(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-19
(45)【発行日】2022-12-27
(54)【発明の名称】コークス収縮率の測定装置及び測定方法
(51)【国際特許分類】
C10B 57/00 20060101AFI20221220BHJP
【ＦＩ】
C10B57/00
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2019076287
(22)【出願日】2019-04-12
(65)【公開番号】P2020172605
(43)【公開日】2020-10-22
【審査請求日】2021-12-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087398
【弁理士】
【氏名又は名称】水野 勝文
(74)【代理人】
【識別番号】100128783
【弁理士】
【氏名又は名称】井出 真
(72)【発明者】
【氏名】松尾 翔平
(72)【発明者】
【氏名】窪田 征弘
(72)【発明者】
【氏名】愛澤 禎典
(72)【発明者】
【氏名】上坊 和弥
【審査官】森 健一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１０１１４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００７／０２４８１４０（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ１０Ｂ ５７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
発熱体を備えた炉体と、炉内に配置され、石炭からなる試料を載置するための底板と、
炉内に載置された試料を炉外から撮像するためのカメラと、
前記炉体の上方に向かって延びる第１のロッドが上部に設けられるとともに、前記底板に密着する下降位置と、前記底板よりも上方の上昇位置との間で昇降可能な有天筒状の試料容器と、
前記下降位置に位置する前記試料容器が前記上昇位置に向かって上動することを抑制する上動抑制状態と、前記下降位置に位置する前記試料容器が前記上昇位置に向かって上動することが可能な上動可能状態との間で切り替え可能な上動抑制調整機構と、
を有することを特徴とするコークス収縮率の測定装置。
【請求項2】
前記炉体は、前記底板が配置される乾留部と、前記乾留部から前記カメラに向かって延びる撮影通路部とを含む反応容器を有することを特徴とする請求項１に記載のコークス収縮率の測定装置。
【請求項3】
前記第１のロッドは、前記試料容器の昇降用のロッドであり、前記第１のロッドと独立して昇降可能な試料押さえ用の第２のロッドが設けられており、
前記第２のロッドは、前記試料容器の上部を貫通して前記試料容器の内部に向かって延びるとともに、下端部には押さえ板が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコークス収縮率の測定装置。
【請求項4】
前記底板には、前記下降位置に位置する前記試料容器の下部外周を覆う囲い堰が設置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のコークス収縮率の測定装置。
【請求項5】
前記上動抑制調整機構は、前記第１のロッドを挟圧する挟圧位置と前記第１のロッドを挟圧しない非挟圧位置との間で切り替え可能な固定具と、前記固定具に取り付けられるバネとを含み、前記上動抑制状態において、前記固定具は前記挟圧位置に設定されており、かつ、前記バネは前記固定具及び前記第１のロッドを介して前記試料容器を前記底板に向かって押圧する方向に付勢していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のコークス収縮率の測定装置。
【請求項6】
請求項１又は２に記載のコークス収縮率の測定装置を用いてコークスの収縮率を測定する方法であって、前記上動抑制調整機構を前記上動抑制状態に設定した状態で、前記発熱体を作動させる第１ステップと、
前記試料の温度が再固化温度以上の所定温度に到達したときに、前記上動抑制調整機構を前記上動可能状態に切り替えるとともに、前記試料容器を前記上昇位置に退避させる第２ステップと、
前記カメラによって前記底板に載置された前記試料を撮像して、前記試料の試料長さを取得する第３ステップと、
前記試料容器の内寸と前記第３ステップで取得した前記試料長さとに基づき、コークスの収縮率を算出する第４ステップと、
を有することを特徴とするコークス収縮率の測定方法。
【請求項7】
前記第４ステップにおいて、式（１）を用いて、コークスの収縮率を算出することを特徴とする請求項６に記載のコークス収縮率の測定方法。
【請求項8】
前記第４ステップにおいて、式（２）を用いて、コークスの収縮率を算出することを特徴とする請求項６に記載のコークス収縮率の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、コークスの収縮率を測定する測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高炉用コークスの製造においては、配合する炭種とその配合率が常に一定に保たれるわけではなく、種々の要因に基づいて配合炭種や配合率の変更が行われる。配合炭を変更する際にも、目標とするコークス粒径を常に維持することが要請されている。したがって、配合炭の変更に際しては、変更後において目標コークス粒径を確保できるよう、コークス粒径を正確に推定することが必要であり、推定したコークス粒径が目標コークス粒径に一致するように石炭の配合を設計することが重要である。
【0003】
コークスの粒径を推定する手法として、石炭が再固化した後の乾留過程におけるコークスの収縮率（以下、「コークスの収縮率」或いは単に「収縮率」と称する）をもとにしてコークスの粒径を推定する手法が広く知られている。
【0004】
一般的に、高炉用コークスの製造に用いられる原料炭は、４００℃前後で軟化溶融して、膨張し、５００℃前後で再固化する。再固化した石炭は、熱分解により収縮して、緻密なコークスとなる。この過程でのコークスの収縮により生成する亀裂がコークス粒径に大きく影響するため、コークスの収縮率を測定することは、コークスの製造において重要な課題である。
【0005】
ここで、コークスの収縮率の測定は、再固化温度到達時の石炭長さと、収縮後のコークス長さとの比率から算出されるため、再固化温度到達時の石炭長さの測定精度が低下すると、コークスの収縮率を正確に測定することができない。
【0006】
コークスの収縮率を測定する方法として、特許文献１には、Ｘ線ＣＴを用いて乾留中のコークスの形状を画像データとして取得し、形状の変化から収縮量を測定する手法が記載されている。
【0007】
また、特許文献２には、外部細管と表面に多数の孔が形成された内部細管との二重構造からなる容器と、内部細管に充填された石炭の上端に接するピストンとを備え、再固化温度と温度Ｔにおける石炭長さの差をピストンの位置から求めることによって収縮率を測定する方法、つまり、高温ディラトメータ（以下、高温ＤＭと称する）によってコークスの収縮率を測定する測定方法が記載されている。
【0008】
特許文献３には、測定対象はコークスではないが、収縮率を測定する方法として、コンパレータ等を用いて、加熱炉内の耐火物材料試料の長さ変化を、炉外からのぞき穴を通じて計測する試験方法であって、非接触式のリニアイメージセンサーを用いて、耐火物材料の試料の長さ変化を自動で測定する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特開２０１６－１８３３１１号公報
【文献】特開２００５－２３２３４９号公報
【文献】特開平６－１６７４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、特許文献１では、Ｘ線ＣＴを用いているため、その分解能は通常のカメラと比較して低いことから、精度よく測定するにはサンプルサイズを比較的大きく設定する必要があり（特許文献１では、幅４８ ｍｍ×長さ４８ ｍｍ×高さ１５０ ｍｍ）、試料内に温度勾配が形成されると考えられる。試料内に温度分布が形成された場合、収縮量が試料内で一様ではないために、測定される収縮率は平均化された見かけの収縮率となり、測定精度が悪くなると考えられる。また、試料内において温度勾配が形成された場合には、試料の変形や亀裂が形成され、収縮率の測定に影響を及ぼす可能性がある。
【0011】
これに対し、特許文献２の高温ＤＭを用いる方法では、試料が少量のため、昇温時の試料に温度勾配はほとんど形成されない。しかし、温度と石炭長さとの関係を規定するグラフから、石炭長さの変動挙動が大きく変わる温度を目視により判別して、この温度を再固化温度として特定する必要があるため、測定者によって再固化温度が異なる可能性があるといった課題があった。さらに、石炭種によっては石炭長さの変動挙動がそれほど大きくなく、再固化温度が明瞭でない場合があるため、正確な再固化温度を特定することができなかった。また、対象とする試料が膨張率の高い石炭である場合には、膨張した石炭がピストンに固着して、コークスの収縮率を測定することができない場合があり、恒常的に安定して測定することができなかった。
【0012】
そこで、本発明者等は、昇温時の試料に温度勾配がほとんど形成されることなく、高温ＤＭの課題（再固化温度の判別困難、石炭の固着）を解決するために、無機材料を対象とした特許文献３の測定方法をコークスの収縮率測定に用いることを検討した。具体的には、膨張率の高い石炭を加熱炉で加熱して、コークス長さの変位量をイメージセンサで測定する試験を行った。しかしながら、石炭が軟化・膨張したときに、イメージセンサによる撮像エリアから石炭が漏れ出てしまい、コークス長さの変位量を測定することができなかった。
【0013】
本願発明は、再固化後のコークスの収縮率をより正確に測定することを目的とする。また、測定装置に石炭が固着することを防止して、コークスの収縮率測定を安定化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明者等は、石炭が撮像エリアから漏れ出すという課題を解決するために、容器内の閉塞した空間で石炭からなる試料を加熱することにより、容器の内寸に沿った形状に試料の形状を律すること、および再固化温度に到達した後は、コークスの長さを測定するために、容器をコークスから退避させて試料を撮像することで、コークスの収縮率を正確に測定できるという知見に基づき、本発明を完成させた。
【0015】
本願発明に係るコークス収縮率の測定装置は、（１）発熱体を備えた炉体と、炉内に配置され、石炭からなる試料を載置するための底板と、炉内に載置された試料を炉外から撮像するためのカメラと、前記炉体の上方に向かって延びる第１のロッドが上部に設けられるとともに、前記底板に密着する下降位置と、前記底板よりも上方の上昇位置との間で昇降可能な有天筒状の試料容器と、前記下降位置に位置する前記試料容器が前記上昇位置に向かって上動することを抑制する上動抑制状態と、前記下降位置に位置する前記試料容器が前記上昇位置に向かって上動することが可能な上動可能状態との間で切り替え可能な上動抑制調整機構と、を有することを特徴とするコークス収縮率の測定装置。
【0016】
（２）前記炉体は、前記底板が配置される乾留部と、前記乾留部から前記カメラに向かって延びる撮影通路部とを含む反応容器を有することを特徴とする上記（１）に記載のコークス収縮率の測定装置。
【0017】
（３）前記第１のロッドは、前記試料容器の昇降用のロッドであり、前記第１のロッドと独立して昇降可能な試料押さえ用の第２のロッドが設けられており、前記第２のロッドは、前記試料容器の上部を貫通して前記試料容器の内部に向かって延びるとともに、下端部には押さえ板が設けられていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のコークス収縮率の測定装置。
【0018】
（４）前記底板には、前記下降位置に位置する前記試料容器の下部外周を覆う囲い堰が設置されていることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれか一つに記載のコークス収縮率の測定装置。
【0019】
（５）前記上動抑制調整機構は、前記第１のロッドを挟圧する挟圧位置と前記第１のロッドを挟圧しない非挟圧位置との間で切り替え可能な固定具と、前記固定具に取り付けられるバネとを含み、前記上動抑制状態において、前記固定具は前記挟圧位置に設定されており、かつ、前記バネは前記固定具及び前記第１のロッドを介して前記試料容器を前記底板に向かって押圧する方向に付勢していることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれか一つに記載のコークス収縮率の測定装置。
【0020】
（６）上記（１）又は（２）に記載のコークス収縮率の測定装置を用いてコークスの収縮率を測定する方法であって、前記上動抑制調整機構を前記上動抑制状態に設定した状態で、前記発熱体を作動させる第１ステップと、前記試料の温度が再固化温度以上の所定温度に到達したときに、前記上動抑制調整機構を前記上動可能状態に切り替えるとともに、前記試料容器を前記上昇位置に退避させる第２ステップと、前記カメラによって前記底板に載置された前記試料を撮像して、前記試料の試料長さを取得する第３ステップと、前記試料容器の内寸と前記第３ステップで取得した前記試料長さとに基づき、コークスの収縮率を算出する第４ステップと、を有することを特徴とするコークス収縮率の測定方法。
【0021】
（７）前記第４ステップにおいて、式（１）を用いて、コークスの収縮率を算出することを特徴とする上記（６）に記載のコークス収縮率の測定方法。
【0022】
（８）前記第４ステップにおいて、式（２）を用いて、コークスの収縮率を算出することを特徴とする上記（６）に記載のコークス収縮率の測定方法。
・・・式（２）
・・・式（２）
【0023】
（９）前記第２ステップにおいて、試料の上部を押さえ板で押さえながら、前記試料容器を前記上昇位置に退避させることを特徴とする上記（６）乃至（８）のいずれか一つに記載のコークス収縮率の測定方法。
【0024】
（１０）前記押さえ板と試料との間にシート状部材を介在させた状態で、前記第２ステップを行うことを特徴とする上記（９）に記載のコークス収縮率の測定方法。
【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、昇温時の試料に温度勾配がほとんど形成されることがなく、再固化温度を正確に測定しづらい試料でも、コークス収縮率を正確に測定できる。また、試料が膨張率の高い石炭であっても、測定装置に固着することがないため、安定して測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】コークスの収縮率測定装置の概略図である。
【図2】測定装置を簡略化して図示した模式図である（再固化温度到達前）。
【図3】測定装置を簡略化して図示した模式図である（中空ロッド引き上げ時）。
【図4】測定装置を簡略化して図示した模式図である（内部ロッド引き上げ時）。
【図5】収縮率と石炭の揮発分（ＶＭ）との関係を示している（試料容器の熱膨張を考慮しない）。
【図6】収縮率と石炭の揮発分（ＶＭ）との関係を示している（試料容器の熱膨張を考慮する）。
【図7】実施例２の実験結果である。
【図8】収縮率と試料温度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0027】
図面を参照しながら、本発明に係るコークス収縮率の測定装置（以下、測定装置と略す）の一実施形態について説明する。図１は、測定装置の概略図である。測定装置１００は、炉体１０と、反応容器２０と、枠体３０と、試料容器の昇降用ロッドである中空ロッド４０（第１のロッドに相当する）と、試料押さえ用ロッドである内部ロッド５０（第２のロッドに相当する）と、シート６０と、試料容器７０と、囲い堰８０と、カメラ９０と、光源９１とを備えており、机２００に支持されている。測定装置１００は、石炭からなる試料Ｃを加熱して、加熱後の収縮率を算出するために用いられる。
【0028】
炉体１０は、発熱体１０ａを有しており、炉体１０の内部には反応容器２０が収められている。反応容器２０の内部で試料Ｃを乾留することにより、乾留時に試料Ｃから発生したタール等が炉体１０に付着することを防止できる。反応容器２０は、試料容器７０が収容される乾留部２１と、乾留部２１からカメラ９０及び光源９１に向かって水平方向に延びる撮影通路部２２とを有しており、撮影通路部２２の両端部には窓２２ａが設けられている。窓２２ａは、光を透過させる光透過性部材によって構成されており、例えば透明ガラスなどを用いることができる。
【0029】
乾留部２１には、撮影通路部２２を臨む位置に試料容器７０を載置するための底板２１ａが設けられており、乾留部２１の上端開口は、炉体１０の上端から突出するとともに、容器蓋２１ｂによって閉塞されている。つまり、反応容器２０は、容器蓋２１ｂ及び窓２２ａによって開口が閉じられた密閉構造となっており、外部から空気が流入しないようになっている。上述の構成によれば、試料Ｃを無酸素状態で加熱できるため、酸素によって試料Ｃが燃焼することを防止できる。
【0030】
ただし、反応容器２０は、省略することもできる。この場合、炉内に直接底板２１ａを設置するとともに、底板２１ａの上で加熱された試料Ｃを炉外から撮像するための窓を炉体１０の外壁に取り付ける必要がある。
【0031】
撮影通路部２２には、ガス導入管２３が延出しており、このガス導入管２３を介して反応容器２０の内部に非酸化性ガス（例えば、窒素ガス）が吹き込まれる。これにより、非酸化性ガス雰囲気下で試料Ｃを乾留することができる。乾留部２１には、容器蓋２１ｂを貫通して炉外に延びるガス排出管２４が延出しており、このガス排出管２４を介して非酸化性ガスや乾留中に試料Ｃから発生したガスを炉外に排出することができる。
【0032】
上述の構成によれば、試料容器７０と窓２２ａとの間に非酸化性ガスが流れるフローを形成することができるため、乾留中に試料Ｃから発生したタール等が窓２２ａに付着することを抑制できる。
【0033】
枠体３０は、上下方向に延びており、枠体３０の下端部には、容器蓋２１ｂに接する枠体フランジ部３０ａが設けられている。容器蓋２１ｂ及び枠体フランジ部３０ａは、互いに締結部材３０ｂによって連結されている。なお、図１では、枠体３０の中間部を省略して図示する。
【0034】
中空ロッド４０は、枠体３０の内部に昇降移動可能に収められており、中空ロッド４０の下端部は、容器蓋２１ｂ及び枠体フランジ部３０ａを貫通して、反応容器２０（乾留部２１）の内部に延出している。試料容器７０は、有天筒状に形成されており、上部である天面には中空ロッド４０の下端部が連設されている。
【0035】
中空ロッド４０を昇降移動させることにより、試料容器７０を底板２１ａに密着する下降位置と、底板２１ａよりも上方の上昇位置との間で動作させることができる。なお、図１は、試料容器７０が下降位置に位置する状態を示している。また、後述する図３は、試料容器７０が上昇位置に位置する状態を示している。
【0036】
試料容器７０の形状は特に限定しないが、例えば、平面視楕円状に形成することができる。試料内の温度勾配が生じない範囲内であれば、試料容器７０の寸法を大きくするほど、生成されるコークスのサイズも大きくなるため、測定精度を向上させることができる。試料容器７０の内寸の最大値は、好ましくは、３０ｍｍである。３０ｍｍを超えると、試料内で温度勾配が生じる可能性があり、さらに、石炭の性状により乾留された試料Ｃの内部に亀裂が生成されるおそれもある。試料容器７０は、乾留中に膨張する試料Ｃの膨張圧に耐え得る材料で構成されていればよく、例えば、煉瓦等の耐火物、ステンレス鋼板等の金属を用いることができる。
【0037】
試料容器７０には、測定対象である試料Ｃを充填することができる。石炭の充填嵩密度は、特に限定しないが、例えば、実コークス炉を模擬して０．７～０．８ｇ／ｃｍ３に設定することができる。ただし、石炭の充填嵩密度を高めて（例えば、１ｇ／ｃｍ３超）、成形炭の収縮率を求めることもできる。石炭の充填嵩密度は、例えば、充填される石炭の含水量を調整することにより、変更することができる。
【0038】
ここで、試料Ｃを乾留すると、試料Ｃの膨張圧によって試料容器７０に押し上げ力が働く。試料容器７０が押し上げられると、底板２１ａと試料容器７０との間に形成された隙間から、試料Ｃが漏れ出すおそれがあり、試料の形状を試料容器７０の内寸に沿った形状に律することができなくなる。そこで、本実施形態の測定装置１００には、乾留中に試料容器７０が底板２１ａから浮き上がることを抑制するために、バネ３１及び固定具３２を含む上動抑制調整機構が実装されている。
【0039】
バネ３１は、枠体３０の内側に配設されており、中空ロッド４０の外周面に巻き付けられている。バネ３１の上端は枠体３０に固定されており、バネ３１の下端は固定具３２に取り付けられている。固定具３２には、例えば、リング状のセットカラーを用いることができる。固定具３２は、枠体３０の内側に配設されており、中空ロッド４０の外周面に挿入されている。固定具３２には、図示しないスリット締付部が設けられており、このスリット締付部を回動させることにより、固定具３２の内径寸法を調節することができる。スリット締付部を締付方向に回動することにより、固定具３２を中空ロッド４０に圧接させることができる（上動抑制状態に相当する）。スリット締付部を締付方向とは反対方向に回動することにより、固定具３２を中空ロッド４０の外周面から離間させることができる（上動可能状態に相当する）。
【0040】
上述の構成において、バネ３１を縮み方向にチャージした状態で固定具３２を締め付けると、バネ３１のバネ力によって試料容器７０を底板２１ａに圧接させることができる。したがって、試料Ｃの膨張圧によって試料容器７０に上向きの圧力が働いたときに、バネ３１の反力によって試料容器７０を底板２１ａに向かって押し戻すことができる。これにより、試料Ｃの軟化・膨張時に試料容器７０が浮き上がり、試料容器７０から試料Ｃが漏れ出すことを防止できる。その結果、再固化時における試料Ｃの形状を、試料容器７０の内寸に沿った形状に律することができる。
【0041】
ただし、上動抑制調整機構は、上述の構成に限定するものではなく、試料Ｃの軟化・膨張時に試料容器７０の浮き上がりを防止できる他の機構であってもよい。他の機構として、例えば、枠体３０及び中空ロッド４０を径方向に貫通するネジ部材を螺合させることにより、試料容器７０の浮き上がりを防止してもよい。この場合、枠体３０に螺合したネジ部材によって中空ロッド４０の移動が規制されるため、試料Ｃの軟化・膨張時に上向きの圧力が試料容器７０に働いても、試料容器７０が底板２１ａから浮き上がることはない。
【0042】
内部ロッド５０は、中空ロッド４０の内部に収められており、容器蓋２１ｂ及び枠体フランジ部３０ａを貫通して、反応容器２０（乾留部２１）の内部に延出している。内部ロッド５０は、中空ロッド４０から独立して昇降移動させることができる。内部ロッド５０の上端部は固定具５１によって枠体３０に固定されており、この固定具５１には、固定具３２と同様にリング状のセットカラーを用いることができる。セットカラーの詳細については、上述したので説明を繰り返さない。
【0043】
内部ロッド５０の下端部には、平板状の押さえ板５２が設けられており、この押さえ板５２は試料容器７０の上部に沿って延在している。シート６０は、試料容器７０に充填された試料Ｃと押さえ板５２との間に配設されている。シート６０には、例えば、和紙、濾紙等の薄いシート状部材や工作紙等の比較的厚いシート状部材を用いることができる。試料Ｃと押さえ板５２との間にシート６０を配設することにより、膨張した試料Ｃが押さえ板５２に固着することを防止できる。
【0044】
囲い堰８０は、リング状に形成されており、試料容器７０の下端部の外周面に接触した状態で底板２１ａの上に載置されている。つまり、囲い堰８０は、試料容器７０の下端部を包囲する位置に配設されている。囲い堰８０が設けられることにより、試料容器７０と底板２１ａとの隙間から膨張した試料Ｃが漏れ出すことを、より効果的に防止できる。ただし、上述したように、上動抑制調整機構によって、試料容器７０と底板２１ａとの間の隙間の形成が充分に抑制されている場合は、囲い堰８０は省略してもよい。
【0045】
カメラ９０は、図中右側の窓２２ａに対向する位置に配置されており、光源９１は、図中左側の窓２２ａに対向する位置に配置されている。カメラ９０は、窓２２ａ及び撮影通路部２２を介して、底板２１ａに載置された試料Ｃを撮像することができる。光源９１は、窓２２ａを介して、反応容器２０の内部を撮影に適した明るさに照明する。ただし、カメラ９０が赤外線を照射する暗視カメラである場合には、光源９１を省略してもよい。また、光源９１は、図中右側の窓２２ａに対向する位置に配置してもよい。この場合、例えば、光源９１の機能をカメラ９０に実装してもよい。
【0046】
次に、図１乃至図４を参照しながら、測定装置１００を用いたコークスの収縮率の測定方法について詳細に説明する。図２乃至図４は、測定装置を簡略化して図示する模式図であり、図２は試料Ｃが再固化温度に達する前の状態を示しており、図３は再固化温度到達後に中空ロッド４０を引き上げた状態を示しており、図４は内部ロッド５０を引き上げた状態を示している。
【0047】
初期状態において、固定具３２，５１は締付状態にあるものとする。図１及び図２を参照して、ガス導入管２３から反応容器２０の内部に窒素ガスを吹き込みながら、炉体１０の発熱体１０ａを作動させる。発熱体１０ａを発熱させると、反応容器２０及び試料容器７０が加熱され、試料容器７０に充填された試料Ｃの乾留が開始される。試料Ｃが石炭の軟化溶融温度に到達すると、試料Ｃが膨張することにより試料容器７０の内圧が高まる。
【0048】
ここで、試料容器７０は、上動しないように上動抑制調整機構によって底板２１ａに適切に押さえ付けられているため、試料Ｃは試料容器７０の内面に沿った形状に膨張する。つまり、試料容器７０の断面が楕円状に形成されている場合には、楕円柱状の試料Ｃが形成される。試料Ｃは、試料容器７０の内寸を超えて膨張することはないため、カメラ９０の撮影エリアから石炭が漏れ出すことはない。
【0049】
図１及び図３を参照して、試料Ｃの温度が再固化温度以上の所定温度に到達すると、固定具３２を緩めて、中空ロッド４０を上動させ、試料容器７０を底板２１ａの上側に移動させる。この際、膨張した試料Ｃは試料容器７０の内面に圧接しているため、試料容器７０とともに上動するおそれがある。しかしながら、本実施形態では、固定具５１によって内部ロッド５０が昇降しない様に固定され、押さえ板５２によって試料Ｃが押さえられているため、試料容器７０のみが底板２１ａから退避する。このように、本実施形態の構成によれば、試料Ｃが試料容器７０とともに退避することを防止できるため、カメラ９０の撮影エリア内に設置された底板２１ａの上に試料Ｃを留めておくことができる。したがって、膨張率の高い石炭であっても、収縮率を測定することができる。つまり、従来手法のように、装置に石炭が固着して、収縮率の測定が不能となることを防止できる。なお、石炭の膨張率が比較的小さい場合には、試料容器７０と試料Ｃとの間に働く摩擦力が小さいため、中空ロッド４０及び押さえ板５２を省略することができる。
【0050】
ここで、再固化温度以上の所定温度は、試料Ｃの再固化温度以上の適宜の温度に設定することができる。本実施形態では、試料容器７０の内寸を基準としてコークスの収縮率を算出するため、再固化温度を厳密に特定して、再固化温度に到達した直後に試料容器７０を引き上げる必要はない。試料容器７０を引き上げるタイミングは、把握したい収縮挙動に応じて適宜変更することができる。例えば、再固化温度到達後に石炭が大きく収縮する石炭の一次収縮挙動を把握したい場合には、再固化温度に到達してから比較的早いタイミングで試料容器７０を引き上げることが望ましい。試料容器７０を引き上げるタイミングは特に限定されないが、再固化温度に到達した時点から、再固化温度よりも２０℃高い温度に到達するまでの期間に引き上げることが例示される。一方、一次収縮後に石炭が比較的緩やかに収縮する石炭の二次収縮挙動を把握したい場合には、再固化温度に到達した時点から、二次収縮開始（例えば、７００℃程度）前までの期間に試料容器７０を引き上げればよい。再固化温度は、例えば、予め石炭の銘柄ごとに石炭の膨張性や溶融性を測定するために一般的に用いられる、ギーセラプラストメーターを用いて測定（ＪＩＳ－Ｍ８８０１を参照）しておくことができる。なお、乾留中の試料Ｃの温度は、底板２１ａより熱電対を装入することで測定することができる。この場合、底板２１ａには測温用の孔が設けられる。ちなみに、同一の加熱条件で試験を繰り返すケースでは、昇温中の炉温と試料の温度との差が一定であることが確認できる場合がある。この場合、熱電対を用いず、昇温中の炉温をもとに、試料の温度を推算してもよい。
【0051】
図１及び図４を参照して、試料容器７０を底板２１ａから退避させた後、固定具５１による内部ロッド５０の固定を解除して、内部ロッド５０を上動させることにより、押さえ板５２をカメラ９０の撮像エリアから退避させる。本実施形態では、押さえ板５２と試料Ｃとの間にシート６０を介在させているため、押さえ板５２に試料Ｃが固着することを防止できる。これにより、カメラ９０の撮影エリア内に設置された底板２１ａの上に試料Ｃを留めておくことができる。
【0052】
押さえ板５２をカメラ９０の撮影エリアから退避させた後、光源９１を発光させながら、カメラ９０を作動させて試料Ｃを連続的に撮像する。これにより、時々刻々と収縮する試料Ｃのサイズ情報を連続的に取得することができる。最後に、撮影画像を解析して、撮像された試料長さに基づき、コークスの収縮率を以下の式（１）にしたがって算出する。
ここで、試料容器７０の短軸方向と、カメラ９０及び光源９１の向き合う方向とが一致する向きに試料容器７０を設置した場合には、試料Ｃ及び試料容器７０それぞれの長軸方向における寸法が「撮像された試料長さ」となる。また、試料容器７０の内寸は、常温での数値とする。
【0053】
ただし、測定精度を確保するために、試料容器７０の熱膨張による内寸の変化を考慮する場合には、式（１）を補正した式（２）にしたがって、収縮率を算出してもよい。ここで、試料容器７０の熱膨張割合は、石炭試料の再固化温度での値を用いる。
・・・式（２）
【0054】
なお、試料容器７０からの試料の漏れ出し抑制については、昇温速度、ばね力及び底板２１ａ上の囲い堰８０の有無が影響を及ぼすことを知見した。具体的に、複数の試料Ｃをサンプルとして、図１の測定装置を用いて乾留し、試料漏れの有無について確認した。表１に試験条件を示す。試料Ｃには、膨張率の高い強粘結炭（ＪＩＳ Ｍ ８８０１の膨張性試験により測定される全膨張率：１８０％）を使用し、石炭粒度は３ｍｍ以下１００%に設定した。石炭が試料容器７０に完全に固着することを抑制するために、試料容器７０内の側面および天面に、カーボンの粉末を塗布するとともに、試料容器内の側面，天面と試料Ｃとの間に紙を介在させた。試料容器には断面が楕円状の筒状容器を用い、寸法は、長軸が３０ｍｍ、短軸が２０ｍｍ、高さ１３．５ｍｍであった。予め、石炭の再固化温度を、ギーセラプラストメーターを用いて測定しておき、試料容器７０の温度が再固化温度に到達した後、再固化温度よりも１０℃高い温度になるまでに、試料容器７０を底板２１ａから退避させた。
【0055】
Ｃａｓｅ１では、実コークス炉の昇温速度である３.０℃/分よりも少し高い３.７℃/分で昇温し、ばねの力を２２．５Ｎとして、囲い堰８０を用いなかったところ、試料容器７０が試料Ｃの膨張を拘束できず、試料容器７０及び底板２１ａの隙間から殆どの試料Ｃが漏れ出した。Ｃａｓｅ２では、昇温速度を４.２℃/分とさらに高くし、ばねの力を８８.２Ｎと強めるとともに、囲い堰８０を用いたところ、僅かに試料Ｃの漏れ出しが確認されたものの、Ｃａｓｅ１と比較して漏れ出しが大幅に減少した。また、乾留された試料Ｃの形状を観察したところ、試料容器７０の形状に沿った形状は維持できていた。Ｃａｓｅ３では、昇温速度を１.１℃/分と低くして、ばねの力は８８.２Ｎで、囲い堰８０も用いたところ、試料Ｃの漏れ出しはまったく確認されなかった。さらに、試料容器７０を底板２１ａから退避させた後の試料の形状は、試料容器７０の寸法条件を満足していることを確認した。以上より、膨張率の高い強粘結炭であっても、バネ力を適切に設定したり、囲い堰８０を設けることにより、石炭の膨張を拘束でき、さらに再固化温度に到達した以降に、試料容器７０を底板２１ａから退避させることにより、試料容器７０の内面に沿った所定寸法の小片セミコークスを底板２１ａ上に残すことができることを確認した。なお、昇温速度については、実コークス炉を模擬して、例えば３℃/分とすることが好ましいものの、上記の通り、昇温速度が低い方が、より確実に試料の漏れを抑制できるため、例えば１℃/分としても良い。しかし、昇温速度が低すぎると、石炭の軟化溶融性が著しく悪化しコークス化が十分でなくなることから、昇温速度の下限は０.５℃/分が好ましい。
以上の通り、使用する石炭試料の膨張性や昇温速度に対応して、試料漏れが抑制できるように、ばねの力や囲い堰８０の有無を設定すれば良い。
以上の通り、使用する石炭試料の膨張性や昇温速度に対応して、試料漏れが抑制できるように、ばねの力や囲い堰８０の有無を設定すれば良い。
【表1】
【実施例】
【0056】
以下、実施例を示して、本発明についてより具体的に説明する。
（実施例１）
図１の測定装置（以下、単に「実施例」と称する場合がある）及び高温ＤＭを用いて試料Ｃを乾留し、収縮率を測定した後、比較した。試料Ｃには、膨張率が比較的小さい４種類の石炭を使用した。具体的には、ＪＩＳ Ｍ ８８０１の膨張性試験により測定される全膨張率が５０．５％,４４．７％,３８．０％および１．５％の石炭を使用した。なお今回は、高温ＤＭで測定しても、再固化温度の判別が比較的容易であり、かつ棚吊り現象を生じない石炭を選定しているため、これらの石炭の再固化温度および収縮率は、正確に算出することが可能である。このため、高温ＤＭを基準測定法として測定を行った。一方、図１の測定装置を用いた実施例では、試料容器にＳＵＳ３１０Ｓを使用した。また、バネ３１による試料容器の押圧力を８８．２Ｎに設定するとともに、石炭が軟化溶融する温度域における昇温速度を１℃／分に設定して、乾留した。実コークス炉における操業条件を想定して、装入する石炭の石炭粒度を３ｍｍ以下１００%、嵩密度を０.８０ｄｒｙ-ｇ/ｍ３に設定した。
（実施例１）
図１の測定装置（以下、単に「実施例」と称する場合がある）及び高温ＤＭを用いて試料Ｃを乾留し、収縮率を測定した後、比較した。試料Ｃには、膨張率が比較的小さい４種類の石炭を使用した。具体的には、ＪＩＳ Ｍ ８８０１の膨張性試験により測定される全膨張率が５０．５％,４４．７％,３８．０％および１．５％の石炭を使用した。なお今回は、高温ＤＭで測定しても、再固化温度の判別が比較的容易であり、かつ棚吊り現象を生じない石炭を選定しているため、これらの石炭の再固化温度および収縮率は、正確に算出することが可能である。このため、高温ＤＭを基準測定法として測定を行った。一方、図１の測定装置を用いた実施例では、試料容器にＳＵＳ３１０Ｓを使用した。また、バネ３１による試料容器の押圧力を８８．２Ｎに設定するとともに、石炭が軟化溶融する温度域における昇温速度を１℃／分に設定して、乾留した。実コークス炉における操業条件を想定して、装入する石炭の石炭粒度を３ｍｍ以下１００%、嵩密度を０.８０ｄｒｙ-ｇ/ｍ３に設定した。
【0057】
それぞれの石炭の再固化温度に達した時に試料容器を底板から退避させ、５５０℃まで昇温した後、試料を冷却した。試料の冷却後にセミコークスの寸法を測定することにより、室温から５５０℃までの収縮率を式（１）及び式（２）の双方を用いて算出し、それぞれの結果を比較した。なお、石炭の再固化温度は、予め高温ＤＭにより測定した値を用いた。
【0058】
図５及び図６は、上記の４種類の石炭を用いた場合の５５０℃までの収縮率と石炭の揮発分（ＶＭ）との関係を示しており、図５の実施例Ａでは、式（１）にしたがって膨張率（試料容器の熱膨張を考慮せずに算出した膨張率）を算出し、図６の実施例Ｂでは、式（２）にしたがって膨張率（試料容器の熱膨張を考慮して算出した膨張率）を算出した。また、実施例Ａ、Ｂの方法によって測定した収縮率を〇で示し、基準測定法である高温ＤＭによって測定した収縮率を□で示した。
【0059】
図５を参照して、試料容器の熱膨張を考慮しない「実施例Ａ（補正無）」は、基準測定法よりも収縮率が全体的に小さくなった。図５及び図６を比較参照して、試料容器の熱膨張を考慮した「実施例Ｂ（補正有）」は、試料容器の熱膨張を考慮しない「実施例Ａ（補正無）」よりも全体的に収縮率が高くなり、かつ、高温ＤＭを用いた基準測定法により求めた収縮率の値に接近することがわかった。
【0060】
金属（ＳＵＳ３１０Ｓ）製の試料容器は、石炭の再固化温度である４５０～４９０℃に到達するまでに０．７６～０．８３%膨張し、また再固化温度に到達する前の石炭は膨張することから、再固化が開始する温度における試料Ｃの寸法が試料容器の設計上の内寸と比較してやや大きくなり、収縮率の測定値に少し影響を及ぼしたものと考えられる。このため、式（１）にしたがって膨張率（試料容器の熱膨張を考慮せずに算出した膨張率）を算出可能であるが、より高い精度を要求される場合等は、式（２）にしたがって膨張率（試料容器の熱膨張を考慮して算出した膨張率）を算出することが好ましい。
【0061】
（実施例２）
膨張性の高い強粘結炭からなる試料（ＪＩＳ Ｍ ８８０１の膨張性試験により測定される全膨張率：８３．９％）を用いて、高温ＤＭ試験と比較した。石炭粒度は３ｍｍ以下１００%とした。高温ＤＭを用いた測定においては、同一条件の測定を２回実施した。図１の測定装置を用いた試験条件には、この石炭の再固化温度（４９０℃）から６００℃までの昇温速度を１ ℃/分とし、６００℃から１０００℃までの昇温速度を５ ℃/分としてばねの力を８８.２Ｎとして囲い堰がある条件を用いた。図１の測定装置を用いた試験においては、予め、試料の再固化温度をギーセラプラストメーターを用いて測定しておき、試料の温度が再固化温度である４９０℃より１０℃高い５００℃に到達したときに、試料容器を底板から退避させた。５００℃から１０００℃まで乾留しながら、カメラを用いて試料の変位量から連続的に収縮率を測定した。収縮率は、上述の式（２）から算出した。ここで、試料容器にＳＵＳ３１０Ｓを使用した。また、この試料容器は、この石炭の再固化温度である４９０℃に到達するまでに０．８３ %膨張した。
膨張性の高い強粘結炭からなる試料（ＪＩＳ Ｍ ８８０１の膨張性試験により測定される全膨張率：８３．９％）を用いて、高温ＤＭ試験と比較した。石炭粒度は３ｍｍ以下１００%とした。高温ＤＭを用いた測定においては、同一条件の測定を２回実施した。図１の測定装置を用いた試験条件には、この石炭の再固化温度（４９０℃）から６００℃までの昇温速度を１ ℃/分とし、６００℃から１０００℃までの昇温速度を５ ℃/分としてばねの力を８８.２Ｎとして囲い堰がある条件を用いた。図１の測定装置を用いた試験においては、予め、試料の再固化温度をギーセラプラストメーターを用いて測定しておき、試料の温度が再固化温度である４９０℃より１０℃高い５００℃に到達したときに、試料容器を底板から退避させた。５００℃から１０００℃まで乾留しながら、カメラを用いて試料の変位量から連続的に収縮率を測定した。収縮率は、上述の式（２）から算出した。ここで、試料容器にＳＵＳ３１０Ｓを使用した。また、この試料容器は、この石炭の再固化温度である４９０℃に到達するまでに０．８３ %膨張した。
【0062】
図７には、高温ＤＭ試験の１回目および２回目の結果を示す。高温ＤＭを用いた場合には、図７に示すとおり、棚吊り現象によりピストンが固着したために、収縮率の測定を行うことができなかった。一方、同一の乾留条件で図１の測定装置を用いて乾留を行った後、試料Ｃの周辺を観察したところ、溶融物の漏れはなく、乾留後の試料Ｃは試料容器に沿ったきれいな形状であった。収縮率の測定結果は、図８に示す通り、５００℃から１０００℃まで連続的な収縮率の測定を行うことができた。最終的な収縮率は、１２．０％であった。したがって、従来は測定が困難であった強粘結炭に対しても本装置を用いることでコークスの収縮率を測定できることがわかった。
【符号の説明】
【0063】
１０ 炉体
１０ａ 発熱体
２０ 反応容器
２１ 乾留部
２２ 撮影通路部
３０ 枠体
３１ バネ
３２，５１ 固定具
４０ 中空ロッド
５０ 内部ロッド
５２ 押さえ板
６０ シート
７０ 試料容器
８０ 囲い堰
９０ カメラ
９１ 光源
１０ａ 発熱体
２０ 反応容器
２１ 乾留部
２２ 撮影通路部
３０ 枠体
３１ バネ
３２，５１ 固定具
４０ 中空ロッド
５０ 内部ロッド
５２ 押さえ板
６０ シート
７０ 試料容器
８０ 囲い堰
９０ カメラ
９１ 光源
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
