JP4899390B2

JP4899390B2 - コークスの製造方法

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Publication number: JP4899390B2
Application number: JP2005266323A
Authority: JP
Inventors: 喜代志深田; 泉下山; 孝思庵屋敷; 英和藤本; 哲也山本; 広行角
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2025-09-14
Also published as: JP2007077254A

Description

本発明は、高品質な冶金用コークスを製造するためのコークスの製造方法に関するものである。

冶金用コークスは、高炉内の通気性を維持する重要な役割を担っており、安定した微粉炭多量吹き込み操業、高出銑操業あるいは低還元材比操業を達成するため、高品質なコークスは必要不可欠であると考えられている。特に、高炉内での粉発生を抑制する高強度コークスや高炉内の空隙形成効果の大きな大粒径コークスの供給が強く望まれている。

上記のような高品質のコークスを製造するためには、コークス炉に装入する配合炭の性状、例えば、平均最大反射率（Ｒｏ）や最高流動度（ＭＦ）を向上させる方法がある。しかし、ＲｏやＭＦの大きな高品質の石炭は高価であり、コスト面からの制約により、この方法だけで高品質のコークスを製造することは困難である。

一方、コークス製造コストを大幅に削減するためには、安価ではあるが低品質な非微粘結炭を配合用石炭として使用することが望ましい。通常、低品質な非微粘結炭の配合率を増加させた場合にはコークス強度は低下することから、強度低下を回避するための開発が必要である。

このように、配合炭としては安価で低品質なものを用いつつ、高品質のコークスを製造することが大きな課題となっている。このためのコークス製造方法が検討され、特に石炭の粉砕方法を制御することによるコークス品質制御方法に関する開発が積極的に行われてきた。

たとえば、原料炭を篩い分けした後、一定粒度以上のものは粉砕した上、再度篩い分けを行い、一定粒度以上のものを再粉砕して配合し、全体として中間粒度のものを多くするように粒度調整を行う方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。また、活性成分に富んだ石炭と活性成分に富まない石炭で別々に粉砕粒度目標値を定める方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

上記の方法でコークスの品質が向上するのは、以下の理由によるものである。石炭を乾留して製造されるコークスの強度あるいは粒径は、石炭乾留過程に形成される亀裂や気孔などの欠陥構造の大きさや量に大きく依存している。特に、亀裂はコークスの物理性状に多大な影響を及ぼしており、その大部分が、石炭中に混在している乾留時に軟化溶融を示す組織と軟化溶融をほとんど示さない組織など、性状の異なる組織成分間の膨張収縮挙動の差に起因して発生している。そこで、高品質のコークスを製造するためには、このような亀裂の発生を抑制することが有効な手段となる。

亀裂発生を抑制するためには、石炭乾留過程において、軟化溶融をほとんど示さない組織成分と軟化溶融物との融着性を向上させる方法、軟化溶融をほとんど示さない組織成分の周辺に発生する熱応力を抑制する方法などが考えられる。特許文献１〜特許文献３に記載の方法では、軟化溶融をほとんど示さない組織成分の含有量の多い軟化溶融性の低い石炭粒子の粒径を選択的に小さくすることにより、融着性の改善と膨張収縮挙動の差に起因して発生する熱応力の抑制を達成している。

いずれの方法においても、石炭のコークス化過程において強度低下や粒径低下の原因となる亀裂の発生を抑制するため、亀裂の発生源となっている粗粒子の石炭粒子や活性成分に富まない石炭粒子を選択的に小さくすることを目的としている。
特開昭５８−１６２６９３号公報特開平４−３０９５９２号公報特開昭５６−３２５８７号公報

特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載された方法を用いることにより、安価な非微粘結炭のような低品質な石炭を使用しつつ、従来相当の品質をもつコークスを製造可能となった。しかし、現在はより高強度、大粒径を有する、従来以上に高品質なコークスが要求されている。

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、高強度、大粒径を有する高品質なコークスおよびこのようなコークスを低コストで製造できるコークスの製造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）複数品種の石炭を配合した配合炭を粉砕した後に乾留してコークスを製造する際に、二種類以上の異なる組織で構成された石炭粒子の割合が前記配合炭の１５体積％以下となるように石炭を配合することを特徴とするコークスの製造方法。
（２）二種類以上の組織で構成された粒子の比率が高い品種の石炭の少なくとも一部を、粒径の大きな石炭と粒径の小さな石炭とに分級する分級工程と、前記粒径の大きな石炭を粉砕する第一の粉砕工程と、該第一の粉砕工程で処理された石炭と前記粒径の小さな石炭と石炭の残部とを配合する配合工程と、該配合した石炭を粉砕する第二の粉砕工程により処理した後にコークス炉に装入することを特徴とするコークスの製造方法。

本発明によれば、従来製造されているコークスよりもさらに高品質なコークスを製造することができる。このような高品質なコークスを高炉で使用することで、高炉内において充分な通気性が確保され、高炉の安定操業を継続することができる。また、安価な非微粘結炭を多量に使用しながら、従来製造されているコークス相当の品質のコークスを製造でき、コークスの製造コストを削減できる。

本発明は、複数品種の石炭を配合した配合炭を粉砕した後に乾留してコークスを製造する際に、二種類以上の異なる組織で構成された石炭粒子の割合に応じて配合処理を行うことを特徴とするものである。

本発明者らは、石炭粒子を構成する石炭組織成分の存在形態により、全体としては同一の組織成分を有する石炭であってもその性状が異なること、すなわち単一の組織で構成された粒子よりも複数の組織成分で構成された粒子の性状が劣ることを見出し、配合条件や粉砕条件を変えることにより、複数の組織成分で構成された粒子の割合を減少させることで、あるいは複数の組織成分で構成された粒子の粒径を小さくすることで、コークス品質が大幅に改善することを新たに見出して本発明を完成した。

石炭を構成する組織成分それぞれの全体における割合そのものではなく、１つ１つの石炭粒子を構成する石炭組織成分の存在形態に着目した理由は以下の通りである。石炭粒子には単一の組織のみで構成されているものと複数の組織成分で構成されているものが混在している。乾留過程において、軟化溶融を示す組織が軟化溶融を示さない組織を結合してコークス構造体が形成されている。したがって、軟化溶融を示す組織と示さない組織間の欠陥構造の量がコークス強度に大きな影響を及ぼすことになる。そこで、同一組織成分を有する場合でも性状の劣る、複数の組織成分で構成された粒子の割合を少なくすること、あるいは粒径を小さくして影響度を抑制することで、組織間の欠陥量が減少し、コークス強度は向上すると考えた。ここで、石炭の組織成分とは、ＪＩＳＭ８８１６に基づき顕微鏡で観察されるビトリニット、エクジニット、セミフジニット、フジニット等の微細組織成分を表している。これらのうちで、軟化溶融を示す組織はビトリニット、エクジニット等である。

図１に単一の組織成分で構成された粒子１の写真を、図２に複数の組織成分で構成された粒子２の写真を示す。図１の中央の粒子はビトリニット（Ｖ）の単一組織粒子であり、図２の中央の粒子は左側の組織がビトリニット（Ｖ）、右側の組織がセミフジニット（Ｓ）の２つの組織成分で構成されている。単一の組織成分で構成された粒子と、複数の組織成分で構成された粒子との性状差は以下の通りである。ビトリニットの反射率分布を比較すると、図３に示すように、単一の組織成分で構成された粒子の方が高反射率を有する粒子の割合が高く、平均最大反射率（Ｒｏ）も高いことが分かる。また、単一の組織で構成された粒子と、複数の組織で構成された粒子との蛍光顕微分光分析結果を図４に示す。蛍光スペクトル強度比Ｉ₈₀₀／Ｉ₅₅₀は蛍光スペクトルにおける波長５５０ｎｍでの蛍光強度と波長８００ｎｍでの蛍光強度の比を示すパラメーターであり（例えば、ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ、ｖｏｌ．５、１９９２年、ｐ１２4参照。）、石炭の粘結性と高い相関関係を示し大きいほど軟化溶融性が高く、単一の組織成分で構成されたビトリニットのほうが他の組織成分を含むビトリニットよりも軟化溶融性が高い結果が明らかである。他の組織においても、同様に、単一の組織成分で構成された粒子のほうが複数の組織成分で構成された粒子よりも軟化溶融性が高い結果が得られている。

コークス強度の一般的な考え方として、反射率が高いほど基質強度が高く、軟化溶融性が高いほど接着強度が高い。したがって、コークス強度発現を考えた場合、単一の組織で構成された粒子に比較して反射率が低く、軟化溶融性の低い複数の組織成分で構成された粒子をコークス原料として用いることはコークス強度低下の大きな原因と考えられる。

複数の組織成分で構成されている粒子の体積割合は、例えば以下の方法を用いて測定することができる。（ａ）原料炭である石炭をＪＩＳＭ８８１６に基づいた条件で樹脂埋めする。（ｂ）ＪＩＳＭ８８１６に基づいた条件で、顕微鏡により石炭粒子のポイントカウントを行い、単一組織粒子と複数組織粒子の数を調べる。（ｃ）複数組織粒子数／全ポイントカウント数×１００（％）で複数の組織成分で構成された粒子割合が算出される。

尚、ポイントカウント数は５０点以上として測定することが望ましく、１００点以上の測定がさらに望ましい。また、組織成分の大きさは広い分布で存在しているが、本方法では、コークス化性への影響度が極めて小さな組織を評価する必要は無く、１０μｍ以上の組織成分のみを評価対象とする。

高強度コークスを製造するためには、複数の組織成分で構成された粒子割合が２０体積％以下とすることが望ましい。複数の組織成分で構成された粒子割合が２０体積％を超えると、配合炭中の全イナート量が多くなり過ぎ、強度制御因子であるＲｏを高めてもコークス強度が向上しない。複数の組織成分で構成された粒子割合が２０体積％以下であれば、コークス強度は配合炭のＲｏを高めることで向上する。さらに、複数の組織成分で構成された粒子割合を１５体積％以下とすると、コークス強度は配合炭のＲｏの増加にほぼ比例して向上するので、より好ましい。

一方で、コークスを製造する際には原料石炭の反射率と最高流動度を所定の範囲に調整することが望ましい。これは、反射率に代表される石炭化度パラメーター（基質強度と関係）と最高流動度に代表される粘結性パラメーター（粒子の接着強度と関係）を適正化することで、高炉の操業に必要な強度を有するコークスが容易に製造可能であるためである。

また、複数組織成分を有する粒子割合の他、複数組織成分の粒子割合と全イナート量の積も高強度コークスを製造するためのパラメーターとして好適に用いることができる。

上記の方法を用いれば、コークス中の脆弱構造の割合を減少することができるため、従来技術よりもコークス品質は大幅に改善する。

複数の組織成分で構成された粒子の粒径を小さくするには、複数の組織成分で構成された粒子を多く含む品種の石炭を、選択的に粉砕処理することが望ましい。すなわち、二種類以上の組織で構成された粒子の比率が高い品種の石炭の少なくとも一部を、粒径の大きな石炭と粒径の小さな石炭とに分級する分級工程と、前記粒径の大きな石炭を粉砕する第一の粉砕工程と、該第一の粉砕工程で処理された石炭と前記粒径の小さな石炭と石炭の残部とを配合する配合工程と、該配合した石炭を粉砕する第二の粉砕工程により処理した後にコークス炉に装入することが望ましい。

また、二種類以上の組織で構成された粒子の比率が高い石炭の少なくとも一部を成型炭原料として成型炭を製造し、該成型炭と少なくとも、二種類以上の組織で構成された粒子の比率の低い石炭とを配合後、コークス炉に装入することが望ましい。二種類以上の組織で構成された粒子の比率が高い石炭の全部を成型炭原料として成型炭を製造する際には、成型炭は二種類以上の組織で構成された粒子の比率の低い石炭の全部と配合し、二種類以上の組織で構成された粒子の比率が高い石炭の一部を成型炭原料として成型炭を製造した場合は、成型炭と、二種類以上の組織で構成された粒子の比率の低い石炭と、二種類以上の組織で構成された粒子の比率が高い石炭の残部とを配合する。成型炭とすることで、高密度化により石炭粒子間距離を小さくして接着強度を高める効果とバインダーによる改質効果があり、二種類以上の組織で構成された粒子の比率が高い石炭から製造されるコークスの品質を向上させて、コークス強度を高めることができる。

石炭を乾留してコークスを製造する試験を行った。試験には実炉をシミュレート可能な電気炉を使用した。尚、石炭は粒径３ｍｍ以下が８０ｍａｓｓ％の粒度に粉砕処理した。

配合炭の平均最大反射率（Ｒｏ）と複数組織成分の粒子割合を変更し、ギーセラー流動性ｌｏｇＭＦ＝２．５一定の条件で配合炭を調整し、乾留試験を実施し、コークスのドラム強度（ＤＩ１５０／１５）を測定した。ＤＩ１５０／１５はＪＩＳＫ２１５１の回転強度試験法により１５ｒｐｍ、１５０回転の条件で測定したドラム強度である。

結果を図５に示す。平均最大反射率の増加にともないコークス強度は増加した。複数組織成分の粒子割合が多い場合と少ない場合ではその増加現象に差異が認められた。すなわち、複数組織成分の粒子割合が１５体積％以下では、コークス強度は平均最大反射率に比例して増加するが、１５体積％よりも大きい場合には、平均最大反射率の増加にともない、強度の増加量が減少した。すなわち、基質強度の向上分が強度に反映されていない結果となった。

粒径３ｍｍ以下が８０ｍａｓｓ％の粒度に粉砕処理した石炭銘柄Ａ〜Ｆの石炭を配合した配合炭を用い、実施例１と同様に、電気炉で乾留してコークスを製造する試験を行った。

石炭の粉砕条件がコークス強度に及ぼす影響を検討するために、配合炭に異なる粉砕処理を行った。配合炭は平均最大反射率（Ｒｏ）＝１．０５、ｌｏｇＭＦ＝２．３一定に調整した。複数組織成分の粒子割合の影響も確認するため、複数組織成分の粒子割合が１７体積％と１５体積％の２種類の配合炭を準備した。複数組織成分の粒子割合が１５体積％の配合例を表１に示す。複数組織成分の粒子割合が１７体積％の配合炭も、石炭銘柄Ａ〜Ｆの配合率を調整して配合した。

上記の配合炭を用いて、粉砕条件を変化させて、Ｎｏ．１〜５のコークスを製造した。Ｎｏ．１は、複数組織成分の粒子割合が１７体積％の配合炭を粉砕したケース（比較例１）であり、Ｎｏ．２は前記配合炭を篩目６ｍｍの篩いで篩い、篩い上を再粉砕し全量が粒径６ｍｍ以下となるよう調整した後、その他の石炭と配合し、再度粉砕したケース（比較例２）である。Ｎｏ．３は表１の石炭を配合後粉砕したケース（本発明例１）、Ｎｏ．４は表１の石炭の内、複数組織成分の粒子割合が高い石炭Ｂ、Ｄ、Ｅを篩目６ｍｍの篩で篩い、篩い上を６ｍｍ以下に粉砕後、その他の石炭と配合し、再度粉砕したケース（本発明例２）、Ｎｏ．５は篩目を３ｍｍとしてＮｏ．４と同様の粉砕処理を行なったケースである（本発明例３）。Ｎｏ．１〜５のコークスのドラム強度（ＤＩ１５０／１５）を測定した。結果を図６に示す。

複数組織成分の粒子割合が低いと、コークス強度は向上した。また、複数組織成分の粒子割合の高い石炭を事前に分級、粉砕することによりコークス強度が向上した。特に複数組織成分の粒子割合が高い石炭を粒径３ｍｍ以下に粉砕すると、コークス強度は顕著に向上した。

単一の組織成分で構成された粒子の写真。複数の組織成分で構成された粒子の写真。単一の組織成分で構成された粒子と、複数の組織成分で構成された粒子とのビトリニットの反射率分布。単一の組織で構成された粒子と、複数の組織で構成された粒子との蛍光顕微分光分析結果を示すグラフ。複数組織成分の粒子割合の影響を示すグラフ。コークス強度の変化を示すグラフ。

符号の説明

１単一の組織成分で構成された粒子
２複数の組織成分で構成された粒子
Ｖビトリニット
Ｓセミフジニット

Claims

複数品種の石炭を配合した配合炭を粉砕した後に乾留してコークスを製造する際に、二種類以上の異なる組織で構成された石炭粒子の割合が前記配合炭の１５体積％以下となるように石炭を配合することを特徴とするコークスの製造方法。
二種類以上の組織で構成された粒子の比率が高い品種の石炭の少なくとも一部を、粒径の大きな石炭と粒径の小さな石炭とに分級する分級工程と、前記粒径の大きな石炭を粉砕する第一の粉砕工程と、該第一の粉砕工程で処理された石炭と前記粒径の小さな石炭と石炭の残部とを配合する配合工程と、該配合した石炭を粉砕する第二の粉砕工程により処理した後にコークス炉に装入することを特徴とするコークスの製造方法。