JP5835267B2 - バックステー構造 - Google Patents

Description

本発明は、コークス炉のような炉の炉壁を支持するバックステー構造に関するものである。

従来の室炉式コークス炉は、主構造として、石炭を乾留する炭化室、燃料ガスを燃焼させる燃焼室、燃料ガスおよび燃焼空気を予熱する蓄熱室からなる。そして、蓄熱室の上に炭化室と燃焼室が交互に配置され、全体で炉体を形成している。この炉体の前面および後面には、図１２に示すように、蓄熱室１上部の炉壁レンガ２を押さえるためにヘッドプレート３やフラッシュプレート４などの炉体金物が設置され、それをバックステー５が保持し、さらにこのバックステー５を炉頂部に配置したクロスタイロッド６、炉下部に配置したアンカーボルト７で締め付けることにより炉体８を保持している。なお、図１２では炉体の前面側部について図示してあり、後面側部については前面側部と同様の構造のため図示を省略している。

しかしながら、操業を続けていくうちに、バックステーが少しずつ変形して炉体を十分に保持できない部分が生じ、炉壁レンガの目地切れやガスシールの損傷が発生する。その結果、石炭の乾留で発生する乾留ガスがこうした隙間から漏れ、それに着火して火炎が発生すると、図１３に示すように、火炎に炙られたバックステー５がくの字状に変形して外側に大きく張り出すといった致命的な損傷を生じる。この発生メカニズムは、バックステー５の火炎に炙られた部分が局所的に塑性化することによって剛性が低下し、また、熱膨張によって伸びようとするものの上下の端部拘束によって妨げられ、軸圧縮力が発生して外側に張り出すというものである。

このような場合には従来、揚重機に備わるブームを伸ばし、ブームの先端に取り付けた縛着治具で既存のバックステーを保持しつつ、不良部分を人力によるガス切断などで切り出し、切り出した部分を揚重機で吊り下げて撤去した後、代わりに新しいバックステー用鋼材を揚重機で吊り下げて切断箇所に組み込み、溶接などによって接合するようにしていた。

これに対して、特許文献１では、コークス炉のプラットフォーム上を移動可能な親台車上に、コークス炉の炉長方向に前後進自在で、バックステーの固定手段を取り付けた子台車が載置されたバックステー交換装置が提案されている。このバックステー交換装置を用いれば、揚重機の配置ができない状況でも、バックステーの交換作業を容易に行なうことができる。

特開２００１−１１４６６号公報

ところで、上記の特許文献１のバックステー交換装置を用いたとしても、バックステーの不良部分を人力によるガス切断などで切り出し、切り出した部分を撤去した後、新しいバックステー用鋼材を切断箇所に組み込んで溶接などによって接合する必要がある。この場合には、不良部分の調査、部分的に交換するための新しいバックステーの設計および製作、施工作業など多くの作業手間と費用を必要とし、また、施工作業の期間中は、操業に制限が生じるなどの問題が発生する。しかしながら、そもそも火炎に炙られてもバックステーが外側に張り出し変形しなければ、バックステーの交換に関わる作業手間や費用が掛からないので合理的である。このため、火炎の熱などによる熱膨張に起因して起こるバックステーの張り出し変形を抑制するための技術が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、火炎の熱などによる熱膨張に起因して起こる張り出し変形を抑制するバックステー構造を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るバックステー構造は、コークス炉の炉壁に沿って設置されるバックステー構造であって、前記バックステーは、その外側面の一部に設置したタイロッド定着板を介してタイロッドにより前記炉壁に固定され、前記バックステーと前記炉壁との間、前記バックステーと前記タイロッド定着板との間のそれぞれに、前記バックステーの延在方向への熱膨張による変形を許容しつつ支圧力を伝達するベアリング部材を設けたことを特徴とする。

また、本発明に係る他のバックステー構造は、上述した発明において、前記ベアリング部材を、薄板で構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る他のバックステー構造は、上述した発明において、前記ベアリング部材を、薄板状のドライベアリングを２枚重ねたもので構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る他のバックステー構造は、上述した発明において、前記炉壁と前記薄板との間、前記タイロッド定着板と前記薄板との間の少なくとも一方に熱間潤滑材を塗布または充填したことを特徴とする。

また、本発明に係る他のバックステー構造は、上述した発明において、前記炉壁に沿って隣接して設置した前記バックステーを複数の横つなぎ材で繋いだことを特徴とする。

本発明によれば、コークス炉の炉壁に沿って設置されるバックステー構造であって、前記バックステーは、その外側面の一部に設置したタイロッド定着板を介してタイロッドにより前記炉壁に固定され、前記バックステーと前記炉壁との間、前記バックステーと前記タイロッド定着板との間のそれぞれに、前記バックステーの延在方向への熱膨張による変形を許容しつつ支圧力を伝達するベアリング部材を設けたので、熱膨張によるバックステーの伸びを延在方向に逃がすことができる。これにより、火炎の熱などによる熱膨張に起因して起こるバックステーの外側への張り出し変形を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係るバックステー構造の実施の形態を示す図であり、（ａ）は側面の部分断面図、（ｂ）は正面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図（一般部に薄板を適用）である。 図３は、図１のＢ−Ｂ断面図（クロスタイロッド定着部に薄板を適用）である。 図４は、図１のＡ−Ａ断面図（一般部にドライベアリングを適用）である。 図５は、図１のＢ−Ｂ断面図（クロスタイロッド定着部にドライベアリングを適用）である。 図６は、図１のＡ−Ａ断面図（一般部に熱間潤滑材を適用）である。 図７は、図１のＢ−Ｂ断面図（クロスタイロッド定着部に熱間潤滑材を適用）である。 図８は、本発明によるバックステーの張り出し変形量を最小限に抑えるメカニズムを説明する図である。 図９は、解析モデルを示す図である。 図１０は、解析による変形モード（変形倍率２０倍）を示す図であり、（ａ）は上端をピン固定とした場合、（ｂ）は上端をスライド自在とした場合である。 図１１は、本発明に係るバックステー構造の他の実施の形態を示す図であり、（ａ）は横つなぎ材を筋交い状に配置した図、（ｂ）は横つなぎ材をジグザグ状に配置した図である。 図１２は、従来の室炉式コークス炉の側面の部分断面図である。 図１３は、火炎に炙られたバックステーのくの字変形の模式図である。

以下に、本発明に係るバックステー構造の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下では室炉式コークス炉の炉壁に沿って設置されるバックステーの場合を例にとり説明する。また、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施形態１）
まず、本発明の実施形態１について説明する。
図１に示すように、室炉式コークス炉の蓄熱室１０上部の炉壁レンガ１２の側面にはヘッドプレート１４およびフラッシュプレート１６が設置されており、フラッシュプレート１６はＨ形鋼（鋼材）からなる柱状の２本のバックステー１８により保持されている。バックステー１８は炉上部に配置されるクロスタイロッド定着板２０（タイロッド定着板）を介してクロスタイロッド２２（タイロッド）により天井レンガ２４に締め付け固定されるとともに、炉下部に配置されるアンカーボルト２６によって炉体２８に締め付け固定されている。ここで、炉上部のバックステー１８のフランジにはクロスタイロッド２２を通すための切り欠き部３０が設けてあり、クロスタイロッド定着板２０はバックステー１８の外側フランジ外面１８ａに配置される。

本実施形態１に係るバックステー構造１００は、バックステー１８が延在する一般部におけるバックステー１８とフラッシュプレート１６との間、炉上部のクロスタイロッド定着部におけるバックステー１８とクロスタイロッド定着板２０との間のそれぞれに、ベアリング部材３２を設けたものである。ベアリング部材３２は、バックステー１８の上方向（延在方向）への熱膨張による変形を許容しつつ支圧力を伝達するものであり、本実施形態１では薄板で構成してある。この具体的な構成について図２、図３を参照しながら説明する。

図２に示すように、バックステー１８が延在する一般部においては、フラッシュプレート１６とバックステー１８の炉壁側フランジ外面１８ｂとの間にベアリング部材３２としての薄板３４が設置されており、バックステー１８が熱膨張した際に、バックステー１８は薄板３４により支圧力が伝達されたまま、熱膨張による上方向への伸張変形（スライド変形）が可能な状態になっている。ここで、薄板３４としては、例えば、耐食性や耐熱性の高いステンレス鋼を用いることが可能である。また、薄板３４の厚さは１〜６ｍｍ程度とすることが好ましく、熱膨張の観点から長さ３０〜５０ｃｍ程度に分割し、適宜間隔をあけて配置するのが望ましい。薄板３４の設置範囲としては、図１ではバックステー全体にわたって設置した例を示したが、これに限るものではなく、一般に火炎の発生は炉上部で生じる場合が多いので、バックステー１８の上部など一部だけに設置してもよい。

図３に示すように、クロスタイロッド定着部においては、天井レンガ２４の側面２４ａとバックステー１８の炉壁側フランジ外面１８ｂとの間、および、バックステー１８の外側フランジ外面１８ａとクロスタイロッド定着板２０との間にベアリング部材３２としての薄板３４が設置されている。このため、バックステー１８が熱膨張した際に、バックステー１８はそれぞれの薄板３４により支圧力が伝達されたまま、熱膨張による上方向への伸張変形（スライド変形）が可能な状態になっている。ここで、図１および図３に示されるクロスタイロッド定着部の切り欠き部３０は、バックステー１８の各フランジ１８ａ、１８ｂに設けるものであるが、切り欠き部３０の上下方向の長さは、バックステー１８の熱膨張による上方向への伸張変形を阻害しないように、余裕を見込んだ長さ（例えば５０ｍｍ程度）に設定するのが望ましい。また、バックステー１８の上部にドライメーンなどの他の設備を設置している場合には、バックステー１８の所定長さ（例えば５０ｍｍ程度）の伸張変形に追従できるようにしておくのが好ましい。なお、炉下部のアンカーボルト２６については、従来構造と同様に固定としておくのが好ましい。

なお、バックステー１８は、炉体を保持するのに十分な強度と剛性を確保するという理由から、鋼材を用いるのが好ましい。用いる鋼材の材質は、ＳＳ材、ＳＭ材、ＳＮ材など一般的な物でよい。これら材質の、Ｈ形鋼、溝形鋼、山形鋼などの形鋼、フラットバー、ビルトＨなどの溶接材、鋳物等を、そのまま又は加工することにより用いることができる。

このように、本実施形態によれば、火炎の熱などによる熱膨張に起因して起こるバックステーの張り出し変形を抑制することができるので、バックステーの不良部分を交換する必要がなくなる。したがって、従来バックステーを交換する際に必要となっていた不良部分の調整、新しいバックステー設計、製作、施工に要する作業手間と費用を削減でき、さらに、その間の操業停止による機会損失をなくすことができる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。
本実施形態２に係るバックステー構造２００は、上記の実施形態１のベアリング部材３２を、薄板３４の代わりに、薄板状のドライベアリングを２枚重ねたもので構成したものである。

この場合、図４に示すように、一般部においては、フラッシュプレート１６とバックステー１８の炉壁側フランジ外面１８ｂとの間に薄板状のドライベアリング３６を２枚重ねて設置する。また、図５に示すように、クロスタイロッド定着部においては、天井レンガ２４の側面２４ａとバックステー１８の炉壁側フランジ外面１８ｂとの間、および、バックステー１８の外側フランジ外面１８ａとクロスタイロッド定着板２０との間に薄板状のドライベアリング３６を２枚重ねて設置する。設置した２枚のドライベアリング３６間でスライド可能とすることで、バックステー１８の熱膨張による伸張変形（スライド変形）の際のスライド面の滑り性能が格段に向上する。このため、火炎の熱などによる熱膨張に起因して起こるバックステー１８の張り出し変形をより一層抑制することができる。

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３について説明する。
本実施形態３に係るバックステー構造３００は、上記の実施形態１において、一般部のフラッシュプレート１６と薄板３４との間、クロスタイロッド定着部のクロスタイロッド定着板２０と薄板３４との間の少なくとも一方に熱間潤滑材を塗布または充填したものである。

この場合、例えば図６に示すように、一般部においては、フラッシュプレート１６と薄板３４との間に熱間潤滑材３８を塗布または充填して設置する。また、図７に示すように、クロスタイロッド定着部においては、天井レンガ２４の側面２４ａと薄板３４との間、および、クロスタイロッド定着板２０と薄板３４との間に熱間潤滑材３８を塗布または充填して設置する。こうすることで、バックステー１８の熱膨張による伸張変形（スライド変形）の際のスライド面の滑り性能をさらに向上することができる。このため、火炎の熱などによる熱膨張に起因して起こるバックステー１８の張り出し変形をより一層抑制することができる。ここで、熱間潤滑材３８としては、高温下において潤滑性を発揮する軟質金属、耐熱性の高い二硫化モリブデンなどを配合した、８００℃程度までの高温下でも使用できる高温用ベントングリースなどを用いることができる。

次に、本発明によるバックステーの張り出し変形量を最小限に抑えるメカニズムを図８を参照しながら説明する。
本発明では、バックステー１８の火炎に炙られた部分が熱膨張により伸びようとする場合に、バックステー１８とフラッシュプレート１６との間、バックステー１８と天井レンガ２４の側面２４ａとの間、バックステー１８とクロスタイロッド定着板２０との間にそれぞれ設けたベアリング部材３２によってバックステー１８は円滑に上方向にスライド変形可能な状態になっている。したがって、熱膨張によるバックステー１８の伸びを上方に逃がすことができる。これにより、バックステー１８の外側への張り出し変形量を最小限に抑えることができる。

ここで、ベアリング部材３２として薄板３４を採用するとともに、この薄板３４とフラッシュプレート１６との間、薄板３４と天井レンガ側面２４ａとの間、薄板３４とクロスタイロッド定着板２０との間に熱間潤滑材３８（図６および図７を参照）をそれぞれ塗布または充填した場合には、各間のスライド面の摩擦力が小さくなるため、バックステー１８の上方向へのスライド変形がより一層スムーズになる。

次に、本発明による効果および効果が発揮される好適な条件を確認するために行った解析について説明する。この解析モデルを図９に示す。この解析では、バックステー１本をシェル要素、レンガ（炉壁）の一部をソリッド要素でモデル化した簡易モデルを用い、ヘッドプレート、フラッシュプレートは省略した。また、バックステーとレンガとの境界部に、接触時に支圧力のみを伝達するインターフェイス要素を用いた。

バックステーについては、Ｈ４００×１５０×１４×２８で高さ９３００ｍｍのＳＳ４００製Ｈ形鋼とし、鋼材の応力−ひずみ関係については、下記の参考文献１で提案されたものを用いた。レンガについては、ヤング率：２０１１Ｎ／ｍｍ^２、ポアソン比０．２３の仮定値を用いた。

［参考文献１］ 日本建築学会、鋼構造耐火設計指針、ｐｐ．１５−１７、１９９９年

図１０に、変形モード（変形倍率２０倍）を比較した解析結果を示す。ここで、図１０（ａ）は従来の構造を模擬したものであり、上端をピン固定としてバックステーの上端を拘束して上方にスライドしないようにした場合である。また、図１０（ｂ）は本発明を模擬したものであり、上端をスライド自在（開放端）としてバックステーが上方にスライドできるようにした場合である。なお、この解析では、上端から２５００ｍｍの位置に、７００℃で上下幅４００ｍｍの火炎が生じたものと仮定した。

従来の構造を模擬した図１０（ａ）の場合には、熱膨張と高温時の剛性低下によってバックステーが６７．３ｍｍ外側に張り出すのに対し、本発明を模擬した図１０（ｂ）の場合には、バックステーが上方に１５．６ｍｍスライドすることによって、外側への張り出し変形量を小さくすることができることがわかる。

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４について説明する。
図１１に示すように、本実施形態４に係るバックステー構造４００、４０１は、上記の実施形態１〜３において、炉壁のフラッシュプレート１６に沿って隣接して設置したバックステー１８を複数の横つなぎ材４０で繋いで拘束したものである。ここで、図１１（ａ）は横つなぎ材４０を筋交い状に複数配置したバックステー構造４００を示しており、図１１（ｂ）は横つなぎ材４０をジグザグ状に配置したバックステー構造４０１を示している。

横つなぎ材４０としては、溝形鋼、山形鋼、Ｈ形鋼、フラットバーなどの鋼材を用いることができ、溶接やボルト接合などによりバックステー１８に接合する。横つなぎ材４０は、バックステー全体に設置してもよいが、火炎の発生は上部で生じる場合が多いので、バックステー１８の上部など一部だけに設置してもよい。これにより、バックステー１８が火炎に炙られて局部的な塑性化が生じた場合でも、横つなぎ材４０により、塑性化した部位の剛性低下を周辺の弾性域で補うことができる。したがって、火炎の熱などによる熱膨張に起因して起こるバックステー１８の張り出し変形をより一層抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、コークス炉の炉壁に沿って設置されるバックステー構造であって、前記バックステーは、その外側面の一部に設置したタイロッド定着板を介してタイロッドにより前記炉壁に固定され、前記バックステーと前記炉壁との間、前記バックステーと前記タイロッド定着板との間のそれぞれに、前記バックステーの延在方向への熱膨張による変形を許容しつつ支圧力を伝達するベアリング部材を設けたので、熱膨張によるバックステーの伸びを延在方向に逃がすことができる。これにより、火炎の熱などによる熱膨張に起因して起こるバックステーの外側への張り出し変形を抑制することができる。

以上のように、本発明に係るバックステー構造は、コークス炉のような炉壁を支持するバックステーに有用であり、特に、火炎の熱などによる熱膨張に起因して起こるバックステーの張り出し変形を抑制するのに適している。

１０、１ 蓄熱室
１２ 炉壁レンガ
１４ ヘッドプレート
１６ フラッシュプレート
１８ バックステー
１８ａ バックステーの外側フランジ外面
１８ｂ バックステーの炉壁側フランジ外面
２０ クロスタイロッド定着板（タイロッド定着板）
２２ クロスタイロッド（タイロッド）
２４ 天井レンガ
２４ａ 天井レンガの側面
２６ アンカーボルト
２８、８ 炉体
３０ 切り欠き部
３２ ベアリング部材
３４ 薄板（ベアリング部材）
３６ ドライベアリング
３８ 熱間潤滑材
４０ 横つなぎ材
１００、２００、３００、４００、４０１ バックステー構造

Claims (5)

1. コークス炉の炉壁に沿って設置されるバックステー構造であって、
   前記バックステーは、その外側面の一部に設置したタイロッド定着板を介してタイロッドにより前記炉壁に固定され、
   前記バックステーと前記炉壁との間、前記バックステーと前記タイロッド定着板との間のそれぞれに、前記バックステーの延在方向への熱膨張による変形を許容しつつ支圧力を伝達するベアリング部材を設けたことを特徴とするバックステー構造。
2. 前記ベアリング部材を、薄板で構成したことを特徴とする請求項１に記載のバックステー構造。
3. 前記ベアリング部材を、薄板状のドライベアリングを２枚重ねたもので構成したことを特徴とする請求項１に記載のバックステー構造。
4. 前記炉壁と前記薄板との間、前記タイロッド定着板と前記薄板との間の少なくとも一方に熱間潤滑材を塗布または充填したことを特徴とする請求項２に記載のバックステー構造。
5. 前記炉壁に沿って隣接して設置した前記バックステーを複数の横つなぎ材で繋いだことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のバックステー構造。

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