JP7276044B2

JP7276044B2 - ブロック耐火物

Info

Publication number: JP7276044B2
Application number: JP2019173962A
Authority: JP
Inventors: 久宏松永
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: JP2021050275A

Description

本発明は、コークス炉の上部構造体に用いられるブロック耐火物に関する。

コークス炉は、石炭を乾留することでコークスを製造する炉であり、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する。コークス炉では、燃焼室からの熱をれんがの伝熱を用いて炭化室内の石炭が乾留される。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することで、築炉される。

コークス炉は、稼働時において、１０００℃を超える高温状態に保たれる。このため、コークス炉の上部構造体の側壁には、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（ＳｉＯ_２）れんがが多く用いられている。
コークス炉の新設やパドアップ（既存の基礎を残し、炉を新設すること）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、プレキャスト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１，２）。プレキャストブロック工法は、炉外で事前に、コンクリートのように流し込み成形や振動成形により、所定サイズのブロック耐火物を製造し、このブロック耐火物を積み上げることでコークス炉が築炉される。また、コークス炉の築炉現場に直接型枠を組んで、耐火物原料を流し込んで現場施工することも考えられる（現場流し込み施工）。ただし、コークス炉の上部構造体は非常に大きく、また形状も複雑であるので、全体を一工程で流し込むことは不可能であり、前述したプレキャストブロックと同程度の所定サイズの範囲に型枠を組み、これへ耐火物原料を流し込むことになる。本発明では、このような流し込んだ所定サイズの耐火物も便宜上ブロックと呼ぶ。現場流し込み施工では、このように所定サイズのブロック耐火物を順次流し込み施工し、ブロック耐火物を積み上げたような構成のコークス炉が築炉される。
このようなプレキャストブロック工法や現場流し込み施工を採用することで、築炉期間の短縮が期待される。

ＷＯ２０１７／１４６２５４号公報特開２０１３－１８９３２２号公報

ところで、上記のプレキャストブロック工法や現場流し込み施工により製造されるブロック耐火物の大きさ（質量）は、ブロック耐火物の製造時の施工性や運搬性で決められることが一般的であった。ブロック耐火物をコークス炉へ据付ける際には、ブロック耐火物を大きくした方が据付けるブロック数が減るため効率が良い。しかし、ブロック耐火物を大きくするとコークス炉昇温時に亀裂を生じることが散見される問題があった。
そこで、本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、コークス炉昇温時において亀裂を生じることが無いブロック耐火物を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討した結果、ブロック耐火物の線熱膨張率に応じてブロック１個当たりの質量を定めることにより、すなわち、以下の構成により上記目的を達成することができる。
本発明の一態様によれば、コークス炉の上部構造体として施工されるブロック耐火物であって、ブロック１個当たりの質量が、上記ブロック耐火物の４００℃における線熱膨張率ｘを用いて、（１）式により算出される値ｙの１１５％以下である、ブロック耐火物が提供される。
ｙ＝２４ｘ^－３・・・（１）
ｘ：４００℃における線熱膨張率（％）
ｙ：ブロック１個当たりの質量（ｋｇ）

本発明の一態様によれば、コークス炉昇温時において亀裂を生じることが無いブロック耐火物が提供される。

加熱炉を示す平面図である。図１のＩ－Ｉ線矢視断面図である。図１のＩＩ－ＩＩ線矢視断面図である。炉壁の伝熱解析の解析結果を示す説明図である。ブロックの質量と線熱膨張率との関係を示すグラフである。

以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するように、本発明の実施形態を例示して多くの特定の細部について説明する。しかしながら、かかる特定の細部の説明がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかである。また、図面は、簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。

＜ブロック耐火物＞
コークス炉１は、図１～図３に示すように、炉幅方向に燃焼室２と炭化室３とが交互に並んで配された構造を有する。このようなコークス炉１では、燃焼室２に供給された燃焼ガスと空気とが燃焼することで、炭化室３が加熱される。そして、炭化室３に上部より装入された石炭が、所定温度及び所定時間で、乾留されることでコークスが製造される。また、このようなコークス炉１では、図２及び図３に示すように、上下方向（鉛直方向）の上側を上部構造体４といい、下側を下部構造体５という。なお、本実施形態では、上部構造体４は、主にブロック耐火物（単に「ブロック」ともいう。）で構成され、少なくとも上部構造体４の燃焼室２と炭化室３とを分ける炉壁はブロック耐火物で構成される。上部構造体４の燃焼室２では、図２に示すように、燃焼室２がれんがで形成される内部壁２１によって炉長方向に並んだ複数の領域２２に分けられる。この燃焼室２の領域２２にて燃焼ガスと空気とが燃焼、または発生した排ガスが通過することで、隣接する炭化室３が加熱される。また、上部構造体４の炭化室３においては、炉長方向の両端を窯口３１といい、各窯口３１には炉蓋３２がそれぞれ設けられる。下部構造体５は、蓄熱室であり、れんがで形成される内部壁５１によって炉長方向に並んだ複数の領域５２を内部に有する。下部構造体５は、複数の領域５２を燃焼ガスと空気との混合ガス、または排ガスが、上方向または下方向に流れることで、排ガスによって蓄熱が行われ、この熱によって混合ガスが加熱される。

コークス炉１の新設や大規模修繕時においてコークス炉１を昇温する際には、４０日から８０日の日数をかけて燃焼室の温度を、常温から約８００℃まで徐々に昇温する。この理由は、急速な昇温によって珪石れんがに亀裂を生じさせないため、及び炉体の異常変形を生じさせないためである。この日数は一般的な珪石れんがの質量である約１０ｋｇ／個のれんがを使用した場合であり、長年の経験値により定められたものである。したがって、れんがの大きさが変わった時の最適な昇温日数は不明である。昇温日数を極端に長くすれば、れんがの亀裂や炉体の異常変形を防ぐことができると考えられるが、その分操業開始が遅くなり非効率となる。

そこで、本実施形態では従来と同様に４０日から８０日の日数で昇温することを前提とする。
一般的に、コークス炉昇温時の耐火物に生じる亀裂は、耐火物に生じる熱応力によるものが主である。
コークス炉の昇温時には、炉長方向の中央部は温度が上がりやすく、窯口３１は温度が上がりにくい傾向がある。ここで、本発明者は、一般的なコークス炉の寸法やれんが形状において昇温時における伝熱解析を行った。伝熱解析の結果、炭化室３の炉壁の耐火物の温度差が最も大きくなるのは、炉長方向の中央側の温度が約４００℃になる時点であることがわかった。温度差が最大となるときの伝熱解析による温度分布を図４に示す。図４は、炭化室３の炉壁を炉長方向に２分割した１／２対象モデルにおける温度分布であり、右端が炉長方向の中央、左端が窯口３１である。また、図４において、炉壁の厚みは、４００ｍｍとした。この時の最高温度は３９９．３℃であり、その部位は中央部付近であった。一方最低温度は、窯口下部の１６８．３℃であり、中央部と窯口下部との温度差は約２３０℃と大きい。また、炉壁の高さ方向よりも奥行方向（図４の左右方向である炉長方向）の方が、温度差が大きいことがわかる。

そこで、本発明者は、ブロックの大きさ（質量）や線熱膨張率を変えて、炭化室３の炉壁の中央部温度が約４００℃となった時に発生する応力を熱応力解析により求めた。その結果、窯口３１付近の熱応力は、ブロックの大きさや線熱膨張率によって大きく変わることがわかった。線熱膨張率は、ＪＩＳＲ２２０７－３「耐火物の熱膨張の試験方法－第３部：棒状試験片を用いる接触法」により測定されるものである。なお、本発明においては、線熱膨張率は、起点温度を１００℃として測定されるものとする。

さらに、本発明者は、従来の大きさの珪石れんがを用いた積み仕様において発生する熱応力を計算し、その熱応力と同等となるブロックの質量と線熱膨張率との関係を求めた。その結果を表１及び図５に示す。図５において、横軸は１００℃から４００℃に昇温した際の線熱膨張率（％）を示す。表１及び図５に示すように、ブロックの質量と４００℃における線熱膨張率との関係は、累乗近似で表せることがわかった。さらに、この数式は、以下の（１）式のようになる。なお、（１）式において、ｘは４００℃における線熱膨張率（％）を示し、ｙはブロック１個当たりの質量（ｋｇ）を示す。
ｙ＝２４ｘ^－３・・・（１）

（１）式により求めた４００℃における線熱膨張率毎のブロック１個当たりの質量を、表１に合わせて示す。熱応力が一般的な大きさの珪石れんがと同等となるブロックの質量と（１）式により求めたブロック１個当たりの質量は、類似した値となることがわかる。すなわち、ブロック１個当たりの質量を（１）式により算定される質量以下とすることにより、発生する熱応力値は、従来の大きさの珪石れんがを用いた積み仕様において発生する熱応力値以下となる。その結果、コークス炉昇温時のブロックに亀裂を生じることが無くなる。

なお、（１）式で算定されるブロック１個当たりの質量とした場合の熱応力値と一般的な大きさの珪石れんがの質量とした場合の熱応力値は、表１に示すように若干の誤差がある。その誤差はおおよそ±１５％である。したがって、（１）式により算出される質量を１５％程度上回った場合でも、実用上問題とはならない。つまり、ブロック１個当たりの質量を（１）式により算出される値ｙの１１５％以下としてもよい。好ましくは、ブロック１個当たりの質量ｘを（１）式により算出される値ｙ以下とする。

一方、解析の結果から、窯口３１から３ｍよりも奥の位置では、ブロックが１０トン／個と大きい場合でも線熱膨張率によらず熱応力が小さいことがわかった。すなわち、窯口３１から３ｍよりも奥の位置では、ブロックの大きさの影響が小さいと言える。この理由は、温度差が小さいためである。例えば、炭化室３の炉壁の中央部の最高温度が約４００℃の時、窯口３１から３ｍの位置における温度は約３８０℃であり、中央部とは約２０℃しか変わらない。したがって、ブロックの質量を（１）式により算出される質量以下とするのは、窯口３１から３ｍ以内に設置するブロックとすれば良い。
なお、窯口３１から３ｍよりも奥に設置するブロックの質量は、製造効率や据付効率を考慮して決定すれば良い。したがって、炉長方向に対して窯口３１から３ｍ以内の位置に設置するブロックの質量と同じでも特に問題は無い。

本発明の一実施形態に係るブロック耐火物は、上記の知見に基づいたものである。つまり、本実施形態に係るブロック耐火物は、コークス炉１の上部構造体４として施工されるブロック耐火物であり、ブロック１個当たりの質量が、ブロック耐火物の４００℃における線熱膨張率ｘから（１）式により算出される値ｙの１１５％以下である。さらに、ブロック１個当たりの質量は、ブロック耐火物の４００℃における線熱膨張率ｘから（１）式により算出される値ｙ以下であることが好ましい。なお、ブロック耐火物のブロック１個当たりの質量は、下限は特に限定されないが、コークス炉の寸法やクレーン等の搬送設備、据え付け時の作業性に応じて、上記範囲内でできるだけ大きな値となることが好ましい。プレキャストブロック工法や現場流し込み施工による、作業期間短縮の効果を確実に得るためには、ブロック耐火物のブロック１個当たりの質量の下限を１００ｋｇ以上とすることが好ましい。

本実施形態におけるブロック耐火物は、プレキャストブロック工法により製造されるブロック耐火物であってもよく、現場流し込み施工により製造するブロック耐火物であってもよい。プレキャストブロック工法及び現場流し込み施工の両方の場合において、上述の方法と同様に、線熱膨張率に応じて（１）式を用いて、ブロック耐火物の１個当たりの最大質量を決定すれば良い。

ブロック耐火物は、長方体状に形成された耐火物のブロックであり、上下方向、炉幅方向または炉長方向に、各辺がそれぞれ平行となるように配された状態で、上部構造体４に設けられる。なお、上部構造体４に設けられる状態における、ブロック耐火物の上下方向、炉幅方向及び炉長方向のそれぞれに対する長さを、高さ、厚み及び奥行きともいう。ブロック耐火物の炉幅方向の長さである厚みは、特に限定されず、コークス炉１の使用に基づいて適宜設定される。例えば、ブロック耐火物の厚みは、４００ｍｍ程度に設定されてもよい。ブロック耐火物の上下方向の長さである高さ及び炉長方向の長さである奥行きは、特に限定されないが、奥行きに対する高さの比（高さ／奥行き）である縦横比が１以下、すなわち奥行きよりも高さが大きい横長であることが好ましい。また、縦横比は、０．２以上０．５以下であることがより好ましい。これは、縦横比が１超となる縦長の場合、ブロック耐火物をクレーンで吊った際のブロックの据え付け性や据え付け後の安定性が悪くなるためである。つまり、縦横比を１以下、好ましくは０．５以下とすることで、据え付け時の容易性や安定性を向上することができる。また、図４に示す解析結果より、炉壁の高さ方向よりも奥行方向の方が、温度差が大きくなることから、奥行きを大きくすることで熱応力が大きくなる。このため、縦横比を０．２以上とすることが好ましい。さらに、ブロック耐火物の組成は、ＳｉＯ_２≧９０ｍａｓｓ％とすることが好ましい。

以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態とともに種々の変形例を含む本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態には、本明細書に記載したこれらの変形例を単独または組み合わせて含む実施形態も網羅すると解すべきである。

＜実施形態の効果＞
（１）本発明の一態様に係るブロック耐火物は、コークス炉１の上部構造体４として施工されるブロック耐火物であって、ブロック１個当たりの質量が、ブロック耐火物の４００℃における線熱膨張率ｘを用いて、（１）式により算出される値ｙの１１５％以下である。
ｙ＝２４ｘ^－３・・・（１）
ｘ：４００℃における線熱膨張率（％）
ｙ：ブロック１個当たりの質量（ｋｇ）
上記（１）の構成によれば、ブロック耐火物の線熱膨張率に応じてブロック１個当たりの最大質量を設定することにより、発生する熱応力が低減され、昇温時の亀裂の発生を防止することができる。

（２）上記（１）の構成において、コークス炉１の炉長方向において、窯口３１から３ｍ以内に施工される。
上記（２）の構成によれば、コークス炉１の昇温時において、温度差が最も大きくなる領域において、亀裂の発生を防止することができる。
（３）上記（１）または（２）の構成において、ブロック１個当たりの質量が、（１）式により算出される値ｙの３０％以上である。

次に、本発明者が行った実施例について説明する。実施例では、表２に示すように４００℃における線熱膨張率が０．１３％、０．２４％、０．３５％または０．９５％で、質量が２５ｋｇから１０，０００ｋｇのプレキャストブロックをブロック耐火物として準備した。ブロックの縦横比は０．２～０．５の範囲である。これらのプレキャストブロックを既存のコークス炉１の上部構造体４の窯口３１の炉壁（炉璧の炉長方向の端部）に、積み替え用として所定数を設置した。そして、新設や大規模修繕時のコークス炉１を昇温する際と同様に、常温から８００℃まで５０日間とした条件で、コークス炉１を昇温させた。その後、昇温後に各ブロックの亀裂の有無を観察した。

実施例の条件及び結果を表２に示す。表２に示すように、（１）式により算出される値ｙの１１５％を超える質量のブロックとした比較例１～３では、亀裂の発生が確認された。一方、（１）式により算出される値ｙの１１５％以下の質量のブロックとした実施例１～４では、亀裂の発生が全く無く、良好な結果が得られた。

１コークス炉
２燃焼室
２１内部壁
２２領域
３炭化室
３１窯口
３２炉蓋
４上部構造体
５下部構造体
５１内部壁
５２領域

Claims

コークス炉の上部構造体として施工されるブロック耐火物であって、
ブロック１個当たりの質量が、前記ブロック耐火物の４００℃における線熱膨張率ｘを用いて、（１）式により算出される値ｙの１１５％以下であり、
奥行きに対する高さの比である縦横比は、０．２以上０．５以下であり、
組成がＳｉＯ _２ ≧９０ｍａｓｓ％である、ブロック耐火物。
ｙ＝２４ｘ^－３・・・（１）
ｘ：４００℃における線熱膨張率（％）
ｙ：ブロック１個当たりの質量（ｋｇ）
前記コークス炉の炉長方向において、窯口から３ｍ以内に施工される、請求項１に記載のブロック耐火物。
前記ブロック１個当たりの質量が、（１）式により算出される値ｙの３０％以上である、請求項１または２に記載のブロック耐火物。