヘッド
９耐熱ガラス窓
１０ CCDカメラ
１１断熱冷却ボックス
１２パージガス
１３レーザ透過ピンホール
１４レーザビーム
１５光ファイバ
１６整形後破孔部の平坦部
１７粉体耐火物溶射装置
１８フィルター
１９充填用耐火物レンガ材

Claims

コークス炉の炭化室と燃焼室とを隔てる耐火物レンガ炉壁に生じた炭化室から燃焼室に貫通する破孔部を熱間で補修する破孔補修方法において、
破孔断面形状が炭化室から燃焼室に向かって狭くなる階段形状あるいはテーパー形状になるように前記破孔部を整形する工程と、
前記整形した破孔部に充填用耐火物レンガ材を挿入して固定する工程と、を有することを特徴とする、コークス炉の破孔補修方法。
前記破孔部を整形する工程において、前記炭化室側からのレーザ照射により前記破孔部を整形することを特徴とする、請求項１に記載のコークス炉の破孔補修方法。
前記充填用耐火物レンガ材を前記整形された破孔部に挿入して固定する工程において、
前記整形された破孔部に挿入できるように、前記充填用耐火物レンガ材を前記整形された破孔部に整合する形状に整形することを特徴とする、請求項１又は２に記載のコークス炉の破孔補修方法。
前記破孔部の整形及び前記充填用耐火物レンガ材の整形の少なくともいずれか一方の整形によって、前記挿入された充填用耐火物レンガ材と前記破孔部との境界に開先部を形成し、
前記開先部に粉体耐火物を溶射して前記挿入された前記充填用耐火物レンガ材を固定することを特徴とする、請求項３に記載のコークス炉の破孔補修方法。