JP6051872B2

JP6051872B2 - コークス炉窯口部のシール構造

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Publication number: JP6051872B2
Application number: JP2013001773A
Authority: JP
Inventors: 清人笠井; 康志筒井; 和也岡西
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: JP2014133795A

Description

本発明は、コークス炉窯口部の構成部材間に形成される隙間からのガス漏洩を抑制するためのコークス炉窯口部のシール構造に関する。

室炉式コークス炉は、炭化室内で空気を遮断して石炭を加熱して、バッチ処理でコークスを製造する設備であり、耐火煉瓦で構成される自立式の炉である。熱間の容積安定性の観点から、コークス炉の炉体は、数百〜千数百にも及ぶ異形状の煉瓦（珪石煉瓦、粘土煉瓦及び断熱煉瓦等）を、高さ方向に例えば１００段程度も組み合わせた複雑な構造を有する。

コークス炉の窯口部は、炉体の炉長方向の端部の炉壁に形成された縦長矩形の開口及びその周辺部分を指し、炭化室で製造されたコークスは当該窯口部から排出される。この窯口部は、上記開口を形成するように積み上げられた炉体耐火物と、当該炉体耐火物に取り付けられる金属製の炉枠（炉枠金物）と、当該炉枠に取り付けられて上記開口を塞ぐ炉蓋などから構成される。

コークス炉で石炭を乾留する際には、石炭からガスが発生するため、炉内のガス圧力が変化する。例えば、炉内ガス圧力は、石炭の装入後には大気圧より高めになるが、コークスの窯出し前には大気圧より低くなる。この結果、石炭の装入後に、上記窯口部の隙間から乾留ガスが炉外に流出し、作業環境の悪化をもたらす場合がある。また、窯出し前の炭化室内への大気吸入による炉内温度の低下や、炭化室の窯口部に近い領域の石炭の乾留不足によって、コークスの品質劣化に結びつく場合もある。このため、コークス炉において窯口部のシール性は必要不可欠な条件であり、非常に重要な項目でもある。

ところが、高さ数メートルに達することもある鋳鉄製の炉枠が操業中の熱サイクルによって変形する場合があり、また、シールが必要な部分は最高で８００℃程度の高温になるなど、窯口部のシール条件は過酷である。さらに、コークス炉の操業期間を考慮すると、少なくとも数ヶ月から数年間の長期間のシール性が要求される。従って、コークス炉窯口部のシール方法については様々な検討が実施されてきた。

従来のシール方法としては、炉枠と炉体又は保護板との間に形成された隙間に、モルタル等の充填材を充填する方法が一般的であった。例えば、特許文献１には、コークス炉端部の燃焼室の炉壁に取り付けられた保護板とフレーム（炉枠）との間隙に、耐熱モルタルを充填するシール方法が記載されている。しかし、このようにモルタルのみに依存するシール方法では、熱によるモルタルの膨張・収縮や、炉枠や保護板の熱変形などが原因で、モルタルに亀裂が生じたり、剥離、脱落してしまったりしてシール性が低下するため、長期間安定してシール性を確保することが難しいという問題があった。

また、他のシール方法としては、コークス炉の窯口部に形成される空隙に、その隙間よりも直径が大きなセラミックファイバー製のロープを設置してシールする方法がある。この方法では、炉枠と炉体との間の隙間に本ロープを挟み込んだ状態で炉枠をセットしたり、電動チッパーなどによって本ロープを当該隙間に強制的に打ち込んだりして、当該セラミックファイバーロープをパッキンとして機能させて隙間をシールする。

例えば、特許文献２には、炉枠と炉体の間の前部隙間における炉外と通じる鉛直部分に、先ずはセラミックファイバー製の耐熱性ロープを装填し、その上に複数枚の高耐熱膨張性シートを高さ方向に積層するように装填し、更にその上に耐火モルタルを設置することによってシールする方法が開示されている。また、特許文献３には、コークス炉窯口部の構成部材間の空隙をシールするために、耐火性を有する無機繊維製のブレイドロープを当該空隙に設置した後に、無機繊維を含有する耐火モルタルを充填する方法が記載されている。

なお、上記窯口部シール用のロープとして、かつてはアスベスト製のロープが使用されていたが、アスベストは発がん性物質であり、使用が禁止されている。このため、近年は、高温耐火性を有する無機繊維であるセラミックファイバーを主材料として製造されたセラミックファイバーロープが採用されている。

特開昭６１−２２３０８７号公報特開平５−１４８４８７号公報特開２０１１−２０８０２２号公報

上記特許文献２、３記載のシール方法では、圧力変動する炉内のガスが窯口部の隙間から外部に漏洩することを防止するために、窯口部の隙間に設置されたセラミックファイバーロープが、変形して炉枠及び炉体又は保護板に密着することを前提としている。

しかしながら、窯口部の炉体耐火物は複数の煉瓦を積み上げて築造されるため、当該炉体耐火物の表面にはどうしても凹凸が生じてしまう。このため、ある程度の硬さを有するセラミックファイバーロープが、炉体耐火物と表面の凹凸に追従できず、炉体耐火物に対する密着性が低下する。この結果、ロープと炉体耐火物との間には部分的な隙間が生じてしまうので、当該隙間を通じて、ガスが漏洩してしまう。また、セラミックファイバーロープを構成する１本１本の繊維径がアスベストに比べて太いため、当該繊維を撚って形成されるときセラミックファイバーロープの内部に空隙も多く生じる。さらに、コークス炉の操業が続くと、セラミックファイバーロープが損傷劣化して、隙間が生じることもある。

かかる理由により、セラミックファイバーロープ単独でガス漏洩を完全に抑制する事は困難であった。また、窯口部の隙間にセラミックファイバーロープとともにモルタルを充填した場合でも、上記のようにモルタルに亀裂が生じるので、長期間に渡り安定的にシールすることは難しい。このように、セラミックファイバーロープやモルタルの隙間から何年にもわたって炉内のガスが漏洩すると、黒煙発生による環境上の問題やＣＯガス漏洩による安全上の問題につながるケースが多々あり、このシール性の改善が切望されている。

また、特許文献２記載のシール方法では、耐熱モルタルを狭隘部深部まで注入することが難しく、鉛直部分の隙間にしか使用できないが、膨張性シートの上にモルタルを装填するため、膨張性シートも鉛直部分の隙間にしか使用できない。また、モルタル中に気泡が残っている場合には、そこが空隙として残り、ガス漏洩の経路となる可能性もある。また、特許文献２記載の方法では、耐熱性ロープと充填したモルタルとの間に、複数枚の膨張性シートを積層して設置している。しかし、特許文献２の図１の記載によれば、当該複数枚の膨張性シートは、鉛直部分の隙間に鉛直方向（つまり、隙間の長手方向）に積層されており、当該シートは隙間の長手方向に膨張することになる。そうすると、隙間内で当該シートが膨張したとしても、隙間を十分にシールできないと考えられるだけでなく、当該シート上部のモルタル層を隙間から押し出すことにもなりかねない。このように、特許文献２記載の膨張性シートの設置位置や設置方向は妥当ではなく、その効果も明確ではない。

また、発明者等は上記積層方向による問題を解消すべく、鉛直部分の隙間に複数枚の膨張性シートを積層するに当たり、水平方向（隙間の幅方向）に積層することを検討した。しかしながら、鉛直部分の隙間に、複数枚の膨張性シートを積層する際は、その上に装填するモルタルがシート側に流れ込まないように、隙間無く積層する必要があるが、特許文献２に記載のように鉛直方向（隙間の長手方向）に積層する場合は、幅の狭い帯状のシートを使用して比較的容易に施工できるが、水平方向（隙間の幅方向）に積層する場合は、シート幅が広くなる上、シートを鉛直に差し込んでいく必要があり、隙間無く積層施工することは困難であることが判った。そして、水平方向（隙間の幅方向）の積層施工の際に隙間ができると、その上に装填するモルタルの一部が当該隙間の一部に入り込んで膨張性シートの膨張を阻害し、シールが困難になるという問題があることが判った。

また、特許文献３記載のシール方法では、耐火性無機繊維製のブレイドロープと耐火モルタルを組み合わせているが、ブレイドロープ自身が硬く、つぶれても面として耐火物、金物等に接しない可能性もある。従って、ブレイドロープと炉体耐火物又は保護板との間に部分的に隙間が生じて、ガス漏洩する可能性がある。ただし、ブレイドロープは、ブランケット等のファイバーシートにはない強度保持機能もするため、炉枠を炉体に取り付ける際の炉枠の位置調整機能としては、十分機能しているものと考えられる。

また、上記のセラミックファイバーロープ以外にも、セラミックファイバーからなるブランケットやボードなどのシール部材を、窯口部の隙間に装填することも考えられる。しかし、これらシール部材の計画上の厚みと実際に設置する時の厚みとは、窯口煉瓦の築造精度や押さえこみの圧力によってかなり異なってくるため、その調整は、現場での合わせこみに頼らざるをえない。この際、シール部材が薄いと、窯口部の隙間を十分に閉塞できない。一方、シール部材が厚いと、炉枠のセット作業時に、シール部材の表面が炉枠耐火物又は保護板の表面と接触した状態で位置合わせをすることになる。従って、摩擦によりシール部材の表面が破損してボロボロになったり、せっかく貼付したシール部材が炉枠から剥がれたりするので、当該シール部材により窯口部の隙間を十分に閉塞することが非常に難しくなる。シール部材と炉枠耐火物又は保護板の表面との間に幅５〜６ｍｍといった大きな空隙が残った場合は、この部位からのガス漏洩が、コークス炉の稼働後に何年にもわたって続き、前述したような問題が長期にわたって継続することになる。また、シール部材が厚いと、上記炉枠の位置合わせの作業性や仕上げ状況が劣化するという問題もある。

以上の理由から、コークス炉窯口部の炉枠の設置作業時には、作業性を低下させないように、薄くコンパクトな構造を有する反面、高温のガスが流れたときには、大きく膨らんで窯口部の隙間を確実に閉塞して安定的にシールすることが可能なシール構造が希求されていた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、コークス炉窯口部の炉枠の設置作業時に、その作業性を低下させないようなシール構造を有するとともに、コークス炉窯口部の炉枠と炉体耐火物又は保護板との間に形成される隙間を、長期間に渡り安定的にシールして、ガス漏洩を抑制することが可能な、新規かつ改良されたコークス炉窯口部のシール構造を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のある観点によれば、コークス炉窯口部の構成部材間に形成される隙間をシールするシール構造であって、無機繊維からなり、前記隙間において炉内側と炉外側に離隔して設けられる一対のロープと、前記隙間において前記一対のロープの間に設けられる帯状の熱膨張シートと、を備え、前記熱膨張シートの厚みは、前記隙間の幅よりも小さく、前記熱膨張シートの厚み方向が前記隙間の幅方向と一致するように、前記熱膨張シートが前記隙間内に配置されることを特徴とする、コークス炉窯口部のシール構造が提供される。

前記熱膨張シートは、膨張黒鉛を含有し、前記隙間内に配置された膨張前の前記熱膨張シートの厚みは、前記隙間の幅の３０％以上であるようにしてもよい。

前記隙間内に配置された膨張前の前記熱膨張シートの厚みは、前記隙間の幅の５０％以上、９０％以下であるようにしてもよい。

前記隙間のうち前記炉内側のロープよりも炉内側の部分に、耐熱性を有する充填材が充填されるようにしてもよい。

上記構成によれば、コークス炉窯口部の構成部材間（例えば、コークス炉の窯口部の炉枠と炉体耐火物の間、又は炉枠と保護板との間など）に形成される隙間において、炉枠を位置決めするための一対の無機繊維製のロープ間に熱膨張シートを設置する。これにより、コークス炉の昇温時の熱で熱膨張シートが隙間の幅方向に膨張して隙間を閉塞できる。従って、ロープのパッキン作用のみならず、熱膨張シートの閉塞作用をも利用して、当該隙間を長期間安定してシールして、ガス漏洩を的確に抑制することができる。なお、膨張した熱膨張シート中に発生した空隙を通ってガスが漏洩する場合もあるため、必ずしもコークス炉の稼働初期からガス漏洩を完全に抑制できるとは限らない。しかし、稼働後に時間の経過とともに、流通するガスに含まれるタール分が熱膨張シートの無機繊維に徐々に付着して、当該熱膨張シート中の空隙を閉塞するため、シール性が向上してガス漏洩は発生しなくなる。

以上説明したように本発明によれば、コークス炉窯口部の炉枠の設置作業時に、その作業性を低下させないようなシール構造を有するとともに、コークス炉窯口部の炉枠と炉体耐火物又は保護板との間に形成される隙間を、長期間に渡り安定的にシールして、ガス漏洩を抑制することができる。

室炉式コークス炉の炉長方向の縦断面図である。室炉式コークス炉の炉団長方向の縦断面図である。本発明の第１の実施形態に係るコークス炉の窯口部を示す斜視図である。同実施形態に係るコークス炉の窯口部を示す水平断面図である。同実施形態に係る窯口部の炉枠と炉体耐火物の間のシール構造を示す拡大水平断面図である。同実施形態に係るシール構造の施行工程を示す模式図である。同実施形態に係るシール構造の施行工程を示す模式図である。同実施形態に係るシール構造の施行工程を示す模式図である。同実施形態に係るシール構造の施行工程を示す模式図である。同実施形態に係る熱膨張シートの基材材料中に占める膨張黒鉛の添加量と膨張率との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る窯口部の炉枠と保護板の間に形成される隙間のシール構造を示す模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

［１．コークス炉の全体構成］
まず、図１、図２を参照して、コークス炉の全体構成について説明する。図１は、室炉式のコークス炉１の炉長方向Ｘの縦断面図であり、図２は、室炉式のコークス炉１の炉団長方向Ｙの縦断面図である。

図１及び図２に示すように、室炉式のコークス炉１は、炉体下部に設けられるソールフリュー２と、該ソールフリュー２の上部に設けられる蓄熱室３と、該蓄熱室３の上部に設けられる炭化室４及び燃焼室５と、該炭化室４及び燃焼室５の上部に設けられる炉頂部６とを備える。また、図示はしないが、コークス炉１は、炉頂部６上に炉団長方向Ｙに走行可能に配置されて各炭化室４に石炭を装入する装入車や、各炭化室４からコークスを押し出すための押出機なども備えている。

炭化室４及び燃焼室５は、炉長方向Ｘに延びる縦長の略直方体状の空間であり、かかる炭化室４と燃焼室５は、炉団長方向Ｙに交互に設けられる。炭化室４は、石炭を乾留してコークスを生成するための空間である。炭化室４の上部の炉頂部６には、炉長方向Ｘに所定間隔で複数の装入口７が形成されるとともに、端部に１本又は２本の上昇管８が形成される。不図示の装入車により装入口７から炭化室４内に石炭が装入される。燃焼室５は、燃料ガスを燃焼させるための空間である。該燃焼室５の熱が炭化室４に伝わることで、炭化室４内で石炭が乾留される。この燃焼室５の上部の炉頂部６には、炉長方向Ｘに所定間隔で複数のフリュー孔９が形成されている。該フリュー孔９は、燃焼室５に連通しており、最上段にはフリュー孔蓋が設置される。かかるフリュー孔９を設けることで、燃焼室５の燃焼状態を、炉頂から目視で観察することができるようになる。

上記ソールフリュー２、蓄熱室３、炭化室４、燃焼室５及び炉頂部６は、コークス炉１の炉体を構成し、当該炉体は、数百〜千数百にも及ぶ異形状の煉瓦（珪石煉瓦、粘土煉瓦及び断熱煉瓦等の炉体耐火物）を、高さ方向に例えば１００段程度も組み合わせた複雑な構造を有する。

また、図１に示すように、コークス炉１の窯口部１０は、炭化室４及び燃焼室５の炉長方向Ｘの両端部の炉壁に形成された縦長矩形の開口（即ち、窯口）及びその周辺部分である。窯口部１０は、炭化室４内で製造されたコークスを炉内から外部に排出する用途や、炭化室４内にコークスの押出機を装入するために用いられる。一側の窯口部１０から炭化室４内に押出機を装入し、他側の窯口部１０からコークスが押し出される。

本実施形態では、上記のコークス炉１の窯口部１０のシール構造を特徴としている。以下に、窯口部１０のシール構造について詳細に説明する。

［２．コークス炉窯口部の構造］
次に、図３、図４を参照して、本発明の第１実施形態に係るコークス炉１の窯口部１０の構造について詳述する。図３、図４はそれぞれ、本実施形態に係るコークス炉１の窯口部１０を示す斜視図、水平断面図である。

図３、図４に示すように、コークス炉１の窯口部１０は、炉体耐火物１１、金属製の炉枠１２、押さえ金物１３、バックステー１４、炉蓋１５などの複数の構成部材からなる。

窯口部１０の炉体耐火物１１は、コークス炉１の燃焼室５の炉長方向Ｘの端部の炉壁を構成する耐火物（煉瓦）であり、炭化室４の炉長方向Ｘの端部に形成される開口（即ち、窯口）を取り囲む。一般に、窯口部１０の炉体耐火物１１は、当該炉壁の最外側に位置する粘土煉瓦１１０を含み、その内側に存在する珪石煉瓦１１１（燃焼室５を区画する煉瓦）を含まない。しかし、かかる定義に限定されず、本発明の炉体耐火物は、コークス炉窯口の炉枠周辺に設置される任意の耐火物を含んでもよい。

本実施形態では、多数の粘土煉瓦１１０を水平方向（炉団長方向Ｙ）及び鉛直方向Ｚに積み上げることにより、窯口部１０の炉体耐火物１１（燃焼室５の端部の炉壁に相当する。）が形成される。図４に示す例では、炉体耐火物１１の各層は、炉団長方向Ｙに分割された３つの粘土煉瓦１１０からなり、このうち中央の粘土煉瓦１１０には、モルタル注入孔１１０ａが形成されている。かかるモルタル注入孔１１０ａから、耐火モルタル（図示せず。）を注入して、煉瓦１１０、１１１間の目地部で乾燥及び固化させることで、複数の粘土煉瓦１１０及び珪石煉瓦１１１が相互に接合される。

炉枠１２は、コークス炉１の窯口部１０に設置される縦長枠形状の金属製のフレームである。この炉枠１２は、炭化室４の炉長方向Ｘの端部に形成される窯口を取り囲むように設置され、当該窯口の周囲の炉体耐火物１１を補強し、その破損や崩落を防止する機能を有する。当該炉枠１２は、金属製の鋳物、例えば、鋳鉄製の金物からなり、窯口の周囲の炉体耐火物１１の縁部に沿って取り付けられる。炉体耐火物１１と炉枠１２の接合部においては、炉体耐火物１１の接合面と炉枠１２の接合面が相互に対応する形状となっており、極力、炉体耐火物１１と炉枠１２との間に隙間が生じないようになっているが、前述した理由から両者を完全に隙間なく接合することはきわめて難しい。

押さえ金物１３は、金属製の支持部材であり、窯口部１０の炉体耐火物１１を炉長方向Ｘに押さえる機能を有する。押さえ金物１３は、例えば、鋳鉄等の平板状の鋳物からなり、窯口部１０の炉体耐火物１１の炉長方向Ｘの端面に取り付けられ、その背面からバックステー１４により支持される。バックステー１４は、Ｈ形鋼からなり、押さえ金物１３を介して、炉長方向Ｘの端部の炉体耐火物１１を支持する機能を有する。

炉蓋１５は、上記炉枠１２に取り付けられて、窯口部１０の窯口を開閉可能に塞ぐ機能を有する。炉蓋１５は、炭化室４の端部の窯口から炉内に挿入される炉蓋耐火物１５０と、当該炉蓋耐火物１５０を支持する押さえ装置１５１とからなる。炉蓋耐火物１５０は、不定形耐火物、例えば耐火キャスタブルなどを用いて成形される。押さえ装置１５１は、炉枠１２に対して着脱可能に取り付けられ、炉蓋耐火物１５０を支持する。押さえ装置１５１を、炉枠１２の前面に当接させることにより、炉蓋１５と炉枠１２の間に形成される隙間がシールされる。

［３．窯口部のシール構造］
次に、図３〜図５を参照して、本実施形態に係る窯口部１０の炉枠１２と炉体耐火物１１の間のシール構造について詳述する。図５は、本実施形態に係る窯口部１０の炉枠１２と炉体耐火物１１の間のシール構造を示す拡大水平断面図である。

［３．１．シール構造の全体構成］
まず、シール構造の全体構成について説明する。上記のように、コークス炉１の窯口部１０では、炭化室４の端部の窯口の周囲の炉体耐火物１１に、金属製の炉枠１２が設置され、その内側空間を炉蓋１５で塞ぐ構造である。かかる窯口構造においては、炉体耐火物１１と炉枠１２との間に、通常、隙間２０が形成される。つまり、金属製の炉枠１２の表面は平坦面であるが、複数の粘土煉瓦１１０からなる炉体耐火物１１の表面には凹凸があるので、炉枠１２の表面と炉体耐火物１１の凹凸面との間に、どうしても隙間２０が生じる。

このため、当該隙間２０を通って漏洩するガスをシールする構造が必要となる。ところが、コークス炉１の操業時に当該隙間２０の周辺は、少なくとも２００°以上の高温になるため、ゴムなどの有機系材質のシール部材は使用できず、セラミック等の無機系材質のシール部材を使用する必要がある。

図３〜図５に示すように、本実施形態に係る窯口部１０のシール構造では、炉体耐火物１１と炉枠１２の間に、一対のセラミックファイバーロープ２１、２２（以下、単に「ロープ２１、２２」という場合もある。）を挟み込む。セラミックファイバーロープ２１、２２は、セラミックファイバーを主材料として製造されるロープであり、高温耐熱性とある程度の硬さを有する。なお、セラミックファイバーは、無機繊維の代表例であるが、本発明のロープは、セラミックファイバー以外の任意の無機繊維を主材料として製造されてもよい。

ロープ２１、２２の直径φは、炉体耐火物１１の表面の凹凸や隙間２０の幅ｗ等に応じて調整される。ロープ２１、２２は、窯口の全周囲に渡って連続的に設置されて、上記炉体耐火物１１と炉枠１２の間に挟み込まれる。また、一対のロープ２１、２２は、隙間２０内において所定の間隔を空けて離隔配置されている。これにより、炉体耐火物１１に炉枠１２を２箇所で安定的に位置決めすることができる。

以下では、上記一対のロープ２１のうち、炉内側（炭化室４内のガスに触れる側）に配置されるものを炉内側ロープ２１、炉外側（コークス炉外の外気に触れる側）に配置されるものを炉外側ロープ２２と称する。なお、本実施形態では、隙間２０内に２本のロープ２１、２２を設置しているが、３本以上のロープを設置してもよい。１本のロープのみを設置する場合、炉枠１２を炉体耐火物１１に設置する際に、当該ロープによる炉枠１２の位置決め精度が低下するので、好ましくない。そこで、本実施形態においては、後述する熱膨張シート２５の炉外側と炉内側のそれぞれの側にロープを１本以上（合計２本以上）設置する。

上記のセラミックファイバーロープ２１、２２を炉体耐火物１１と炉枠１２との間に挟み込むことにより、ロープ２１、２２が押し潰されて横方向（隙間２０の長手方向）に拡がり、炉体耐火物１１に対して炉枠１２が位置決めされ、隙間２０の幅ｗが設定される。つまり、ロープ２１、２２の直径φや硬さを調整することで、炉枠１２を炉体耐火物１１に設置して、炉枠１２を炉体耐火物１１の間でロープ２１、２２を挟み込んだときに、ロープ２１、２２の潰れ具合に応じて、隙間２０の幅ｗが決定される。

また、上記のセラミックファイバーロープ２１、２２を炉体耐火物１１及び炉枠１２の表面に圧着することで、該ロープ２１、２２を、隙間２０を塞ぐパッキンとしても機能させて、炭化室４内のガスが隙間２０を通じて炉外へ漏洩することを抑制できる。

さらに、隙間２０のうちロープ２１、２２の外側部分には、それぞれモルタル２３、２４が充填され、ガス漏洩の抑制を更に確実なものにしている。具体的には、隙間２０のうち炉内側ロープ２１よりも炉内側（炭化室４に近い側）の空間部分にはモルタル２３（以下、炉内側モルタル２３と称する。）が充填されている。一方、隙間２０のうち炉外側ロープ２２よりも炉外側（炭化室４から遠い側）の空間部分にはモルタル２４（以下、炉外側モルタル２４と称する。）が充填されている。これらのモルタル２３、２４は、隙間２０をシールする機能を有する。

ところが、前述したように、セラミックファイバーロープ２１、２２及びモルタル２３、２４のみでは、隙間２０を完全にシールして、ガス漏洩を確実に抑制することは難しい。つまり、上記のように炉体耐火物１１に対して炉枠１２を適切に位置決めするためには、ある程度硬いロープ２１、２２を使用する必要がある。しかし、硬いロープ２１、２２を用いた場合、複数の粘土煉瓦１１０を積み上げて築造された炉体耐火物１１の表面の凹凸に対して、ロープ２１、２２が柔軟に追従できないため、ロープ２１、２２と炉体耐火物１１の表面との間に部分的に隙間が生じ、ガスが漏洩してしまう。さらに、無機繊維質のロープ２１、２２自身の内部に生じる空隙や、ロープ２１、２２の経年劣化による空隙が生じ、これら空隙を通じてガスが漏洩する恐れもある。

また、隙間２０におけるロープ２１、２２の外側部分にモルタル２３、２４を充填したとしても、使用年数の経過とともに、炉枠１２や炉体耐火物１１の熱膨張や個々の粘土煉瓦１１０のずれにより、モルタル２３、２４に亀裂が生じ、ガスが漏洩してしまうこともある。さらにはモルタル充填時に、炉体の熱によりモルタルが固化するため、隙間２０内にモルタルを適切に注入することが困難であり、不完全に充填・固化したモルタル２３、２４内の空隙がガスの流路となり、漏洩が生じてしまう可能性もある。

そこで、本実施形態に係るシール構造では、シール部材として、熱膨張シート２５を隙間２０内に追加設置することを特徴としている。上記セラミックファイバーロープ２１、２２は、炉枠１２の位置決め用途と、隙間２０のシール用途とを兼用する部材であるのに対し、熱膨張シート２５は、隙間２０のシール用途の専用部材となる。

熱膨張シート２５は、常温よりも高い所定温度（例えば２００°）以上の環境下で急激に膨張する熱膨張性を有するものであればよいが、好ましい形態は、セラミックファイバー等の無機繊維からなるシートに膨張黒鉛を添加し分散させたものである。膨張黒鉛は、異方性が非常に高いため、一方向に確実に膨張させることができ、本実施形態に係る熱膨張シート２５は、隙間２０の幅方向に膨張するように膨張黒鉛が配合されたものを用いればよい。本実施形態に係る熱膨張シート２５の基材は、セラミックファイバーからなるが、セラミックファイバー以外の無機繊維を熱膨張シート２５の基材としてもよい。以下では、この好ましい形態である膨張黒鉛を添加させた熱膨張シート２５を例に説明する。

この熱膨張シート２５は、隙間２０における上記一対のロープ２１、２２の間の中央部分に設置され、窯口の全周囲に渡って連続的に設置される。このために、熱膨張シート２５は帯状に裁断されており、隙間２０内に設置された際に、両側のロープ２１、２２に接触しないようになっている。薄い熱膨張シート２５を一対のロープ２１、２２間に配置することで、炉枠１２を炉体耐火物１１に取り付けて位置決めする際に、熱膨張シート２５の破損を防止できる。

そして、上記薄い熱膨張シート２５は、隙間２０の幅方向に膨張するように隙間２０内に設置される。つまり、熱膨張シート２５の厚み方向（即ち、膨張黒鉛の積層方向）が隙間２０の幅方向に一致するような設置方向で、１枚の熱膨張シート２５が隙間２０内に配置される。

これにより、コークス炉１の稼働後に、窯口部１０が高温になった場合には、熱膨張シート２５は、その熱により隙間２０の幅方向に膨張して、炉体耐火物１１と炉枠１２の間の隙間２０を的確に閉塞する。この際、熱膨張シート２５は、膨張黒鉛を含有しており、膨張性能が高いので、隙間２０の幅方向全体を的確に閉塞でき、空隙を生ずることなく隙間２０全体を確実にシールできる。もちろん、熱膨張シート２５が膨張しても、シート内部に発生した空隙を通って、ガスが漏洩するため、必ずしも稼働初期から熱膨張シート２５によりガス漏洩を完全に抑制できるとは限らない。しかし、膨張後の熱膨張シート２５内に生じた空隙が微細空隙であれば、石炭乾留時に発生するタール分を含むガスが熱膨張シート２５内を通過する際に、当該タール分が熱膨張シート２５のファイバーに沈積する。このため、コークス炉１の立ち上げ後数カ月以内で、タール分により熱膨張シート２５内部のガス経路（微細空隙）が閉塞されて、熱膨張シート２５内部のガス流通は遮断されるので、ガス漏洩は発生しなくなる。

このように、本実施形態では、炉枠１２と炉体耐火物１１との間に形成される隙間２０内において、一対のロープ２１、２２の間に熱膨張シート２５を設置する。これにより、コークス炉１の稼働後に、熱膨張シート２５が隙間２０の幅方向に熱膨張して当該隙間２０を閉塞するので、当該隙間２０を長期間に渡って安定的にシールして、ガス漏洩を抑制することができる。この点、本実施形態に係る熱膨張シート２５の膨張方向が隙間２０の幅方向であるのに対し、前述の特許文献２に記載の複数枚の熱膨張性シートの膨張方向が隙間の長手方向であり、両者の膨張方向は全く相違しており、シール性も異なる。

［３．２．シール構造の施行手順］
次に、図６Ａ〜Ｄを参照して、本実施形態に係るシール構造の施行手順について詳細に説明する。図６Ａ〜Ｄは、本実施形態に係るシール構造の施行工程を示す模式図である。

まず、図６Ａに示すように、炉枠１２を炉体耐火物１１に取り付ける前に、炉枠１２の表面に２本のセラミックファイバーロープ２１、２２を、例えば粘着テープ（図示せず。）などの接着手段を用いて取り付けておく。この際、ロープ２１、２２は、炉枠１２を炉体耐火物１１に適切に位置決めできるような位置に所定間隔を空けて取り付けられる。また、炉枠１２の表面におけるロープ２１、２２の間の位置に、帯状の熱膨張シート２５が取り付けられる。この際、熱膨張シート２５を、炉枠１２の表面に接着剤や充填剤等の粘着手段で貼り付けておけばよい。

図６Ａに示すように、炉体耐火物１１に対する炉枠１２の設置前には、熱膨張シート２５の厚みｔは、上記位置決め用のロープ２１、２２の直径φよりも小さい。そして、ロープ２１、２２は、潰れておらず、円形断面のままである。

次いで、図６Ｂに示すように、炉枠１２を炉体耐火物１１に取り付ける。これにより、セラミックファイバーロープ２１、２２は、炉体耐火物１１と炉枠１２との間に挟み込まれ、押し潰されて横方向に拡がる。これにより、離隔配置された２本のロープ２１、２２で炉枠１２が支持されて、炉体耐火物１１に対して炉枠１２が高精度で位置決めされるとともに、ロープ２１、２２の潰れ具合に応じて、炉枠１２と炉体耐火物１１の間の隙間２０の幅ｗを調整できる。

かかる炉枠１２の設置時には、熱膨張シート２５は、常温環境下でまだ膨張していない薄いシートであるので、炉枠１２の設置作業の作業性を低下させることがない。つまり、熱膨張シート２５の厚みｔは、上記ロープ２１、２２の直径φよりも小さく、かつ、当該ロープ２１、２２により調整される最終的な隙間２０の幅ｗよりも小さい。このため、炉枠１２の設置時に、熱膨張シート２５が、炉体耐火物１１に対して接触しないので、熱膨張シート２５の破損を防止できる。このように、上記ロープ２１、２２を利用して炉枠１２を位置決めして、隙間２０を形成しつつ、炉枠１２を炉体耐火物１１に取り付ければ、炉体耐火物１１と炉枠１２の間の隙間２０に薄い熱膨張シート２５を簡単に設置できる。なお、熱膨張シート２５の取付作業性を向上する観点からは、表面に凹凸のある炉体耐火物１１よりも、表面が平坦な炉枠１２に対してロープ２１、２２と熱膨張シート２５を貼り付けておくことが好ましい。

次いで、図６Ｃに示すように、隙間２０のうち炉内側ロープ２１よりも炉内側の空間部分に、モルタルを施工して固化させ、シール部材としての炉内側モルタル２３を形成する。同様に、隙間２０のうち炉外側ロープ２２よりも炉外側の空間部分に、モルタルを施工して固化させ、シール部材としての炉外側モルタル２４を形成する。炉内側モルタル２３は、隙間２０のシール機能を発揮するのみならず、炭化室４内の高温の石炭の輻射熱から炉内側ロープ２１を保護する機能を有する。従って、輻射熱による炉内側ロープ２１の劣化を防止する観点からは、できるだけ炉内側モルタル２３を設置することが好ましい。一方、炉外側モルタル２４は必須ではないが、より確実に隙間２０をシールするためには、炉外側モルタル２４を設置した方がよい。

その後、図６Ｄに示すように、コークス炉１の稼働後には、炉内の熱により、熱膨張シート２５が膨張して、隙間２０を閉塞する。この際、熱膨張シート２５の膨張方向は、隙間２０の幅方向であり、膨張後の熱膨張シート２５の厚みｔ’は、隙間２０の幅ｗと同程度となる。これにより、セラミックファイバーロープ２１、２２やモルタル２３、２４で隙間２０を完全にシールできない場合であっても、熱膨張シート２５により隙間２０を確実にシールして、ガス漏洩を防止できる。

［３．３．熱膨張シートの構成］
次に、本実施形態に係る熱膨張シート２５の構成や製法等について詳細に説明する。

上記のように、本実施形態では、炉体耐火物１１と炉枠１２との間に形成される隙間２０のシール部材として、熱膨張シート２５を設置する。この熱膨張シート２５は、耐熱性を有するセラミックファイバーシート中に、例えば２００°以上で急激に膨張する、所謂「膨張黒鉛」を含有させた膨張黒鉛シートからなる。この熱膨張シート２５を隙間２０に設置しておくことで、もし高温のガスが隙間２０を流れてきたときは、熱膨張シート２５を急速に膨張させることで、隙間２０を閉塞して、ガス流出を遮断することができる。

本実施形態に係る熱膨張シート２５としては、例えば、従来では建材用途などで用いられてきた市販の膨張黒鉛シート（商品名：「フィブロック」、積水化学工業社製）を使用することができる。この膨張黒鉛シートは、セラミックファイバーと少量の膨張黒鉛を溶媒中に分散させ、紙すきの要領にて所定厚みのシートに成形したものであり、使用用途により若干量の結合剤を使用することで、冷間作業時に必要な強度を保持している。

なお、黒鉛は、炭素の結晶型の一つであり、平面六角型の形で炭素原子が結合した層が積み重なった構造を有する。この六角形平面内での炭素−炭素結合は、ダイヤモンドと同程度の強い結合を示すが、層間の結合は弱い結合（ファンデルワールス結合）となっている。この黒鉛を硫酸又は硝酸等で処理し、黒鉛の層間にイオンや分子などを注入して、膨張黒鉛が製造される。膨張黒鉛を急熱すると、上記層間に挿入された物質が燃焼・ガス化し、層間結合を切りながら膨張するが、その時ガスの放出が爆発的に発生し、層と層の間を押し広げると、黒鉛が層の積層方向に膨張する。

このように、膨張黒鉛シートは、シートを構成する黒鉛の積層方向（シートの厚み方向）のみに急激に膨張する性質を有する。従って、膨張黒鉛シートからなる熱膨張シート２５を上記隙間２０に設置する場合、熱膨張シート２５の厚み方向を隙間２０の幅方向に合わせて配置すればよい。これにより、熱膨張シート２５が隙間２０の幅方向に膨張したときに、隙間２０の幅方向全体を確実に閉塞してシール可能となる。

本実施形態に係る熱膨張シート２５としては、例えば、事前に硫酸浸漬処理を施した、粒子径０．１〜２ｍｍ程度の膨張黒鉛を用いた膨張黒鉛シートを用いればよい。また、この熱膨張シート２５の膨張率は、シートの基材材料（無機繊維）中に分散させる膨張黒鉛の量によりコントロールすることができる。

図７は、熱膨張シート２５の基材材料中に占める膨張黒鉛の添加量と、熱膨張シート２５の膨張率との関係を示す。図７に示すように、膨張黒鉛の添加量を増加すれば、熱膨張シート２５の膨張率も増加する。例えば、膨張黒鉛の添加量が１０質量％であるときには、熱膨張シート２５の膨張率は２０倍程度である。

本実施形態に係る熱膨張シート２５を製造する際、セラミックファイバーシート中に０．５質量％以上、１５質量％以下の膨張黒鉛を添加した膨張黒鉛シートを用いることが好ましい。

この理由は、膨張黒鉛の添加量が０．５質量％未満である場合には、昇温時の膨張黒鉛の膨張が熱膨張シート２５の膨張に明確に現れないからである。膨張黒鉛の添加量が０．５質量％以上であれば、熱膨張シート２５の膨張率が１倍超となり、熱膨張シート２５は多少なりとも膨張することが可能である。一方、膨張黒鉛の添加量が１５質量％以上である場合には、シートの膨張量も大きいが、ファイバーシートとしての柔軟性を発揮しにくく、熱膨張シート２５の施工性が低下する。このため、シート材料に有機結合剤を多く加えることになるが、その場合、実稼働開始前のコークス炉の空焚きでの昇熱乾燥中に（通常３ヶ月以上を要する）、有機結合剤のガスが発生し、異臭等による作業環境悪化の原因になる。また、コークス窯出し前の乾留末期における炉内減圧時に、シールしきれずに大気が炉内に吸入漏れしてしまった場合、膨張黒鉛はその空隙が多い故に、容易に酸化してＣＯ又はＣＯ_２として消失するため、その空隙充填性が問題になることも考えられる。このような理由から、熱膨張シート２５中に不必要に多くの膨張黒鉛を添加すべきでなく、膨張黒鉛の添加量は、多くても１５質量％以下、望むらくは１０質量％以下とすることが好ましい。

また、熱膨張シート２５は、前述したガス漏洩時に熱膨張シート２５により隙間２０を閉塞すれば良いことから、膨張能力としては、この隙間２０の幅以上になるような過剰な膨張能力を有していても構わない。過剰膨張能力を有していても、隙間２０の幅が固定されていることから、熱膨張シート２５は隙間２０の幅の制約を受けて、この幅を超えて膨張することはない。

また、膨張前の熱膨張シート２５の幅が隙間２０の幅以上に大きいと、施工時に圧縮や磨耗を受けて、熱膨張シート２５が破壊されてしまう。特に、最も大事な膨張する方向側の面が破壊されてしまうため、これを防止する必要がある。そのため、設置時の熱膨張シート２５の厚み（製造時に局部的な寸法のバラツキが存在するため、当該厚みは最大厚みのことを言う）は、隙間２０の幅よりも小さくする。

また、膨張前の熱膨張シート２５の幅が、隙間２０の幅よりも僅かに小さい程度では、施工時に破壊されないようにするために取り扱いに多くの注意が必要となるため、熱膨張シート２５の厚みは、隙間２０の幅の９０％以下とすることが好ましい。

そのため、熱膨張シート２５の厚みを隙間２０の幅の９０％以下とする場合は、膨張の余裕代も考慮して、熱膨張シート２５の膨張率（膨張能力）は、少なくとも１．２倍から２．０倍程度以上を確保することが好ましい。図７の関係からすれば、この膨張率を確保するためには、膨張黒鉛の添加量は、少なくとも３〜５質量％以上であることが好ましい。また、施工時の熱膨張シート２５の初期強度を考慮すると、シート材料中に有機結合剤を２〜３質量％添加することが好ましい。

また、膨張前の熱膨張シート２５が厚いほど、膨張後の熱膨張シート２５の密度が増し、熱膨張シート２５の繊維間の空隙が小さくなるため、ガス漏洩しにくいという利点がある。しかし、熱膨張シート２５が厚すぎると、前述したように実際の施工時において炉枠１２と炉体耐火物１１を位置合わせする際に、突出した熱膨張シート２５の表面が炉体耐火物１１と接触するため、炉枠１２や熱膨張シート２５の設置作業をしにくいという問題が発生する。一方、熱膨張シート２５が薄いと、炉枠１２や熱膨張シート２５の設置作業はしやすいが、熱膨張シート２５が膨張したときに、隙間２０内を充填することはできても、熱膨張シート２５の密度が低下して、熱膨張シート２５自身の繊維間の空隙が大きくなるため、熱膨張シート２５の内部を通じてガスが漏洩しやすくなってしまう。

従って、熱間で熱膨張シート２５を膨張させて効果的に隙間２０を閉塞し、かつ冷間での熱膨張シート２５の施工の容易さを確保するためには、膨張前の熱膨張シート２５の厚みｔを、隙間２０の幅ｗよりも適度に小さくすることが好ましい。例えば、膨張前の熱膨張シート２５の厚みｔを隙間２０の幅ｗよりも１ｍｍ以上小さくして、冷間での施工時において隙間２０に占める熱膨張シート２５の調整代（即ち、熱膨張シート２５の表面と炉体耐火物１１の表面との間の間隙ｄ）を１ｍｍ以上に確保することが好ましい（ｄ＝ｗ−ｔ）。

本願発明者が鋭意研究したところ、膨張前の熱膨張シート２５の厚みｔを隙間２０の幅ｗの３０％以上、９０％以下（ｔ＝０．３〜０．９×ｗ）とすることが好ましく、さらに、ｔをｗの５０％以上、９０％以下（ｔ＝０．５〜０．９×ｗ）とすることがより好ましいことが分かった。

ｔがｗの９０％以下であれば、炉体耐火物１１に対する炉枠１２の設置作業時に、両側のロープ２１、２２でガードされた熱膨張シート２５の表面が炉体耐火物１１に接触せず、熱膨張シート２５が破損したり剥離したりすることが無いので、作業性を向上できる。これに対し、ｔがｗの９０％超であれば、炉枠１２の設置時に熱膨張シート２５の表面が炉体耐火物１１に接触して、熱膨張シート２５が破損したり剥離したりするため、作業性が低下してしまう。

また、ｔがｗの３０％以上であれば、隙間２０内で熱膨張シート２５が膨張したときに、その膨張率は約３．３倍以下となる。この場合、膨張後の熱膨張シート２５中に繊維間の空隙が発生するが、当該空隙は微細である。従って、コークス炉１の稼働開始当初は、膨張した熱膨張シート２５中をガスが流通するものの、稼働後にある程度の時間が経過すれば、ガス中のタール分が上記熱膨張シート２５の微細空隙に徐々に付着して、当該微細空隙が埋まる。この結果、膨張した熱膨張シート２５のシール性が向上し、操業上要求される程度にまでガス漏洩を十分に抑制できるようになる。

さらに、ｔがｗの５０％以上であれば、隙間２０内で膨張する熱膨張シート２５の膨張率は２倍以下となる。この場合、コークス炉１の稼働開始当初から、熱膨張シート２５により適切にガスをシールできるとともに、さらに時間が経過すれば、ガス中のタール分の付着により、熱膨張シート２５のシール性が更に向上し、より効果的にガス漏洩を抑制できるようになる。

これに対し、ｔがｗの３０％未満である場合、熱膨張シート２５の膨張率が約３．３倍超となり、膨張後の熱膨張シート２５の密度が低下するため、当該熱膨張シート２５中の空隙が大きくなる。このため、膨張後の熱膨張シート２５中をガスが流通したとしても、当該空隙に対するタール分の付着による閉塞効果が低下するので、熱膨張シート２５によるシール性が低下してしまう。熱膨張シート２５中に厚み５ｍｍ程度の空隙が存在した場合、この空隙がガスの流通路となり、何年にも渡ってガスが漏洩する場合があり、また１ｍｍ程度の空隙であっても、その空隙に集中してガス漏洩する場合には、タール分が付着しにくい。よって、シール性を確保す得る観点からは、熱膨張シート２５中に目視可能なレベルの空隙は残さないようにすべきである。

［４．第２の実施形態］
次に、図８を参照して、本発明の第２の実施形態に係る窯口部１０のシール構造について説明する。図８は、第２の実施形態に係る窯口部１０の炉枠１２と保護板１６の間に形成される隙間２０のシール構造を示す模式図である。なお、第１の実施形態では、窯口部１０の炉体耐火物１１と炉枠１２の間に形成される隙間２０がシール対象であったが、第２の実施形態では、窯口部１０の炉体耐火物１１を押さえ込む保護板１６と炉枠１２の間に形成される隙間２０がシール対象である。

図８に示すように、第２の実施形態に係る窯口部１０には、第１の実施形態に係る押さえ金物１３に代えて、保護板１６が設置されている。この保護板１６は、鋳物等からなる金属製の押さえ部材であり、上記複数の粘土煉瓦１１０等からなる炉体耐火物１１を押さえ込んで保護する機能を有する。かかる保護板１６は、背面側からバックステー１４により支持された状態で、炉体耐火物１１の炉長方向Ｘの端部に取り付けられる。また、炉枠１２は、当該保護板１６の炉団長方向Ｙの端部に取り付けられる。

このように第２の実施形態に係る窯口部１０では、炉枠１２は、保護板１６を介して炉体耐火物１１に取り付けられている。そして、炉枠１２と保護板１６の間に隙間２０が形成され、保護板１６と炉体耐火物１１の間には、隙間２６が形成される。隙間２０、２６の幅は、炉枠１２と保護板１６と炉体耐火物１１の位置関係により調整される。なお、図８の例では、炉枠１２と保護板１６との間に形成される隙間２０の断面形状は、略Ｌ字形であるが、隙間２０の形状は、炉枠１２と保護板１６との接合部の形状に応じて任意に変更されうる。

上記のように第２の実施形態においても、窯口部１０の構成部材間に隙間２０、２６が生じるので、隙間２０、２６を通って漏洩するガスをシールする構造が必要となる。そこで、炉枠１２と保護板１６との間に形成される隙間２０には、上記第１の実施形態と同様に、セラミックファイバーロープ２１、２２、モルタル２３、２４、及び熱膨張シート２５が設置される。これら３つのシール部材により隙間２０をシールして、当該隙間２０を通じたガス漏洩を抑制できる。また、保護板１６と炉体耐火物１１の間に形成される隙間２６には、セラミックファイバーロープ２７と、その炉内側のモルタル２８が設置される。これら２つのシール部材により隙間２６をシールして、当該隙間２６を通じたガス漏洩を抑制できる。

なお、第２の実施形態では、金属製の炉枠１２を金属製の保護板１６に対して接合する構造であるので、第１の実施形態のように表面に凹凸を有する炉体耐火物１１に対して炉枠１２を接合する場合と比べて、ロープ２１、２２が両者に密着しやすく、ガス漏洩はしにくい。しかし、モルタル２３、２４やロープ２１、２２が経年劣化した場合などにはガス漏洩が発生することがあるので、熱膨張シート２５を用いて隙間２０を確実にシールすることが好ましい。また、仮に施工時にモルタル２３、２４やロープ２１、２２の設置時に隙間が生じていても、ガス漏洩時に熱膨張シート２５が膨張することにより、ガス漏洩を最小限に抑えることができる。

また、第２の実施形態に係る保護板タイプの窯口構造においては、上記のようにガス漏洩しにくい構造であるので、必ずしも炉外側モルタル２４を隙間２０に充填施工する必要はない。一方、上記第１の実施形態に係る押さえ金物タイプの窯口構造においては、隙間２０を通じてガス漏洩しやすい構造であるので、ガス漏洩を確実に防止するために、炉外側モルタル２４を隙間２０に充填施工した方が好ましい。

一方、炉内側モルタル２３に関しては、第１及び第２の実施形態とも、炭化室４内の高温の輻射熱から炉内側ロープ２１を保護するために、炉内側モルタル２３を充填施工しておくことが好ましい。炉内側ロープ２１の設置部分は、定常的に３００℃以上の還元性ガスに晒されたり、操業タイミングによっては酸化雰囲気になったり、炉内の１０００℃以上に加熱されたコークスの輻射熱にまともに晒されたりする。従って、上記輻射熱から炉内側ロープ２１を保護するための充填材としては、上記モルタル以外にも、例えば、約１０００℃以上の耐熱温度を有する無機系酸化物粉体原料からなる接着剤又はコーティング材などを使用することができる。

［５．まとめ］
以上、本発明の第１及び第２の実施形態に係るコークス炉窯口部のシール構造について詳述した。本実施形態によれば、炉枠１２と炉体耐火物１１との間、又は炉枠１２と保護板１６との間に形成される隙間２０において、一対のセラミックファイバーロープ２１、２２間の中央部分に、帯状の熱膨張シート２５（膨張黒鉛含有のセラミックファイバーシート）を設置する。そして。膨張前の熱膨張シート２５の厚みｔは隙間２０の幅ｗやロープ２１、２２の直径φよりも小さい。

これにより、炉枠１２を炉体耐火物１１や保護板１６等の炉体構成部材に設置するときに、両側のロープ２１、２２の間に位置する熱膨張シート２５が、炉体構成部材に接触して剥離したり破損したりすることがない。従って、シール部材として熱膨張シート２５を追加設置したとしても、当該熱膨張シート２５が炉枠１２の位置決め作業の邪魔になることがないので、炉枠１２の設置作業性を向上できる。

一方、コークス炉１の稼働後に、炉体耐火物１１の目地切れ、亀裂、煉瓦のずれ等により発生する隙間２０を高温のガスが流通するときには、熱膨張シート２５が隙間２０の幅方向に膨張して、隙間２０の幅方向全体を閉塞する。従って、膨張した熱膨張シート２５により、窯口部１０の隙間２０を長期間に渡り安定的にシールし、ガス漏洩を抑制することができる。

この際、膨張した熱膨張シート２５中に発生した空隙を通って、ガスが流通する可能性もあるので、必ずしもコークス炉１の稼働初期からガス漏洩を完全に防止できるとは限らない。しかし、熱膨張シート２５の膨張率が低く、当該熱膨張シート２５中に生じた空隙が微細空隙であれば、石炭乾留時に発生したタール分を含むガスが熱膨張シート２５中を流通する際に、当該タール分が熱膨張シート２５の繊維に付着・沈積する。このため、稼働後数か月以内に、タール分が熱膨張シート２５中のガス流通路を閉塞し、ガス漏洩は発生しなくなる。

従って、本実施形態に係るシール構造によれば、窯口部１０の隙間２０を、長期間に渡り安定的にシールし、ガス漏洩を抑制することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例は、本発明の効果を実証するために行った試験を示したものに過ぎず、本発明が以下の実施例の試験条件に限定されるものではない。

コークス炉窯口部のシール構造の施工作業性と仕上状況、シール性能を評価するための試験を行った。この試験条件と評価結果を表１に示す。

まず、実炉試験の前に行ったモデル試験の条件と評価結果を説明する。モデル試験では、コークス炉の実炉の窯口構造と同様の構造を有するモデル施工体（高さ約５００ｍｍ）を乾燥炉内に築炉し、施工する際の作業性（簡便性）と、シール部位の仕上状況を確認した。その後、炉体耐火物１１に炉枠１２を押し付けた状態で、モデル施工体を２５０℃まで昇温させ、２時間経過したのち、炉枠１２と炉体耐火物１１との接合部位（即ち、隙間２０）の状態を目視評価した。

この目視評価では、隙間２０における熱膨張シート２５の充填性（空隙の有無や大きさ）を評価した。熱膨張シート２５と炉枠１２の間、あるいは熱膨張シート２５と炉体耐火物１１との間に空隙が生じており、膨張した熱膨張シート２５が均一に充填されていない場合や、部分的に厚い空隙が生じている場合には、実炉で稼働開始しても、膨張した熱膨張シート２５中の繊維に対してタールが付着することが困難である。

そこで、上記目視評価では、隙間２０内が熱膨張シート２５で充填されて空隙が見当たらない場合を、「◎」と評価した。また、１ｍｍ以内の空隙が生じているが、１カ月程度でタール付着によるガス漏洩抑制効果が発生すると考えられる場合を、「○」と評価した。さらに、３ｍｍ程度の空隙が生じており、タール付着によるガス漏洩抑制効果が発生するまで約１年程度かかると考えられる場合を、「△」と評価した。また、５ｍｍ以上の空隙が生じており、１年を超えても当該ガス漏洩抑制効果が発生しないと考えられる場合を、「×」と評価した。

表１に示す比較例１は、従来のシール構造（特許文献３を参照。）に対応しており、隙間２０内にロープ２１、２２とモルタル２３、２４のみを設置し、熱膨張シート２５を設置しない場合である。この比較例１では、隙間２０の内部に空隙が存在し、隙間２０におけるシール部材の充填性や、高温下におけるシール性に問題があった。

比較例２は、上記熱膨張シート２５の代わりに、隙間２０の幅ｗよりも厚いファイバーブランケット（ブランケット厚みは、隙間２０の幅ｗの１．２倍）を設置した場合である。この比較例２では、施工時の炉枠１２の位置合わせが難しく、ファイバーブランケットを損傷させずにセットするために時間がかかるという問題が発生し、施工の作業性が悪かった。

比較例３は、隙間２０の幅ｗと同じ厚みの熱膨張シート２５（厚さｔ＝１２ｍｍ）を設置した場合である。この比較例３では、施工時の炉枠１２の位置合わせが難しく、熱膨張シート２５を損傷させずにセットするために時間がかかるという問題が発生し、施工の作業性が悪かった。

比較例４は、従来のシール構造（特許文献２を参照。）に対応しており、熱膨張シート２５の膨張方向（シート厚み方向）が隙間２０の幅方向に対して垂直な方向（隙間２０の長手方向）になるように、熱膨張シート２５を配置した場合である。この比較例４では、熱膨張シート２５が隙間２０の長手方向に膨張するため、隙間２０の幅方向全体を閉塞できず、隙間２０内にガス流通路となる５ｍｍ以上の空隙が残存するという問題が発生した。従って、比較例４は、１年超経過しても、シール付着によるガス漏洩抑制効果が得られず、シール性に欠けるものであるといえる。

これに対し、実施例１〜６では、膨張後の熱膨張シート２５の充填性、高温下のシール性のみならず、膨張前の熱膨張シート２５等の施工時の作業性や仕上状況も良い評価が得られた。

実施例１〜３では、冷間での膨張前の熱膨張シート２５の厚みｔを、隙間２０の幅ｗで除算した比率ｋ（ｋ＝ｔ／ｗ）は、５０〜９０％であった。この比率ｋは、隙間２０の幅ｗに対する膨張前の熱膨張シート２５の厚みｔの比率であり、以下では、「シート厚比率ｋ」と称する。このシート厚比率ｋを５０〜９０％に調整することで、隙間２０内で熱膨張シート２５を低い膨張率で熱膨張させて、膨張後の熱膨張シート２５の密度を確保することができる。また、熱膨張シート２５の膨張能力としては、隙間２０の幅ｗの１．２倍以上（オープンスペースでの２５０℃の膨張時のシート寸法）となるように安全代を確保している（安全代を１．２倍以上としているのは実施例４〜６も同様）。従って、実施例１〜３では、隙間２０の幅方向全体が高密度の熱膨張シート２５で充填され、膨張後の熱膨張シート２５の内部や周辺に空隙が見当たらず、非常に優れたシール性を発揮できることが確認された。従って、シート厚比率ｋを５０％以上とすることで、コークス炉１の稼働当初から、非常に優れたシール性を達成でき、ガス漏洩を確実に抑制できるといえる。

なお、実施例２では、炉外側モルタル２４を設置しなかったが、実施例１と同等のシール性が得られることが確認された。従って、隙間２０のシール性の観点からは、炉外側モルタル２４は必須ではないことが確認されたといえる。

また、実施例４では、シート厚比率ｋは３０％であり、膨張後の熱膨張シート２５中に１ｍｍ以内の微細空隙が発生していた。しかし、熱膨張シート２５中のガス流通が進行すれば、当該微細空隙はガス中のタール分で閉塞されるため、稼働開始後１カ月程度でタール付着によるガス漏洩抑制効果が発揮され、ガス漏洩を抑制可能になると考えられる。従って、実施例４のようにシート厚比率ｋを３０％以上とすることで、コークス炉１の稼働当初は、多少のガス漏洩は生じるものの、その後１カ月程度で熱膨張シート２５が十分なシール性を達成でき、ガス漏洩を抑制できるといえる。

また、実施例５では、シート厚比率ｋは２０％であり、膨張後の熱膨張シート２５中に３ｍｍ程度の空隙が発生していた。この場合、タール付着によるガス漏洩抑制効果が発揮されるまで約１年程度かかると考えられる。このため、実施例５では、実施例１〜４よりもシール性が劣るものの、コークス炉１を１年程度に渡って継続使用すれば、タール付着によるガス漏洩抑制効果が得られる。従って、実施例５は、当該効果が得られない比較例１や比較例４よりも優れたシール性を発揮するといえる。

また、実施例６は、シート厚比率ｋは９０％であるが、炉内側モルタル２３を設置しない場合である。この場合、本モデル試験でのシール性は問題なかったが、コークス炉１を長期間使用したときに、炉内側ロープ２１が炭化室４内の高温の石炭からの輻射熱に晒されて、劣化することが予測されるため、シール性の評価を△とした。

さらに、上記実施例１〜６はいずれも、シート厚比率ｋが９０％以下であり、膨張前の熱膨張シート２５の厚みｔが隙間の幅ｗよりも、例えば１ｍｍ程度以上小さい。これにより、窯口部１０の施工時において、炉枠１２と炉体耐火物１１を位置合わせする際に、熱膨張シート２５の表面が炉体耐火物１１に接触しないので、設置作業がしやすく、作業性に優れていた。また、熱膨張シート２５が破損しないので、施工後の隙間２０内の仕上状況も良好であった。これに対し、シート厚比率ｋを９０％超としたとき、例えば、比較例３のようにｋを１２０％としたときには、施工時に熱膨張シート２５の表面が炉体耐火物１１に接触することで、熱膨張シート２５が剥離又は破損するため、位置合わせ作業がし難く、仕上状況も悪化するという問題があった。上記の結果から、シート厚比率ｋを９０％以下とすることで、炉体耐火物１１に対する炉枠１２の位置合わせ作業を好適に実施でき、隙間２０内のシール部材の仕上状況も良好になるという効果があるといえる。

以上のモデル試験結果に基づき、より厳しい条件下での評価を行うため、保護板１６を有さないタイプの窯口構造（図３参照。）のコークス炉１の実炉において、表１に示した実施例１〜３の条件にて、セラミックファイバーロープ２１、２２、熱膨張シート２５及びモルタル２３、２４を用いてシール構造を施工した。

この施工では、まず、膨張黒鉛を含有するセラミックファイバーシートを短冊状に裁断して、熱膨張シート２５を製造した。次いで、当該熱膨張シート２５と、その両側のセラミックファイバーロープ２１、２２を、炉枠１２の表面に貼り付けた。その後、炉枠１２を炉体耐火物１１の間にロープ２１、２２及び熱膨張シート２５を挟み込むようにして、炉枠１２を炉体耐火物１１の表面に対して圧着して取り付けた。

ここで、窯口部１０の炉体耐火物１１の粘土煉瓦１１０は、高さ方向Ｚに積み上げられているが、煉瓦個々の精度や施工時の仕上げ精度により、窯口部１０の炉体耐火物１１の表面は高さ方向Ｚで数ｍｍの凹凸が生じている。また、炉枠１２も高さ５ｍ以上であるため、同程度の反りがある。さらに、窯口部１０の炉体耐火物１１は、バックステー１４により押さえ込まれているが、炉枠１２とは一体となっていない。以上の理由により、炉体耐火物１１と炉枠１２との間に直径２０ｍｍ程度のセラミックファイバーロープ２１、２２を挟み込んでシールしても、ロープ２１、２２と炉体耐火物１１の間に、場所によっては１０ｍｍから２５ｍｍ程度の間隙が生じることが予想された。

熱膨張シート２５は、施工しやすいように幅５０ｍｍ、長さ１ｍ、厚みｔは１０ｍｍ以下に裁断したものを適用し、直径１５ｍｍのセラミックファイバーロープ２１、２２と共に熱膨張シート２５を炉枠１２に対して固定した状態で、築炉施工完了後の炉体耐火物１１に圧着した。セラミックファイバーロープ２１、２２は、粘着テープ（ガムテープ）で炉枠１２の表面に固定し、熱膨張シート２５は、無機系モルタルで炉枠１２の表面に貼り付けた。

この施工では、クレーンで炉枠１２を吊り上げて炉体耐火物１１に圧着して設置した。この炉枠１２の設置後の隙間２０の幅ｗは、狭い場所で１１ｍｍ、広い場所で２０ｍｍであった。従って、膨張前の熱膨張シート２５の厚みｔ（例えばｔ＝１０ｍｍ）は、隙間２０の幅ｗの９０％から５０％に相当しており、シート厚比率ｋ＝５０〜９０％であった。この条件では、隙間２０内において熱膨張シート２５が膨張したときの膨張率は、隙間２０の幅ｗの制約のため、１．１倍から２倍となる。

従って、炉枠１２の設置作業時には、膨張前の熱膨張シート２５の表面と炉体耐火物１１の表面との間には、調整代として、１ｍｍ以上の間隙ｄ（＝ｗ−ｔ）があった。このため、炉枠１２の設置作業時に、熱膨張シート２５が炉体耐火物１１の表面に接触せず、施工上何ら問題なく仕上げることが可能であった。

また、熱膨張シート２５単独でのシール性能を確認するため、コークス炉１の昇熱期間中には炉外側モルタル２４を施工しなかったが、特にガス漏洩は発生せず、必ずしも炉外側モルタル２４は必要ないことを確認することができた。また、炉内側モルタル２３としては、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の粉末にデキストリン等のバインダーを添加したものを用いたが、このモルタルは、耐熱温度１０００℃以上の一般的な耐火煉瓦の接着に使用する一般的な材質である。

コークス炉１のうち約１００箇所の窯口部１０について、上記実施例１〜３の熱膨張シート２５等を用いて炉枠１２と炉体耐火物１１の隙間２０をシール施工した。この結果、コークス炉１の乾燥昇熱期間中から稼働開始以降、従来の窯口部の隙間で発生していたようなガス漏洩問題は発生せず、コークス炉１は順調に稼働することが確認された。

なお、窯口部１０の保護板１６を有するタイプのコークス炉１（図８参照。）は、今回実施した保護板１６を有さないタイプのコークス炉（図５参照。）よりも構造的にガス漏洩しにくいため、本実施例に係るシール構造を前者のコークス炉に適用した場合であっても、同等以上のガス漏洩防止効果が得られるものと考えられる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１コークス炉
２ソールフリュー
３蓄熱室
４炭化室
５燃焼室
１０窯口部
１１炉体耐火物
１２炉枠
１３押さえ金物
１４バックステー
１５炉蓋
１６保護板
２０、２６隙間
２１、２２、２７セラミックファイバーロープ
２３、２４、２８モルタル
２５熱膨張シート
１１０粘土煉瓦
１１０ａモルタル注入孔
１１１珪石煉瓦
１５０炉蓋耐火物
１５１押さえ装置

Claims

コークス炉窯口部の構成部材間に形成される隙間をシールするシール構造であって、
無機繊維からなり、前記隙間において炉内側と炉外側に離隔して配置される一対のロープと、
前記隙間において前記一対のロープの間に設けられる帯状の熱膨張シートと、
を備え、
前記熱膨張シートの厚みは、前記隙間の幅よりも小さく、
前記熱膨張シートの厚み方向が前記隙間の幅方向と一致するように、前記熱膨張シートが前記隙間内に配置されることを特徴とする、コークス炉窯口部のシール構造。
前記熱膨張シートは、膨張黒鉛を含有し、
前記隙間内に配置された膨張前の前記熱膨張シートの厚みは、前記隙間の幅の３０％以上であることを特徴とする、請求項１に記載のコークス炉窯口部のシール構造。
前記隙間内に配置された膨張前の前記熱膨張シートの厚みは、前記隙間の幅の５０％以上、９０％以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のコークス炉窯口部のシール構造。
前記隙間のうち前記炉内側のロープよりも炉内側の部分に、耐熱性を有する充填材が充填されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコークス炉窯口部のシール構造。