JP6432545B2 - 炉体構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークス炉等の炉体を構築（新設、補修など）する炉体構築方法に関する。

コークス炉は、石炭をコークス化する炭化室と、炭化室に熱を供給する燃焼室とが交互に連なる構成を有しており、燃焼室からの熱をれんがの伝熱を用いて炭化室に供給し、炭化室内の石炭を乾留してコークスを製造する炉である。このようなコークス炉は、多数のれんがを積み上げて、炭化室と燃焼室とを隔離する側壁を形成し、築炉したものである。

コークス炉は、１０００℃を超える高温状態に保たれる。このため、コークス炉の側壁には、高温での体積変化が比較的小さく、そのうえ熱伝導性が良好で、かつ、機械的強度が大きい珪石（ＳｉＯ₂）れんがが多く用いられている。

このような珪石れんが（以下、単に「れんが」ともいう）同士は、モルタルによって接合される。もっとも、コークス炉では、操業により長期にわたり温度サイクルがかかるため、操業温度において体積変化の大きいモルタルを用いると、膨張と収縮とを繰り返して、強度が低下したり、れんがとの間に隙間が生じてガスリークが生じたりするという問題が発生する場合がある。
このため、コークス炉には、操業温度において熱膨張および熱収縮がほとんど無い特性を有する珪石（ＳｉＯ₂）を主成分とするモルタル（珪石モルタル）を用いる。これにより、強度が低下したり、れんがとの間に隙間が生じたりすることを防止する。

コークス炉の新設、パドアップ（既存の基礎を残し、炉を新設すること）または部分的な積替え補修において、れんがを施工（築炉）する作業は膨大で、多大な時間を要する。
そこで、従来、モジュールブロック工法と呼ばれる工法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
モジュールブロック工法は、炉体構築現場から離れた別地で、事前にれんがを所定サイズのブロック（モジュールブロック）に組み立てた後、このモジュールブロックを、炉体構築現場へ運搬し、炉体構築現場にある耐火物の上に接合する工法である。
このようなモジュールブロック工法を採用することで、築炉期間の短縮が期待される。

特開２００１−０１９９６８号公報 特開２０１５−１７８５６６号公報

モジュールブロックの下面には嵌合凸部が形成され、耐火物の上面には、この嵌合凸部が嵌合する形状の嵌合凹部が形成されている。炉体構築現場では、まず、耐火物の上面にモルタルを塗布し、このモルタルが硬化するまでの時間内に、嵌合凸部と嵌合凹部とを嵌合させる。その後、モルタルが硬化することにより、モジュールブロックと耐火物とが接着する。こうして、耐火物の上にモジュールブロックが接合する。硬化したモルタルは、目地（横目地）となる。
このような接着を行なう際、耐火物の上面に塗布されるモルタルは、流動性を維持していることを要する。モルタルに流動性がない場合には、モジュールブロックが耐火物の上に載るだけで、両者は接着されない。

また、モルタルは、必要最小量を塗布すると接着が不十分になる場合があることから、例えば５ｍｍの目地厚にするためには、それよりも多く塗布することが一般的である。

ところで、モジュールブロックは個々のれんがよりも重いため、モジュールブロックの重さによって、耐火物の上面に塗布したモルタルが潰れ、所望の目地厚が確保できない場合がある。そこで、この問題を解決するために、例えば特許文献２には、耐火物の上面にモルタルと同じ材質のスペーサを配置して、所望の目地厚を確保しようとする方法が提案されている（後出の図３を参照）。

しかしながら、モルタルを多めに塗布し、モルタルの流動性があるうちにモジュールブロックを耐火物の上に載せると、上に載せたモジュールブロックの重さによってモルタルが流動し、この流動に伴って、スペーサが横ズレしたり、耐火物の上面から脱落したりする場合があることを、本発明者らは明らかにした（後出の図４を参照）。
スペーサが横ズレしたり脱落したりすると、目地厚が不均一となり、モジュールブロックの傾斜が発生する場合もある。また、横ズレや脱落したスペーサの位置を戻すための煩雑な作業も発生する。

本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、所望の目地厚を確保するためのスペーサの横ズレおよび脱落を抑制できる炉体構築方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、モジュールブロックの嵌合凸部が嵌合される、炉体構築現場の耐火物の嵌合凹部に、モルタルを硬化させてスペーサを形成することで、このスペーサの横ズレおよび脱落を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［７］を提供する。
［１］炉体構築現場から離れた別地で作製したモジュールブロックを、上記炉体構築現場の耐火物の上に接合して、炉体を構築する、炉体構築方法であって、上記モジュールブロックの下面に、嵌合凸部が形成され、上記耐火物の上面に、上記嵌合凸部が嵌合する形状の嵌合凹部が形成されており、上記嵌合凹部に、モルタルを塗布し硬化させて、所望の目地厚を確保するためのスペーサを形成し、次いで、上記耐火物の上記上面にモルタルを塗布し、このモルタルが硬化するまでの時間内に、上記嵌合凸部と上記嵌合凹部とが嵌合するように上記耐火物の上に上記モジュールブロックを載せ、その後、このモルタルを硬化させる、炉体構築方法。
［２］上記モジュールブロックが、複数個のれんがを接合して作製されている、上記［１］に記載の炉体構築方法。
［３］上記モジュールブロックが、不定形耐火物から作製したプレキャストブロックである、上記［１］に記載の炉体構築方法。
［４］上記スペーサを、上記嵌合凹部の長手方向の全域にわたって形成する、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の炉体構築方法。
［５］上記スペーサを、上記嵌合凹部の長手方向の一部のみに形成する、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の炉体構築方法。
［６］上記炉体がコークス炉である、上記［１］〜［５］のいずれかに記載の炉体構築方法。
［７］上記モジュールブロック、上記耐火物、および、上記モルタルが、ＳｉＯ₂を含有する、上記［６］に記載の炉体構築方法。

本発明によれば、所望の目地厚を確保するためのスペーサの横ズレおよび脱落を抑制できる炉体構築方法を提供することができる。

図１は、モジュールブロック工法を説明するための概略図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、れんがの断面図である。 図３は、従来のスペーサを用いたモジュールブロック工法において、モジュールブロックを耐火物の上に載せる前の状態を示す模式図である。 図４は、従来のスペーサを用いたモジュールブロック工法において、モジュールブロックを耐火物の上に載せた後の状態を示す模式図である。 図５は、本実施形態において、モジュールブロックを耐火物の上に載せる前の状態を示す模式図である。 図６は、本実施形態において、モジュールブロックを耐火物の上に載せる前の状態を示す模式図である。 図７は、本実施形態において、モジュールブロックを耐火物の上に載せる前の状態を示す模式図である。 図８は、モジュールブロックを耐火物の上に載せた後の状態を示す模式図である。

以下、本発明の炉体構築方法の好適な実施形態について説明する。なお、以下の実施形態では、炉体としてコークス炉を構築する場合を例に説明するが、本発明はこれに限定されない。

＜モジュールブロック工法の概要＞
図１は、モジュールブロック工法を説明するための概略図である。図１では、炉体構築現場１から離れた別地（図示せず）で作製したモジュールブロック２を、炉体構築現場１の耐火物３の上に接合して、炉体（図示せず）を構築しようとしている。
なお、図１に示すモジュールブロック２および耐火物３は、その一部のみを切り欠いて図示している。

（モジュールブロック）
モジュールブロック２は、モルタル５ａを介して複数個のれんが４を接合することによって作製されている。もっとも、モジュールブロック２は、これに限定されず、例えば、不定形耐火物から作製したプレキャストブロックであってもよい。
れんが４およびモルタル５ａ（すなわち、モジュールブロック２）は、後述する理由から、珪石（ＳｉＯ₂）を含有することが好ましく、ＳｉＯ₂を主成分とすることがより好ましい。なお、モルタル５ａは、後述するモルタル５ｂおよびモルタル５ｃと同様のモルタルであることが好ましい。

モジュールブロック２のサイズは、特に限定されない。もっとも、モジュールブロック２は、炉体構築現場１から離れた別地において作製した後に炉体構築現場１へ運搬する必要があることから、運搬に適したサイズとすることが好ましい。
一例として、コークス炉に用いるモジュールブロックとして好ましいサイズは、長さが２ｍから１０ｍ、高さが０．５ｍから２ｍ、幅が約０．９ｍ（燃焼室の幅）である。

モジュールブロック２は、上面２ａに嵌合凹部７が形成され、下面２ｂに嵌合凸部６が形成されている。嵌合凹部７は、嵌合凸部６が嵌合する形状であり、例えば、断面視した際に両者ともに円弧である場合、嵌合凸部６の円弧よりも嵌合凹部７の円弧の方が、半径が大きい。

本実施形態では、モジュールブロック２を構成する個々のれんが４に嵌合凸部６および嵌合凹部７が形成されているため、複数個のれんが４を接合してなるモジュールブロック２においても、れんが４と同様に、嵌合凸部６および嵌合凹部７が現れている。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、れんがの断面図である。モジュールブロック２を構成するれんが４を断面視した際の形状は、一例として、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す形状が挙げられ、具体的には、高さ：１３０ｍｍ、嵌合凸部：Ｒ１２ｍｍ、嵌合凹部：Ｒ１７ｍｍ等である。もっとも、れんが４の形状がこれに限定されないことは言うまでもない。

なお、モジュールブロック２がプレキャストブロックである場合には、嵌合凸部６および嵌合凹部７が形成されるように、流し込み成形すればよい。

（耐火物）
次に、耐火物３について説明する。耐火物３は、モジュールブロック２を炉体構築現場１に運搬した際には、すでに炉体構築現場１に設置されている。
本実施形態では、耐火物３は、モジュールブロック２と同様に、モルタル５ａを介して複数個のれんが４を接合することによって作製されており、このため、耐火物３の上面３ａには、嵌合凹部７が形成されている。
なお、以下の説明で「嵌合凹部７」に言及する場合は、特に断りがない限り、モジュールブロック２の嵌合凹部７ではなく、耐火物３の嵌合凹部７を意味するものとする。

耐火物３は、炉体構築現場１でれんが４を用いて作製したものであってもよいし、モジュールブロック２よりも先に炉体構築現場１に運搬されて設置された、モジュールブロック２とは別のモジュールブロックであってもよい。
なお、耐火物３も、モジュールブロック２と同様に、不定形耐火物から作製したプレキャストブロックであってもよい。
いずれの場合も、耐火物３は、後述する理由から、珪石（ＳｉＯ₂）を含有することが好ましく、ＳｉＯ₂を主成分とすることがより好ましい。

このような構成において、まず、耐火物３の上面３ａにモルタル５ｃ（図１では図示せず）を塗布し、このモルタル５ｃが硬化するまでの時間内に、モジュールブロック２の嵌合凸部６と耐火物３の嵌合凹部７とを嵌合させる。その後、モルタル５ｃが硬化することにより、モジュールブロック２と耐火物３とが接着する。こうして、耐火物３の上に、モジュールブロック２が接合する。硬化したモルタル５ｃは、目地（横目地）となる。

なお、「モルタルが硬化するまでの時間」とは、ＪＩＳ Ｒ ２５０５−１９８１の「耐火モルタルの接着時間試験方法」によって測定される接着時間である。接着時間は、モルタルの種類、雰囲気温度、塗布するれんがの特性等によって変わるため、一律に決めることはできない。

＜従来の工法＞
ここで、まず、図３〜図４に基づいて、従来のスペーサを用いたモジュールブロック工法について説明する。図３は、従来のスペーサを用いたモジュールブロック工法において、モジュールブロックを耐火物の上に載せる前の状態を示す模式図であり、図４は、モジュールブロックを耐火物の上に載せた後の状態を示す模式図である。

モジュールブロック２は個々のれんが４よりも重いため、モジュールブロック２の重さによって、耐火物３の上面３ａに塗布したモルタル５ｃが潰れ、所望の目地厚が確保できない場合がある。
そこで、図３に示すように、嵌合凸部６および嵌合凹部７を避けて、耐火物３の上面３ａに、モルタル５ｃと同じ材質のスペーサ８を配置して、所望の目地厚を確保しようとする方法が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

しかしながら、図４に示すように、モルタル５ｃを多めに塗布し、モルタル５ｃの流動性があるうちにモジュールブロック２を耐火物３の上に載せると、上に載せたモジュールブロック２の重さによってモルタル５ｃが流動し、この流動に伴って、スペーサ８が横ズレしたり、横ズレが過剰となって耐火物３の上面３ａから脱落したりする場合がある。

＜本実施形態＞
次に、上記問題を解決する本実施形態を、図５〜図８に基づいて説明する。
図５〜図７は、本実施形態において、モジュールブロックを耐火物の上に載せる前の状態を示す模式図であり、図８は、モジュールブロックを耐火物の上に載せた後の状態を示す模式図である。

まず、図５または図６に示すように、耐火物３に形成されている嵌合凹部７に、モルタル５ｂを塗布し、硬化させる。硬化したモルタル５ｂは、所望の目地厚を確保するためのスペーサとなる。
嵌合凹部７に塗布したときのモルタル５ｂの形状は、図５に示すように上面が平面である形状であってもよいし、図６に示すように上面が凹型である形状であってもよい。
なお、以下では、便宜的に、図５に示す形状でモルタル５ｂを塗布した場合を例に説明する。

塗布するモルタル５ｂの厚さ（図５および図６中、符号Ｔで示す）は、例えば、嵌合凹部７の形状、必要とされる目地厚、上に載せられるモジュールブロック２のサイズ等によって異なるため、特定の範囲に決まるものではない。
例えば、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すれんが４を使用し、目地厚を５ｍｍに設定し、上に載るモジュールブロック２の高さが１ｍである場合、嵌合凹部７に塗布するモルタル５ｂの厚さは、例えば３ｍｍから６ｍｍであり、好ましくは４ｍｍから５ｍｍである。
なお、嵌合凹部７に塗布するモルタル５ｂは、その硬化後に、モジュールブロック２が載せられても潰れないレベルの強度を発現するモルタルであることが好ましい。

モルタル５ｂを硬化させた後、図７に示すように、さらに、耐火物３の上面３ａの全面に、モルタル５ｃを、所望の目地厚以上の厚さで塗布する。ここで、「全面」とは、あらかじめ塗布して硬化させたモルタル５ｂの上面も含む概念である。もっとも、全面への塗布が必須なわけではなく、少しの塗り残しがあったとしても影響は無い。

次に、モルタル５ｃが硬化するまでの時間内に、図８に示すように、モジュールブロック２の嵌合凸部６と耐火物３の嵌合凹部７とが嵌合するように、モジュールブロック２を耐火物３の上に載せる。このとき、硬化したモルタル５ｂからなるスペーサの厚さ分だけ、モジュールブロック２の嵌合凸部６の沈み込みが抑制される。こうして、所望の目地厚（例えば、約５ｍｍ）を得ることができる。

ところで、図４に基づいて説明したように、従来のスペーサ８を使用した場合には、モジュールブロック２の重さによってモルタル５ｃが流動し、この流動に伴って、スペーサ８が横ズレしたり脱落したりする場合がある。
しかしながら、本実施形態においては、モルタル５ｂからなるスペーサは、嵌合凹部７の中に配置されて位置保持されているため、モジュールブロック２の重さによってモルタル５ｃが流動しても、横ズレしたり脱落したりすることが抑制される。

その後、モルタル５ｃが硬化することにより、モジュールブロック２と耐火物３とが接着する。こうして、耐火物３の上にモジュールブロック２が接合する。

なお、嵌合凹部７に塗布するモルタル５ｂ、および、耐火物３の上面３ａに塗布するモルタル５ｃは、コークス炉（特に、コークス炉の上部構造である炭化室や燃焼室）に用いる場合においては、珪石（ＳｉＯ₂）を含有することが好ましく、ＳｉＯ₂を主成分とすることがより好ましい。炭化室は操業中に約６００℃から約１２００℃の範囲で上下することから、この範囲の温度で耐スポーリング性に優れている必要性があり、そのためにはＳｉＯ₂を主成分とするモルタルを使用することが好ましい。
ここで、「ＳｉＯ₂を主成分とする」とは、「９０質量％以上のＳｉＯ₂を含有する」ことを意味し、ＳｉＯ₂以外の成分およびその含有量については、特に限定されない。
モルタル５ｂとモルタル５ｃとは、高温下において一体化することから、互いに同様の成分組成であることが好ましい。

モルタル５ｂからなるスペーサは、嵌合凹部７の長手方向（図１中、左下から右上に向かう方向（またはその逆方向））の全域にわたって形成されてもよいし、嵌合凹部７の長手方向の一部のみに形成されてもよい。一部のみに形成する場合は、スペーサの偏在を解消する観点から、例えば、長手方向に沿って等間隔に形成することが好ましい。

耐火物３の嵌合凹部７に塗布されてスペーサとなるモルタル５ｂの塗布タイミングとしては、後に塗布されるモルタル５ｃの塗布タイミングよりも先であれば特に限定されないが、耐火物３がモジュールブロックである場合には、炉体構築現場１に運搬される前の別地の段階で塗布されることが好ましい。炉体構築現場１への運搬前に塗布することで、運搬中に硬化させることができるため、炉体構築現場１に運搬してから塗布および硬化させるよりも工期短縮につながる。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１〜４および比較例１〜２＞
図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すれんが４を使用して、長さ：８ｍ、高さ：１ｍ、幅：０．９ｍのモジュールブロック２を数基作製した。このモジュールブロック２を上下に接合し（下段のモジュールブロック２が耐火物３となる）、目地厚（単位：ｍｍ）を測定した。目標とする目地厚は５ｍｍに設定した。結果を下記表１に示す。

なお、接合に際しては、下記表１に示す条件でモルタル５ｂおよびモルタル５ｃ（共に、ＳｉＯ₂を主成分とする同じ成分組成のモルタル）を塗布した。
具体的には、実施例１〜４では、嵌合凹部７に塗布したモルタル５ｂの厚さ（図５中、符号Ｔで示す）を３ｍｍから６ｍｍとし、モルタル５ｂの硬化後に、耐火物３の上面３ａにモルタル５ｃを６ｍｍから７ｍｍの厚さで塗布した。モルタル５ｃの厚さは、耐火物３の上面３ａからモルタル５ｃの上面までの高さ方向の距離である。
比較例１〜２では、嵌合凹部７にモルタル５ｂを塗布せずに、耐火物３の上面３ａにモルタル５ｃのみを下記表１に示す条件で塗布した。

上記表１に示すように、実施例１〜４では、接合後の目地厚は４ｍｍから６ｍｍであり、目地厚の設定値（５ｍｍ）に近い値が得られた。
これに対して、スペーサとなるモルタル５ｂを嵌合凹部７に塗布しなかった比較例１〜２では、接合後の目地厚は１ｍｍから２ｍｍとなり、実施例１〜４と比べて薄くなり、目地厚の設定値（５ｍｍ）から離れた値となった。

なお、実施例２の条件で上下に接合したモジュールブロック２同士を、実際のコークス炉で使用したところ、コークス炉の稼動１年後においても、モジュールブロック２同士の目地に亀裂等の不具合がないことを確認した。

１：炉体構築現場
２：モジュールブロック
２ａ：上面
２ｂ：下面
３：耐火物
３ａ：上面
４：れんが
５ａ：モルタル
５ｂ：モルタル（スペーサ）
５ｃ：モルタル
６：嵌合凸部
７：嵌合凹部
８：従来のスペーサ

Claims (7)

1. 炉体構築現場から離れた別地で作製したモジュールブロックを、前記炉体構築現場の耐火物の上に接合して、炉体を構築する、炉体構築方法であって、
   前記モジュールブロックの下面に、嵌合凸部が形成され、
   前記耐火物の上面に、前記嵌合凸部が嵌合する形状の嵌合凹部が形成されており、
   前記嵌合凹部に、モルタルを塗布し硬化させて、所望の目地厚を確保するためのスペーサを形成し、
   次いで、前記耐火物の前記上面にモルタルを塗布し、当該モルタルが硬化するまでの時間内に、前記嵌合凸部と前記嵌合凹部とが嵌合するように前記耐火物の上に前記モジュールブロックを載せ、その後、当該モルタルを硬化させる、炉体構築方法。
2. 前記モジュールブロックが、複数個のれんがを接合して作製されている、請求項１に記載の炉体構築方法。
3. 前記モジュールブロックが、不定形耐火物から作製したプレキャストブロックである、請求項１に記載の炉体構築方法。
4. 前記スペーサを、前記嵌合凹部の長手方向の全域にわたって形成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炉体構築方法。
5. 前記スペーサを、前記嵌合凹部の長手方向の一部のみに形成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炉体構築方法。
6. 前記炉体がコークス炉である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の炉体構築方法。
7. 前記モジュールブロック、前記耐火物、および、前記モルタルが、ＳｉＯ₂を含有する、請求項６に記載の炉体構築方法。