JP6694161B2 - 冶金用コークスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、配合炭に含まれる石炭の種類、配合量を調整することで高強度の冶金用コークスを得ることができる冶金用コークスおよびその製造方法に関する。

高炉で銑鉄を製造するには、まず、高炉内に鉄鉱石類とコークスを交互に装入することでそれぞれを層状に充填し、羽口から吹き込まれる高温の熱風で鉄鉱石類やコークスを加熱すると共に、主にコークスから発生したＣＯガスで鉄鉱石類を還元し溶製することが必要である。こうした高炉の操業を安定して行なうには、炉内での通気性や通液性を向上させることが有効であり、そのためには強度、粒度および反応後強度等の諸特性に優れた冶金用コークスの使用が不可欠である。なかでも強度は、特に重要な特性と考えられる。

このように、高炉等の竪型炉内の通気性や通液性を向上させるには、高強度の冶金用コークスを使用することが有効である。その冶金用コークスは、通常、ＪＩＳ Ｋ ２１５１に規定されている回転強度試験等による強度測定によって強度管理している。一般に、石炭は、乾留により軟化溶融し、互いに粘結してコークスとなる。従って、コークスの強度は、石炭の軟化溶融特性に大きく影響されることから、コークスの強度を向上させるには石炭の軟化溶融特性を正しく評価することが必要になる。その軟化溶融特性とは、石炭を加熱したときに軟化溶融する性質であり、通常、軟化溶融物の流動性、粘度、接着性、膨張性などにより評価できる。

石炭の軟化溶融特性、即ち、石炭の軟化溶融時の流動性を測定する一般的な方法としては、ＪＩＳ Ｍ ８８０１に規定されるギーセラープラストメータ法による石炭流動性試験方法が挙げられる。このギーセラープラストメータ法は、４２５μｍ以下に粉砕した石炭をるつぼに入れ、所定の昇温速度で加熱し、所定のトルクをかけた撹拌棒の回転速度を目盛板で読み取り、ｄｄｐｍ（ｄｉａｌ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）で表示する方法である。

また、石炭は一般に、加熱したときに軟化溶融する活性成分と軟化溶融しないイナート成分とが混在しており、イナート成分は活性成分を介して接着することになる。そのため、コークス強度というのは、活性成分量とイナート成分量とのバランスに強く影響され、特にイナート成分量の如何が重要と考えられている。

イナート成分量を測定する一般的な方法としては、ＪＩＳ Ｍ ８８１６に規定される石炭の微細組織成分測定方法が挙げられる。この方法は、８５０μｍ以下に粉砕した石炭を熱可塑性または熱硬化性のバインダーと混合してブリケット化し、被験表面を研磨した後、顕微鏡を用いて光学的性質および形態学的性質を識別する方法である。試料中の各微細組織成分の含有率は、成分ごとに測定された個数の百分率をもって、容量百分率とする方法である。上記方法により求められた微細組織成分の含有量を用いて、全イナート量（ＴＩ）は下記（１）式で求めることができる。

全イナート量（％）＝フジニット（％）＋ミクリニット（％）＋（２／３）×セミフジニット（％）＋鉱物質（％） ・・・（１）
ここで、含有量はすべてｖｏｌ．％である。

なお、鉱物質の含有量は、ＪＩＳ Ｍ ８８１６に記載のＰａｒｒの式を用いて、無水ベースの灰分と無水ベースの全硫黄分から計算して求めることができる。

高強度コークスを製造するための石炭配合の考え方は、石炭の構成成分を軟化溶融しない繊維質部分（イナート成分）と軟化溶融する粘結部分（活性成分）の二つに大別し、それぞれを最適化する方法が基本である（非特許文献１）。そして、石炭配合に関するこの考え方を発展させ、石炭化度パラメータと粘結性パラメータの２つの性状に基づいて配合設計を行なう方法が一般的である。

前記石炭化度パラメータとしては、ＪＩＳ Ｍ ８８１６のビトリニット平均最大反射率（Ｒｏ）や石炭揮発分などが挙げられている。また、前記粘結性パラメータとしては、最高流動度（ＭＦ）やＣＢＩ（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｂａｌａｎｃｅ Ｉｎｄｅｘ：組織平衡指数）が挙げられる（例えば、非特許文献２）。なお、このＣＢＩは、配合炭に含有するイナート成分の量に応じた最適な粘結成分の量があり、２つの成分の比率が最適値に近いほどコークス強度は高くなるという考え方に基づいた指数である。

また、特許文献１では、平均最大反射率（Ｒｏ）、最高流動度（ＭＦ）、全イナート量（ＴＩ）の相互関係を考慮し、平均最大反射率（Ｒｏ）、最高流動度（ＭＦ）を所定値とした場合に得られるコークス強度は全イナート量（ＴＩ）の値に応じて上に凸な放物線状の関係を示し、強度が極大となるイナート成分の量は最高流動度（ＭＦ）の大きさにより変わることが報告されている。

特許文献２では最高流動度（ＭＦ）、全イナート量（ＴＩ）を含めた、様々な原料炭性状より、コークス強度を推定する方法が報告されている。

このように、配合炭の性状を調整して所望のコークス強度を有するコークスを製造することは種々試みられているが、従来の配合方法では、コークスの気孔構造はほぼ類似したものとなる。コークスは気孔率が約５０％の多孔質体であり、気孔の構造がコークス強度に影響を与えることは予想されていたが、気孔構造を好適に制御する方法は知られていなかった。

特開２００７−２４６５９３号公報 特開昭６１−１４５２８８号公報

「燃料協会誌」城著、Ｖｏｌ．２６、１９４７年、ｐ．１‐ｐ．１０ 「Ｐｒｏｃ． Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ，Ｃｏｋｅ ｏｖｅｎ ａｎｄ Ｒａｗ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｓｃｈａｐｉｒｏら著、Ｖｏｌ．２０、１９６１年、ｐ．８９‐ｐ．１１２ 「燃料協会誌」奥山ら著、Ｖｏｌ．４９、１９７０年、ｐ．７３６‐ｐ．７４３ 「鉄と鋼」、齋藤ら著、Ｖｏｌ．１００、２０１４年、ｐ1４０−１４７

高炉操業に際し、低強度の冶金用コークスを使用すると、高炉内での粉の発生量が増加して圧力損失の増大を招き、操業の不安定化を招くとともに炉内におけるガスの流れが局所的に集中する、いわゆる吹き抜けといったトラブルを招くおそれがある。なお、冶金用コークスを製造する場合、コークス品質の安定化と高強度のものを得るために、複数の銘柄の石炭を所定の割合で配合した配合炭を原料として使用する。

コークスの品質を左右する石炭性状としては、平均最大反射率（Ｒｏ）、最高流動度（ＭＦ）などの指標が重要とされており、高強度の冶金用コークスを製造するためには、これらの特性を向上させることが必要である。しかし、平均最大反射率（Ｒｏ）や最高流動度（ＭＦ）の大きな高品質の石炭は高価であり、これら高品質の石炭の配合率を単純に高くすることは、コークス製造コストの増加に直結するため、得策ではない。

配合炭の性状は、この配合炭を構成している単味石炭性状の加成性が成立することおよび品質管理の簡便性から配合炭平均品位で管理するのが一般的である。しかし、配合炭を構成している石炭が、コークス品質にそれぞれどのような影響を及ぼし、どのような石炭がコークス強度を効率的に向上させるかについては、不明な点が多く、想定した強度が得られないケースもある。

特に、石炭中の全イナート量のコークス強度に対する影響については検討が十分に行なわれておらず、なかでも全イナート量の少ない石炭を有効活用し、高強度の冶金用コークスを得る方法に関してはほとんど知見がない。

本発明の目的は、強度等の品質に優れた冶金用コークスおよびその製造方法を提案することにある。特に、本発明は、従来コークス製造用原料として用いられることの少なかったイナート成分含有量の少ない石炭（低イナート炭）を活用して従来知られていなかった気孔構造を有する高強度のコークスおよびその製造方法を提案することにある。

前述の課題を解決することができ、前記の目的を達成するための有効な方法として、本発明では、複数銘柄の石炭よりなる配合炭として、最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下かつ全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下である低イナート炭を、１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下配合した配合炭を乾留して得られるコークスであって、コークス中の直径１００μｍ以上３ｍｍ以下の粗大気孔のうち、円形度が０．８以上である気孔の断面積の合計値の、前記粗大気孔の断面積の合計値に対する割合が１０％以上であることを特徴とする冶金用コークスを提案する。
または、前記コークス中の直径１００μｍ以上３ｍｍ以下の粗大気孔の平均円形度が、０．３５以上であることを特徴とする冶金用コークスを提案する。

また本発明は、複数銘柄の石炭よりなる配合炭として、最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下かつ全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下である低イナート炭を、１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下配合した配合炭を乾留して得られるコークスであって、コークス中の直径５０μｍ以上２００μｍ以下の粗大気孔のうち、円形度が０．８以上である気孔の断面積の合計値の、前記粗大気孔の断面積の合計値に対する割合が１０％以上であることを特徴とする冶金用コークスを提案する。
または、前記コークス中の直径５０μｍ以上２００μｍ以下の粗大気孔の平均円形度が、０．５５以上であることを特徴とする冶金用コークスを提案する。

さらに、本発明に係る冶金用コークスにおいては、
（１）前記配合炭として、低イナート炭を、２０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下配合したものを用いること、
（２）前記低イナート炭が、最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上１０００ｄｄｐｍ未満かつ全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下であること、
（３）前記配合炭に含まれる低イナート炭は、灰分量が４．８ｍａｓｓ％以上８．６ｍａｓｓ％以下であること、
（４）前記最高流動度は、ＪＩＳ Ｍ ８８０１に規定されるギーセラープラストメータ法による石炭流動性試験方法に準拠して測定した値であること、
（５）前記全イナート量は、ＪＩＳ Ｍ ８８１６に規定される石炭の微細組織成分測定方法に準拠して、下記式を適用して求められた値であること、
全イナート量（％）＝フジニット（％）＋ミクリニット（％）＋（２／３）×セミフジニット（％）＋鉱物質（％） ・・・（１）
ここで、含有量はすべてｖｏｌ．％である、
が、前記課題解決のためのより好ましい手段と考えられる。

また、本発明では、複数銘柄の石炭よりなる配合炭として、最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下かつ全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下である低イナート炭を、１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下配合した配合炭を乾留して、コークス中の直径１００μｍ以上３ｍｍ以下の粗大気孔のうち、円形度が０．８以上である気孔の断面積の合計値の、前記粗大気孔の断面積の合計値に対する割合が１０％以上であるコークスを製造することを特徴とする冶金用コークスの製造方法を提案する。
または、前記コークス中の直径１００μｍ以上３ｍｍ以下の粗大気孔の平均円形度が０．３５以上であるコークスを製造することを特徴とする冶金用コークスの製造方法を提案する。

また本発明は、複数銘柄の石炭よりなる配合炭として、最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下かつ全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下である低イナート炭を、１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下配合した配合炭を乾留して、コークス中の直径５０μｍ以上２００μｍ以下の粗大気孔のうち、円形度が０．８以上である気孔の断面積の合計値の、前記粗大気孔の断面積の合計値に対する割合が１０％以上であるコークスを製造することを特徴とする冶金用コークスの製造方法を提案する。
または、前記コークス中の直径５０μｍ以上２００μｍ以下の粗大気孔の平均円形度が０．５５以上であるコークスを製造することを特徴とする冶金用コークスの製造方法を提案する。

さらに、本発明に係る冶金用コークスの製造方法においては、
（１）前記配合炭として、低イナート炭を、２０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下配合したものを用いること、
（２）前記低イナート炭が、最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上１０００ｄｄｐｍ未満かつ全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下であること、
（３）前記配合炭に含まれる低イナート炭は、灰分量が４．８ｍａｓｓ％以上８．６ｍａｓｓ％以下であること、
（４）前記最高流動度は、ＪＩＳ Ｍ ８８０１に規定されるギーセラープラストメータ法による石炭流動性試験方法に準拠して測定した値であること、
（５）前記全イナート量は、ＪＩＳ Ｍ ８８１６に規定される石炭の微細組織成分測定方法に準拠して、下記式を適用して求められた値であること、
全イナート量（％）＝フジニット（％）＋ミクリニット（％）＋（２／３）×セミフジニット（％）＋鉱物質（％） ・・・（１）
ここで、含有量はすべてｖｏｌ．％である、
が、前記課題解決のためのより好ましい手段と考えられる。

前記のような構成からなる本発明によれば、従来の冶金用コークスとは異なる構造を有した高品質（高強度）なコークスを製造することができる。このような高品質なコークスを高炉で使用した場合、高炉等の竪型炉内における通気性の改善に寄与し、安定操業を行なうのに効果がある。

単味炭のギーセラー最高流動度（ＭＦ）と全イナート量（ＴＩ）の関係を示すグラフである。 乾留して得られたコークスの顕微鏡写真である。 低イナート炭の配合率とコークス中の円形気孔の割合の関係を示すグラフである。 低イナート炭の配合率が１０％、２５％、７５％の場合のコークスの顕微鏡写真である。 低イナート炭の配合率が０％、５０％の場合のＸ線ＣＴ写真である。

発明者らは、種々の石炭の配合条件とコークス強度の関係について鋭意研究を重ねた。その結果、通常の石炭の最高流動度（ＭＦ）と全イナート量（ＴＩ）との関係から、全イナート量（ＴＩ）の少ない石炭、即ち、イナート成分の含有量が少ない低イナート炭を適量に配合した場合、意外にも従来の冶金用コークスとは異なる構造を有したコークスが生成することを見出した。さらにこのコークスの強度が、従来の考え方から予想されるよりも大幅に高いことを見出し、本発明を開発するに至った。

従来の知見では、例えば、非特許文献２に記載の方法では、石炭化度の程度を示す平均最大反射率（Ｒｏ）が０．９〜１．２程度の石炭については、全イナート成分の含有量（以下、単に「全イナート量」という）が２０〜３０ｖｏｌ．％の場合に、コークス強度が極大となり、全イナート量がその範囲より多くても少なくてもコークス強度は低下するというのが一般的な認識であった。また、同様の傾向は非特許文献３にも開示されており、やはり全イナート量２０〜３０ｖｏｌ．％でコークスのドラム強度が極大になることが報告されている。このことは特許文献１にも開示されているが、その開示内容によると、全イナート量が３１％でコークス強度が極大になることが示されている。即ち、従来の知見とは、全イナート量の少ない石炭を配合した場合、高強度のコークスが得にくいことが指摘されていたのである。

しかし、発明者らは、全イナート量が少ない石炭、即ち、低イナート炭であっても、最高流動度（ＭＦ）および配合量さえ適正にすれば、コークス強度は低下しないのみならず、通常の配合よりもむしろコークス強度は向上する場合もあることを見出した。

図１は、種々の単味炭（個別の銘柄炭）のギーセラー最高流動度（ｌｏｇＭＦ）と全イナート量（ＴＩ）の関係を示したものである。この図に示すように、一般に、全イナート量（ＴＩ）の少ない石炭は最高流動度が大きいことがわかる。ところで、高強度なコークスを製造するためには、石炭粒子どうしの接着性を強化することが必要であると同時に発泡にともなう連結気孔を生成させないようにすることが重要である。この点、最高流動度（ＭＦ）が大きいと接着性は期待できるが、発泡しやすく連結気孔の生成により強度が低下するおそれがある。従って、これまでの石炭配合の考え方は、配合炭の最高流動度（ＭＦ）が適正となるように管理するのが普通であった。

しかし、実際には最高流動度（ＭＦ）が同じでも全イナート量（ＴＩ）が異なる石炭が存在する。この石炭は、イナート成分が軟化溶融状態においても固体で存在していることから、軟化溶融物はスラリーの物理特性に近い挙動を示す。即ち、石炭はイナート成分の量が多いと、軟化溶融状態での見掛け粘度は大きくなる。この点、最高流動度（ＭＦ）は一種の見掛け粘度を測定していると考えられるので、最高流動度（ＭＦ）が同じ水準の石炭では、全イナート量（ＴＩ）が大きい石炭（固相成分が多い）ほど軟化溶融物中に存在する液体成分の粘度は小さく、逆に、全イナート量が少ない石炭ほど軟化溶融物中の液体成分の粘度は大きくなる。液成分が低粘度になるほど乾留中における気孔の成長と合一が促進されて連結気孔を形成しやすく、粗大な欠陥を含むコークスが生成しやすいと考えられる。

このことを確認するため、発明者らは、従来の配合炭（配合炭ａ）から得られたコークスと、全イナートの含有量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下かつ最高流動度（ＭＦ）が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下の低イナート炭を合計で５０ｍａｓｓ％配合した配合炭（配合炭ｂ）から得られたコークスのミクロ構造を調査した。ここで、従来法による配合炭ａの品位は、平均最大反射率（Ｒｏ）＝１．００％、ギーセラー最高流動度（ｌｏｇＭＦ）＝２．５ｌｏｇｄｄｐｍ、全イナート量（ＴＩ）＝３４ｖｏｌ．％であり、低イナート炭を多配合した配合炭ｂの品位は、平均最大反射率（Ｒｏ）＝１．００％、ギーセラー最高流動度（ｌｏｇＭＦ）＝２．２ｌｏｇｄｄｐｍ、全イナート量（ＴＩ）＝１８ｖｏｌ．％である。比較両者の配合炭を同じ条件で乾留して得られたコークスの顕微鏡写真を図２に示す。

図２からわかるように、配合炭ａに比べて配合炭ｂでは円形に近い気孔が独立して存在しており、配合炭ｂでは従来の配合によるコークスよりも気孔の成長と合一が抑制され、連結気孔もできにくいことがわかる。

そこで、発明者らは、従来の配合炭（例えば上記の配合炭ａ）と、全イナートの含有量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下かつ最高流動度（ＭＦ）が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下の低イナート炭を多く含む配合炭（例えば上記の配合炭ｂ）のコークスの気孔構造の違いを定量的に評価するため、気孔の形を定量的に評価する方法を検討した。

気孔の形を評価する方法としては、気孔の断面の観察結果に基づき、気孔のある断面における面積と、その周囲長から算出される円形度で評価する方法がある。円形度は下記の（２）式で表され、この円形度は０〜１の値をとり、１に近づくほど円形に近くなる。
円形度＝４π・気孔面積／（気孔周囲長）² ・・・（２）

気孔の断面を観察する方法の例としては、Ｘ線ＣＴ断層撮影法や、コークス試料を樹脂に埋め込んだ後、断面を研磨して顕微鏡で観察する方法がある。このような方法でコークスの断面の画像が得られれば、画像解析ソフトを用いて観察された気孔の面積や周囲長のデータを得ることができる。なお、光学顕微鏡による断面観察においては１回の画像撮影の視野を広くとりにくいため、好ましくは３視野以上の観察画像を用いて円形度の評価を行うことが好ましい。

この時、それぞれの断面画像の撮影範囲や解像度に応じて、円形度を求める気孔の大きさの範囲を適切に設定する必要がある。前述のとおり、コークスの強度には、連結気孔が影響すると考えられるため、ある程度以上の大きさの気孔について円形度を評価することが好ましい。なお、気孔の大きさを定義するためには、本発明においては最大フェレ径を用いる。フェレ径とは、ある図形に外接する長方形の縦および横の長さであり、最大フェレ径とは、ある気孔に対して外接する長方形のうちで最も長い辺の長さを指す。

発明者らは、Ｘ線ＣＴ断層撮影で得られる断面画像に対しては、最大フェレ径が１００μｍ以上３ｍｍ以下の全ての気孔を粗大気孔として調査対象とした。光学顕微鏡によって得られるコークス断面画像に対しては、顕微鏡の観察倍率を２００倍とし、最大フェレ径が５０μｍ以上２００μｍ以下の気孔を粗大気孔として調査対象とした。なお、この時、断面画像中に気孔の全体が収まっていないものは、最大フェレ径を正しく求めることができないため、評価対象から除外した。

コークス全体の気孔構造の評価指標としては、粗大気孔の平均円形度、および、粗大気孔中の円形度が０．８以上となる気孔を円形気孔と定義し、粗大気孔の全気孔面積に占める円形気孔の割合を評価した。

配合構成を変更して、コークスを製造し、Ｘ線ＣＴ像より円形気孔の割合を求め、低イナート炭の配合率と円形気孔の割合を調査した結果が図３である。図３に示されたとおり、低イナート炭の配合率が１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下の範囲で円形気孔の割合が高くなることが確認された。以上のことから、適切な量の低イナート炭を配合することで、従来の配合によるコークスよりも気孔の成長と合一が抑制され、円形の気孔ができやすいことが分かった。

表１には、図３に示したＸ線ＣＴにより求めた粗大気孔中の円形気孔の割合とともに、平均円形度、上述の方法による光学顕微鏡観察から求めた粗大気孔中の円形気孔の割合、平均円形度、配合炭の平均品位およびコークス強度の測定結果も合わせて示した。

表１より、低イナート炭の配合率が１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下の範囲でコークス強度が８４．５以上となり、それらの例では、Ｘ線ＣＴにより求めた最大フェレ径が１００μｍ以上３ｍｍ以下の粗大気孔中の円形気孔の割合が１０％以上となっていることがわかる。また、コークス強度が８４．５以上のコークスが得られる例では、光学顕微鏡観察から求めた最大フェレ径が５０μｍ以上２００μｍ以下の粗大気孔中の円形気孔の割合も１０％以上となっていることがわかる。以上より、高強度コークスを製造するためには、低イナート炭の配合割合が１０ｍａｓｓ％〜７５ｍａｓｓ％の範囲の配合炭を用い、コークス中の粗大気孔中の円形気孔の割合が１０％以上となるようにすることが好ましいことがわかる。

さらに表１より、コークス強度が８４．５以上となる例では、Ｘ線ＣＴにより求めた最大フェレ径が１００μｍ以上３ｍｍ以下の粗大気孔の平均円形度が０．３５以上の場合であること、および、光学顕微鏡観察から求めた最大フェレ径が５０μｍ以上２００μｍ以下の粗大気孔の平均円形度が０．５５以上の場合であることがわかる。従って、高強度コークスを製造するためには、低イナート炭の配合割合が１０ｍａｓｓ％〜７５ｍａｓｓ％の範囲の配合炭を用い、コークス中の最大フェレ径が１００μｍ以上３ｍｍ以下の気孔の平均円形度が０．３５以上、あるいは、最大フェレ径が５０μｍ以上２００μｍ以下の気孔の平均円形度が０．５５以上となるようにすることが好ましいことがわかる。

表１のいくつかのコークスの光学顕微鏡写真の例を図４に示す。また、Ｘ線ＣＴ観察結果の例を図５に示す。

低イナート炭の配合率を増加させることで円形の気孔が増加するが、この円形気孔の増加により気孔への集中応力が避けられることが考えられる。非特許文献４では、気孔径が均一の場合、気孔の円形度が低いコークスの強度が小さくなるが、これは円形度の低い気孔の尖った部分に応力が集中するためであることが示されている。このように、円形度の低い気孔には応力が集中し、強度を低下させることが知られており、本発明法により製造したコークスでは円形の気孔が増加することで応力集中が起こりにくく、強度が高くなると考えられる。なお、本発明においては、円形度の高い気孔が多くなることの指標として、特定の大きさ以上の気孔に占める円形度の高い気孔の割合が大きいことを用いたが、円形度を調査する気孔の大きさや、円形度の表現方法は適宜変更してもよい。例えば、５０μm以上の気孔の円形度を調査してもよいし、調査した気孔の円形度の中央値、最頻値、範囲などを指標としてもよい。また、円形気孔を定義するための円形度の閾値も適宜変更することができる。

このように低イナート炭を多量に配合する場合に、従来とはミクロ構造の異なるコークスが生成することは、従来は知られておらず、発明者らが新たに見出した知見である。このように、従来とは異なるミクロ構造のコークスが生成することより、低イナート炭の利用は、従来の配合技術の延長線上の考え方に基づいて行なうのではなく、新たな配合の基準に基づいて行なうべきであることが示唆された。

連結気孔の形成を抑えて高強度なコークスを製造するためには、全イナート量が少なく、軟化溶融物中の液成分の粘度が高い石炭をうまく活用することが有効であると考えられるが、具体的な配合条件は自明ではない。全イナート量（ＴＩ）と連結気孔の形成量およびそのコークス強度への影響は線形関係にあるとは考え難いため、発明者らは数多くの実験を行なうことで以下に示す最適な石炭性状条件を明らかにした。

以上の説明から明らかになったことは、低イナート炭の使用によってコークス強度の向上をもたらすには、石炭粒子どうしの良好な融着が可能で、連結気孔を形成しない程度の最高流動度（ＭＦ）を有し、かつ全イナート量（ＴＩ）の低い石炭の使用が望ましく、その範囲は、最高流動度（ＭＦ）が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下、全イナート量（ＴＩ）が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下が望ましいと言える。

ここで、低イナート炭のギーセラー最高流動度（ＭＦ）の値が８０ｄｄｐｍ未満では、接着性が不足してしまう。一方、この値が３０００ｄｄｐｍを超えると、連結気孔が生成しやすくなり好ましくない。より望ましいＭＦ値は、８０〜１０００ｄｄｐｍ、さらに好ましくは、１５０〜９００ｄｄｐｍ程度である。

また、低イナート炭の全イナート量（ＴＩ）が３．５ｖｏｌ．％未満だと、骨材として強度向上に寄与するイナート量が不足してしまう。一方、この量が１１．７ｖｏｌ．％を超えると低イナート炭を用いることによる効果が失われる。より望ましいＴＩは、４〜１０ｖｏｌ．％程度である。

また、このような低イナート炭の配合割合は、これが少なすぎると（＜１０ｍａｓｓ％）効果として現われにくく、逆に、多すぎる（＞７５ｍａｓｓ％）と配合炭中の全イナート量（ＴＩ）が低くなりすぎて溶融成分由来の組織とイナート成分由来の組織で構成される複合材料としての特性が失われて強度が発現しにくくなってしまう。従って、低イナート炭の望ましい配合割合は１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下である。望ましくは、２０〜７５ｍａｓｓ％程度、より望ましくは、２０〜６５ｍａｓｓ％程度である。

また、前記イナート炭中の灰分も全イナート組織と同様に、軟化溶融状態においては固体で存在する成分である。ただし、炭素質由来のイナート成分と比較した場合、灰分は密度が高いため体積割合が低くより細かく分散する傾向にある。従って、全イナート量（ＴＩ）よりも影響度は小さいが、灰分量も低いことが望ましく、その灰分量はドライベースの値で４．８ｍａｓｓ％以上８．６ｍａｓｓ％以下が最も望ましい。より望ましくは５．０〜８．０ｍａｓｓ％である。

なお、本発明においては、配合炭中に占める低イナート炭の配合量は、１０〜７５ｍａｓｓ％が推奨されるが、残部の石炭として、例えば、全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下でなく、またはギーセラー最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下でない強・弱粘結炭、準強粘結炭、低揮発分炭あるいは非粘結炭、改質炭等の一般炭を適宜に配合する。その配合量は２５〜９０ｍａｓｓ％程度である。また、配合炭は、粘結材、油類、粉コークス、石油コークス、樹脂類、廃棄物等の添加物を含むものであってもよい。

また、前述したように、本発明においては、上述した条件、即ち、所定の最高流動度（ＭＦ）と所定の全イナート量（ＴＩ）を有する低イナート炭を所定量配合することが有効である。さらに、配合炭として常に安定した基質強度を確保するには、該配合炭の石炭化度の程度を示す平均最大反射率（Ｒｏ）は、０．９５〜１．２０％程度に調整することが好ましい。

＜実施例１＞
この実施例は、配合炭を乾留してコークスを製造したときの試験結果を示す。この試験では、一般的な強度支配因子である配合炭の平均最大反射率（Ｒｏ）およびギーセラー最高流動度（ＭＦ）の常用対数値（ｌｏｇＭＦ）の加重平均値はほぼ一定に調製された配合炭を使用した。配合炭は、表２に示す石炭Ａ〜Ｐを使用して調製した。なお、平均最大反射率（Ｒｏ）は、ＪＩＳ Ｍ ８８１６に準拠して測定し、ギーセラー最高流動度（ＭＦ）は、ＪＩＳ Ｍ ８８０１に準拠して測定し、その常用対数値（ｌｏｇＭＦ）も表２に併せて示した。揮発分（ＶＭ）と灰分（Ａｓｈ）は、ＪＩＳ Ｍ ８８１２に準拠して測定し、それぞれドライベース％で表示している。全イナート量（ＴＩ）はＪＩＳ Ｍ ８８１６に基づき（１）式を用いて求めた。

乾留試験は、実炉をシミュレートすることが可能な電気炉を使用した。石炭粒子の粉砕条件は３ｍｍ以下１００％、充填条件は水分８ｍａｓｓ％、嵩密度７５０ｋｇ／ｍ^３、乾留条件は乾留温度１０５０℃、乾留時間６時間とした。得られたコークスの性状評価にはＪＩＳ Ｋ ２１５１に定められているドラム１５０回転１５ｍｍ指数であるＤＩ（１５０／１５）を用いた。また、コークスのＣＯ_２反応後強度（ＣＳＲ）はＩＳＯ１８８９４に準拠して測定した。それぞれの配合炭の配合構成（各石炭の乾燥基準配合比率（ｍａｓｓ％））および乾留試験の結果を表３に示す。

全イナート量（ＴＩ）が１３．２ｖｏｌ．％と好適な範囲よりも多い石炭Ｉを２０ｍａｓｓ％配合した配合１−２、最高流動度（ＭＦ）が１０９６４ｄｄｐｍと高い石炭Ｊを２０ｍａｓｓ％配合した配合１−３に比べ、最高流動度（ＭＦ：４４７ｄｄｐｍ）と全イナート量（ＴＩ：６．７ｖｏｌ．％）がともに低い石炭Ｋを２０ｍａｓｓ％配合した配合１−１を用いて乾留したコークスは高い強度を示した。

平均最大反射率（Ｒｏ）が、石炭Ｉ（＝０．７７％）、Ｊ（＝０．７９％）、Ｋ（＝０．７６％）よりも高い石炭Ｌ（Ｒｏ：１．０６％）、Ｍ（Ｒｏ：１．１１％）の配合効果についても比較した結果、全イナート量（ＴＩ）が２４．０ｖｏｌ．％と高い石炭Ｌを２０ｍａｓｓ％配合した配合２−２よりも、最高流動度（ＭＦ）と全イナート量（ＴＩ）がともに低い石炭Ｍを２０ｍａｓｓ％配合した配合２−１から得られたコークスは高い強度を示した。コークス強度の向上が確認された石炭Ｋおよび石炭Ｍと最高流動度（ＭＦ）および全イナート量（ＴＩ）が比較的近い石炭Ｎ、石炭Ｏを配合した場合も同様に高強度コークスが製造できた（配合３−１、配合４−１）。

以上の試験結果から分かるように、最高流動度（ＭＦ）が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下で、全イナート量（ＴＩ）が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下の範囲の低イナート炭を２０ｍａｓｓ％配合したものでは、高強度の冶金用コークスの製造が可能であることがわかった。

次に、コークス強度の向上効果が認められた前記石炭Ｋ、石炭Ｍの配合率の影響を確認するため試験を行なった、この試験は、石炭Ｋと石炭Ｍを併せて４０、５０、７５、８０ｍａｓｓ％配合した配合５−１、５−２、５−３、５−４のコークス強度を比較した。その結果、表３に示すように、これらの配合率が４０〜７５ｍａｓｓ％である配合５−１〜５−３までのもの（実施例５〜７）は高強度のコークスが製造できた。しかし、これらの石炭Ｋ、Ｍの配合率が８０ｍａｓｓ％の配合５−４（比較例４）では大幅な強度低下が認められた。これは、配合炭の全イナート量（ＴＩ）が低くなるため、溶融成分由来の組織とイナート成分由来の組織で構成される複合材料としての特性が失われたためと考えられる。また、石炭Ｋと石炭Ｍの合計配合率を低下させた場合では、１０ｍａｓｓ％配合した場合、実施例８（配合５−５）では、強度は８４．５であったが、配合率が８ｍａｓｓ％（比較例５、配合５−６）になると、強度が８４．１に低下した。

さらに、最高流動度（ＭＦ）が８３６ｄｄｐｍと１０００ｄｄｐｍ未満の石炭Ｐを３０ｍａｓｓ％用いた配合１０−１、および、石炭Ｐを３５ｍａｓｓ％と最高流動度（ＭＦ）および全イナート量（ＴＩ）がともに低い石炭Ｍを２５ｍａｓｓ％とを含んだ１０−２は、いずれも高いドラム強度を示すことがわかった。本発明の方法で得られた高強度コークス（表中に実施例と記載）について前述の粗大気孔の円形度を計測し、粗大気孔中における円形気孔の面積割合を計測したところ、いずれも１０％以上であった。

また、コークス強度としては、ドラム強度（ＤＩ）（１５０／１５）以外の強度指数、例えばＣＯ_２反応後強度（ＣＳＲ）についても同様の傾向が認められた。これは、気孔構造の違いによる強度発現メカニズムが例えばＣＯ_２反応後強度にも同様に作用するためと考えられる。

＜実施例２＞
実施例１では、配合炭の平均最大反射率（Ｒｏ）を１．０５に統一して実験を行なった。一般に、配合炭の平均最大反射率（Ｒｏ）は、コークス基質部の強度に影響すると言われており、本発明で明らかにした連結気孔の生成には関係しない。従って、本発明の技術は、平均最大反射率（Ｒｏ）の異なる配合炭への適用も可能である。

そのことを確認するため、実施例１と同じ方法で、各石炭の配合率を変化させて、Ｒｏが異なる配合炭を調製し、その配合炭を乾留して得られたコークスの強度を評価した。それぞれの配合炭の配合構成（各石炭の乾燥基準配合比率（ｍａｓｓ％））および乾留試験の結果を表４に示す。最大反射率（Ｒｏ）が高い配合炭では、基質部の強度が高くなるため、コークス強度も高い傾向となるが、最高流動度（ＭＦ）が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下で、全イナート量（ＴＩ）が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下の範囲であるＫ炭、Ｍ炭、Ｎ炭の合計配合率が高すぎても低すぎても強度が低下する傾向が認められ、実施例１と同様に最高流動度（ＭＦ）が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下で、全イナート量（ＴＩ）が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下の範囲である石炭の配合率が１０〜７５ｍａｓｓ％の範囲にある配合炭を乾留した場合に、強度の高いコークスが得られた。なお、本実施例においても円形気孔の割合は１０％以上であった。

本発明に係る技術は、例示した冶金用コークスおよびその製造技術として有効であるだけでなく、他の種類の竪型冶金炉用コークスあるいは燃焼炉用コークスおよびそれらの製造方法としても有効である。

Claims (4)

1. 複数銘柄の石炭よりなる配合炭として、最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下かつ全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下である低イナート炭の配合率を、１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下とし、かつ配合炭の最高流動度の対数値ｌｏｇＭＦを１．９９以上２．３８以下となるように配合した配合炭を乾留して、
   コークス中の直径１００μｍ以上３ｍｍ以下の粗大気孔のうち、円形度が０．８以上である気孔の断面積の合計値の、前記粗大気孔の断面積の合計値に対する割合が１０％以上であるコークスを製造することを特徴とする冶金用コークスの製造方法。
2. 複数銘柄の石炭よりなる配合炭として、最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下かつ全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下である低イナート炭の配合率を、１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下とし、かつ配合炭の最高流動度の対数値ｌｏｇＭＦを１．９９以上２．３８以下となるように配合した配合炭を乾留して、
   コークス中の直径５０μｍ以上２００μｍ以下の粗大気孔のうち、円形度が０．８以上である気孔の断面積の合計値の、前記粗大気孔の断面積の合計値に対する割合が１０％以上であるコークスを製造することを特徴とする冶金用コークスの製造方法。
3. 複数銘柄の石炭よりなる配合炭として、最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下かつ全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下である低イナート炭の配合率を、１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下とし、かつ配合炭の最高流動度の対数値ｌｏｇＭＦを１．９９以上２．３８以下となるように配合した配合炭を乾留して、
   コークス中の直径１００μｍ以上３ｍｍ以下の粗大気孔の平均円形度が、０．３５以上であるコークスを製造することを特徴とする冶金用コークスの製造方法。
4. 複数銘柄の石炭よりなる配合炭として、最高流動度が８０ｄｄｐｍ以上３０００ｄｄｐｍ以下かつ全イナート量が３．５ｖｏｌ．％以上１１．７ｖｏｌ．％以下である低イナート炭の配合率を、１０ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下とし、かつ配合炭の最高流動度の対数値ｌｏｇＭＦを１．９９以上２．３８以下となるように配合した配合炭を乾留して、
   コークス中の直径５０μｍ以上２００μｍ以下の粗大気孔の平均円形度が、０．５５以上であるコークスを製造することを特徴とする冶金用コークスの製造方法。