JP6624007B2 - コークス炉の築炉方法 - Google Patents

Description

本発明は、コークス炉の築炉方法に関し、特に、複数のレンガを組み立てたブロックを、接着部材を介して接合することによって炉を建設する築炉方法に関する。

製鉄に用いられる冶金用コークスは、室炉式コークス炉で石炭を乾留することによって製造される。室炉式コークス炉は、炭化室と、該炭化室に熱を供給する燃焼室とを炉幅方向に交互に配置することによって構成されており、炭化室と燃焼室とを隔てる耐火レンガを介して燃焼室から炭化室へ熱が供給される。室炉式コークス炉には１００門以上の炉室を備えるものもあり、その全長は１００ｍ以上、高さは１０ｍ以上におよぶ巨大レンガ構造物といえる。

コークス炉の築炉は、これまで、築炉工による手積み作業で行われてきた。手積みによる築炉では、レンガ一つ一つにコテでモルタルを塗り、これを積み上げるという作業を繰り返し行う必要がある。さらに、コークス炉に使用されるレンガは１つあたり十数ｋｇの重さがあり、これを積み上げる作業は極めて重労働といえる。そのため、レンガ積みの作業負荷の低減が求められている。

そこで、特許文献１、２に記載されているように、炉外、すなわち、コークス炉の位置とは別の場所で予め複数のレンガを組み立てて作成したブロック（耐火物集合体）を用いて、コークス炉の建設や補修を行う方法が提案されている。前記方法では、作成されたブロックは、運搬装置により炉の位置へ運搬され、積み上げられる。

特許第３３９７７２３号公報 特開２０１５−１０１４５号公報

特許文献１、２に記載された方法では、炉外でブロックの組み立てを行うため、十分な作業スペースを確保することができ、作業性が向上する。また、ロボットなどを用いてブロックの組み立てを行えば、レンガ積み作業を一部自動化することもできると考えられる。

しかし、上記方法で築炉を行う場合、以下に述べるように、ブロック同士を接合するための接着部材の充填性や、ブロックの位置合わせ精度に問題があることが分かった。

上記方法においてブロック同士を接合する際には、レンガを手作業で積む場合と同様に、モルタルなどの接着部材が用いられる。例えば、既に設置されているブロックの上に新たなブロックを積む場合、下段のブロックの上面にモルタルを塗布しておき、その上に、ブロックが載置される。この際、ブロック間の隙間をなくし、モルタルの充填性を高めるためには、ブロックを前後、左右に、または水平方向に回転するように揺り動かしてモルタルをなじませる必要がある。レンガを１つずつ手積みする場合であれば、このような動作を手作業で行うことができるが、上述したように数トン程度の重量があるブロックを、運搬装置を用いて据え付ける場合には、上記のような動作を行うことは極めて困難であり、無理に行おうとするとブロックを破損するおそれもある。そのため、単にモルタル上にブロックを置くこととなり、結果的に、モルタルの充填性に劣ることとなる。

モルタルの充填性が低いと、炉の強度が十分に得られないことに加え、建設された炉を長期間稼働させると、モルタルが充填されていない部分（未充填部分）が起点となってクラックが生じ、ガス漏れなどの問題が生じるおそれもある。特に、一般的にコークス炉に使用されるレンガは、その上面や下面にレンガ同士の位置合わせを行うためのダボと呼ばれる凸部と凹部を有しているなど、複雑な形状であるため、未充填部分が発生しやすい。

また、コークス炉の構造には極めて高い寸法精度が要求され、例えば、燃焼室の壁面は、凹凸が１ｍｍ以下であるような高い平滑性を有していることが求められる。したがって、既に設置してある下段ブロックの上に別のブロックを据え付ける場合、ブロックの水平位置や傾きを高い精度で調整する必要がある。しかし、上述したように塗布されたモルタルの上にブロックを設置した状態では、もともと流動性が低いモルタルに、さらに数トンものブロックの重量がかかった状態であるため、ブロックの位置を正確に調整することは極めて困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、接着部材の充填性に優れ、かつ精度良くブロックを接合することができるコークス炉の築炉方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．複数のレンガを組み立てたブロックを、接着部材を介して接合することによってコークス炉を建設する築炉方法であって、
前記接合の際に、前記ブロックに振動を付与することを特徴とする、コークス炉の築炉方法。

２．前記振動の付与を、前記ブロックを運搬する運搬装置を介して行うことを特徴とする、上記１に記載のコークス炉の築炉方法。

本発明によれば、ブロックに振動を付与することにより、ブロックの位置合わせを容易に行うことが可能となる。その結果、ブロックを精度良く、迅速に組み上げることができ、築炉作業の効率が向上する。また、接着部材の充填性を向上できるため、炉の寿命向上も期待できる。

本発明の第１の実施形態におけるブロックと運搬装置の構造を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態におけるブロックの設置方法を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態における振動付与方法を示す模式図である。 振動を付与しない場合の接着部材の充填状態を示す模式図である。 振動を付与した場合の接着部材の充填状態を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態におけるブロックと運搬装置の構造を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態におけるブロックと運搬装置の構造を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態におけるブロックの構造を示す模式図である。

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。本発明のコークス炉の築炉方法においては、複数のレンガを組み立てたブロックを、接着部材を介して接合することによってコークス炉が建設される。そして、前記接合の際に、前記ブロックに振動が付与される。

［レンガ］
本発明の築炉方法では、複数のレンガを組み立てたブロックが築炉のためのパーツとして用いられる。前記レンガとしては、特に限定されることなく、コークス炉に使用できるものであれば任意のものを用いることができる。なかでも、手積みでコークス炉を建設する際に用いられる通常の耐火レンガを用いることが好ましい。通常の耐火レンガを使用することにより、本発明の方法で築炉する場合においても、従来と同様の炉の設計とすることが可能となり、その結果、少なくとも従来と同等の炉の性能を保証することが可能となる。また、大型のモジュールレンガを用いた場合には、亀裂が入った場合にモジュール全体にわたって亀裂が広がるおそれがあるが、通常の耐火レンガを使用すれば、仮に耐火レンガに亀裂が入ったとしても、その亀裂の伝搬を１つの耐火レンガ内でとどめることができる。なお、ここでいう通常の耐火レンガとは、モジュールレンガではない、手積み用の耐火レンガ全般を指すが、その寸法は、一般的には、高さ１０〜１５ｃｍ、水平方向の長さが２０〜４０ｃｍである。

［ブロック］
上記ブロックは、レンガを組み立てて製造できるものであれば、任意の形状とすることができる。例えば、略直方体形状とすることもできるし、後述するように、直方体の少なくとも一方の側面を階段状とすることもできる。前記ブロックは、例えば、コークス炉の燃焼室の一部を構成するものとすることができる。

前記ブロックの大きさは特に限定されないが、ある程度の数のレンガを１つのブロックとして組み立てたものを用いれば、作業効率をさらに向上させることができる。一方、ブロックが過度に大きいと、レンガを積んでブロックを作成するために足場などが必要になることに加え、ブロックの運搬により大型の装置が必要となり、設備コストが増大する。以上の観点から、ブロックの寸法は、長さ（長手方向）：７ｍ以下×幅：０．５〜１．５ｍ×高さ：０．５〜２．０ｍとすることが好ましい。

前記ブロックの組み立ては、任意の方法で行うことができる。例えば、複数のレンガを積み上げて、所望の形状のブロックとすればよい。レンガの積み上げは、手作業により行うこともできるが、ロボットなどの自動化手段を用いて行うこともでき、また、手作業と自動化手段の両者を併用して行うこともできる。ロボットを用いる場合は、レンガの取り扱いの自由度の高さから、産業用ロボットの一種であるアーム型ロボットを用いることが好ましく、垂直多関節型ロボットを用いることがより好ましい。

ブロックの製造における、レンガ同士の接合には接着部材を用いることができる。前記接着部材としては、例えば、モルタルを使用することができる。前記モルタルとしては、例えば、一般的なコークス炉の築炉において、レンガ積みに使用される耐火モルタルなどを用いることができる。ブロックの製造に時間を要する場合には、使用するモルタルにモルタル硬化遅延剤を添加することが好ましい。

なお、ブロックの組み立ては任意の場所で行うことができるが、通常は、炉外、すなわちコークス炉の建設場所以外の場所において行われる。炉外で予めブロックを組み立てておくことにより、作業性の悪い建設場所での作業を減らし、築炉作業の効率を向上させることが出来る。

［運搬装置］
組み立てられたブロックは、次に、コークス炉の建設位置に運搬される。その際のブロックの運搬は、特に限定されることなく、任意の方法で行うことができるが、重量物であるブロックを運搬することができる運搬装置を用いることが好ましい。

前記運搬装置としては、例えば、ブロックの側面を挟み込んで把持する少なくとも１対の把持部材と、前記把持部材を支持するフレームとを備える運搬手段を用いることができる。前記運搬装置を用いる場合は、前記把持部材によってブロックを把持した状態で、クレーン等を用いて前記運搬手段ごと持ち上げて運搬することができる。前記把持部材は、ブロックの任意の位置を把持することができるが、安定性の観点からは、ブロックの長手方向に平行な側面（以下、「長手方向側面」ともいう）を把持することが好ましい。また、運搬時の安定性や、後述する振動付与の効果を高めるという観点からは、ブロックを構成するレンガの内、すくなくとも最下段のレンガを把持することが好ましい。

前記把持部材としては、ブロックとの接触面積を増やすために、ブロックの側面と平行となる接触面を有する板状の把持部材（把持板）を用いることが好ましい。また、前記把持部材は、ブロックに対する摩擦力を高めるために、ブロックとの接触面にゴム、エラストマー等の弾性部材を備えていることが好ましい。

［ブロックの接合］
次に、上記ブロックを、接着部材を介して接合することによってコークス炉を建設する。ブロックを設置する位置は任意の位置とすることができ、例えば、新たに設置するブロックの下の段に既に設置されているブロック（下段ブロック）の上や、新たに設置するブロックと同じ段の、隣接する位置（横）に既に設置されているブロック（隣接ブロック）の横に、新たなブロックを設置する形で、順次ブロックを積み上げていくことができる。

その際、ブロックは、該ブロックが隣接する部材、例えば、下段ブロックや隣接ブロックと、接着部材を用いて接合される。前記接着部材としては、ブロックの組み立て時に用いる接着部材と同様に、モルタルなどを使用することができる。前記モルタルとしては、例えば、一般的なコークス炉の築炉において、レンガ積みに使用される耐火モルタルなどを用いることができる。ブロックの接合に時間を要する場合には、使用するモルタルにモルタル硬化遅延剤を添加することが好ましい。また、耐火キャスタブル等の不定形耐火物を前記接着部材として用いることもできる。

前記接着部材は、新たに設置されるブロックが接する面、例えば、下段ブロックの上面や、隣接ブロックの側面に、予め塗布しておくことが好ましい。接着部材の塗布は、人手で行うこともできるし、ロボット等を用いて行うこともできるし、その両者を併用することもできる。

［振動の付与］
本発明においては、上記接合の際にブロックに振動を付与することが重要である。接合時にブロックに振動を付与することにより、ブロックを介して振動が接着部材に伝達され、接着部材の見掛けの粘性が低下する。その結果、接着部材が流動化し、ブロック同士の隙間を確実に充填することができる。また、上記のように振動が付与された状態では接着部材が流動化しているため、振動を付与していない時に比べて、接着部材上に置かれたブロックが動かしやすくなっている。したがって、振動を付与することにより、ブロックの正確な位置合わせを容易に行うことができる。

前記振動の付与は、任意の方法で行うことができる。例えば、振動を付与するための装置（振動付与装置）を、ブロックに接触させた状態で振動させることによりブロックを振動させることができる。しかし、また、上述したように運搬装置を用いてブロックを運搬する場合には、該運搬装置を介してブロックに振動を付与することが好ましい。その場合、例えば、運搬装置に振動付与装置を取り付けておき、接合の際に該振動付与装置を起動して、運搬装置を振動させることによりブロックを振動させることができる。このようにすることで、振動付与装置を別途用意する必要がなくなり、設備を簡略化できることに加えて、運搬装置を介してブロック全体に振動を付与することができるため、ブロックの一部分に振動が集中してブロックが破損したり、ブロックを構成するレンガの位置がずれたりすることもない。

前記振動付与装置としては、特に限定されず、ブロックに振動を付与できるものであれば任意の物を用いることができる。振動付与装置としては、例えば、起振機などが挙げられる。前記振動付与装置の個数は特に限定されず、任意の数とすることが出来る。具体的には、１つまたは２つ以上とすることができるが、ブロック全体に均一に振動を付与するという観点からは２つ以上とすることが好ましい。なお、ここで振動付与装置の数とは、１つのブロックに振動を付与するために使用される振動付与装置の数を指す。

前記振動の方向は特に限定されず、任意の方法とすることができる。例えば、水平方向および垂直方向のいずれか一方または両方に振動を付与することができる。なお、接着部材の流動性向上の観点からは、ブロック同士の接合面に対して平行に振動を付与することが効果的である。一般的には、上下ブロック間の接合面が最大の面積を有しているため、少なくとも水平方向に振動を付与することが好ましく、さらに、垂直方向にも接合面が存在することを考慮すると、水平方向と垂直方向の両者に振動させることがより好ましい。

前記振動の周波数は、特に限定されないが、２５〜５０Ｈｚとすれば、接着部材の流動性をより効果的に高めることができるため、好ましい。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態におけるブロックと運搬装置の構造を模式的に示した図であり、図１（ａ）が正面図、図１（ｂ）が側面図である。ブロック１０は、複数のレンガを複数段積み上げて組み立てられたものであり、レンガ同士の間はモルタルによって接合されている。ブロック１０は、運搬装置２０によって運搬される。運搬装置２０は、フレーム２１、アーム２２、および把持部材としての把持板２３を備えており、図示されない駆動装置によって把持板２３を駆動して、ブロック１０を把持する。本実施形態では、把持板２３は、ブロック１０の長手方向長さの略全長に渡って設けられており、ブロック１０の長手方向側面を、両側から挟持できるようにフレーム２１から伸びるアーム２２によって支持されている。また、フレーム２１の上部には、運搬装置２０をクレーン等によって持ち上げるためのリフティングポイント２４が設けられている。リフティングポイント２４は、運搬装置２０を上から見たときに、ブロック１０の中心に対して左右対称となるように設けられている。運搬装置２０の上部には、振動付与装置としての起振機３０が設置されている。本実施形態では、起振機の数は１個であり、運搬装置２０を上から見たときに中心となる位置に設けられている。

図２は、本実施形態におけるブロックの設置方法を示す模式図である。ブロック１０は、運搬装置２０によって保持された状態で、クレーン等によって持ち上げられ、設置位置へ運搬される。図２に示した実施形態では、ブロック１０の設置位置には、既にブロック１１〜１３が設置されている。そして、ブロック１０と隣接する面、すなわち、ブロック１１の上面およびブロック１２の側面には、予め接着部材としてのモルタル４０が塗布されている。この状態で、ブロック１０を下ろして、モルタル４０が塗布された面に接触させて接合を行う。

図３は、第１の実施形態における振動付与方法を示す模式図であり、ブロック１０を降ろした状態を示している。図３に示したように、ブロック１０をその設置位置であるブロック１１の上に降ろした後、起振機３０を起動する。起振機３０による振動は、運搬装置２０のフレーム２１、アーム２２、および把持板２３を介して、ブロック１０の全体に伝わり、さらにブロック１０を介してモルタルに伝達される。このようにして、ブロック１０に接しているモルタル４０全体に振動の効果を及ぼすことができる。

次に、振動の効果を説明する。図４、５は、ブロック１０を構成するレンガの内、最下段の１つであるレンガ５０と、ブロック１１を構成するレンガのうち、レンガ５０と対向する位置にある最上段のレンガ６０を示す模式図であり、図４は振動を付与しない場合の、図５は振動を付与した場合の状態を、それぞれ示している。

図４（ａ）に示したように、レンガ５０の下面にはダボとしての凸部５１が、レンガ６０の上面にはダボとしての凹部６１が、それぞれ形成されている。このように一般的なコークス炉用のレンガの上下面にはダボと呼ばれる位置合わせ用の凹凸が形成されている。凸部５１は、紙面に対して垂直方向に伸びる畝状の突起であり、凹部６１は、凸部５１と嵌合するように、紙面に対して垂直方向に伸びる溝となっている。そして、レンガ６０の上面には、凹部６１を含む略全体にわたってモルタル４０が塗布されている。

この状態から、ブロック１０を降下させると、図４（ｂ）に示したようにレンガ５０がモルタル４０に接触する。しかし、モルタル４０は一定の粘度を有しており、流動性も低いため、レンガ５０には矢印Ａで示すように抵抗力が作用する。その結果、モルタル４０は十分に広がることができず、周辺部分やダボの周囲に未充填部分７０が生じる。

一方、図５に示すように接合時に振動を付与した場合、モルタル４０の見掛けの粘性が低下し、流動性が向上するため、矢印Ｂで示したようにレンガ５０とレンガ６０の間の間隙で十分にモルタル４０が広がり、未充填部分が生じることを防止できる。また、振動を付与した状態では、容易にブロック１０の位置を調整することができるため、精度良くブロックを積むことが出来る。なお、振動の付与は、レンガ５０、すなわちブロック１０をモルタル４０上へ置いた後に開始することもできるが、図５に示すようにブロック１０を降下させる時点から開始する、言い換えれば、ブロック１０を振動させながら降下させることがより好ましい。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態におけるブロックと運搬装置の構造を示す模式図である。なお、以下の実施形態に係る図においては、第１の実施形態と共通するものについては、共通の番号を付している。本実施形態では、起振機３０を２つ使用しており、２つの起振機３０は、運搬装置２０上の、ブロック１０の幅方向（短手方向）の中央、長手方向に左右対称となる位置に設置されている。このように複数の起振機を用いることにより、ブロック１０の全体に、より効果的に振動を付与することができる。また、起振機３０を対称配置とすることにより、振動が均等に付与されるため、さらに均一にモルタルを充填することができる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態におけるブロックと運搬装置の構造を示す模式図である。本実施形態では、起振機３０が、運搬装置２０の上部ではなく、複数あるアーム２２それぞれの側面に取り付けられている。図７に示した例では、ブロック１０の片側に６個、両側合わせて１２個のアーム２２が使用されているため、起振機３０の数は１２となる。このようにアーム２２に起振機を取り付けた場合、ブロック１０に直接接触している把持板２３により近い位置に起振機３０が存在することになるため、一層効果的に振動をブロック１０に付与することができる。また、本実施例のようにアームごとに起振機３０を設置すれば、ブロック１０の全体にわたり、より均一に振動を付与することができる。

なお、上記のようにアームに起振機を設置する場合、その位置は把持板の近くとすることが好ましい。具体的には、図７のように把持板２３がアーム２２の下端に取り付けられている場合は、アーム２２の下半分（把持板側の１／２の位置）に起振機３０を取り付けることが好ましく、把持板と同じ高さに取り付けることがより好ましい。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態におけるブロックの構造を示す模式図である。第１〜第３の実施形態では直方体形状のブロックを用いていたが、図８に示したようにブロックの長手方向端部を階段状とすることもできる。ブロックが直方体形状の場合、横方向に隣接するブロック同士の接合は、垂直な面同士の接合で行われる（図２）。これに対して、図８に示したように隣接するブロック同士の接合部分を階段状とすれば、接合部におけるレンガ同士がかみ合った状態となることに加え、接触面積も増加するため、接合部の機械的強度を向上させることができる。なお、図８では長手方向端部の一方を階段状、他方を垂直な面としているが、両方を階段状としてもよい。このように階段状のブロックを用いる場合、ブロック間の間隙がさらに複雑に入り組んだ形状となるため、振動を付与することによる充填性の向上効果が一層顕著となる。なお、階段部分における接合面は、垂直方向と水平方向の両者の面を備えているため、起振機による振動は、水平方向と垂直方向の両者に付与することが好ましい。

１０〜１３ ブロック
２０ 運搬装置
２１ フレーム
２２ アーム
２３ 把持板（把持部材）
２４ リフティングポイント
３０ 起振機（振動付与装置）
４０ モルタル（接着部材）
５０、６０ レンガ
５１ 凸部（ダボ）
６１ 凹部（ダボ）
７０ 未充填部分

Claims (2)

1. 複数のレンガを組み立てたブロックを、接着部材を介して接合することによってコークス炉を建設する築炉方法であって、
   前記接合の際に、起振機を用いて少なくとも水平方向の振動を前記ブロックに付与し、
   前記振動の付与を、前記ブロックを運搬する運搬装置を介して行う、コークス炉の築炉方法。
2. 前記振動の周波数が２５〜５０Ｈｚである、請求項１に記載のコークス炉の築炉方法。
   

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