JP5780011B2 - コークス表面破壊強度の推定方法及びそれを用いたコークスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、石炭を乾留して高炉用コークスを製造する際にコークスの表面破壊強度を推定する方法、及びこの推定方法を利用してコークスの表面破壊強度を推定した上でコークスを製造する方法に関する。

コークスは、通常、多くの種類の石炭を配合してコークス炉で乾留して製造される。なかでも高炉用コークスは、高炉までの輸送や高炉内での衝撃に耐えるため、所定の値以上の強度を持つことが要求される。ところが、配合する原料石炭の性状は銘柄ごとに異なるため、要求される強度のコークスを安定して製造するためには、得られるコークスの強度を原料石炭の性状に基づいて精度良く推定した上で、それらを踏まえて石炭配合及びコークス炉の操業条件を設定することが必要になる。

コークス強度を示す代表的な指数として、ＪＩＳ Ｋ２１５１に規定されたドラム強度指数ＤＩやＡＳＴＭのタンブラー強度指数ＴＩなどがあり、これらの指数はいずれも内側に羽の付いた円筒形の容器にコークスを入れ、容器を規定回数回転させた後にコークスを取り出して、規定の大きさの篩上（又は篩下）の試料質量の初期試料質量に対する百分率によって表すものである。

そして、例えば、特許文献１には、コークス強度試験において生成する粉コークスを表面破壊による粉コークスと体積破壊による粉コークスとに分けて、それぞれについて配合炭を構成する各石炭の性状に基づいて推定する方法が開示されている。すなわち、コークス強度試験において生成する粉コークスのうち６ｍｍ以下のものを表面破壊によるものとして、石炭の膨張性からその表面破壊強度を推定し、また、６ｍｍ超１５ｍｍ以下のものを体積破壊によるものとして、石炭再固化時の収縮係数と炉温との関係からその体積破壊強度を推定する。

また、特許文献２では、コークスの表面破壊が石炭の軟化膨張時の非接着粒界と連結気孔による欠陥に起因することを見出し、石炭が４００℃前後の温度で軟化し始めて膨張し、５００℃前後で再固化する間に、石炭粒子が空隙をどの程度充填するかを判定することで、コークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を推定できることが報告されている。すなわち、石炭の軟化膨張時の非接着粒界とは、石炭粒子が十分接触しないままコークス化して粒子と粒子の境界に空隙が存在する場合に発生するものであり、連結気孔とは、石炭粒子が自由膨張状態になった結果、気泡が破裂して連結してできた大きな孔であり、これらの発生の程度を石炭の軟化時比容積Ｓｖと装入嵩密度ＢＤを基に石炭軟化時の空隙充填度（Ｓｖ×ＢＤ）を求めることで、コークスの表面破壊強度を推定している。

更に、特許文献３では、配合炭を構成する各石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏ、各石炭の空隙充填度Ｓ、及び各石炭の配合率から、乾留後のコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を推定している。すなわち、上記特許文献２に記載の方法によって推定したコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆は、石炭の炭化度の指標であるビトリニットの平均反射率Ｒｏの値によっては実測したＤＩ¹⁵⁰ ₆から外れてしまうことから、石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏを推定式のパラメーターに加えることで、表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆の推定精度を向上させるものである。

特開平９−２６３７６４号公報 特開２００２−２１５６５号公報 特開２００５−１９４４６２号公報

このような状況のもと、本発明者等が上記特許文献３記載の方法を使ってコークスの表面破壊強度を推定していくうちに、推定結果が実測の表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆から外れる場合があるという問題が発生した。その原因を検討したところ、一般に知られている性状と相違する石炭を使用した場合によるものであることが分った。

そこで、本発明の目的は、一般に知られている性状と相違する石炭を使用した場合でも、コークスの表面破壊強度を推定できる方法を提供することにある。また、本発明の別の目的は、この方法を用いて適正なコークスを製造する方法を提供することにある。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、石炭化度が高く、かつ、石炭組織中のエクジニット含有量が比較的高いといった特異な性状の石炭の存在を考慮して、高石炭化度の石炭におけるエクジニット含有量をパラメーターに加えてコークスの表面破壊強度を推定することで、従来手法における推定精度を更に高めることができることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。

（１）石炭を乾留して得られるコークスの表面破壊強度を石炭の性状から推定する方法であって、（Ａ）石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏと、その石炭を下記式（１）で定義される石炭軟化時の空隙充填度Ｓが１．３以上の条件で乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係、及び、（Ｂ）石炭軟化時の空隙充填度Ｓとコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係を基に、ｉ）石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏ、ii）石炭の空隙充填度Ｓ、及びiii）各石炭の配合率からコークスの表面破壊強度の一次推定値を求め、また、（Ｃ）実測したコークスの表面破壊強度に対する前記一次推定値の差ΔＤＩと、ビトリニット平均反射率Ｒｏが１．０以上の石炭におけるエクジニット含有量Ｅとの関係を基に、iv）石炭のエクジニット含有量Ｅを用いて前記一次推定値を補正することを特徴とするコークス表面破壊強度の推定方法。
空隙充填度Ｓ(−)＝石炭軟化時の比容積×コークス炉装入時の石炭の嵩密度 ・・・（１）
〔但し、石炭軟化時の比容積は、ＪＩＳ Ｍ８８０１に規定されるディラートメーターで石炭を膨張させた際の最大膨張体積Ｖを、装入した石炭質量Ｗで除した値(Ｖ／Ｗ)を示す。〕

（２）下記式（２）を用いて補正後のコークス表面破壊強度の推定値を得る前記第（１）項に記載のコークス表面破壊強度の推定方法。
推定ＤＩ¹⁵⁰ ₆＝Ｈ（ΣＥ）＋ΣＧ（Ｒｏ）×Ｆ（ΣＳ）／Ｆｍａｘ ・・・（２）
〔但し、推定ＤＩ¹⁵⁰ ₆は補正後のコークスの表面破壊強度の推定値（−）、Ｅは石炭のエクジニット含有量（％）、Ｒｏは石炭のビトリニット平均反射率（％）、Ｓは石炭の空隙充填度（−）、ΣＥは石炭のエクジニット含有量について各石炭の配合率で加重平均した値（但し、Ｒｏ＜１．０の石炭の場合にはＥ＝０とする）、Ｈ（ΣＥ）は前記ΔＤＩと前記ΣＥとの関係から実験的に求められる関数、Ｇ（Ｒｏ）は空隙充填度Ｓが１．３以上の条件にて乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆と、石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏとの関係から実験的に求められる関数、ΣＧ（Ｒｏ）はＧ（Ｒｏ）について各石炭の配合率で加重平均した値、Ｆ（Ｓ）は石炭の空隙充填度Ｓとコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係から実験的に求められる関数、ΣＳは石炭の空隙充填度Ｓについて各石炭の配合率で加重平均した値、ＦｍａｘはＳ≧１．３で決められるＦ（Ｓ）の最大値（定数）を示す。〕

（３）前記Ｈ（ΣＥ）は下記の関数で表される前記第（２）項に記載のコークス表面破壊強度の推定方法。
Ｈ（ΣＥ）＝ｍ×Ｅ＋ｎ ・・・（Ｅ≦５．０の場合）
Ｈ（ΣＥ）＝ｎ ・・・（Ｅ＞５．０の場合）
〔但し、ｍ及びｎは実験的に求められた関数の定数を示す。〕

（４）前記第（１）項〜第（３）項のいずれかに記載の方法を利用してコークスの表面破壊強度を推定した上で、石炭を乾留してコークスを製造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、一般に知られている性状と相違する石炭を使用した場合でも、コークスの表面破壊強度を推定することができ、特に、高石炭化度であって、かつエクジニット含有率が高い石炭を用いてコークスを得るような場合に好適である。そして、本発明の推定方法を用いれば、品質変動の少ない所望の強度を有したコークス製造が可能となって、高炉に安定供給することができるため、効率的かつ安定した高炉操業につながる。また、コークス表面破壊強度の推定精度が高まれば、安価な非粘結炭をできるだけ多量に使用しつつも、強度に優れたコークスを安定して製造することが可能となることから、コークスを得るための石炭のコストを大幅に削減することができる。

図１は、実測したコークス表面破壊強度と従来手法（特許文献３記載の方法）で推定したコークス表面破壊強度との差ΔＤＩ（実測値−推定値）に対して、石炭のエクジニット含有量Ｅの関係を求めた図である。 図２は、前記ΔＤＩに対して、ビトリニット平均反射率Ｒｏが１．０以上の石炭におけるエクジニット含有量Ｅとの関係を求めた図である。 図３は、石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏと、その石炭を石炭軟化時の空隙充填度Ｓが１．３以上の条件で乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係を示す図である。 図４は、石炭軟化時の空隙充填度Ｓと、その石炭を乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係を示す図である。 図５は、本発明の方法によって推定したコークス表面破壊強度の推定値と実測値との関係を示す図である。 図６は、従来手法（特許文献３記載の方法）により推定したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆と実測したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係を示した図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
石炭組織におけるエクジニット（Exinite）は、ビトリニット（Vitrinite）及びイナーチニット（Inertinite）と並んで石炭の微細組織成分群（マセラル・グループ）のひとつであり、主として植物の葉、小枝などの角皮、胞子、花粉、種子、水藻及び樹脂質に由来すると考えられ、反射光線下（油浸）では一般に暗灰色から暗黒色に見える。このエクジニットには、微細組織成分としてスポリニット、クチニット、アルギニット、及びレジニットが含まれる。

一般に石炭組織中のエクジニットは、ビトリニットやイナーチニットに比べて水素含有量が高いという特徴を有している。ただし、石炭化度が高い石炭の場合には石炭組織中のエクジニット含有量が少ないことが知られており、そもそも高炭化度中のエクジニットの存在が稀少である。ところが、銘柄によっては高石炭化度であっても、エクジニット含有率が高い石炭が存在し、このような特異な石炭を用いてコークスを製造すると、これまで知られていた方法では、推定した表面破壊強度が実測値から外れて実用上問題になってしまう。

図６は、１種又は２種以上の石炭からなる石炭を乾留して得られるコークスについて、特許文献３記載の方法によって推定したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆と実測したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係を示すグラフである。多くの推定値は実測値と良好に一致するが、一部のものは実測値よりも低く見積もられてしまうことが分る。なお、本明細書で言うコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆は、ＪＩＳ Ｋ２１５１に規定されているドラム試験法により測定されるものである。

そこで、図６の関係に関して、図１は、実測したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆と特許文献３記載の方法によって推定した推定値（すなわち本発明で言う一次推定値）との差（実測値−推定値）であるΔＤＩに対して、石炭材料を構成する石炭のエクジニット含有量Ｅの関係をグラフにしたものである。このグラフによれば、石炭のエクジニット含有量Ｅが比較的高い場合に推定値が実測値から外れてしまう傾向が確認できる。この理由について、本発明者等は、上述した特異的な性状を有する石炭が影響しているものと推察した。

すなわち、石炭組織中のエクジニットは水素含有量が比較的高いことは先に述べたとおりであり、このエクジニットの含有量が高いと熱分解により生成したラジカルを安定化することができ、高強度のコークスが得られると考えられる。つまり、高石炭化度であって、かつエクジニット含有率が高い石炭は、粘結性に優れた原料炭になると言える。そこで本発明では、（Ｃ）前記の差ΔＤＩと、石炭化度の指標であるビトリニット平均反射率Ｒｏが１．０以上の石炭におけるエクジニット含有量Ｅとの関係を基に、iv）石炭材料を構成する各石炭のエクジニット含有量Ｅを用いて、特許文献３記載の方法によって推定したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を補正する。

ここで、（Ｃ）の関係を導く際にビトリニット平均反射率Ｒｏが１．０以上の石炭を選択する理由は、石炭化度を示すＲｏが１．０未満の石炭では芳香族性が低いため、高強度のコークスが得られないことを実験的に知見しているためである。これは、石炭化度を示すＲｏが１．０未満の石炭では、エクジニットの含有水素量が多くてもラジカルの安定化に寄与し難いことによると考えられる。

上記（Ｃ）の関係について、詳しくは、実測したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆と、特許文献３記載の方法によって推定したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆（一次推定値）との差ΔＤＩに対して、ビトリニット平均反射率Ｒｏが１．０以上の石炭におけるエクジニット含有量Ｅの関係をグラフにして求めることができる。図２はこの関係を示すグラフの一例であり、図１と同様、実測したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆と、特許文献３記載の方法によって推定したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆とのデータを基にΔＤＩを算出し、ビトリニット平均反射率Ｒｏが１．０以上の石炭について予めそのエクジニット含有量Ｅを求めておき、両者の関係をグラフにしたものである。ここで、ビトリニット平均反射率Ｒｏが１．０未満の石炭については、上述したように含有水素によるラジカル安定化の寄与が少ないと考えられることから、エクジニット含有量Ｅは便宜上、ゼロとしている。なお、ＪＩＳ Ｍ８８１６には石炭の微細組織成分及び反射率の測定法が記載されており、石炭のエクジニット含有量Ｅ（％）及びビトリニット平均反射率Ｒｏ（％）は、それぞれこれに記載の方法で測定することができる。

図２に示したようなグラフを基に、最小二乗法等を用いれば、上述した（Ｃ）の関係は関数Ｈ（ΣＥ）で表すことができる。ここで、ΣＥは石炭材料を構成する石炭のエクジニット含有量Ｅについて各石炭の配合率で加重平均した値である（但し、上述の通り、Ｒｏ＜１．０の石炭の場合にはＥ＝０とする）。このＨ（ΣＥ）が、特許文献３記載の方法によって推定したコークスの表面破壊強度（一次推定値）に対する補正項に相当するものであり、具体的には、少なくとも２点以上のデータを基に、最小二乗法から下記の一次関数で表すことができることを実験的に知見した。
Ｈ（ΣＥ）＝ｍ×Ｅ＋ｎ ・・・（Ｅ≦５．０の場合）
Ｈ（ΣＥ）＝ｎ ・・・（Ｅ＞５．０の場合）
〔但し、ｍ及びｎは実験的に求められた関数の定数を示す。〕

これまでに述べたような知見によれば、この補正項Ｈ（ΣＥ）により、一般に知られている性状と相違する石炭を用いた場合であっても、コークスの表面破壊強度を推定することができるようになる。特に、高石炭化度であって、かつエクジニット含有率が高い石炭を用いてコークスを得る場合、詳しくはＲｏ（％）が１．０以上であって、かつエクジニット含有量Ｅ（％）が２．０以上の石炭を含む場合、より詳しくはＲｏ（％）が１．２以上であって、かつエクジニット含有量Ｅ（％）が５．０以上の石炭を含む場合、精度良くコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を推定するのに本発明の推定方法は好適である。

ちなみに、本発明においてコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆の一次推定値を得る際には、特許文献３に記載された方法を利用すればよい。すなわち、先ずは、（Ａ）石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏと、その石炭を石炭軟化時の空隙充填度Ｓが１．３以上の条件で乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係、及び、（Ｂ）石炭軟化時の空隙充填度Ｓとコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係を求めるようにする。

このうち（Ａ）の関係については、予め単銘柄の石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏを測定しておき、その石炭を軟化時の空隙充填度Ｓが１．３以上の条件で乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係をグラフにすることで、そのグラフを基に最小二乗法等から関数を実験的に求めることができる。図３はその一例であり、図３中の曲線は、少なくとも４点以上のデータを基に、最小二乗法から例えば下記のような３次関数で表すことができる。なお、空隙充填度Ｓが１．３以上であれば、石炭の軟化膨張時に石炭粒子全体がほぼ全表面で接着し、自由膨張が抑制され連結気孔も少ないため、表面破壊強度はほぼ一定となることが従来から広く知られているため、空隙充填度Ｓを１．３以上とした。
Ｇ（Ｒｏ）＝ｈ×Ｒｏ³＋ｉ×Ｒｏ²＋ｊ×Ｒｏ＋ｋ
〔但し、ｈ、ｉ、ｊ、及びｋは、図３のグラフのデータから求められる定数である。〕

そして、石炭を乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆の一次推定値を得る際は、上記関数Ｇ（Ｒｏ）を基に各石炭のＧ（Ｒｏ）を求めて、各石炭の配合率で加重平均した値ΣＧ（Ｒｏ）を算出する。なお、石炭軟化時の空隙充填度Ｓは下記式（１）で定義されるものである。ここで、石炭軟化時の比容積は、ＪＩＳ Ｍ８８０１に規定されるディラートメーター（膨張性測定装置）を使用して測定することができ、石炭を膨張させた際の最大膨張体積Ｖを、装入した石炭質量Ｗで除した値(Ｖ／Ｗ)を示す。また、コークス炉装入時の石炭の嵩密度は、石炭の装入量とコークス炉の容積から求めることができる。
空隙充填度Ｓ(−)＝石炭軟化時の比容積×コークス炉装入時の石炭の嵩密度 ・・・（１）

一方、（Ｂ）の関係は、予め石炭の軟化時の空隙充填度Ｓを変化させて、その石炭を乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係をグラフにすることで、そのグラフを基に最小二乗法等から関数を実験的に求めることができる。図４はその一例であり、図４中の曲線は、少なくとも７点以上のデータを基に、最小二乗法から例えば次のような６次関数で表すことができる。
Ｆ（Ｓ）＝ａ×Ｓ⁶＋ｂ×Ｓ⁵＋ｃ×Ｓ⁴＋ｄ×Ｓ³+ｅ×Ｓ²＋ｆ×Ｓ＋ｇ
〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、及びｇは、図４のグラフのデータから求められる定数である。〕

そして、石炭を乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆の一次推定値は、空隙充填度Ｓが１．３未満の条件で乾留して得られるコークスについても求めることができる。
具体的には、図４に示したグラフにおけるＳ≧１．３の範囲でほぼ一定の表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆に収束しているとみなし、Ｓ≧１．３の範囲の任意の値における表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆の値を、Ｆ（Ｓ）の最大値（定数）としてＦｍａｘで示すと、Ｆ（Ｓ）／Ｆｍａｘにより、Ｆｍａｘを基準とした際のＦ（Ｓ）の相対値が求まる。
従って、前記の（Ａ）では、石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏと、その石炭を石炭軟化時の空隙充填度Ｓが１．３以上の条件で乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆（すなわちＦｍａｘ）との関係が得られているため、これに上記のＦ（Ｓ）／Ｆｍａｘを乗じることにより、空隙充填度Ｓが１．３未満の条件で乾留して得られるコークスについても求めることができる。
なお、上記では、ＦｍａｘをＳ≧１．３の範囲の任意の値における表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆の値として説明したが、Ｓ≧１．３の任意の値であれば良いため、例えば、Ｓ≧１．３の任意の範囲におけるＦ（Ｓ）の平均値等を用いても良い。

また、通常のコークス製造では、配合炭を用いるため、石炭の軟化時の空隙充填度Ｓについては、各石炭の配合率で加重平均した値ΣＳを求めるようにする。この加重平均した値ΣＳは、図４に示す単一銘柄の石炭の軟化時の空隙充填度（Ｓ）の場合と同様に、コークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆と良い相関性を示すことを確認している。従って、上記（Ｂ）の関係はＦ（ΣＳ）／Ｆｍａｘで表すことができる。

上記（Ａ）及び（Ｂ）の関係に基づいて下記の式（３）を用いれば、ｉ）石炭材料における各石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏ（％）、ii）各石炭の空隙充填度Ｓ（−）、及びiii）各石炭の配合率からコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆（−）の一次推定値を得ることができる。
一次推定ＤＩ¹⁵⁰ ₆＝ΣＧ（Ｒｏ）×Ｆ（ΣＳ）／Ｆｍａｘ ・・・（３）

その上で、本発明では、先に述べた（Ｃ）の関係に基づき、iv）石炭材料における各石炭のエクジニット含有量Ｅを用いてこの一次推定ＤＩ¹⁵⁰ ₆を補正することで、詳しくは、補正項Ｈ（ΣＥ）を含んだ下記の推定式（２）を用いることで、高石炭化度であって、かつエクジニット含有率が高い石炭を用いてコークスを得る場合であっても、コークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を推定できるようになる。
補正後推定ＤＩ¹⁵⁰ ₆＝Ｈ（ΣＥ）＋ΣＧ（Ｒｏ）×Ｆ（ΣＳ）／Ｆｍａｘ ・・・（２）

そして、実際に１種又は２種以上の石炭を乾留してコークスを製造する際には、上記式（２）を基に、ｉ）石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏ、ii）石炭の空隙充填度Ｓ、iii）各石炭の配合率、及びiv）石炭のエクジニット含有量Ｅから、コークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を推定することができる。また、本発明の推定方法を利用してコークスの表面破壊強度を推定した上で、石炭材料を乾留してコークスを製造すれば、品質変動の少ない所望の強度を有したコークス製造が可能になる。

先ず、表１に示す石炭１〜９の単味炭（Ａ炭〜Ｉ炭）を、それぞれ炭化室容積３４ｍ³のコークス炉を用いて炉温１１５０℃で乾留して高炉用コークスを製造し、その後、採取したコークスについて表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を測定した。ここで、表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆（−）は、ＪＩＳ Ｋ２１５１に規定されるドラム強度試験で測定したものであり、ドラム試験機で１５０回転した後の６ｍｍ篩上の百分率を表す。ビトリニット平均反射率Ｒｏ（％）及びエクジニット含有量Ｅ（％）については、ＪＩＳ Ｍ８８１６の石炭の微細組織成分及び反射率測定法に記載の方法で測定した。石炭軟化時の比容積Ｓｖ（cm³/g）は、ＪＩＳ Ｍ ８８０１に規定されている膨張性測定装置を用いて石炭の最大膨張体積Ｖを求め、装入した石炭質量Ｗで除した値（Ｖ／Ｗ）である。また、石炭の嵩密度ＢＤ（g/cm³）は石炭装入量とコークス炉の容積から求められ、石炭軟化時の比容積Ｓｖとコークス炉装入時の石炭の嵩密度ＢＤとの積（Ｓｖ×ＢＤ）から石炭軟化時の空隙充填度Ｓ（−）を算出した。

なお、表１中の「Ｅ（Ｒｏ≧１．０）」欄は、ビトリニット平均反射率Ｒｏ（％）が１．０以上の石炭についてそのエクジニット含有量Ｅ（％）を示したものであり、Ｒｏ＜１．０の石炭の場合（Ｇ炭及びＩ炭）はＥ＝０としている。また、表１中に項目として挙げる表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆等の値について、特に断りのない限り、以下でも上記の方法で求めた。

また、上記単味炭を用いて、表１に記した配合率（質量％）で石炭１０〜１６の配合炭を形成し、単味炭の場合と同様にしてコークスを製造して、表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を測定した。ここで、配合炭に関するビトリニット平均反射率Ｒｏは、単味炭のビトリニット平均反射率Ｒｏを各石炭の配合率で加重平均して求めた値である。エクジニット含有量Ｅについても同様に加重平均した値である。但し、「Ｅ（Ｒｏ≧１．０）」欄では、Ｒｏ＜１．０の石炭についてはＥ＝０として計算した値を示している。また、石炭軟化時の比容積Ｓｖと装入嵩密度ＢＤは、単味炭の場合と同様にして、各配合炭を測定した値であり、これらの実測値から空隙充填度Ｓ（−）を求めている。

また、表２に示したＪ炭〜Ｔ炭について、事前にビトリニット平均反射率Ｒｏ、石炭軟化時の比容積Ｓｖ、及び装入嵩密度ＢＤを求めた上で、それぞれ表２に示した空隙充填度Ｓの条件で乾留してコークスを製造し、得られたコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を測定した。

表２に示したＪ炭〜Ｔ炭の性状、及び得られたコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を基に、以下のようにして（Ａ）及び（Ｂ）の関係からそれぞれの関数等を導き出した。先ず、（Ａ）石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏと、その石炭を石炭軟化時の空隙充填度Ｓが１．３以上の条件で乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係をグラフにしたところ、図３が得られた。このグラフについて、市販されている汎用ソフトを用いて関数を算出したところ、下記のような関係式が得られた。
Ｇ（Ｒｏ）＝ｈ×Ｒｏ³＋ｉ×Ｒｏ²＋ｊ×Ｒｏ＋ｋ
〔但し、ｈ、ｉ、ｊ、及びｋは、図３のグラフのデータから求められる定数である。〕

また、（Ｂ）石炭軟化時の空隙充填度Ｓとコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係をグラフにしたところ、図４が得られた。このグラフについても、市販されている汎用ソフトを用いて関数を算出したところ、下記のような関係式が得られた。
Ｆ（Ｓ）＝ａ×Ｓ⁶＋ｂ×Ｓ⁵＋ｃ×Ｓ⁴＋ｄ×Ｓ³+ｅ×Ｓ²＋ｆ×Ｓ＋ｇ
〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、及びｇは、図４のグラフのデータから求められる定数である。〕

これらの関係式を基に、表１に記した石炭材料１〜１６について、以下の式から各石炭材料を乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆（−）の一次推定値を得た。結果を表１に示す。
一次推定ＤＩ¹⁵⁰ ₆＝ΣＧ（Ｒｏ）×Ｆ（ΣＳ）／Ｆｍａｘ

ここで、ΣＧ（Ｒｏ）は、図３から求めた関係式Ｇ（Ｒｏ）を基に、石炭材料を構成する各石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏを求め、各石炭の配合率で加重平均した値である。また、Ｆ（ΣＳ）は、図４から求めた関係式Ｆ（Ｓ）を基に、石炭材料を構成する各石炭の軟化時の空隙充填度Ｓを求め、石炭材料を構成する各石炭の配合率で加重平均した値ΣＳに対応するものである。更に、Ｆｍａｘは空隙充填度Ｓが１．３におけるＦ（Ｓ）の値として求めたものである。

次に、石炭１〜１６について、（Ｃ）実測したコークスの表面破壊強度に対する前記一次推定値の差ΔＤＩと、ビトリニット平均反射率Ｒｏが１．０以上の石炭におけるエクジニット含有量Ｅとの関係を求めた。すなわち、コークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆の実測値から上記で得られた一次推定ＤＩ¹⁵⁰ ₆を引いてΔＤＩを求め、このΔＤＩと石炭材料を形成する石炭のエクジニット含有量Ｅとの関係をグラフにした。結果を図２に示す。その際、ビトリニット平均反射率Ｒｏが１．０未満の石炭については、エクジニット含有量Ｅを０（ゼロ）としている。そして、このグラフを基に、最小二乗法から下記の関係式を得た。なお、ΣＥは石炭材料を構成する石炭のエクジニット含有量Ｅについて各石炭の配合率で加重平均した値である（但し、Ｒｏ＜１．０の石炭の場合にはＥ＝０としている）。
Ｈ（ΣＥ）＝ｍ×Ｅ＋ｎ ・・・（Ｅ≦５．０の場合）
Ｈ（ΣＥ）＝ｎ ・・・（Ｅ＞５．０の場合）
〔但し、ｍ及びｎは実験的に求められた関数の定数であり、本実施例ではｍ＝０．４４、ｎ＝２．２であった。〕

上記で得られたＨ（ΣＥ）を補正項として、下記式（２）を用いて先に得られたコークス表面破壊強度の一次推定値を補正して、補正後のコークス表面破壊強度の推定値（推定ＤＩ¹⁵⁰ ₆）を求めた。結果を表１に示す。
推定ＤＩ¹⁵⁰ ₆＝Ｈ（ΣＥ）＋ΣＧ（Ｒｏ）×Ｆ（ΣＳ）／Ｆｍａｘ ・・・（２）

また、上記式（２）から得られた石炭１〜１６の補正後の推定ＤＩ¹⁵⁰ ₆を横軸に取り、石炭材料１〜１６の実測したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆を縦軸にとってグラフにしたものが図５である。このグラフからも分るように、石炭が単味炭からなる場合と配合炭からなる場合ともに、実測値に対して推定結果は良好に一致している。一方で、石炭１〜１６の一次推定値ＤＩ¹⁵⁰ ₆を横軸にして、実測したコークス表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係を示したものが図６であり、こちらは一部の推定値が実測値から外れてしまうものが存在することが分る。

Claims (3)

1. 石炭を乾留して得られるコークスの表面破壊強度を石炭の性状から推定する方法であって、（Ａ）石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏと、その石炭を下記式（１）で定義される石炭軟化時の空隙充填度Ｓが１．３以上の条件で乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係、及び、（Ｂ）石炭軟化時の空隙充填度Ｓとコークスの表面破壊強度ＤＩ¹⁵⁰ ₆との関係を基に、下記式（３）を用いて、ｉ）石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏ、ii）石炭の空隙充填度Ｓ、及びiii）各石炭の配合率からコークスの表面破壊強度の一次推定値を求め、また、（Ｃ）実測したコークスの表面破壊強度に対する前記一次推定値の差ΔＤＩと、ビトリニット平均反射率Ｒｏが１．０以上の石炭におけるエクジニット含有量Ｅとの関係を基に、下記式（２）により、iv）石炭のエクジニット含有量Ｅを用いて前記一次推定値を補正して、補正後のコークス表面破壊強度の推定値を得ることを特徴とするコークス表面破壊強度の推定方法。
   空隙充填度Ｓ(−)＝石炭軟化時の比容積×コークス炉装入時の石炭の嵩密度 ・・・（１）
   〔但し、石炭軟化時の比容積は、ＪＩＳ Ｍ８８０１に規定されるディラートメーターで石炭を膨張させた際の最大膨張体積Ｖを、装入した石炭質量Ｗで除した値(Ｖ／Ｗ)を示す。〕
   一次推定ＤＩ ¹⁵⁰ ₆ (−)＝ΣＧ（Ｒｏ）×Ｆ（ΣＳ）／Ｆｍａｘ ・・・（３）
   補正後推定ＤＩ ¹⁵⁰ ₆ (−)＝Ｈ（ΣＥ）＋ΣＧ（Ｒｏ）×Ｆ（ΣＳ）／Ｆｍａｘ ・・・（２）
   〔但し、Ｅは石炭のエクジニット含有量（％）、Ｒｏは石炭のビトリニット平均反射率（％）、Ｓは石炭の空隙充填度（−）、ΣＥは石炭のエクジニット含有量について各石炭の配合率で加重平均した値（但し、Ｒｏ＜１．０の石炭の場合にはＥ＝０とする）、Ｈ（ΣＥ）は前記ΔＤＩと前記ΣＥとの関係から実験的に求められる関数、Ｇ（Ｒｏ）は空隙充填度Ｓが１．３以上の条件にて乾留して得られるコークスの表面破壊強度ＤＩ ¹⁵⁰ ₆ と、石炭のビトリニット平均反射率Ｒｏとの関係から実験的に求められる関数、ΣＧ（Ｒｏ）はＧ（Ｒｏ）について各石炭の配合率で加重平均した値、Ｆ（Ｓ）は石炭の空隙充填度Ｓとコークスの表面破壊強度ＤＩ ¹⁵⁰ ₆ との関係から実験的に求められる関数、ΣＳは石炭の空隙充填度Ｓについて各石炭の配合率で加重平均した値、ＦｍａｘはＳ≧１．３で決められるＦ（Ｓ）の最大値（定数）を示す。〕
2. 前記Ｈ（ΣＥ）は下記の関数で表される請求項１に記載のコークス表面破壊強度の推定方法。
   Ｈ（ΣＥ）＝ｍ×Ｅ＋ｎ ・・・（Ｅ≦５．０の場合）
   Ｈ（ΣＥ）＝ｎ ・・・（Ｅ＞５．０の場合）
   〔但し、ｍ及びｎは実験的に求められた関数の定数を示す。〕
3. 前記請求項１又は２に記載の方法を利用してコークスの表面破壊強度を推定した上で、石炭を乾留してコークスを製造することを特徴とするコークスの製造方法。

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