JP4899326B2 - 配合炭のコークス収縮率の推定方法およびコークス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数種類の石炭を配合してコークスを製造するに際し、石炭乾留後のコークスの収縮率を推定する方法およびこの方法を用いたコークス製造方法に関するものである。

一般に、高炉の安定操業の観点から高炉用コークスとしては、強度、粒度、気孔率などの特性が安定したものが求められ、なかでも強度は特に重要な特性とされている。通常、このようなコークスの製造においては、複数種の石炭からなる配合炭を原料として使用するため、石炭の選択および配合方法が重要となる。

高炉用コークスの製造に用いる通常の室炉式コークス炉において、炭化室内に装入された石炭層は、炉壁レンガを介して加熱されるため、炉壁面に近い部分の石炭から順次乾留されてコークスケーキを形成する。そして、乾留終了後には、コークスケーキ自体が炉幅方向（水平方向）に収縮しているため、炉壁とコークスケーキの間、およびコークスケーキ中心部に隙間が生じる。乾留後の製品コークスであるコークスケーキは、押出し機により機械的に炭化室から炉外へと排出されるが、乾留により形成された隙間の存在によりコークス炉から容易に排出することができるようになる。

したがって、コークスの収縮量が不十分な場合などは、コークスケーキの押し出し性が悪化し、コークスケーキが窯内で閉塞し炉外へ押し出せなくなるなどのコークスの押し出し不良を生じることになる。前記のようなコークスの押し出し不良が発生した場合、炉外へコークスを排出するために手動によるコークス排出となり時間と手間がかかるため生産性が低下することに加え、コークス押し出し時に、押出し機のプッシャーロッドからコークスケーキを介して炉壁に大きな横圧がかかり、場合によってはコークス炉の炉壁を損傷するという重大トラブルが発生する。

従来、コークスケーキの炉幅方向での収縮量は、実炉での測定が困難であるため試験コークス炉（２〜５００ｋｇ）を用いて測定されている。この試験コークス炉を用いたコークスの収縮量の測定方法は、熱間（コークス温度および炉壁温度：１０００℃以上）の状態において行なう場合は、炉壁に開口した窓孔からロッドを挿入してコークス面に直接押し当て、そのロッドの変位を読み取る方法が一般的である。

試験炉にて乾留を行いコークスとなったサンプルを冷却して室温の状態でコークスの収縮量を測定する、冷間の状態において収縮量の測定を行なう場合は、例えば、脱着式の炉壁を備えた容器内で石炭を乾留し、レーザー式の距離計により炉壁を取り外す前後での平均距離の差からコークスの収縮量を求める方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

既に述べた通り、特性の安定したコークスを得るためには、使用する石炭の種類に応じて配合炭の配合割合を調整して使用する必要がある。しかしながら、上述の収縮量測定方法を用いる場合、特定の配合炭についての収縮量は測定できるが、配合炭の配合割合により収縮量が異なるため実際に使用する配合炭毎に乾留試験を行い、収縮量を測定する必要があるため、配合管理に使用するためには、収縮量測定のため乾留・測定を行う回数が膨大となって実際に行うことは困難であるという問題がある。

一方で、配合炭でのコークスの収縮率を推定する方法として、銘柄毎の石炭の収縮量と２銘柄配合での組み合わせ効果から推定する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−９６４６６号公報 特開平１１−９２７６７号公報

特許文献２に記載の方法を用いれば、銘柄毎の石炭の収縮量から配合炭の収縮量を推定することが可能となる。しかし、この方法では、特に従来使用したことのない新規の石炭を使用する場合などには、２銘柄配合での組み合わせ効果を測定もしくは推定する必要があるが、測定する場合には組み合わせ数が多く手間がかかり、また新規な石炭について精度良く組み合わせ効果を推定するのは困難であるため、必ずしも簡便な方法とはいえない点が問題である。

このように、配合炭のコークスの収縮性（収縮率）を簡便な方法で正確に把握することは困難であるが、この配合炭のコークス収縮率を正確に推定することができれば、コークス炉の操業安定化および炉体長寿命化を実現することができると考えられる。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、配合炭を用いてコークスを製造する際に、簡便な方法を用いながらコークス収縮率を正確に推定できるコークス収縮率推定方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）、複数種の単味炭を所定の配合率で配合した配合炭を原料としてコークスを製造する際に、前記各単味炭のビトリニット組織の反射率分布を測定しておき、前記配合率での配合炭の反射率分布と前記配合炭のビトリニット組織の反射率分布を正規分布と仮定して分布幅を予め求め、該分布幅と、前記各単味炭のコークス収縮率を前記配合率に基づき加重平均して求めた単純平均配合炭コークス収縮率と配合炭のコークス収縮率の関係を用いて、前記配合炭のコークス収縮率を推定することを特徴とする配合炭のコークス収縮率推定方法。
（２）、複数種の単味炭を所定の配合率で配合した配合炭を原料としてコークスを製造する際に、前記各単味炭のビトリニット組織の反射率分布を測定しておき、前記配合率での配合炭の反射率分布と前記配合炭のビトリニット組織の反射率分布を正規分布と仮定して分布幅を予め求め、該分布幅と、前記各単味炭の前記配合率に基づき求められる前記配合炭の平均反射率と配合炭のコークス収縮率との関係を用いて、前記配合炭のコークス収縮率を推定することを特徴とする配合炭のコークス収縮率推定方法。
（３）、（１）または（２）に記載の配合炭のコークス収縮率推定方法を用いて当該配合炭のコークス収縮率を推定して石炭配合を管理し、該管理に基づき配合した配合炭を炭化室に装入して乾留することを特徴とするコークス製造方法。

本発明によれば、冷間で比較的容易に求めることができる情報を用いて、石炭配合条件がコークスの収縮率に対して与える影響を、効率よく迅速かつ正確に推定することができるので、コークスの押し出し不良の発生を防止して、コークス炉の操業の安定化および炉体の長寿命化に貢献できる。

本発明では、各種の石炭を様々な配合率で配合した各種配合炭でのコークスの収縮率を精度良く推定するために、収縮率の推定に、配合する各単味炭の収縮率についての相性を配合炭のビトリニット組織の反射率分布（以下、単にビトリニットの反射率分布という。）を用いて指標化して導入した。なお、単味炭とは単独銘柄からなる、配合炭の配合の基準となるほぼ一定の品質を有する石炭からなる石炭群である。コークスの原料石炭は産出国、炭鉱、炭層などにより性質が異なり、様々な品種の石炭が各種銘柄の石炭として流通している。

従来技術で配合炭でのコークス収縮率の推定を行なうと、配合炭の平均品位（Ｒｏ_(av.)：平均反射率、ＭＦ：最高流動度、イナート量）をパラメーターとして用いているため、平均品位が同じであれば配合炭のコークス収縮率の推定値もほぼ同じとなる。これに対して本発明では、配合に使用する各単味炭の組み合わせ効果を配合炭のビトリニットの反射率分布、特に、ビトリニットの反射率分布の分布幅から求めるようにしたものである。

すなわち、本発明は、複数品種の石炭を所定の配合率で配合した配合炭を乾留してコークスを製造する際のコークス収縮率を推定するにあたり、各品種の石炭（単味炭）のビトリニットの反射率分布および各単味炭の配合率とから、これら単味炭を配合して得られる配合炭のビトリニットの反射率分布を推定して分布幅を求め、該分布幅と各単味炭のコークス収縮率に基づいて当該配合炭でのコークス収縮率を推定する。この際に、各単味炭のコークス収縮率と配合率のみに基づき予想される配合炭のコークス収縮率（以下、「単純平均配合炭コークス収縮率」と記載する。）と、ビトリニットの反射率分布の分布幅とに基づいて当該配合炭でのコークス収縮率を推定することが望ましい。単純平均配合炭コークス収縮率とは、例えば各単味炭のコークス収縮率を各単味炭の配合率に基づき加重平均して求めた、配合炭のコークス収縮率である。この単純平均配合炭コークス収縮率を基準に、配合炭のビトリニットの反射率分布の分布幅を用いてより正確なコークス収縮率を推定する。

また、上記の単純平均配合炭コークス収縮率を基準に用いる替わりに、各単味炭の配合率に基づき求められる平均品位から推定した配合炭のコークス収縮率である平均品位配合炭コークス収縮率を推定の基準として用いることもできる。すなわち、配合炭を構成する各単味炭の配合率に基づき求められる平均品位のみから推定される配合炭のコークス収縮率を推定の基準とするものである。平均品位としてはＲｏ_(av.)を用いることが望ましく、あるいはＲｏ_(av.)の他にＭＦ、さらにはイナート量を加味して評価した平均品位のみから推定される平均品位配合炭コークス収縮率を推定の基準に用いる。この平均品位配合炭コークス収縮率を基準としても、配合炭のビトリニットの反射率分布の分布幅を用いてより正確なコークス収縮率を推定できる。

さらにまた、上記の配合炭のコークス収縮率推定方法を用いて予め配合炭のコークス収縮率を推定して石炭配合を管理し、該管理に基づき配合した配合炭を炭化室に装入して乾留するコークス製造方法を用いることが望ましい。例えば、配合炭を構成する各単味炭のビトリニットの反射率分布および各単味炭の配合率とから、該配合炭のビトリニットの反射率分布を推定して分布幅を求め、該分布幅と配合炭の平均品位（平均反射率、最高流動度、イナート量）とを用いて、当該配合炭のコークス収縮率を推定して石炭配合を管理し、その後、配合炭を炭化室に装入して乾留してコークスを製造することで、押し詰まりの発生等を防止して、コークスの製造を安定して行なうことができる。

配合に使用する各単味炭については、それぞれについてそのコークス収縮率を測定することが望ましいが、本発明では、単味炭では配合炭のような組み合わせ効果を無視することができるため各単味炭の平均品位（Ｒｏ_(av.)、ＭＦ、イナート量）からコークス収縮率を推定しても良い。

また、各単味炭についてのビトリニットの反射率分布は、通常の石炭の反射率測定方法を用いてＪＩＳ Ｍ ８８１６にて規定されている範囲で行なえばよく、例えば原料石炭の製鉄所への入荷の際に、定期的に測定した測定値を用いることができる。また、配合炭のビトリニットの反射率分布は、各単味炭の配合割合から加重平均により乾留試験等を行うことなく比較的容易に求めることができる。この方法により得られた配合炭のビトリニットの反射率分布を用いて、反射率の平均値Ｒｏ_(av.)および正規分布を仮定した時の分布幅σＲｏを求めることができる。

配合炭の平均的な品位（Ｒｏ_(av.)、ＭＦ、イナート量）を一定にした条件で、あらかじめ配合品種や配合比を変化させたいくつかの配合についてコークス収縮率と上記の分布幅σＲｏとの関係を求めておけば、平均的な品位（Ｒｏ_（av.)、ＭＦ、イナート量）およびσＲｏから配合炭のコークス収縮率を比較的容易に推定することができる。または、単純平均配合炭コークス収縮率と上記の分布幅σＲｏとの関係を求めて、配合炭のコークス収縮率を推定する。

ドラム強度（ＤＩ（１５０／１５））が８５以上のような高強度コークスでは平均反射率（Ｒｏ_(av.)）が高くコークス収縮率の確保が困難となるため、本方法は特に有効である。なお、ＤＩ（１５０／１５）はＪＩＳ Ｋ２１５１の回転強度試験法により１５０回転１５分の条件で測定したドラム強度である。また、安価な低反射率（Ｒｏが０．９未満）の石炭を多量に使用した場合にも、σＲｏが増加する傾向にあるため上記推定方法が有効である。また、本発明のコークス収縮率の推定方法を用いれば、予めコークス製造時の押し出し性などが予測でき、石炭配合の可否が事前に判定でき、石炭管理（配合管理）ができるため、予め推定したコークス収縮率を用いて石炭配合を管理し、コークスの収縮率が所定値以上となるように原料石炭の配合を行い、配合炭を炭化室に装入して乾留することにより押し詰まりなど抑制のできるコークス製造方法を行なうことが可能である。

以下、実施例を示して本発明を詳細に説明する。コークス収縮率の測定方法には、熱機械分析装置(ＴＭＡ)などを用いる評価方法があるが、以下の実施例においては、特許文献１等に開示されているものと同様の、水平方向の収縮量を非接触のレーザ変位計を用いて測定する方法で行なった。乾留条件および測定方法は下記のとおりである。

図１に示すレンガ１とステンレス鋼板２により構成された配合炭の収縮量測定用の小型レトルト（114mm L×190mm W×120mm H）を用い、配合炭を小型レトルトに装入し、４０ｋｇ乾留炉において、表１に示す乾留条件の下で乾留を行った。

配合炭の原料に使用した各単味炭はＪＩＳ Ｍ ８８１６に示されるビトリニット組織の反射率分布を測定するとともに、平均反射率Ｒｏ_（av.)(%)を求めた。また、微細組織分析を行いイナート量、ビトリニット組織の割合を定量化した。また、ＪＩＳ Ｍ８８０１に示されるギーセラープラストメーター法により最高流動度ＭＦ(log ddpm)を測定して単味炭の品位として用いた。

単味炭でのコークスの収縮率とＲｏ_（av.)(%)の関係を図２に示す。ここで、コークスの収縮率は、図１において石炭充填時の小型レトルトの幅１９０ｍｍに対してコークス１の収縮により形成された加熱壁側の空隙幅ａの割合を測定して求めたものである。配合炭でのコークス収縮率の推定で使用する各単味炭のコークス収縮率は当然のことながら実際に測定したものを使用してもよいが、単味炭では、図２に示されるようにコークス収縮率とＲｏ_（av.)の間に強い相関があり、単味炭の平均的な品位（Ｒｏ_（av.)、ＭＦ、イナート量）によりコークス収縮率を推定することも可能である。

各単味炭毎のビトリニットの反射率分布および微細組織分析によるビトリニットの割合を測定することで、各単味炭の配合割合が決まれば、所定の配合での配合炭のビトリニットの反射率分布を計算により求めることができる。この段階では、加熱等による化学反応等は生じていないため上記の操作は精度良くまた比較的容易に行うことが可能である。この配合炭のビトリニットの反射率分布について、正規分布を仮定してその分布の幅σＲｏを求めた。

異なる配合の配合炭について、平均品位（ＭＦ、イナート量）一定の条件下での平均品位Ｒｏ_（av.)とコークスの収縮率の関係を図３に示す。図３に示す曲線は、配合炭において組み合わせによる収縮効果に差がないとした場合に、平均品位から推定される線を示す。実際には配合による組み合わせ効果があるため図３において平均品位から推定される線とコークス収縮率の測定値はずれを示している。一方、図４は、図３の結果をσＲｏとコークスの収縮率の関係として示したグラフである。図４に示すように、同じ平均品位（Ｒｏ_（av.)、ＭＦ、イナート量）の配合炭では、単味炭同士の組み合わせ効果と考えられるコークス収縮率の違いがσＲｏにより比較的良好に整理されることが分かった。この原因として、低Ｒｏ（Ｒｏが０．９未満）の成分の増加によるコークスケーキ中の亀裂増加が考えられるため、安価な低Ｒｏ（Ｒｏ＜０．９）の石炭を１０ｍａｓｓ％以上と多量に使用した場合には本方法が非常に有効であると考えられる。また、ＤＩ（１５０／１５）が８５以上のような高強度コークスを製造する際には配合炭の平均Ｒｏ_（av.)を高くする必要があり、図２から明らかなように平均的にはコークス収縮率が低下する傾向にあるが、平均品位とは異なるビトリニットの反射率分布の幅σＲｏを導入することで同じ反射率であってもコークス収縮率が低下しないように配合を調整することが可能であり、本方法が非常に有効となる。

図５に配合炭での平均品位（Ｒｏ_（av.)、ＭＦ、イナート量）からコークス収縮率を推定した場合での推定値と実測値の比較（比較例）およびビトリニットの反射率分布の幅σＲｏを考慮した場合の推定値と実測値の比較（本発明例）を示す。比較例に比べ本発明例ではバラツキが低減され推定精度が良好であることが分かった。

コークス収縮率測定用に用いた小型レトルトの概略図。 単味炭でのコークス収縮率とＲｏ_（av.)の関係を示すグラフ。 配合炭でのコークス収縮率とＲｏ_（av.)の関係を示すグラフ。 配合炭でのコークス収縮率とσＲｏの関係を示すグラフ。 コークス収縮率について実測値と推定値の関係を示すグラフ。

符号の説明

１ レンガ
２ ステンレス鋼板
３ コークス
ａ 収縮量

Claims (3)

1. 複数種の単味炭を所定の配合率で配合した配合炭を原料としてコークスを製造する際に、前記各単味炭のビトリニット組織の反射率分布を測定しておき、前記配合率での配合炭の反射率分布と前記配合炭のビトリニット組織の反射率分布を正規分布と仮定して分布幅を予め求め、該分布幅と、前記各単味炭のコークス収縮率を前記配合率に基づき加重平均して求めた単純平均配合炭コークス収縮率と配合炭のコークス収縮率の関係を用いて、前記配合炭のコークス収縮率を推定することを特徴とする配合炭のコークス収縮率推定方法。
2. 複数種の単味炭を所定の配合率で配合した配合炭を原料としてコークスを製造する際に、前記各単味炭のビトリニット組織の反射率分布を測定しておき、前記配合率での配合炭の反射率分布と前記配合炭のビトリニット組織の反射率分布を正規分布と仮定して分布幅を予め求め、該分布幅と、前記各単味炭の前記配合率に基づき求められる前記配合炭の平均反射率と配合炭のコークス収縮率との関係を用いて、前記配合炭のコークス収縮率を推定することを特徴とする配合炭のコークス収縮率推定方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の配合炭のコークス収縮率推定方法を用いて当該配合炭のコークス収縮率を推定して石炭配合を管理し、該管理に基づき配合した配合炭を炭化室に装入して乾留することを特徴とするコークス製造方法。

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