JP5716271B2

JP5716271B2 - 冶金用コークスの製造方法

Info

Publication number: JP5716271B2
Application number: JP2009242933A
Authority: JP
Inventors: 深田　喜代志; 喜代志深田; 下山　泉; 泉下山; 山本　哲也; 哲也山本; 勇介土肥
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: JP2011089002A

Description

本発明は、主に鉄鋼製造分野の高炉等で用いられる冶金用コークスの製造方法に関するものである。

高炉に装入されるコークスは、高炉内の通気性を確保する重要な役割を担っており、安定した微粉炭多量吹込み操業、高出銑比操業あるいは低還元材比操業を達成するためには、高品質なコークスの利用が必要不可欠であると考えられている。このような背景の下で、高炉での粉化が少ない高強度のコークスを安価に製造する技術の開発が強く望まれている。

冶金用コークスは通常、各種の石炭を配合した配合炭を乾留して製造されるが、コークスの強度は、配合炭の性状の中でも主にビトリニットの平均最大反射率（Ｒｏ）や揮発分（ＶＭ）に代表される石炭化度パラメータと、最高流動度（ＭＦ）、全膨張率（ＴＤ）に代表される粘結性パラメータの２つを制御することで管理されている。そこで、高強度なコークスを製造するためには、これらの性状に優れた石炭の使用割合を高くすることが一般的である。尚、コークス強度の管理精度のばらつきも考慮する必要があり、実際には石炭の目標品位を、ばらつきの分だけさらに高めに設定する場合が多い。

しかし、コークス原料において前記性状の優れた石炭の使用割合を高くすることは、コークス製造コストの上昇に直結する。そこで、配合炭の品位を下げながらもコークス強度を維持あるいは向上させる技術の開発が望まれている。その一つの方法として、コークス強度の管理精度ばらつきを小さくし、過剰に性状の優れた石炭を使用しないようにする方法がある。コークス強度をより正確に予測した管理を実現するためには、コークス強度の管理に使用している石炭化度パラメータや粘結性パラメータの精度を向上させる、すなわち、石炭のコークス化挙動をより正確に反映した物性値を開発することが必要であるといえる。

特に、軟化溶融状態にある石炭の物性はコークス強度に大きな影響を与えるため、軟化溶融状態にある石炭の物性を正確に評価することは重要であると考えられている。例えば、粘結性パラメータとして広く使用されている最高流動度（ＭＦ）は、ＪＩＳＭ８８０１で規定されているギーセラープラストメーター法に基づいて測定される物性値である。これは、トルク一定条件下で回転数を測定する測定方法であるため、流動度が大きくなるにつれて回転子は高速回転することになる。この剪断速度の増加に伴い見掛け粘度は低下して、さらに回転子の回転速度を加速させている、すなわち、流動度が高いほど粘度の差が過剰に反映されているなどの問題点が指摘されていた。そこで、コークス炉内では軟化溶融状態に作用する剪断速度が小さいことを考慮した方法として、特許文献１に、これまで石炭の評価には使用されてこなかった動的粘弾性測定装置という新しい装置を導入し、粘性を測定するための剪断速度に相当する周波数を０．１から１ｒａｄ／ｓ程度の低い周波数で得られる複素粘性率、あるいはいくつかの周波数で得られた複素粘性率の平均値、あるいは複素粘性率の周波数依存性を示すグラフの傾きを、石炭軟化溶融時の粘度とする方法が開示されている。

また、特許文献２には、上記動的粘弾性測定装置を用い、一定の周波数条件下で得られる貯蔵弾性率、損失弾性率、損失正接、複素粘性率などを、石炭軟化溶融時の性状とする方法が開示されている。

特開２０００−３０４６７４号公報特開２００２−３９９３７号公報

コークス炉内において石炭軟化溶融状態に作用する剪断速度は極めて小さいと考えられるが、その絶対値は、気泡の成長速度など石炭の種類によって異なるものである。また、剪断速度を極力小さくしても粘性に対する剪断速度の依存性は残っている。そこで、極小とはいえ、ある一定の剪断速度で測定した粘性は、その特定の剪断速度における石炭性状間の関係が反映されてしまうことになる。このことは、貯蔵弾性率、損失弾性率、損失正接、複素粘性率など、どの物性値に対しても言えることである。さらに、剪断速度の増加にともない粘性は小さくなることから、剪断速度を変更して得られた粘性の平均値を用いる場合は、選択した剪断速度により値が変わってしまうと同時に、石炭銘柄間の関係も変わってしまうことになる。

一方、粘性と剪断速度の関係のグラフにおいてその傾きは一定であり、剪断速度に依存することは無くなるが、傾きをパラメータとして用いると実際に軟化溶融現象を支配している粘性の絶対値があいまいになってしまうという問題がある。

さらには、動的粘弾性測定装置は価格も高く導入が容易ではないのも現状である。そこで、容易に測定できる物性値をパラメータとすることも条件となってくる。

そこで、簡単に得ることができ、しかも剪断速度の依存性をもたず、また、石炭銘柄間の関係を精度良く表すことができる新しい粘結性パラメータが必要であることになる。したがって本発明の目的は、上記のようなパラメータを見出して、これによりコークス強度をより正確に予測して、コークス製造コストを削減することを可能とする、コークスの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、従来技術が抱える上記問題点を解決するため、鋭意検討を重ねた。その結果、粘結性パラメータとして新しい粘性物性値として降伏応力を用いることにより、コークス強度の管理精度が向上してコークス製造コスト削減に寄与できることを見出し、本発明を完成させた。

本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は以下の通りである。
（１）複数種類の石炭を配合した配合炭を乾留してコークスを製造する際に、前記各石炭の石炭化度パラメータと粘結性パラメータとを用いて製造されるコークスの強度を推定し、該推定した強度が所定範囲内となるように前記石炭を配合する冶金用コークスの製造方法であって、前記粘結性パラメータとして石炭の軟化溶融状態の降伏応力を用いることを特徴とする冶金用コークスの製造方法。
（２）配合炭の降伏応力の値が４０〜１５０Ｐａとなるように石炭を配合することを特徴とする（１）に記載の冶金用コークスの製造方法。

本発明によれば、製造されるコークスのコークス強度をより正確に予測することが可能となり、これにより低品質の石炭を用いても、従来製造されているコークスと同等以上の強度を有する高品質のコークスを安定して製造することができる。そのため、低品質の石炭を用いて製造されたコークスであっても、高炉で使用した場合に、通気性が十分に確保され、高炉の安定操業に大きく寄与する。また、本発明によれば、粘結炭よりも安価な非微粘結炭をコークス原料として多量に使用することができるので、コークスの製造コストの削減にも寄与できる。

配合炭のギーセラー最高流動度ｌｏｇＭＦと得られたコークスのドラム強度（１５０回転１５ｍｍ）指数の実測値と推定値の差との関係を示すグラフ。配合炭の粘度η（剪断速度０．０１ｓ^−１）と得られたコークスのドラム強度（１５０回転１５ｍｍ）指数の実測値と推定値の差との関係を示すグラフ。配合炭の降伏応力ｆｃと得られたコークスのドラム強度（１５０回転１５ｍｍ）指数の実測値と推定値の差との関係を示すグラフ。配合炭の降伏応力ｆｃと得られたコークスのドラム強度（１５０回転１５ｍｍ）指数との関係を示すグラフ。

本発明者らは、剪断速度に依存しない粘結性パラメータを、より簡単に得る方法について検討を行った。

様々な種類の石炭に対して、回転粘度計を用いて軟化溶融している時の剪断速度と見掛け粘度の関係を詳細に調査した結果、回転粘度計による粘性の評価が可能であることを確認できた。ただし、粘結炭から軟化溶融しにくい非微粘結炭までの幅広い原料炭を評価するためには、大きな剪断速度は適さず、１ｓ^−１以下とすることが望ましいことがわかった。これは、非微粘結炭では固体に近い成分が多く存在するため、剪断速度を大きくし過ぎると、この固体に近い成分が干渉するため、正確な物性が測定できなくなるためである。

次に、剪断速度と粘度の関係を調査した結果、軟化溶融状態の石炭は既往の粘性流体モデルの中でも非ニュートン流体の粘性モデルで説明できることが分かった。特に、剪断速度の増加に伴い粘性が低下するＳｈｅａｒ−ｔｈｉｎｎｉｎｇ性流体を表現できるモデルであればいずれのモデルを使用しても良く、例えば、Ｈｅｒｓｃｈｅｌ−ＢｕｌｋｌｅｙモデルやＣａｓｓｏｎモデルなどが挙げられる。

例えば、Ｈｅｒｓｃｈｅｌ−Ｂｕｌｋｌｅｙモデル式は、τ＝τ_０＋ｋ・γ^ｎの関係を示しており、τは剪断応力、γは剪断速度、τ_０は降伏応力、ｋは粘度依存定数、nはＳｈｅａｒｒａｔｅｉｎｄｅｘを示す。また、Ｃａｓｓｏｎモデル式は、τ^０．５＝τ_０ ^０．５＋ｋ_ｃ ^０．５・γ^０．５の関係を示しており、τは剪断応力、γは剪断速度、τ_０は降伏応力、ｋ_ｃは残留粘度である。ここで、降伏応力は剪断速度が０相当における粘性を表しており、この値であれば、剪断速度に依存せず、また粘性の絶対値も明確であるため、軟化溶融状態の粘性をより正確に表現することが可能となる。したがって、粘結性パラメータとしては石炭の軟化溶融状態の降伏応力を用いれば良いことになる。

上記のように、石炭の軟化溶融状態の降伏応力とは、剪断速度が０相当における粘性である。剪断速度が０相当の粘性である降伏応力は、粘性の剪断速度依存性を測定することで求めることができる。粘性の剪断速度依存性を測定する方法は、前述した回転法の他にも、平板法や振動法など剪断速度が変更できる試験装置であればどの方法を採用してもよい。例えば、前述の動的粘弾性測定装置を使用してもよい。石炭の軟化溶融状態での粘度については、最高流動度（ＭＦ）のように、最も粘度が低いところの値がコークス強度を支配していると考えられることから、石炭が軟化溶融している間で最も低い粘度を示す温度での値を使用することが好ましい。

上記のようにしてコークス原料である各石炭の降伏応力を求め、これらを配合した配合炭の降伏応力を計算して、これを粘結性パラメータとして、石炭化度パラメータともに用いて、製造されるコークスの強度を推定することができる。配合炭の粘性の剪断速度依存性を測定して、配合炭の降伏応力を求めることもできる。したがって、降伏応力を用いて推定した強度が所定範囲内となるように石炭を配合することで、所望の強度の冶金用コークスを製造することができる。降伏応力を用いることで、コークス強度をより正確に推定することができるので、所定のコークス強度となるように石炭の配合を決定する際にも、性状の優れた石炭の使用割合を必要以上に高くする必要がなく、コークス製造コストを低減できる。

ギーセラープラストメーターにより求めた最高流動度（ＭＦ）、低剪断速度で測定した見掛け粘度（η）、降伏応力（ｆｃ）をそれぞれ粘結性パラメータとして使用した場合にコークス強度を予測した場合と、実際に乾留して得られたコークスの強度の差異を確認した。

乾留試験には実炉をシミュレート可能な小型電気炉を使用し、得られたコークスの性状評価にはＪＩＳＫ２１５１に定められているドラム１５０回転１５ｍｍ指数のドラム強度を用いた。

配合炭の調整は、石炭化度パラメータとしてビトリニットの平均最大反射率（Ｒｏ）を使用し、配合炭の平均Ｒｏが１．０で一定となるように行った。また、粘結性パラメータが１５水準となるように配合炭を準備した。また、石炭の充填条件は、水分８ｍａｓｓ％、装入嵩密度７２５ｋｇ／ｍ^３で一定とした。

製造したコークスについて、粘結性パラメータと、ドラム強度の実測値と推定値の差の関係を図１〜図３に示す。図１〜図３において、横軸が粘結性パラメータ、縦軸が実測したドラム強度から推定したドラム強度を引いた、実測値と推定値の差（ΔＤＩ）であり、図１は粘結性パラメータを最高流動度（ＭＦ）、図２は粘結性パラメータを見掛け粘度（η）、図３は粘結性パラメータを降伏応力（ｆｃ）とした場合である。尚、ドラム強度の推定には、石炭化度パラメータ（Ｒｏ）、粘結性パラメータ（ＭＦ、η、ｆｃ）、石炭の全イナート量、石炭の水分割合、石炭の粒度分布、乾留時間を従属因子として重回帰により得られた式を用いているが、粘結性パラメータ以外は一定の条件で試験を行っており、粘結性パラメータの影響のみが抽出されることになる。

図１によれば、粘結性パラメータにＭＦを用いた場合、ｌｏｇＭＦが２．５以下では実測値と推定値は比較的よく合っているが、２．５を超えると実測値が小さくなる傾向が顕著に現れた。これは、配合炭のｌｏｇＭＦを大きくする場合には、流動性の高い石炭の配合率を高くする必要があり、流動性が高い石炭の中にはＭＦが過剰に大きく評価されている石炭が存在するためと考えられる。

次に、粘結性パラメータに剪断速度が極めて小さな０．０１ｓ^−１で測定した見掛け粘度ηを用いた図２によれば、ＭＦを用いた場合に比較して実測値と推定値の差はより小さくなる傾向を示した。しかし、石炭の流動性が高い、すなわちηが低い場合に、若干実測値が小さくなる傾向が残されていた。

最後に、粘結性パラメータに降伏応力（ｆｃ）を用いた図３によれば、前述した二つの粘結性パラメータと比較して、実測値と推定値の差が明らかに小さくなっており、粘結性パラメータにｆｃを使用して配合設計を行った場合には、強度管理精度をより高くできることが確認できた。

粘結性パラメータとして降伏応力（ｆｃ）を使用した場合の、コークス強度と降伏応力との関係を測定した。

配合炭の調整は、石炭化度パラメータとしてビトリニットの平均最大反射率（Ｒｏ）を使用し、配合炭の平均Ｒｏが１．０の一定となるように行った。また、降伏応力（ｆｃ）が２２から２２５Ｐａまでの１３水準となるように配合炭を準備した。また、石炭の充填条件は、水分８ｍａｓｓ％、装入嵩密度７２５ｋｇ／ｍ^３の一定とした。

降伏応力（ｆｃ）と得られたコークスのドラム強度の実測値との関係を図４に示す。図４によれば、降伏応力が４０Ｐａ未満の場合、降伏応力の増加に伴いドラム強度は増加した。また、降伏応力が４０から１５０Ｐａの間では、降伏応力の増加にともないドラム強度は若干の低下傾向を示すも、いずれも目標強度以上でほぼ一定を維持した。さらに、降伏応力が１５０Ｐａ超えでは、降伏応力の増加に伴いドラム強度は低下した。

以上の結果、降伏応力には最適範囲が存在し、高強度のコークスを製造するためには４０から１５０Ｐａの間が最も好ましいことがわかった。

Claims

複数種類の石炭を配合した配合炭を乾留してコークスを製造する際に、前記各石炭の石炭化度パラメータと粘結性パラメータとを用いて製造されるコークスの強度を推定し、
該推定した強度が所定範囲内となるように前記石炭を配合する冶金用コークスの製造方法であって、
前記コークスの強度を従属変数とした重回帰であって、独立変数に、前記粘結性パラメータとして用いられる石炭の軟化溶融状態の降伏応力及び前記石炭化度パラメータを含む重回帰によって得られた式から前記コークスの強度を推定することを特徴とする冶金用コークスの製造方法。
配合炭の降伏応力の値が４０〜１５０Ｐａであ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。