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JP7701604B2 - Method for evaluating binder and method for producing coke - Google Patents
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本発明は、粘結剤の評価方法及びコークスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating a binder and a method for producing coke.

コークスは、例えばコークスの原料である石炭材料をコークス炉で乾留することで製造される。コークス炉に装入される石炭材料は、単一種である場合もあるし、複数種類の石炭材料が配合された配合炭である場合もある。コークス炉に装入された石炭材料は、ある程度の温度域(例えば約300~550℃)まで加熱されると軟化溶融し、その後揮発分の発生に伴い発泡、膨張する。このような発泡、膨張によって各々の石炭粒子が互いに結着し(言い換えると、石炭粒子間の空隙が閉塞され)、塊状のセミコークスとなる。セミコークスはさらに1000℃付近まで加熱されることで焼き締まり、堅牢なコークスとなる。 Coke is produced, for example, by carbonizing the coal material, which is the raw material for coke, in a coke oven. The coal material charged into the coke oven may be a single type, or it may be a blend of multiple types of coal material. When the coal material charged into the coke oven is heated to a certain temperature range (for example, about 300 to 550°C), it softens and melts, and then foams and expands as volatile matter is generated. This foaming and expansion causes the individual coal particles to bond together (in other words, the gaps between the coal particles are blocked), forming a lump of semi-coke. The semi-coke is further heated to around 1000°C to be sintered and become a robust coke.

ここで、セミコークスが製造される過程において、石炭材料の軟化溶融温度が低いほど、より多くの石炭粒子が軟化溶融するので、発泡、膨張する石炭粒子も多くなる。この結果、より多くの空隙が閉塞されるので、より強固なコークスが製造される。 Here, in the process of producing semi-coke, the lower the softening temperature of the coal material, the more coal particles will soften and melt, and the more coal particles will foam and expand. As a result, more voids are blocked, and a stronger coke is produced.

そこで、石炭材料の軟化溶融温度を低下させること等を目的として、石炭材料に粘結剤を配合(混合)した混合物(配合炭)を、コークス炉に投入する場合がある。粘結剤は、例えばタールピッチ、石油系ピッチ、溶剤精製炭、溶剤抽出炭等である。 In order to lower the softening and melting temperature of coal materials, a mixture (blended coal) of coal materials and binders may be added to the coke oven. Examples of binders include tar pitch, petroleum pitch, solvent refined coal, and solvent extracted coal.

特開2015-199791号公報JP 2015-199791 A 特開2012-72390号公報JP 2012-72390 A 国際公開第2011/004495号公報International Publication No. 2011/004495

篠原ら、「分子動力学シミュレーションを用いた有機化合物添加による石炭膨張性の評価」、第56回石炭科学会議要旨集2-10Shinohara et al., "Evaluation of coal swelling by adding organic compounds using molecular dynamics simulation," Abstracts of the 56th Coal Science Conference, Vol. 2-10 畑ら、「石炭の分子構造モデル構築」、第28回日本エネルギー学会要旨集1-4-1Hata et al., "Construction of a molecular structure model of coal," Abstracts of the 28th Japan Society of Energy, Vol. 1-4-1

粘結剤に求められる特性の1つとして、より多くの石炭粒子を発泡、膨張させるという膨張性向上効果が挙げられる。膨張性向上効果の高い粘結剤は、石炭材料の軟化溶融温度を低下させることで、より多くの石炭粒子を発泡、膨張させることができる。ここで、粘結剤と石炭材料との間には相性があり、ある石炭材料Aに対して粘結剤Aの膨張性向上効果が高いからと言って、その粘結剤Aが他の石炭材料Bに対しても高い膨張性向上効果を示すとは限られない。 One of the properties required of a binder is the ability to improve expansion, which allows more coal particles to foam and expand. A binder with a high expansion improvement effect can foam and expand more coal particles by lowering the softening and melting temperature of the coal material. There is compatibility between binders and coal materials, and just because binder A has a high expansion improvement effect on a certain coal material A, it does not necessarily mean that binder A will also have a high expansion improvement effect on another coal material B.

このため、粘結剤の膨張性向上効果を適切かつ簡易に評価する方法が強く求められていたが、このような方法はこれまで何ら提案されていなかった。例えば、特許文献1~3及び非特許文献1~2には、コークスの製造に関する技術が開示されている。概略的には、特許文献1には、粘結炭と非微粘結炭とを配合する技術が開示されている。特許文献2には、コークス炉内において軟化溶融した石炭材料および粘結剤の周辺の環境を模擬した状態で粘結剤の軟化溶融特性(膨張性向上効果)を評価する技術が開示されている。特許文献3には、水素供与性のナフテン基を有する芳香族化合物を含有するマトリックス相と、当該マトリックス相に分散した炭素粒子と、を含む粘結剤が開示されている。 For this reason, there has been a strong demand for a method for appropriately and simply evaluating the expansion-improving effect of a binder, but no such method has been proposed so far. For example, Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Documents 1 and 2 disclose technologies related to coke production. In summary, Patent Document 1 discloses a technology for blending caking coal and non-slightly caking coal. Patent Document 2 discloses a technology for evaluating the softening and melting characteristics (expansion-improving effect) of a binder in a state simulating the surrounding environment of the softened and melted coal material and the binder in a coke oven. Patent Document 3 discloses a binder that includes a matrix phase containing an aromatic compound having a hydrogen-donating naphthene group and carbon particles dispersed in the matrix phase.

非特許文献1には、粘結剤の種類が異なる配合炭において、配合炭の密度の計算値と配合炭の最大膨張率との間に正の相関があることが開示されている。非特許文献2には、二種類の石炭に対して、熱的緩和挙動を定性的に表現可能な3次元分子凝集モデルが開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses that there is a positive correlation between the calculated density of a coal blend containing different types of binders and the maximum expansion rate of the coal blend. Non-Patent Document 2 discloses a three-dimensional molecular aggregation model that can qualitatively express the thermal relaxation behavior of two types of coal.

しかし、いずれの技術においても粘結剤の膨張性向上効果を適切に評価することができなかった。特許文献1、3、及び非特許文献2では粘結剤の膨張性向上効果について言及されていない。特許文献2では浸透距離というパラメータを用いて粘結剤の膨張性向上効果を評価しているが、浸透距離を計算するためにはギーセラー最高流動度を測定する必要があり、これには非常に手間が掛かる。非特許文献1では、配合炭の密度の計算値と配合炭の最大膨張率との間に正の相関があることが開示されているが、全ての粘結剤においてこのような相関があるわけではない。 However, none of these techniques were able to adequately evaluate the expansion-improving effect of the binder. Patent Documents 1 and 3, and Non-Patent Document 2 make no mention of the expansion-improving effect of the binder. Patent Document 2 evaluates the expansion-improving effect of the binder using a parameter called the permeation distance, but in order to calculate the permeation distance, it is necessary to measure the Gieseler maximum fluidity, which is very time-consuming. Non-Patent Document 1 discloses that there is a positive correlation between the calculated density of the coal blend and the maximum expansion rate of the coal blend, but this correlation does not exist for all binders.

なお、上記以外の評価方法としては、ギーセラープラストメーターで配合炭の流動度を測定する方法や、ジラトメータで配合炭の膨張率を測定する方法等が知られているが、いずれも多大な手間が掛かっていた。 Other evaluation methods are known, such as using a Gieseler plastometer to measure the fluidity of a coal blend, or using a dilatometer to measure the expansion rate of a coal blend, but both of these require a great deal of work.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、粘結剤の膨張性向上効果を適切かつ簡易に評価する粘結剤の評価方法及びコークスの製造方法を提供することである。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and the object of the present invention is to provide a method for evaluating a binder and a method for producing coke that appropriately and simply evaluates the expansion-improving effect of the binder.

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、コークスの原料となる石炭材料のガラス転移点を求め、さらに、石炭材料と、石炭材料に混合される粘結剤との混合物のガラス転移点を複数種類の粘結剤について求めるガラス転移点取得工程と、石炭材料のガラス転移点と、各粘結剤について得られた混合物のガラス転移点とに基づいて、石炭材料に対する各粘結剤の膨張性向上効果を評価する評価工程と、を含むことを特徴とする、粘結剤の評価方法が提供される。 In order to solve the above problems, according to one aspect of the present invention, a binder evaluation method is provided, which includes a glass transition point acquisition step of determining the glass transition point of a coal material that is a raw material for coke, and further determining the glass transition points of mixtures of the coal material and a binder to be mixed with the coal material for multiple types of binders, and an evaluation step of evaluating the expansion improvement effect of each binder on the coal material based on the glass transition point of the coal material and the glass transition points of the mixtures obtained for each binder.

本発明の他の観点によれば、コークスの原料となる石炭材料のガラス転移点を取得し、さらに、石炭材料と、石炭材料に混合される粘結剤との混合物のガラス転移点を取得するガラス転移点取得工程と、石炭材料のガラス転移点と、混合物のガラス転移点とに基づいて、石炭材料に対する粘結剤の膨張性向上効果を評価する評価工程と、を含むことを特徴とする、粘結剤の評価方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a method for evaluating a binder is provided, which includes a glass transition point acquisition step of acquiring the glass transition point of a coal material that is a raw material for coke, and further acquiring the glass transition point of a mixture of the coal material and a binder to be mixed with the coal material, and an evaluation step of evaluating the effect of the binder in improving the expansion of the coal material based on the glass transition point of the coal material and the glass transition point of the mixture.

ここで、評価工程では、各粘結剤について得られたガラス転移点が石炭材料のガラス転移点に対して小さいほど、当該粘結剤の膨張性向上効果が大きいと評価してもよい。 Here, in the evaluation process, the smaller the glass transition temperature obtained for each binder is relative to the glass transition temperature of the coal material, the greater the expansion improvement effect of the binder may be evaluated.

また、各粘結剤について得られたガラス転移点が石炭材料のガラス転移点に対して15℃以上小さいときに、当該粘結剤の膨張性向上効果が大きいと評価してもよい。 In addition, when the glass transition temperature obtained for each binder is 15°C or more lower than the glass transition temperature of the coal material, the binder may be evaluated as having a large effect of improving expansion properties.

ここで、ガラス転移点取得工程では、石炭材料を構成する分子をモデル化することで石炭材料の分子モデルを構築し、さらに粘結剤を構成する分子をモデル化することで粘結剤の分子モデルを構築し、石炭材料の分子モデルと粘結剤の分子モデルとの混合モデルの比容積を分子動力学計算法により複数の温度で求め、混合モデルの比容積と温度との相関グラフに基づいて、混合物のガラス転移点を求めてもよい。 Here, in the glass transition point acquisition process, a molecular model of the coal material is constructed by modeling the molecules that make up the coal material, and a molecular model of the binder is constructed by modeling the molecules that make up the binder. The specific volume of a mixed model of the molecular model of the coal material and the molecular model of the binder is calculated at multiple temperatures using a molecular dynamics calculation method, and the glass transition point of the mixture is calculated based on a correlation graph between the specific volume of the mixed model and temperature.

また、ガラス転移点取得工程では、石炭材料を構成する分子をモデル化することで石炭材料の分子モデルを構築し、石炭材料の分子モデルの比容積を分子動力学計算法により複数の温度で求め、石炭材料の分子モデルの比容積と温度との相関グラフに基づいて、石炭材料のガラス転移点を求めてもよい。 In addition, in the glass transition point acquisition process, a molecular model of the coal material may be constructed by modeling the molecules that make up the coal material, the specific volume of the molecular model of the coal material may be calculated at multiple temperatures using a molecular dynamics calculation method, and the glass transition point of the coal material may be calculated based on a correlation graph between the specific volume of the molecular model of the coal material and temperature.

また、石炭材料は強粘結炭または非微粘結炭であってもよい。 The coal material may also be hard coking coal or non- or slightly hard coking coal.

本発明の他の観点によれば、石炭材料に添加する粘結剤を上記粘結剤の評価方法に基づいて決定し、決定された粘結剤と石炭材料とを用いてコークスを製造することを特徴とする、コークスの製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a method for producing coke is provided, which is characterized in that a binder to be added to a coal material is determined based on the above-mentioned binder evaluation method, and coke is produced using the determined binder and the coal material.

本発明の上記観点によれば、粘結剤の膨張性向上効果を適切かつ簡易に評価することができる。 According to the above-mentioned aspects of the present invention, the expansion improving effect of the binder can be appropriately and simply evaluated.

第2の成分ASの平均分子構造を示す構造式である。1 is a structural formula showing the average molecular structure of the second component AS. 第3の成分PSの平均分子構造を示す構造式である。1 is a structural formula showing the average molecular structure of the third component, PS. 第4の成分PIの平均分子構造を示す構造式である。1 is a structural formula showing the average molecular structure of the fourth component PI. 第5の成分MIの平均分子構造を示す構造式である。1 is a structural formula showing the average molecular structure of the fifth component MI. (a)粘結剤の一種であるコロネンの分子構造を示す模式図である。上側の図は平面図であり、下側の図は側面図である。(b)粘結剤の一種であるコラニュレンの分子構造を示す模式図である。上側の図は平面図であり、下側の図は側面図である。(a) A schematic diagram showing the molecular structure of coronene, a type of binder. The upper figure is a plan view, and the lower figure is a side view. (b) A schematic diagram showing the molecular structure of corannulene, a type of binder. The upper figure is a plan view, and the lower figure is a side view. 石炭材料の分子モデルとコロネンの分子モデルとの混合モデルAの挙動を3次元で示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the behavior of a mixed model A of a molecular model of a coal material and a molecular model of coronene in three dimensions. 石炭材料の分子モデルとコラニュレンの分子モデルとの混合モデルBの挙動を3次元で示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing the behavior of a mixed model B of a molecular model of a coal material and a molecular model of corannulene in three dimensions. 石炭材料の分子モデルの挙動を3次元で示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the behavior of a molecular model of a coal material in three dimensions. 石炭材料の分子モデルの比容積と温度との相関を示すグラフである。1 is a graph showing the correlation between specific volume and temperature of a molecular model of a coal material. 混合モデルAの比容積と温度との相関を示すグラフである。13 is a graph showing the correlation between specific volume and temperature for mixture model A. 混合モデルBの比容積と温度との相関を示すグラフである。13 is a graph showing the correlation between specific volume and temperature for mixed model B. モデル化測定方法の一例を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an example of a modeling measurement method. モデル化測定方法の一例を示すフローチャートである。1 is a flowchart illustrating an example of a modeling measurement method. 石炭IIの第2の成分AS、第3の成分PS及び第5の成分MIの平均分子構造を示す構造式である。FIG. 1 is a structural formula showing the average molecular structure of the second component AS, the third component PS, and the fifth component MI of coal II. 粘結剤の一種である(a)コロネン、(b)ピレン、(c)アントラセン、(d)ナフタレンの各分子構造を示す図である。FIG. 1 shows the molecular structures of (a) coronene, (b) pyrene, (c) anthracene, and (d) naphthalene, which are types of binders. 石炭II(非微粘結炭)に対して種々の粘結剤モデル分子を添加した場合のガラス転位温度を示すグラフである。1 is a graph showing the glass transition temperature when various binder model molecules are added to coal II (non- or slightly caking coal). 石炭II(非微粘結炭)に対して種々の粘結剤分子を添加した場合の全膨張率を示すグラフである(石炭単味のときを100%とした値)。1 is a graph showing the total expansion rate when various binder molecules are added to coal II (non- or slightly caking coal) (values are set at 100% for coal alone).

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。本発明者は、粘結剤の膨張性向上効果を適切かつ簡易に評価する粘結剤の評価方法について鋭意検討した。本発明者は、コークスの原料となる石炭材料と、石炭材料に混合される粘結剤との混合物のガラス転移点に着目した。この結果、本発明者は、混合物のガラス転移点と石炭材料のガラス転移点とを比較することで、粘結剤の膨張性向上効果を評価できることを見出した。概略的には、混合物のガラス転移点が石炭材料のガラス転移点よりも低い場合、当該混合物に含まれる粘結剤の膨張性向上効果が高いことになる。以下、本実施形態について詳細に説明する。 The preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the attached drawings. The inventor has intensively studied a method for evaluating a binder that appropriately and simply evaluates the expansion-improving effect of the binder. The inventor has focused on the glass transition point of a mixture of coal material, which is the raw material for coke, and a binder mixed with the coal material. As a result, the inventor has found that the expansion-improving effect of the binder can be evaluated by comparing the glass transition point of the mixture with the glass transition point of the coal material. In general, if the glass transition point of the mixture is lower than the glass transition point of the coal material, the expansion-improving effect of the binder contained in the mixture is high. The present embodiment will be described in detail below.

<1.評価方法の概要>
まず、本実施形態に係る粘結剤の評価方法の概要について説明する。本実施形態に係る粘結剤の評価方法は、ガラス転移点取得工程と、評価工程とを含む。ガラス転移点取得工程では、コークスの原料となる石炭材料と、石炭材料に混合される粘結剤との混合物のガラス転移点を複数種類の粘結剤について取得する。評価工程では、各粘結剤について得られた混合物のガラス転移点に基づいて、石炭材料に対する各粘結剤の膨張性向上効果を評価する。なお、本実施形態における膨張性向上効果は、例えばJIS M 8801 2008で定義される最大膨張率で評価される。最大膨張率が大きいほど、膨張性向上効果が大きいことになる。本実施形態では、JIS M 8813に従った試験を行わなくとも、膨張性向上効果を評価することができる。以下、各工程について詳細に説明する。
1. Overview of evaluation method
First, an overview of the binder evaluation method according to the present embodiment will be described. The binder evaluation method according to the present embodiment includes a glass transition temperature acquisition step and an evaluation step. In the glass transition temperature acquisition step, the glass transition temperatures of mixtures of coal material, which is a raw material for coke, and binders to be mixed with the coal material are acquired for a plurality of types of binders. In the evaluation step, the expansion improvement effect of each binder on the coal material is evaluated based on the glass transition temperature of the mixture obtained for each binder. Note that the expansion improvement effect in this embodiment is evaluated by, for example, the maximum expansion coefficient defined in JIS M 8801 2008. The larger the maximum expansion coefficient, the greater the expansion improvement effect. In this embodiment, the expansion improvement effect can be evaluated without performing a test according to JIS M 8813. Each step will be described in detail below.

<1-1.ガラス転移点取得工程>
上述したように、ガラス転移点取得工程では、コークスの原料となる石炭材料と、石炭材料に混合される粘結剤との混合物のガラス転移点を複数種類の粘結剤について取得する。ここで、本実施形態に係る粘結剤の評価方法の対象となる石炭材料及び粘結剤は特に制限されず、コークスの製造に使用可能であるもの、あるいは今後使用される可能性があるものは全て含まれる。
<1-1. Glass transition temperature obtaining process>
As described above, in the glass transition temperature acquisition step, the glass transition temperatures of the mixture of the coal material as the raw material of the coke and the binder to be mixed with the coal material are acquired for a plurality of types of binder. Here, the coal material and the binder to be the subject of the binder evaluation method according to the present embodiment are not particularly limited, and include all of those that can be used for coke production or that may be used in the future.

例えば、本実施形態に係る石炭材料には、原料炭と称される石炭は全て含まれる。原料炭とは、コークスの原料となる石炭のことであり、例えば粘結炭(瀝青炭等)、非微粘結炭等が挙げられる。石炭材料は、単一種であってもよいし、例えば産地等が異なる複数種類の石炭材料を混合(配合)した配合炭であってもよい。 For example, the coal material according to this embodiment includes all coals known as raw coal. Raw coal is coal that is the raw material for coke, and examples of such coal include caking coal (such as bituminous coal) and non- or slightly caking coal. The coal material may be a single type, or may be a blended coal obtained by mixing (blending) multiple types of coal materials from different places of origin, etc.

粘結剤の種類も特に問われない。粘結剤としては、例えば、タールピッチ、石油系ピッチ、溶剤精製炭、溶剤抽出炭等である。単一種の炭材(例えばコロネン、コラニュレン等)からなる粘結剤を使用してもよい。このような炭材は、例えば既存のタールピッチ等に上述した溶剤抽出等を行って得てもよいし、新規に合成してもよい。 The type of binder is not particularly limited. Examples of binders include tar pitch, petroleum pitch, solvent refined charcoal, and solvent extracted charcoal. A binder made of a single type of carbonaceous material (e.g., coronene, corannulene, etc.) may also be used. Such carbonaceous materials may be obtained, for example, by subjecting existing tar pitch, etc., to the above-mentioned solvent extraction, or may be newly synthesized.

ガラス転移点の具体的な取得方法として、石炭材料及び粘結剤をモデル化してガラス転移点を取得する方法、DSC(示差走査熱量測定)を用いてガラス転移点を測定する方法等が挙げられる。ここでは、石炭材料及び粘結剤をモデル化してガラス転移点を取得する方法(以下、「モデル化取得方法」とも称する)について詳細に説明する。 Specific methods for obtaining the glass transition point include a method of obtaining the glass transition point by modeling the coal material and binder, and a method of measuring the glass transition point using DSC (differential scanning calorimetry). Here, we will explain in detail the method of obtaining the glass transition point by modeling the coal material and binder (hereinafter also referred to as the "modeling method").

ここで、モデル化取得方法のメリット、さらには本発明者が膨張性向上効果を評価する指標としてガラス転移点に着目した理由について説明する。 Here, we will explain the advantages of the modeling method and why the inventors focused on the glass transition point as an index for evaluating the expansion improvement effect.

石炭材料は、単一種であっても、複数種類の配合炭であっても、分子量が大きく異なる複数種類の分子で構成されることが多い。本発明者は、これらの分子のうち、比較的低分子量の分子が低温から軟化溶融し、それらが分子量の大きい成分を次々に溶かしながら軟化溶融領域を拡大させることで膨張性を発現することから、より低温から軟化溶融が開始することによって軟化溶融が促進され、膨張性が向上すると考えている。従って、石炭分子の凝集構造が緩和する温度であるガラス転移温度が低温で起こることで、軟化溶融が促進され、膨張性が向上すると考えた。 Coal materials, whether they are a single type or a blend of multiple types of coal, are often composed of multiple types of molecules with significantly different molecular weights. The inventor believes that among these molecules, molecules with relatively low molecular weights soften and melt from low temperatures, and as they melt components with larger molecular weights one after another, they expand the softening and melting region, thereby exhibiting expansive properties, and that softening and melting is promoted by starting softening and melting at a lower temperature, thereby improving expansive properties. Therefore, the inventor believes that softening and melting is promoted and expansive properties are improved by the glass transition temperature, which is the temperature at which the aggregated structure of coal molecules relaxes, occurring at a low temperature.

上述したように、コークス炉に装入された石炭材料は、ある程度の温度域(例えば約300~550℃)まで加熱されると軟化溶融し、その後揮発分の発生に伴い発泡、膨張する。このような発泡、膨張によって各々の石炭粒子が互いに結着し、石炭粒子間の空隙等が閉塞され、堅牢なコークスが製造される。したがって、如何に多くの石炭材料を軟化溶融させるかがコークスの強度を高める上で重要になる。ここで、石炭材料の軟化溶融は、石炭材料を構成する分子同士の相互作用(互いに引き付けあう相互作用。例えばファンデルワールス力(分子間力)、静電相互作用)が弱まり、分子同士が互いに自由に動き回れるようになることによって生じる。 As mentioned above, when the coal material charged into the coke oven is heated to a certain temperature range (for example, about 300 to 550°C), it softens and melts, and then foams and expands as volatile matter is generated. This foaming and expansion causes the individual coal particles to bond together, blocking the voids between the coal particles and producing a robust coke. Therefore, in order to increase the strength of the coke, it is important to soften and melt as much coal material as possible. Here, the softening and melting of the coal material occurs when the interactions between the molecules that make up the coal material (mutually attractive interactions, such as van der Waals forces (intermolecular forces) and electrostatic interactions) weaken, allowing the molecules to move freely around each other.

詳細は後述するが、モデル化測定方法では、石炭材料を構成する分子をモデル化することで石炭材料の分子モデルを構築する。概略的には、石炭材料を複数種類の溶媒で抽出することで石炭材料から複数種類の分子を抽出し、各溶媒中の分子をモデル化する。そして、各分子モデルをそれらの質量割合に応じて混合することで石炭材料の分子モデルを構築する。この際、低分子量の分子モデルも必ず石炭材料の分子モデルに含まれる。そして、モデル化測定方法では、低分子量の分子モデルも考慮して石炭材料(または石炭材料及び粘結剤の混合物の)ガラス転移点が取得される。さらには、ガラス転移点が低いほど、石炭材料を構成する分子同士の相互作用がより低温で弱まることになるので、より低温で石炭材料の軟化溶融が開始し、より強固なコークスが製造されると考えられる。このため、本発明者は、ガラス転移点に着目することとした。 Although the details will be described later, in the modeling measurement method, a molecular model of the coal material is constructed by modeling the molecules that constitute the coal material. In summary, the coal material is extracted with multiple types of solvents to extract multiple types of molecules from the coal material, and the molecules in each solvent are modeled. Then, the molecular models are mixed according to their mass ratio to construct a molecular model of the coal material. At this time, the molecular model of the coal material is necessarily included in the molecular model of the coal material. In the modeling measurement method, the glass transition point of the coal material (or the mixture of the coal material and the binder) is obtained taking into account the molecular model of the low molecular weight. Furthermore, the lower the glass transition point, the weaker the interaction between the molecules that constitute the coal material will be at a lower temperature, so that the softening and melting of the coal material will begin at a lower temperature, and a stronger coke will be produced. For this reason, the inventor decided to focus on the glass transition point.

一方、DSC(示差走査熱量測定)を用いてガラス転移点を測定する方法では、石炭材料(または石炭材料及び粘結剤を所望の混合比で混合した混合物の)ガラス転移点を直接測定する。しかし、DSC測定ではガス発生による吸熱ピークが熱膨張による吸熱ピークと重なる場合があり、ガラス転移点を算出することが困難な場合がある。 On the other hand, in the method of measuring the glass transition point using DSC (differential scanning calorimetry), the glass transition point of the coal material (or a mixture of the coal material and the binder in a desired mixing ratio) is directly measured. However, in DSC measurements, the endothermic peak due to gas generation may overlap with the endothermic peak due to thermal expansion, making it difficult to calculate the glass transition point.

モデル化測定方法では、石炭材料を構成する成分をモデル化することで石炭材料の分子モデルを構築する。以下、モデル化測定方法の具体的な内容を図12及び図13に基づいて説明する。図12は概念図であり、図13はフローチャートである。具体的には、まず、石炭材料を準備する。石炭材料は、事前に十分に粉砕しておくことが好ましい。各溶媒の可溶成分を容易に各溶媒に溶解させるようにするためである。ついで、石炭材料を複数種類の溶媒で抽出することで石炭材料から複数種類の成分を抽出する。 In the modeling measurement method, a molecular model of the coal material is constructed by modeling the components that make up the coal material. The specific details of the modeling measurement method are described below with reference to Figures 12 and 13. Figure 12 is a conceptual diagram, and Figure 13 is a flow chart. Specifically, first, the coal material is prepared. It is preferable to thoroughly crush the coal material in advance. This is to make it easier to dissolve the soluble components in each solvent in each solvent. Next, the coal material is extracted with multiple types of solvents to extract multiple types of components from the coal material.

まず、ステップS10において、石炭材料を第1の溶媒100に投入する。ここで、第1の溶媒100としては、例えば、NMP(N-メチル-2-ピロリドン)と二硫化炭素を50:50の体積比で混合した溶媒(以下、「マジックソルベント」とも称する)、等が挙げられる。ついで、石炭材料が投入された第1の溶媒100を十分に攪拌することで、石炭材料を第1の成分(マジックソルベントに溶解した成分。以下、「MS」とも称する)と抽出残渣である第5の成分(第1の溶媒100に溶解しなかった成分。以下、「MI」とも称する)とに分画する。ついで、第1の成分MSを第1の溶媒100から抽出するとともに、第5の成分MIを第1の溶媒100から濾過等により分離し、洗浄、乾燥する。 First, in step S10, the coal material is put into the first solvent 100. Here, the first solvent 100 may be, for example, a solvent in which NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) and carbon disulfide are mixed in a volume ratio of 50:50 (hereinafter also referred to as "magic solvent"). Next, the first solvent 100 to which the coal material has been put is thoroughly stirred to fractionate the coal material into a first component (a component dissolved in the magic solvent; hereinafter also referred to as "MS") and a fifth component (a component not dissolved in the first solvent 100; hereinafter also referred to as "MI"), which is an extraction residue. Next, the first component MS is extracted from the first solvent 100, and the fifth component MI is separated from the first solvent 100 by filtration or the like, washed, and dried.

ついで、ステップS20において、第1の成分MSを第2の溶媒110に投入する。ここで、第2の溶媒110としては、例えばアセトン、トルエン、クロロホルム等が挙げられる。これらの溶媒を単独で用いてもよいし、いずれか1種以上を混合して用いてもよい。ついで、第1の成分MSが投入された第2の溶媒110を十分に攪拌することで、第1の成分MSを第2の成分(第2の溶媒110に溶解した成分。以下、「AS」とも称する)と抽出残渣(第2の溶媒110に溶解しなかった成分。以下、「AI」とも称する)とに分画する。ついで、抽出残渣AIを前記第2の溶媒110から濾過等により分離し、洗浄、乾燥する。 Next, in step S20, the first component MS is put into the second solvent 110. Here, examples of the second solvent 110 include acetone, toluene, and chloroform. These solvents may be used alone, or one or more of them may be mixed together. Next, the second solvent 110 containing the first component MS is thoroughly stirred to fractionate the first component MS into a second component (a component dissolved in the second solvent 110; hereinafter also referred to as "AS") and an extraction residue (a component not dissolved in the second solvent 110; hereinafter also referred to as "AI"). Next, the extraction residue AI is separated from the second solvent 110 by filtration or the like, washed, and dried.

ついで、ステップS30において、抽出残渣AIを第3の溶媒120に投入する。ここで、第3の溶媒120としては、例えばピリジン、エチレンジアミン、テトラヒドロフラン等が挙げられる。これらの溶媒を単独で用いてもよいし、いずれか1種以上を混合して用いてもよい。ついで、抽出残渣AIが投入された第3の溶媒120を十分に攪拌することで、抽出残渣AIを第3の成分(第3の溶媒120に溶解した成分。以下、「PS」とも称する)と抽出残渣である第4の成分(第3の溶媒120に溶解しなかった成分。以下、「PI」とも称する)とに分画する。ついで、第3の成分PSを前記第3の溶媒120から抽出するとともに、第4の成分PIを第3の溶媒120から濾過等により分離し、洗浄、乾燥する。 Next, in step S30, the extraction residue AI is put into the third solvent 120. Here, examples of the third solvent 120 include pyridine, ethylenediamine, and tetrahydrofuran. These solvents may be used alone or in combination. Next, the third solvent 120 into which the extraction residue AI has been put is thoroughly stirred to fractionate the extraction residue AI into a third component (a component dissolved in the third solvent 120; hereinafter also referred to as "PS") and a fourth component (a component not dissolved in the third solvent 120; hereinafter also referred to as "PI"), which is the extraction residue. Next, the third component PS is extracted from the third solvent 120, and the fourth component PI is separated from the third solvent 120 by filtration or the like, washed, and dried.

以上の工程により、石炭材料を4つの成分、すなわち第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIに分画する。上述した第1の成分MSは第2~第4の成分AS、PS、及びPIで構成されることになる。なお、上記の例では、第1~第3の溶媒(例えばマジックソルベント、アセトン、及びピリジン)100~120で分画しているが、使用する溶媒の種類及び数はこれらの例に限られない。例えば、使用する溶媒の種類が多いほど、石炭材料を多くの成分に分画することができるので、後述するガラス転移点の測定精度の向上が期待できる。ただし、使用する溶媒の数が多いほど分画の工程が増えるので、上記の通り3種程度とすることが好ましい。 Through the above steps, the coal material is fractionated into four components, namely the second to fifth components AS, PS, PI, and MI. The first component MS described above is composed of the second to fourth components AS, PS, and PI. In the above example, the coal material is fractionated using 100 to 120 of the first to third solvents (e.g., magic solvent, acetone, and pyridine), but the type and number of solvents used are not limited to these examples. For example, the more types of solvents used, the more components the coal material can be fractionated into, which is expected to improve the accuracy of the glass transition point measurement described below. However, the more solvents used, the more fractionation steps will be required, so it is preferable to use about three types as described above.

ついで、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの元素分析、H NMR測定、13C NMR測定、さらにはGPC(Gel Permeation Chromatography)測定を行うことで、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの構成元素、分子構造、及び分子量(重量平均分子量及び数平均分子量の少なくとも一方)を特定する。ここで、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの元素分析は、JIS M 8813またはJIS M 8819に準拠して行うことができる。ついで、それぞれの分析値に適合するように第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの平均分子構造(すなわち分子モデル)を構築する。第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの平均分子構造の一例を図1~図4に示す。ここで、平均分子構造とは、各分画成分の分子量、特定された炭素骨格構造、官能基及び元素分析値を満たす分子構造である。平均分子構造の化合物が石炭中に存在することを必ずしも示すものではないが、分画成分の物性を反映した分子構造であると考えられる。 Next, elemental analysis, 1 H NMR measurement, 13 C NMR measurement, and GPC (Gel Permeation Chromatography) measurement of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI are performed to identify the constituent elements, molecular structure, and molecular weight (at least one of weight average molecular weight and number average molecular weight) of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI. Here, elemental analysis of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI can be performed in accordance with JIS M 8813 or JIS M 8819. Next, the average molecular structure (i.e., molecular model) of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI is constructed so as to match the respective analytical values. An example of the average molecular structure of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI is shown in FIG. 1 to FIG. 4. Here, the average molecular structure is a molecular structure that satisfies the molecular weight, specified carbon skeleton structure, functional groups, and elemental analysis values of each fraction component. It does not necessarily indicate that a compound with the average molecular structure is present in coal, but it is considered to be a molecular structure that reflects the physical properties of the fraction components.

ここで留意すべきは、図1~図4に示される構造はあくまで第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの平均分子構造であるという点である。つまり、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIは、必ずしも図1~図4に示される平均分子構造の化合物を含んでいるとは限られない。例えば、図1に示す平均分子構造は、2つの多環芳香族炭化水素が鎖状脂肪族炭化水素によって連結された構造を有しているが、第2の成分ASは必ずしも図1に示す平均分子構造を有しているとは限らない。例えば、第2の成分ASは単一の多環芳香族炭化水素で構成されている場合もあるし、複数種類の多環芳香族炭化水素の集合体である場合もありうる。それらの平均的な構造の一例が図1に示されている。つまり、本実施形態では、第2の成分ASの構造としてさまざまな可能性が考えられるが、分子動力学計算を簡素化するために、1種類の平均分子構造を有していると仮定する。他の第3~第5の成分PS、PI、及びMIについても同様である。 It should be noted here that the structures shown in Figures 1 to 4 are merely average molecular structures of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI. In other words, the second to fifth components AS, PS, PI, and MI do not necessarily contain compounds with the average molecular structures shown in Figures 1 to 4. For example, the average molecular structure shown in Figure 1 has a structure in which two polycyclic aromatic hydrocarbons are connected by a chain aliphatic hydrocarbon, but the second component AS does not necessarily have the average molecular structure shown in Figure 1. For example, the second component AS may be composed of a single polycyclic aromatic hydrocarbon, or may be an aggregate of multiple types of polycyclic aromatic hydrocarbons. An example of such an average structure is shown in Figure 1. In other words, in this embodiment, various possibilities are considered for the structure of the second component AS, but it is assumed to have one type of average molecular structure in order to simplify the molecular dynamics calculation. The same is true for the other third to fifth components PS, PI, and MI.

ついで、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの質量割合及び分子量に基づいて、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの分子数比(単位分子数比)を求める。一例として、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIが図1~図4に示す平均分子構造を有し、かつ、これらの質量割合が4.2:13.8:18.5:65.4(なお、合計が100をわずかに超えるが、これは溶媒がごくわずかに残存した等の理由によるものである。いずれにせよ、後の計算に影響を与えるものではない。)となる場合、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの単位分子数比は1:1:2:3となる。ついで、これらのデータに基づいて石炭材料の分子モデルを構築する。石炭材料の分子モデルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIを有し、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIは上述した平均分子構造を有する。また、石炭材料の分子モデルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIを上述した単位分子数比で有する。 Next, the molecular number ratio (unit molecular number ratio) of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI is obtained based on the mass ratio and molecular weight of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI. As an example, if the second to fifth components AS, PS, PI, and MI have the average molecular structure shown in Figures 1 to 4 and their mass ratio is 4.2:13.8:18.5:65.4 (note that the total slightly exceeds 100, but this is due to a very small amount of solvent remaining, etc. In any case, it does not affect the subsequent calculations), the unit molecular number ratio of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI is 1:1:2:3. Next, a molecular model of the coal material is constructed based on these data. The molecular model of the coal material has second to fifth components AS, PS, PI, and MI, and the second to fifth components AS, PS, PI, and MI have the average molecular structure described above. The molecular model of the coal material also has the second to fifth components AS, PS, PI, and MI in the unit molecule number ratio described above.

ついで、粘結剤を構成する分子をモデル化する。ここでは、分子動力学計算を簡素化し、かつ適切な粘結剤の選択を容易とするために、粘結剤は単一の成分(例えばコロネンまたはコラニュレン)で構成されるものとする。したがって、粘結剤を構成する成分の分子構造をそのまま平均分子構造(分子モデル)とすればよい。図5(a)はコロネンの分子モデルを示し、(b)はコラニュレンの分子モデルを示す。上側の図は平面図であり、下側の図は側面図を示す。コロネンはほぼ平面的な構造となっているのに対し、コラニュレンはやや立体的な構造となっている。 Next, the molecules that make up the binder are modeled. Here, in order to simplify the molecular dynamics calculations and make it easier to select an appropriate binder, the binder is assumed to be composed of a single component (e.g., coronene or corannulene). Therefore, the molecular structure of the components that make up the binder can be used as is as the average molecular structure (molecular model). Figure 5 (a) shows a molecular model of coronene, and (b) shows a molecular model of corannulene. The upper figure is a plan view, and the lower figure is a side view. Coronene has an almost planar structure, while corannulene has a slightly three-dimensional structure.

ただし、実際に使用される粘結剤は、例えばタールピッチ、石油系ピッチ等のように複数種類の成分で構成されることがある。この場合、粘結剤を構成する成分の分子構造及び質量割合を公知の方法(例えば質量分析法の一種であるGas Chromatography-Mass Spectrometry(GC-MS)やField Desorption-Mass Spectrometry(FD-MS))で特定し、成分毎に後述する評価方法で膨張性向上効果を評価してもよい。そして、膨張性向上効果が高い成分を多く(例えば50質量%以上)含む粘結剤を選択してもよい。あるいは、石炭材料をモデル化する方法と同様にして粘結剤をモデル化してもよい。例えば、粘結剤を上述した第1~第3の溶媒100~120を用いて複数種類の成分に分画し、各成分の平均分子構造及び単位分子数比を求めてもよい。このようにして求めた粘結剤の分子モデルは、複数の成分を有し、各成分は平均分子構造を有する。さらに、粘結剤の分子モデルは各成分を単位分子数比で有する。 However, the binder actually used may be composed of multiple types of components, such as tar pitch and petroleum pitch. In this case, the molecular structure and mass ratio of the components constituting the binder may be identified by a known method (for example, Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) or Field Desorption-Mass Spectrometry (FD-MS), which are a type of mass spectrometry), and the expansion improvement effect may be evaluated for each component by the evaluation method described below. Then, a binder containing a large amount of components with a high expansion improvement effect (for example, 50 mass% or more) may be selected. Alternatively, the binder may be modeled in the same manner as the method for modeling coal materials. For example, the binder may be fractionated into multiple types of components using the first to third solvents 100 to 120 described above, and the average molecular structure and unit molecule number ratio of each component may be obtained. The molecular model of the binder obtained in this way has multiple components, and each component has an average molecular structure. Furthermore, the molecular model of the binder has each component in a unit molecular number ratio.

ついで、石炭材料の分子モデルと粘結剤の分子モデルとの混合モデルを構築する。粘結剤は、石炭材料に2~10質量%程度で添加されることが多い。この点を考慮して混合モデルを構成する各成分の単位分子数比を計算する。混合モデルを構成する各成分(石炭材料の成分及び粘結剤の成分)は上述した平均分子構造を有する。一例として、混合モデルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIと粘結剤であるコロネンまたはコラニュレンとを1:1:2:3:1の単位分子数比で含む。この場合、コロネンまたはコラニュレンを石炭材料に対して概ね5.0質量%の割合で石炭材料に添加している。以下の説明において、石炭材料の分子モデルとコロネンとの混合モデルを混合モデルAとも称し、石炭材料の分子モデルとコラニュレンとの混合モデルを混合モデルBとも称する。 Next, a mixed model of the molecular model of the coal material and the molecular model of the binder is constructed. The binder is often added to the coal material at about 2 to 10 mass%. Taking this into consideration, the unit molecular number ratio of each component constituting the mixed model is calculated. Each component constituting the mixed model (coal material components and binder components) has the average molecular structure described above. As an example, the mixed model includes the second to fifth components AS, PS, PI, and MI and the binder coronene or corannulene in a unit molecular number ratio of 1:1:2:3:1. In this case, coronene or corannulene is added to the coal material at a ratio of approximately 5.0 mass% of the coal material. In the following description, the mixed model of the molecular model of the coal material and coronene is also referred to as mixed model A, and the mixed model of the molecular model of the coal material and corannulene is also referred to as mixed model B.

ついで、混合モデルの分子動力学計算を行い、混合モデルの比容積を求める。分子動力学計算に用いるソフトウェアは特に制限されないが、例えばダイキン工業社製MaterialStudioが挙げられる。分子動力学計算の際の力場はCOMPASSIIを用い、NPTアンサンブルのもと、分子動力学計算を所定時間間隔(例えば1fs間隔)で所定ステップ(例えば5,000,000ステップ(=5ns))行う。この処理を所定温度範囲内で所定温度間隔(例えば0~600℃の範囲内で50℃間隔)で行い、各温度における比容積を求める。なお、ここでの混合モデルの温度は、石炭材料及び粘結剤の混合物の温度を想定したものである。なお、所定温度範囲及び所定温度間隔は上記の例に限られないことは勿論である。例えば、後述するガラス転移点が0~600℃の範囲内で発見されなかった場合、所定温度範囲を拡張することが好ましい。 Next, a molecular dynamics calculation is performed on the mixed model to obtain the specific volume of the mixed model. The software used for the molecular dynamics calculation is not particularly limited, but an example is MaterialStudio manufactured by Daikin Industries, Ltd. The force field used in the molecular dynamics calculation is COMPASSII, and the molecular dynamics calculation is performed in a predetermined time interval (for example, 1 fs interval) and a predetermined step (for example, 5,000,000 steps (= 5 ns)) under the NPT ensemble. This process is performed at a predetermined temperature interval within a predetermined temperature range (for example, 50°C interval within a range of 0 to 600°C) to obtain the specific volume at each temperature. Note that the temperature of the mixed model here is assumed to be the temperature of the mixture of the coal material and the binder. Note that the predetermined temperature range and the predetermined temperature interval are not limited to the above example. For example, if the glass transition point described later is not found within the range of 0 to 600°C, it is preferable to expand the predetermined temperature range.

以下、計算方法の具体的な方法を示す。まず、3次元空間内に混合モデルの単位セルをランダムに配置する。ここで、混合モデルの単位セルは、混合モデルを構成する各成分(石炭材料の成分及び粘結剤の成分)を上記単位分子数比の最小数で含めばよい。例えば、混合モデルが第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIと粘結剤であるコロネンまたはコラニュレンとを1:1:2:3:1の単位分子数比で含む場合、混合モデルの単位セルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIと粘結剤であるコロネンまたはコラニュレンとを1、1、2、3、1の分子数で含む。 The specific calculation method is described below. First, unit cells of the mixed model are randomly arranged in a three-dimensional space. Here, the unit cell of the mixed model only needs to contain each component constituting the mixed model (coal material components and binder components) in the minimum number of the unit molecule number ratio described above. For example, if the mixed model contains the second to fifth components AS, PS, PI, and MI and the binder coronene or corannulene in a unit molecule number ratio of 1:1:2:3:1, the unit cell of the mixed model contains the second to fifth components AS, PS, PI, and MI and the binder coronene or corannulene in the following number of molecules: 1, 1, 2, 3, 1.

図6及び図7は3次元空間内に配置された単位セルの一例である単位セル10を示す。具体的に、図6は、石炭材料の分子モデルとコロネンの分子モデルとの混合モデルの挙動を3次元で示す説明図である。図7は、石炭材料の分子モデルとコラニュレンの分子モデルとの混合モデルの挙動を3次元で示す説明図である。単位セル10は、石炭材料を構成する複数の分子モデル(分子モデル群)10aと、粘結剤の分子モデル10bまたは10cとで構成される。分子モデル10bはコロネンを示し、分子モデル10cはコラニュレンを示す。 Figures 6 and 7 show a unit cell 10, which is an example of a unit cell arranged in a three-dimensional space. Specifically, Figure 6 is an explanatory diagram showing in three dimensions the behavior of a mixed model of a molecular model of a coal material and a molecular model of coronene. Figure 7 is an explanatory diagram showing in three dimensions the behavior of a mixed model of a molecular model of a coal material and a molecular model of corannulene. The unit cell 10 is composed of multiple molecular models (molecular model group) 10a that make up the coal material and a molecular model 10b or 10c of a binder. The molecular model 10b represents coronene, and the molecular model 10c represents corannulene.

ついで、上述したソフトウェアを用いて単位セル10の全分子間相互作用を測定する。そして、上述した所定時間間隔(例えば1fs)毎に単位セル10の分子配置を変更し、単位セル10の全分子間相互作用を再度算出する。ここで、分子配置を変更する際には、単位セル10の全分子間相互作用が減少するように各分子モデルの配置を決定する。この処理を所定ステップ(例えば5,000,000ステップ(=5ns))行う。ステップの終盤では、全分子間相互作用は概ねある値で収束する。 Next, the total intermolecular interactions of the unit cell 10 are measured using the above-mentioned software. Then, the molecular arrangement of the unit cell 10 is changed at the above-mentioned predetermined time interval (e.g., 1 fs), and the total intermolecular interactions of the unit cell 10 are calculated again. When changing the molecular arrangement, the arrangement of each molecular model is determined so that the total intermolecular interactions of the unit cell 10 are reduced. This process is performed for a predetermined number of steps (e.g., 5,000,000 steps (= 5 ns)). At the end of the steps, the total intermolecular interactions generally converge to a certain value.

ついで、図6及び図7に示すように、単位セル10を収容するボックス30を3次元空間内に配置する。ボックス30の形状、大きさは特に制限されないが、例えば1辺が5nmの立方体であってもよい。もちろん、ボックス30の形状は立方体に限られず、直方体であってもよいし、任意の形状であってもよい。ボックス30のサイズも問われない。ついで、単位セル10を構成する分子が全て収容されるように、ボックス30を連結する。なお、図6及び図7ではボックス30を1つだけ示す。これらの例では、単位セル10の一部がボックス30からはみ出している。そこで、ボックス30を連結させて、単位セル10を構成する全ての分子モデルがボックス30の連結体の内部に収まるようにする。もちろん、1つのボックス30内に単位セル10を構成する全ての分子モデルが収まる場合、ボックス30を連結させる必要はない。ついで、単位セル10の質量をボックス30(ボックス30を連結した場合にはボックス30の連結体)の総体積で除算することで単位セル10の密度を算出する。ついで、この密度の逆数を混合モデルの比容積とする。以上の処理を所定温度範囲内で所定温度間隔(例えば0~600℃の範囲内で50℃間隔)で行い、各温度における比容積を求める。 6 and 7, a box 30 that contains the unit cell 10 is placed in a three-dimensional space. The shape and size of the box 30 are not particularly limited, but may be, for example, a cube with one side of 5 nm. Of course, the shape of the box 30 is not limited to a cube, but may be a rectangular parallelepiped or any other shape. The size of the box 30 is also not important. Next, the boxes 30 are connected so that all the molecules that make up the unit cell 10 are contained. Note that only one box 30 is shown in FIGS. 6 and 7. In these examples, a part of the unit cell 10 protrudes from the box 30. Therefore, the boxes 30 are connected so that all the molecular models that make up the unit cell 10 fit inside the connected body of the boxes 30. Of course, if all the molecular models that make up the unit cell 10 fit within one box 30, it is not necessary to connect the boxes 30. Next, the density of the unit cell 10 is calculated by dividing the mass of the unit cell 10 by the total volume of the box 30 (or the connected body of the boxes 30 when the boxes 30 are connected). The inverse of this density is then used as the specific volume of the mixture model. The above process is carried out at predetermined temperature intervals within a predetermined temperature range (for example, at 50°C intervals within a range of 0 to 600°C) to determine the specific volume at each temperature.

一方で、石炭材料の分子モデルのみで構成される単位セルを構築し、上述した処理と同様の処理を行う。すなわち、3次元空間内に石炭材料の単位セルを構成する分子モデルをランダムに配置する。ここで、石炭材料の分子モデルの単位セルは、石炭材料の分子モデルを構成する各成分(石炭材料の成分)を上記単位分子数比の最小数で含む。例えば、混合モデルが第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIを1:1:2:3の単位分子数比で含む場合、石炭材料の分子モデルの単位セルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIを1、1、2、3の分子数で含む。 On the other hand, a unit cell consisting of only the molecular model of the coal material is constructed, and the same process as described above is performed. That is, the molecular models constituting the unit cell of the coal material are randomly arranged in a three-dimensional space. Here, the unit cell of the molecular model of the coal material contains each component (component of the coal material) constituting the molecular model of the coal material in the minimum number of unit molecule ratios described above. For example, if the mixture model contains the second to fifth components AS, PS, PI, and MI in a unit molecule ratio of 1:1:2:3, the unit cell of the molecular model of the coal material contains the second to fifth components AS, PS, PI, and MI in the number of molecules of 1, 1, 2, and 3.

図8は3次元空間内に配置された単位セルの一例である単位セル10’を示す。すなわち、図8は、石炭材料の分子モデルの挙動を3次元で示す説明図である。単位セル10’は、石炭材料を構成する複数の分子モデル(分子モデル群)で構成される。 Figure 8 shows a unit cell 10', which is an example of a unit cell arranged in a three-dimensional space. That is, Figure 8 is an explanatory diagram showing the behavior of a molecular model of a coal material in three dimensions. The unit cell 10' is composed of multiple molecular models (group of molecular models) that make up the coal material.

ついで、上述したソフトウェアを用いて単位セル10’の全分子間相互作用を算出する。そして、上述した所定時間間隔(例えば1fs)毎に単位セル10’の分子配置を変更し、単位セル10’の全分子間相互作用を再度算出する。ここで、分子配置を変更する際には、単位セル10’の全分子間相互作用が減少するように各分子モデルの配置を決定する。この処理を所定ステップ(例えば5,000,000ステップ(=5ns))行う。ステップの終盤では、全分子間相互作用は概ねある値で収束する。 Then, the above-mentioned software is used to calculate all intermolecular interactions in the unit cell 10'. Then, the molecular arrangement of the unit cell 10' is changed at the above-mentioned predetermined time interval (e.g., 1 fs), and all intermolecular interactions in the unit cell 10' are calculated again. When changing the molecular arrangement, the arrangement of each molecular model is determined so that the total intermolecular interactions in the unit cell 10' are reduced. This process is performed for a predetermined number of steps (e.g., 5,000,000 steps (= 5 ns)). At the end of the steps, all intermolecular interactions generally converge to a certain value.

ついで、図8に示すように、単位セル10’を収容するボックス30を3次元空間内に配置する。ボックス30の特性は上述した通りである。ついで、単位セル10’を構成する分子が全て収容されるように、ボックス30を連結する。なお、図8ではボックス30を1つだけ示す。この例では、単位セル10’の一部がボックス30からはみ出している。そこで、ボックス30を連結させて、単位セル10’を構成する全ての分子モデルがボックス30の連結体の内部に収まるようにする。もちろん、1つのボックス30内に単位セル10’を構成する全ての分子モデルが収まる場合、ボックス30を連結させる必要はない。ついで、単位セル10’の質量をボックス30(ボックス30を連結した場合にはボックス30の連結体)の総体積で除算することで単位セル10’の密度を算出する。ついで、この密度の逆数を石炭材料の分子モデルの比容積とする。以上の処理を所定温度範囲内で所定温度間隔(例えば0~600℃の範囲内で50℃間隔)で行い、各温度における比容積を求める。なお、ここでの石炭材料の分子モデルの温度は、石炭材料の温度を想定したものである。 Next, as shown in FIG. 8, a box 30 that contains the unit cell 10' is placed in a three-dimensional space. The characteristics of the box 30 are as described above. Next, the boxes 30 are connected so that all the molecules that make up the unit cell 10' are contained. Note that only one box 30 is shown in FIG. 8. In this example, a part of the unit cell 10' protrudes from the box 30. Therefore, the boxes 30 are connected so that all the molecular models that make up the unit cell 10' are contained inside the connected body of the boxes 30. Of course, if all the molecular models that make up the unit cell 10' can be contained within one box 30, it is not necessary to connect the boxes 30. Next, the density of the unit cell 10' is calculated by dividing the mass of the unit cell 10' by the total volume of the box 30 (or the connected body of the boxes 30 when the boxes 30 are connected). Next, the reciprocal of this density is taken as the specific volume of the molecular model of the coal material. The above process is carried out within a specified temperature range at specified temperature intervals (for example, within a range of 0 to 600°C at 50°C intervals), and the specific volume at each temperature is calculated. Note that the temperature of the molecular model of the coal material here is assumed to be the temperature of the coal material.

ついで、上記の各処理で求めた比容積(石炭材料の分子モデルの比容積、または混合モデルの比容積)をグラフにまとめる。一例を図9~図11に示す。図9の横軸は石炭材料の温度(℃)を示し、縦軸は石炭材料の分子モデルの比容積(SV)(cm/g)を示す。点P1は石炭材料の温度及び比容積の計算値を示し、グラフL1は高温側の点P1の近似直線、グラフL2は低温側の点P1の近似直線を示す。近似直線は例えば最小二乗法により求められる。そして、グラフL1およびL2の交点に対応する温度を石炭材料のガラス転移点とする。図9の例では領域A1にグラフL1とL2の交点があり、交点に対応する温度は286℃である。したがって、この例では、石炭材料のガラス転移点(Tg)は286℃である。 Next, the specific volumes (specific volumes of the molecular model of the coal material, or specific volumes of the mixed model) obtained by each of the above processes are summarized in a graph. An example is shown in Figs. 9 to 11. In Fig. 9, the horizontal axis indicates the temperature (°C) of the coal material, and the vertical axis indicates the specific volume (SV) (cm 3 /g) of the molecular model of the coal material. Point P1 indicates the calculated values of the temperature and specific volume of the coal material, graph L1 indicates the approximation line of point P1 on the high temperature side, and graph L2 indicates the approximation line of point P1 on the low temperature side. The approximation line is obtained, for example, by the least squares method. Then, the temperature corresponding to the intersection of graphs L1 and L2 is set as the glass transition point of the coal material. In the example of Fig. 9, the intersection of graphs L1 and L2 is in area A1, and the temperature corresponding to the intersection is 286°C. Therefore, in this example, the glass transition point (Tg) of the coal material is 286°C.

なお、ガラス転移点は、例えば以下の方法で求めてもよい。すなわち、本例では、温度に対する比容積の変化率が変化する温度をガラス転移点(ガラス転移温度)として求める。これは、作図上、低温側の点群と高温側の点群の各回帰直線の交点として求められる。あるいは、例えば、T1~Tnのn個の異なる温度で比容積を求めた場合、T3~Tnの(n-2)個の点を直線回帰したときの相関係数をR(1)としたとき、Rsum(1)=1+R(1)とし、次に、T1~T3及びT4~Tnの各点群を直線回帰したときの相関係数をそれぞれ、R(2)、R(3)であるとき、Rsum(2)=R(2)+R(3)を求める。以下、順次、Rsum(n-2)=R(n-2)+R(n-1)まで求め、さらに、T1~T(n-2)までの点群を直線回帰したときの相関係数R(n-1)を求めて、Rsum(n-1)=R(n-1)+1を得る。Rsum(1)からRsum(n-1)のうち、最大値がRsum(k)であったとき、T1~T(k-1)の点群とT(k)~T(n)の点群の各回帰直線の交点に対応する温度を、ガラス転移点として求めてもよい。後述する実施例では、この方法によりガラス転移点を求めた。 The glass transition point may be determined, for example, by the following method. That is, in this example, the temperature at which the rate of change of the specific volume with respect to temperature changes is determined as the glass transition point (glass transition temperature). This is determined as the intersection of the regression lines of the low-temperature point group and the high-temperature point group in drawing. Alternatively, for example, when the specific volume is determined at n different temperatures T1 to Tn, if the correlation coefficient when linearly regressing the (n-2) points T3 to Tn is R 2 (1), Rsum(1)=1+R 2 (1), and next, if the correlation coefficients when linearly regressing the points T1 to T3 and the points T4 to Tn are R 2 (2) and R 2 (3), respectively, Rsum(2)=R 2 (2)+R 2 (3) is determined. Thereafter, Rsum(n-2) = R 2 (n-2) + R 2 (n-1) is calculated in order, and the correlation coefficient R 2 (n-1) obtained by linearly regressing the group of points T1 to T(n-2) is calculated to obtain Rsum(n-1) = R 2 (n-1) + 1. When the maximum value of Rsum(1) to Rsum(n-1) is Rsum(k), the glass transition point may be determined as the temperature corresponding to the intersection of the regression lines of the group of points T1 to T(k-1) and the group of points T(k) to T(n). In the examples described later, the glass transition point was determined by this method.

図10の横軸は混合モデルA(石炭材料の分子モデルとコロネンとの混合モデル)の温度(℃)を示し、縦軸は混合モデルAの比容積(SV)(cm/g)を示す。点P2は混合モデルAの温度及び比容積の計算値を示し、グラフL3は高温側の点P2の近似直線、グラフL4は低温側の点P2の近似直線を示す。近似直線は例えば最小二乗法により求められる。そして、グラフL3およびL4の交点に対応する温度を石炭材料のガラス転移点とする。図10の例では領域A2にグラフL3とL4の交点があり、交点に対応する温度は247℃である。したがって、この例では、混合モデルAのガラス転移点(Tg)は247℃である。 The horizontal axis of FIG. 10 indicates the temperature (°C) of the mixed model A (mixture model of a molecular model of a coal material and coronene), and the vertical axis indicates the specific volume (SV) ( cm3 /g) of the mixed model A. Point P2 indicates the calculated values of the temperature and specific volume of the mixed model A, graph L3 indicates the approximation line of point P2 on the high temperature side, and graph L4 indicates the approximation line of point P2 on the low temperature side. The approximation lines are obtained, for example, by the least squares method. The temperature corresponding to the intersection of graphs L3 and L4 is the glass transition point of the coal material. In the example of FIG. 10, the intersection of graphs L3 and L4 is in area A2, and the temperature corresponding to the intersection is 247°C. Therefore, in this example, the glass transition point (Tg) of the mixed model A is 247°C.

図11の横軸は混合モデルB(石炭材料の分子モデルとコラニュレンとの混合モデル)の温度(℃)を示し、縦軸は混合モデルBの比容積(SV)(cm/g)を示す。点P3は混合モデルBの温度及び比容積の計算値を示し、グラフL5は高温側の点P3の近似直線、グラフL6は低温側の点P3の近似直線を示す。近似直線は例えば最小二乗法により求められる。そして、グラフL5およびL6の交点に対応する温度を石炭材料のガラス転移点とする。図11の例では領域A3にグラフL5とL6の交点があり、交点に対応する温度は411℃である。したがって、この例では、混合モデルBのガラス転移点(Tg)は411℃である。 The horizontal axis of FIG. 11 indicates the temperature (°C) of the mixed model B (a mixed model of a molecular model of a coal material and corannulene), and the vertical axis indicates the specific volume (SV) (cm 3 /g) of the mixed model B. Point P3 indicates the calculated values of the temperature and specific volume of the mixed model B, graph L5 indicates the approximate straight line of point P3 on the high temperature side, and graph L6 indicates the approximate straight line of point P3 on the low temperature side. The approximate straight lines are obtained, for example, by the least squares method. The temperature corresponding to the intersection of graphs L5 and L6 is the glass transition point of the coal material. In the example of FIG. 11, the intersection of graphs L5 and L6 is in area A3, and the temperature corresponding to the intersection is 411°C. Therefore, in this example, the glass transition point (Tg) of the mixed model B is 411°C.

以上、モデル化測定方法について説明したが、ガラス転移点取得工程はこの例に限られず、DSCを用いてガラス転移点を直接測定してもよい。この場合、石炭材料(または石炭材料及び粘結剤を所望の混合比で混合した混合物の)ガラス転移点を適宜のDSC測定装置を用いて直接測定する。この場合、ガラス転移点の測定において分子量の小さな分子の気化による吸熱ピークが熱膨張による吸熱ピークと重なる場合があり、ガラス転移点の測定精度が若干低下する可能性がある。このような観点から、モデル化測定方法が好ましい。 Although the modeling measurement method has been described above, the glass transition point acquisition process is not limited to this example, and the glass transition point may be measured directly using DSC. In this case, the glass transition point of the coal material (or a mixture of the coal material and the binder in a desired mixing ratio) is directly measured using an appropriate DSC measurement device. In this case, in measuring the glass transition point, the endothermic peak due to the vaporization of molecules with small molecular weights may overlap with the endothermic peak due to thermal expansion, which may slightly reduce the measurement accuracy of the glass transition point. From this perspective, the modeling measurement method is preferable.

<1-2.評価工程>
評価工程では、各粘結剤について得られた混合物(混合モデル)のガラス転移点に基づいて、石炭材料に対する各粘結剤の膨張性向上効果を評価する。例えば、各粘結剤について得られたガラス転移点が石炭材料のガラス転移点に対して小さいほど、当該粘結剤の膨張性向上効果が大きいと評価してもよい。例えば、各粘結剤について得られたガラス転移点が石炭材料のガラス転移点に対して15℃以上小さいときに、当該粘結剤の膨張性向上効果が大きいと評価してもよい。上述したように、石炭材料のガラス転移点が低下するほど、コークス炉に装入された石炭材料は、より低温で軟化溶融するので、より強固なコークスが製造されるからである。尚、石炭材料との混合物のガラス転移点がすでに取得されている粘結剤と異なる粘結剤について、石炭材料と該粘結剤との混合物のガラス転移点を取得して、すでに取得されているガラス転移点と比較することにより、該粘結剤の膨張性向上効果を評価してもよい。
<1-2. Evaluation process>
In the evaluation step, the expansion improvement effect of each binder on the coal material is evaluated based on the glass transition point of the mixture (mixture model) obtained for each binder. For example, the smaller the glass transition point obtained for each binder is relative to the glass transition point of the coal material, the greater the expansion improvement effect of the binder may be evaluated. For example, when the glass transition point obtained for each binder is 15°C or more lower than the glass transition point of the coal material, the expansion improvement effect of the binder may be evaluated to be greater. As described above, the lower the glass transition point of the coal material, the lower the temperature at which the coal material charged into the coke oven softens and melts, and therefore a stronger coke is produced. Note that, for a binder whose glass transition point of the mixture with the coal material is different from that of a binder whose glass transition point has already been obtained, the glass transition point of the mixture of the coal material and the binder may be obtained and compared with the glass transition point already obtained to evaluate the expansion improvement effect of the binder.

図6~図11の例では、石炭材料のガラス転移点が286℃、コロネンについて得られた混合物(混合モデルA)のガラス転移点が247℃、コラニュレンについて得られた混合物(混合モデルB)のガラス転移点が411℃となるので、この石炭材料に対してはコロネンの方がコラニュレンよりも膨張性向上効果に優れた粘結剤となる。なお、各粘結剤について得られたガラス転移点が石炭材料のガラス転移点に対して小さいほど、当該粘結剤の膨張性向上効果が大きいと評価することができる。このため、例えば、図9の特性を示す石炭材料との混合物のガラス転移点が247℃よりも小さい粘結剤が仮に存在する場合、その粘結剤はコロネンよりも膨張性向上効果に優れた粘結剤ということになる。 In the examples of Figures 6 to 11, the glass transition point of the coal material is 286°C, the glass transition point of the mixture obtained for coronene (mixture model A) is 247°C, and the glass transition point of the mixture obtained for corannulene (mixture model B) is 411°C, so for this coal material, coronene is a binder with a better expansion improvement effect than corannulene. Note that the smaller the glass transition point obtained for each binder is relative to the glass transition point of the coal material, the greater the expansion improvement effect of the binder can be evaluated as. For this reason, for example, if there exists a binder whose mixture with the coal material exhibiting the characteristics of Figure 9 has a glass transition point lower than 247°C, that binder would be a binder with a better expansion improvement effect than coronene.

なお、図6~図11の例において、コロネンの膨張性向上効果がコラニュレンの膨張性向上効果よりも優れる理由は定かではない。あえて理由を考えてみると、粘結炭を構成する分子同士のファンデルワールス力は、非微粘結炭を構成する分子同士よりも強く作用することが知られている。一方で、コロネンはコラニュレンに比べて平面性が高い構造を有しているので(図5(a)、(b)参照)、ファンデルワールス力に抗して石炭材料の分子間に入り込みやすい。そして、石炭材料の分子間に入り込んだコロネンは、石炭材料の分子間に作用するファンデルワールス力を緩和させる。つまり、ガラス転移点を低下させる。上述したように、石炭材料のガラス転移点が低下した場合、コークス炉に装入された石炭材料は、より低温から軟化溶融が開始するため、低温で溶融した領域にそうでない成分(つまりその温度では溶融しない成分)が溶解し、結果として軟化溶融領域が広がるので、より強固なコークスが製造される。これらを考慮すると、図6~図11の例で使用した石炭材料は、粘結成分をより多く含んでおり、コロネンとの相性がより高い(コロネンの添加によってファンデルワールス力が低下、すなわちガラス転移点が低下し、より低温から軟化溶融が開始する)と考えられる。 In the examples of Figures 6 to 11, it is not clear why coronene has a better expansion-improving effect than corannulene. If we dare to consider the reason, it is known that the van der Waals forces between the molecules that make up caking coal act stronger than those between the molecules that make up non- or slightly caking coal. On the other hand, since coronene has a more planar structure than corannulene (see Figures 5(a) and (b)), it is easy to penetrate between the molecules of the coal material against the van der Waals forces. And, the coronene that penetrates between the molecules of the coal material relaxes the van der Waals forces acting between the molecules of the coal material. In other words, it lowers the glass transition point. As described above, when the glass transition point of the coal material is lowered, the coal material charged into the coke oven starts to soften and melt at a lower temperature, so that the components that do not melt at low temperatures (i.e., components that do not melt at that temperature) melt in the area that melts at low temperatures, and as a result, the softening and melting area expands, and a stronger coke is produced. Considering these factors, it is believed that the coal materials used in the examples of Figures 6 to 11 contain more caking components and are more compatible with coronene (the addition of coronene reduces the van der Waals forces, i.e., lowers the glass transition point, and softening and melting begin at a lower temperature).

もちろん、この判断はあくまで一例であり、石炭材料が変化すれば上記の判断が変わることも十分にあり得る。例えば、図9とは異なる特性を示す石炭材料に対しては、コラニュレンとの混合物のガラス転移点がコロネンとの混合物のガラス転移点よりも低くなることも十分にありうる。この場合、その石炭材料に対する膨張性向上効果はコラニュレンの方が優れていることになる。 Of course, this judgment is merely one example, and it is entirely possible that the above judgment will change if the coal material changes. For example, for coal materials that exhibit characteristics different from those shown in Figure 9, it is entirely possible that the glass transition point of a mixture with corannulene will be lower than the glass transition point of a mixture with coronene. In this case, corannulene will have a superior effect on improving the expansiveness of that coal material.

以上説明したように、本実施形態によれば、石炭材料と粘結剤との混合物のガラス転移点に基づいて粘結剤の膨張性向上効果を評価することができるので、ギーセラーブラストメータやジラトメータを用いた大掛かりな試験を行わなくても粘結剤の膨張性向上効果を評価することができる。さらに、後述する実施例で示されるように、本実施形態による評価結果はギーセラーブラストメータを用いた試験結果にも合致する。したがって、本実施形態によれば、粘結剤の膨張性向上効果を適切かつ簡易に評価することができる。なお、本実施形態における膨張性向上効果は、例えばJIS M 8801で定義される最大膨張率で評価される。最大膨張率が大きいほど、膨張性向上効果が大きいことになる。なお、本実施形態では、JIS M 8801に従った試験を行わなくとも、膨張性向上効果を評価することができる。 As described above, according to this embodiment, the expansion improvement effect of the binder can be evaluated based on the glass transition temperature of the mixture of the coal material and the binder, so that the expansion improvement effect of the binder can be evaluated without conducting a large-scale test using a Gieseler blastometer or a dilatometer. Furthermore, as shown in the examples described later, the evaluation results according to this embodiment also match the test results using a Gieseler blastometer. Therefore, according to this embodiment, the expansion improvement effect of the binder can be appropriately and simply evaluated. The expansion improvement effect in this embodiment is evaluated, for example, by the maximum expansion coefficient defined in JIS M 8801. The larger the maximum expansion coefficient, the greater the expansion improvement effect. In this embodiment, the expansion improvement effect can be evaluated without conducting a test according to JIS M 8801.

さらに、ガラス転移点取得工程では、石炭材料を構成する分子をモデル化することで石炭材料の分子モデルを構築し、さらに粘結剤を構成する分子をモデル化することで粘結剤の分子モデルを構築してもよい。そして、石炭材料の分子モデルと粘結剤の分子モデルとの混合モデルの比容積を分子動力学計算法により複数の温度で求め、混合モデルの比容積と温度との相関グラフに基づいて、混合物のガラス転移点を取得してもよい。この場合、比較的低分子量の分子の挙動もより正確にガラス転移点の計算に反映させることができる。 Furthermore, in the glass transition point acquisition process, a molecular model of the coal material may be constructed by modeling the molecules that constitute the coal material, and a molecular model of the binder may be constructed by modeling the molecules that constitute the binder. The specific volume of a mixed model of the molecular model of the coal material and the molecular model of the binder may then be calculated at multiple temperatures using a molecular dynamics calculation method, and the glass transition point of the mixture may be obtained based on a correlation graph between the specific volume of the mixed model and temperature. In this case, the behavior of molecules with relatively low molecular weights can also be more accurately reflected in the calculation of the glass transition point.

さらに、ガラス転移点取得工程では、石炭材料を構成する分子をモデル化することで石炭材料の分子モデルを構築し、石炭材料の分子モデルの比容積を分子動力学計算法により複数の温度で求めてもよい。そして、石炭材料の分子モデルの比容積と温度との相関グラフに基づいて、石炭材料のガラス転移点を取得し、評価工程では、石炭材料のガラス転移点と、各粘結剤について得られた混合物のガラス転移点とに基づいて、石炭材料に対する各粘結剤の膨張性向上効果を評価してもよい。これにより、粘結剤の膨張性向上効果をより正確に評価することができる。 Furthermore, in the glass transition point acquisition step, a molecular model of the coal material may be constructed by modeling the molecules that make up the coal material, and the specific volume of the molecular model of the coal material may be calculated at multiple temperatures using a molecular dynamics calculation method. Then, the glass transition point of the coal material may be acquired based on a correlation graph between the specific volume of the molecular model of the coal material and temperature, and in the evaluation step, the expansion improvement effect of each binder on the coal material may be evaluated based on the glass transition point of the coal material and the glass transition point of the mixture obtained for each binder. This makes it possible to more accurately evaluate the expansion improvement effect of the binder.

さらに、評価工程では、各粘結剤について得られたガラス転移点が石炭材料のガラス転移点に対して小さいほど、当該粘結剤の膨張性向上効果が大きいと評価してもよい。この場合、粘結剤の膨張性向上効果をより正確に評価することができる。 Furthermore, in the evaluation process, the smaller the glass transition temperature obtained for each binder is relative to the glass transition temperature of the coal material, the greater the expansion improvement effect of the binder may be evaluated. In this case, the expansion improvement effect of the binder can be evaluated more accurately.

<2.コークスの製造方法>
つぎに、上述した粘結剤の評価方法を用いたコークスの製造方法について説明する。本実施形態に係るコークスの製造方法は、石炭材料に添加する粘結剤を上述した粘結剤の評価方法に基づいて決定し、決定された粘結剤と石炭材料とを用いてコークスを製造する、というものである。
2. Coke manufacturing method
Next, a method for producing coke using the above-mentioned binder evaluation method will be described. In the method for producing coke according to this embodiment, a binder to be added to a coal material is determined based on the above-mentioned binder evaluation method, and the determined binder and the coal material are used to produce coke.

具体的な粘結剤の選択方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。まず、コークスの製造に使用される石炭材料のガラス転移点を上述した粘結剤の評価方法に従って取得する。一方で、使用予定の粘結剤と石炭材料との混合物(混合モデル)のガラス転移点を上述した粘結剤の評価方法に従って取得する。ついで、混合物のガラス転移点が石炭材料のガラス転移点よりも低くなる粘結剤を選択する。ついで、選択された粘結剤毎にガラス転移点の差分(石炭材料のガラス転移点-粘結剤と石炭材料との混合物のガラス転移点)を算出し、差分が最も大きくなる粘結剤を選択してもよい。あるいは、当該差分について目標値を設定しておき、差分が目標値より大きくなる粘結剤を選択してもよい。例えば、差分が目標値より大きくなる粘結剤のうち、もっとも入手が容易な(例えばコストが安い等)もの、あるいは取り扱いが容易なもの等を選択してもよい。 Specific methods for selecting a binder include, for example, the following. First, the glass transition point of the coal material used in the production of coke is obtained according to the binder evaluation method described above. Meanwhile, the glass transition point of the mixture (mixture model) of the binder and coal material to be used is obtained according to the binder evaluation method described above. Next, a binder is selected that will cause the glass transition point of the mixture to be lower than that of the coal material. Next, the difference in glass transition point (glass transition point of the coal material - glass transition point of the mixture of the binder and the coal material) may be calculated for each selected binder, and the binder with the largest difference may be selected. Alternatively, a target value may be set for the difference, and a binder with a difference larger than the target value may be selected. For example, of the binders with a difference larger than the target value, the one that is the easiest to obtain (e.g., low cost) or the one that is easiest to handle may be selected.

本実施形態の効果を検証するため、以下の実施例(試験例)を行った。もちろん、本発明は以下に説明する実施例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The following examples (test examples) were carried out to verify the effects of this embodiment. Of course, the present invention is not limited to the examples described below. It is clear that a person with ordinary knowledge in the technical field to which this invention pertains can come up with various modified or revised examples within the scope of the technical ideas described in the claims, and it is understood that these also naturally fall within the technical scope of the present invention.

先ず、石炭材料の分子モデルを構築した。石炭材料として、石炭I(粘結炭)、石炭II(非微粘結炭)を用いた。
石炭材料を上述したマジックソルベントに投入し、十分に攪拌した。これにより、石炭材料を第1の成分MS(マジックソルベントに溶解した成分)と抽出残渣である第5の成分MI(マジックソルベントに溶解しなかった成分)とに分画した。
First, molecular models of the coal materials were constructed. Coal I (caking coal) and coal II (non- or slightly caking coal) were used as the coal materials.
The coal material was put into the above-mentioned magic solvent and thoroughly stirred. As a result, the coal material was fractionated into a first component MS (a component dissolved in the magic solvent) and a fifth component MI (a component not dissolved in the magic solvent) which was an extraction residue.

ついで、第1の成分MSをアセトンに投入し、十分に攪拌した。これにより、第1の成分MSを第2の成分AS(第2の溶媒110に溶解した成分)と抽出残渣AI(第2の溶媒110に溶解しなかった成分)とに分画した。 Next, the first component MS was added to acetone and thoroughly stirred. This resulted in fractionation of the first component MS into the second component AS (the component dissolved in the second solvent 110) and the extraction residue AI (the component not dissolved in the second solvent 110).

ついで、抽出残渣AIをピリジンに投入し、十分に攪拌した。これにより、抽出残渣AIを第3の成分PS(第3の溶媒120に溶解した成分)と抽出残渣である第4の成分PI(第3の溶媒120に溶解しなかった成分)とに分画した。 Next, the extraction residue AI was added to pyridine and thoroughly stirred. This resulted in the extraction residue AI being fractionated into a third component PS (a component dissolved in the third solvent 120) and a fourth component PI (a component not dissolved in the third solvent 120), which is the extraction residue.

以上の工程により、石炭材料を4つの成分、すなわち第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIに分画した。上述した第1の成分MSは第2~第4の成分AS、PS、及びPIで構成されることになる。 Through the above process, the coal material was fractionated into four components, namely the second to fifth components AS, PS, PI, and MI. The first component MS mentioned above is composed of the second to fourth components AS, PS, and PI.

ついで、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの元素分析(ここではJIS M 8813に準拠して分析した)、H NMR測定、13C NMR測定、さらにはGPC(Gel Permeation Chromatography)測定を行うことで、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの構成元素、分子構造、及び重量平均分子量を特定した。ついで、それぞれの分析値に適合するように第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの平均分子構造(すなわち分子モデル)を構築した。石炭Iから得られた第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの平均分子構造を図1~図4に示す。石炭IIから得られたAS、PS、MIを図14に示す。ここで、平均分子構造は、上述した観点から決定されたものである。 Next, the second to fifth components AS, PS, PI, and MI were subjected to elemental analysis (analysis in accordance with JIS M 8813), 1 H NMR measurement, 13 C NMR measurement, and GPC (Gel Permeation Chromatography) measurement to identify the constituent elements, molecular structures, and weight average molecular weights of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI. Next, the average molecular structures (i.e., molecular models) of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI were constructed so as to match the respective analytical values. The average molecular structures of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI obtained from coal I are shown in Figures 1 to 4. AS, PS, and MI obtained from coal II are shown in Figure 14. Here, the average molecular structures were determined from the above-mentioned viewpoints.

なお、上述したように、石炭材料に含まれる成分は必ずしも第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIとは限られず、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIに加えて(あるいはこれらに代えて)他の成分を含んでいる可能性がある。ここでは、分子動力学計算を簡素化するために、石炭材料に含まれる成分の平均的な分子構造が図1~図4及び図14に示されるものであるとして処理を進めた。 As mentioned above, the components contained in the coal material are not necessarily limited to the second to fifth components AS, PS, PI, and MI, and may contain other components in addition to (or instead of) the second to fifth components AS, PS, PI, and MI. Here, in order to simplify the molecular dynamics calculations, the processing was carried out assuming that the average molecular structures of the components contained in the coal material are those shown in Figures 1 to 4 and 14.

ついで、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの質量割合及び分子量に基づいて、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの分子数比(単位分子数比)を求めた。その結果、石炭I及び石炭IIに対して、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの質量割合はそれぞれ、4.2:13.8:18.5:65.4及び6.5:16.3:0.3:75.8であった。なお、合計が100をわずかに超えるが、これは溶媒がごくわずかに残存した等の理由によるものである。いずれにせよ、後の計算に影響を与えるものではない。したがって、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIの単位分子数比は、石炭I及び石炭IIに対してそれぞれ、1:1:2:3及び1:1:0:4となった。ついで、これらのデータに基づいて石炭I及び石炭IIの各分子モデルを構築した。石炭材料の分子モデルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIを有し、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIは上述した平均分子構造を有する。また、石炭材料の分子モデルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIを上述した単位分子数比で有する。 Next, the molecular number ratios (unit molecular number ratios) of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI were calculated based on the mass ratios and molecular weights of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI. As a result, the mass ratios of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI for coal I and coal II were 4.2:13.8:18.5:65.4 and 6.5:16.3:0.3:75.8, respectively. The total slightly exceeds 100, but this is due to the fact that a very small amount of solvent remained. In any case, this does not affect the subsequent calculations. Therefore, the unit molecular number ratios of the second to fifth components AS, PS, PI, and MI for coal I and coal II were 1:1:2:3 and 1:1:0:4, respectively. Next, molecular models of coal I and coal II were constructed based on these data. The molecular model of the coal material has second to fifth components AS, PS, PI, and MI, and the second to fifth components AS, PS, PI, and MI have the average molecular structure described above. The molecular model of the coal material also has the second to fifth components AS, PS, PI, and MI in the unit molecule number ratio described above.

ついで、粘結剤を構成する分子をモデル化した。ここでは、分子動力学計算を簡素化し、かつ適切な粘結剤の選択を容易とするために、石炭Iに対しては、粘結剤は単一の成分(例えばコロネンまたはコラニュレン)で構成されるものとした。したがって、粘結剤を構成する成分の分子構造がそのまま粘結剤の平均分子構造(分子モデル)となる。図5(a)はコロネンの分子モデルを示し、(b)はコラニュレンの分子モデルを示す。上側の図は平面図であり、下側の図は側面図を示す。また、石炭IIに対しては、コロネン、ピレン、アントラセン、ナフタレンを用いた。コロネン、ピレン、アントラセン、ナフタレンの各分子構造を図15に示す。 Next, the molecules that make up the binder were modeled. Here, in order to simplify the molecular dynamics calculations and make it easier to select an appropriate binder, the binder for coal I was assumed to be composed of a single component (e.g., coronene or corannulene). Therefore, the molecular structure of the components that make up the binder becomes the average molecular structure (molecular model) of the binder. Figure 5 (a) shows a molecular model of coronene, and (b) shows a molecular model of corannulene. The upper figure is a plan view, and the lower figure is a side view. Coronene, pyrene, anthracene, and naphthalene were used for coal II. The molecular structures of coronene, pyrene, anthracene, and naphthalene are shown in Figure 15.

ついで、石炭Iについては、コロネンまたはコラニュレンを石炭Iに対して5質量%添加したと仮定して、石炭材料の分子モデルと粘結剤の分子モデルとの混合モデルを構築した。したがって、本試験例での混合モデル(混合モデルAまたはB)は、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIと粘結剤であるコロネンまたはコラニュレンとを1:1:2:3:1の単位分子数比で含む。石炭IIについては、コロネン、ピレン、アントラセンまたはナフタレンのいずれか一つを石炭IIに対して5質量%添加したと仮定して、石炭材料の分子モデルと粘結剤の分子モデルとの混合モデルを構築した。したがって、石炭IIに対する混合モデル(混合モデルC~F)は、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIと粘結剤であるコロネン、ピレン、アントラセンまたはナフタレンのいずれか一つとを1:1:0:4:1の単位分子数比で含む。 Next, for coal I, a mixed model of the molecular model of the coal material and the molecular model of the binder was constructed, assuming that 5% by mass of coronene or corannulene was added to coal I. Therefore, the mixed model in this test example (mixed model A or B) contains the second to fifth components AS, PS, PI, and MI and the binder coronene or corannulene in a unit molecular ratio of 1:1:2:3:1. For coal II, a mixed model of the molecular model of the coal material and the molecular model of the binder was constructed, assuming that 5% by mass of one of coronene, pyrene, anthracene, or naphthalene was added to coal II. Therefore, the mixed models for coal II (mixed models C to F) contain the second to fifth components AS, PS, PI, and MI and the binder coronene, pyrene, anthracene, or naphthalene in a unit molecular ratio of 1:1:0:4:1.

ついで、混合モデルの分子動力学計算を行い、混合モデルの比容積を求めた。分子動力学計算に用いるソフトウェアはダイキン工業社製MaterialStudioとした。分子動力学計算の際の力場はCOMPASSIIを用い、NPTアンサンブルのもと、分子動力学計算を所定時間間隔(ここでは1fs間隔)で所定ステップ(ここでは5,000,000ステップ(=5ns))行った。この処理を所定温度範囲内で所定温度間隔(ここでは0~600℃の範囲内で50℃間隔)で行い、各温度における比容積を求めた。 Next, a molecular dynamics calculation was performed on the mixed model to determine the specific volume of the mixed model. The software used for the molecular dynamics calculation was MaterialStudio manufactured by Daikin Industries, Ltd. The force field used in the molecular dynamics calculation was COMPASSII, and the molecular dynamics calculation was performed for a specified time interval (here, 1 fs interval) and a specified step (here, 5,000,000 steps (= 5 ns)) under the NPT ensemble. This process was performed at specified temperature intervals within a specified temperature range (here, 50°C intervals within the range of 0 to 600°C), and the specific volume at each temperature was determined.

各温度における具体的な比容積の計算方法は上述した通りである。すなわち、まず、3次元空間内に混合モデルの単位セルをランダムに配置した。ここで、石炭Iに対する混合モデルの単位セルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIと粘結剤であるコロネンまたはコラニュレンとを1、1、2、3、1の分子数で含む。また、石炭IIに対する混合モデルの単位セルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIと粘結剤であるコロネン、ピレン、アントラセンまたはナフタレンのいずれか一つとを1、1、0、4、1の分子数で含む。 The specific calculation method for the specific volume at each temperature is as described above. That is, first, unit cells of the mixed model were randomly arranged in a three-dimensional space. Here, the unit cell of the mixed model for coal I contains the second to fifth components AS, PS, PI, and MI and the binder coronene or corannulene with the molecular numbers of 1, 1, 2, 3, and 1. Also, the unit cell of the mixed model for coal II contains the second to fifth components AS, PS, PI, and MI and one of the binders coronene, pyrene, anthracene, or naphthalene with the molecular numbers of 1, 1, 0, 4, and 1.

以下、混合モデルの分子動力学計算について、石炭Iに対する2つのモデルを例として説明する。図6及び図7は3次元空間内に配置された単位セルの一例である単位セル10を示す。単位セル10は、石炭材料を構成する複数の分子モデル(分子モデル群)10aと、粘結剤の分子モデル10bまたは10cとで構成される。分子モデル10bはコロネンを示し、分子モデル10cはコラニュレンを示す。すなわち、図6は混合モデルAの単位セルを示し、図7は混合モデルBの単位セルを示す。 Below, molecular dynamics calculations of the mixed model will be explained using two models for coal I as examples. Figures 6 and 7 show a unit cell 10, which is an example of a unit cell arranged in three-dimensional space. The unit cell 10 is composed of multiple molecular models (molecular model group) 10a that constitute the coal material and a molecular model 10b or 10c of the binder. Molecular model 10b shows coronene, and molecular model 10c shows corannulene. That is, Figure 6 shows a unit cell of mixed model A, and Figure 7 shows a unit cell of mixed model B.

ついで、上述したソフトウェアを用いて単位セル10の全分子間相互作用を算出した。そして、上述した所定時間間隔(ここでは1fs)毎に単位セル10の分子配置を変更し、単位セル10の全分子間相互作用を再度算出した。ここで、分子配置を変更する際には、単位セル10の全分子間相互作用が減少するように各分子モデルの配置を決定した。この処理を所定ステップ(ここでは5,000,000ステップ(=5ns))行った。ステップの終盤では、全分子間相互作用は概ねある値で収束した。収束値は温度毎に異なる値となった。 Next, the total intermolecular interactions of the unit cell 10 were calculated using the above-mentioned software. Then, the molecular arrangement of the unit cell 10 was changed at the above-mentioned predetermined time intervals (here, 1 fs), and the total intermolecular interactions of the unit cell 10 were calculated again. Here, when changing the molecular arrangement, the arrangement of each molecular model was determined so that the total intermolecular interactions of the unit cell 10 were reduced. This process was performed for a predetermined number of steps (here, 5,000,000 steps (= 5 ns)). At the end of the steps, the total intermolecular interactions generally converged to a certain value. The convergence value was a different value for each temperature.

ついで、図6及び図7に示すように、単位セル10を収容するボックス30を3次元空間内に配置した。ここでは、ボックス30は1辺が5nmの立方体とした。ついで、単位セル10を構成する分子が全て収容されるように、ボックス30を連結した。なお、図6及び図7ではボックス30を1つだけ示す。これらの例では、単位セル10の一部がボックス30からはみ出している。そこで、ボックス30を連結させて、単位セル10を構成する全ての分子モデルがボックス30の連結体の内部に収まるようにした。ついで、単位セル10の質量をボックス30の連結体の総体積で除算することで単位セル10の密度を算出した。ついで、この密度の逆数を混合モデルの比容積とした。以上の処理を所定温度範囲内で所定温度間隔(ここでは0~600℃の範囲内で50℃間隔)で行い、各温度における比容積を求めた。 Next, as shown in Figures 6 and 7, a box 30 containing a unit cell 10 was placed in a three-dimensional space. Here, the box 30 was a cube with a side length of 5 nm. Next, the boxes 30 were connected so that all of the molecules constituting the unit cell 10 were contained. Note that only one box 30 is shown in Figures 6 and 7. In these examples, a part of the unit cell 10 protrudes from the box 30. Therefore, the boxes 30 were connected so that all of the molecular models constituting the unit cell 10 were contained inside the connected body of the boxes 30. Next, the density of the unit cell 10 was calculated by dividing the mass of the unit cell 10 by the total volume of the connected body of the boxes 30. Next, the reciprocal of this density was taken as the specific volume of the mixed model. The above process was performed at predetermined temperature intervals within a predetermined temperature range (here, at 50°C intervals within the range of 0 to 600°C) to determine the specific volume at each temperature.

一方で、石炭材料の分子モデルのみで構成される単位セルを構築し、上述した処理と同様の処理を行った。すなわち、3次元空間内に石炭材料(石炭I)の単位セルを構成する分子モデルをランダムに配置した。ここで、石炭Iの分子モデルの単位セルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIを1、1、2、3の分子数で含む。同様に石炭IIの分子モデルの単位セルは、第2~第5の成分AS、PS、PI、及びMIを1、1、0、4の分子数で含む。 Meanwhile, a unit cell consisting only of the molecular model of the coal material was constructed, and the same process as described above was carried out. That is, the molecular models constituting the unit cell of the coal material (coal I) were randomly arranged in a three-dimensional space. Here, the unit cell of the molecular model of coal I contains the second to fifth components AS, PS, PI, and MI with the molecular numbers of 1, 1, 2, and 3. Similarly, the unit cell of the molecular model of coal II contains the second to fifth components AS, PS, PI, and MI with the molecular numbers of 1, 1, 0, and 4.

図8は3次元空間内に配置された単位セルの一例である単位セル10’を示す。単位セル10’は、石炭材料を構成する複数の分子モデル(分子モデル群)で構成される。 Figure 8 shows a unit cell 10', which is an example of a unit cell arranged in a three-dimensional space. The unit cell 10' is composed of multiple molecular models (group of molecular models) that make up coal material.

ついで、上述したソフトウェアを用いて単位セル10’の全分子間相互作用を算出した。そして、上述した所定時間間隔(ここでは1fs)毎に単位セル10’の分子配置を変更し、単位セル10’の全分子間相互作用を再度算出した。ここで、分子配置を変更する際には、単位セル10’の全分子間相互作用が減少するように各分子モデルの配置を決定した。この処理を所定ステップ(ここでは5,000,000ステップ(=5ns))行った。ステップの終盤では、全分子間相互作用は概ねある値で収束した。収束値は温度毎に異なる値となった。 Next, the total intermolecular interactions of the unit cell 10' were calculated using the above-mentioned software. Then, the molecular arrangement of the unit cell 10' was changed at the above-mentioned predetermined time intervals (here, 1 fs), and the total intermolecular interactions of the unit cell 10' were calculated again. Here, when changing the molecular arrangement, the arrangement of each molecular model was determined so that the total intermolecular interactions of the unit cell 10' were reduced. This process was performed for a predetermined number of steps (here, 5,000,000 steps (= 5 ns)). At the end of the steps, the total intermolecular interactions generally converged to a certain value. The convergence value was a different value for each temperature.

ついで、図8に示すように、単位セル10’を収容するボックス30を3次元空間内に配置した。ここでもボックス30は1辺が5nmの立方体とした。ついで、単位セル10’を構成する分子が全て収容されるように、ボックス30を連結した。ついで、単位セル10’の質量をボックス30の連結体の総体積で除算することで単位セル10’の密度を算出した。ついで、この密度の逆数を石炭材料の分子モデルの比容積とした。以上の処理を所定温度間隔(ここでは0~600℃の範囲内で50℃間隔)で行い、各温度における比容積を求めた。 Next, as shown in FIG. 8, a box 30 containing the unit cell 10' was placed in a three-dimensional space. Again, the box 30 was a cube with a side length of 5 nm. The boxes 30 were then connected so that all of the molecules constituting the unit cell 10' were contained. The density of the unit cell 10' was then calculated by dividing the mass of the unit cell 10' by the total volume of the connected boxes 30. The reciprocal of this density was then taken as the specific volume of the molecular model of the coal material. The above process was carried out at a predetermined temperature interval (here, at 50°C intervals within the range of 0 to 600°C) to determine the specific volume at each temperature.

ついで、上記の各処理で求めた比容積(石炭材料の分子モデルの比容積、または混合モデルの比容積)をグラフにまとめた。結果を石炭Iについての結果を例として、図9~図11に示す。図9~図11の定義は上述した通りである。図9~図11の各グラフからガラス転移点を上述した方法により求めた。図9~図11に示すように、石炭Iのガラス転移点(Tg)は286℃であり、混合モデルAのガラス転移点(Tg)は247℃であり、混合モデルBのガラス転移点(Tg)は411℃であった。 The specific volumes (specific volumes of the molecular models of the coal materials, or specific volumes of the mixed models) obtained by each of the above treatments were then compiled in graphs. The results are shown in Figures 9 to 11, using the results for coal I as an example. The definitions for Figures 9 to 11 are as described above. The glass transition points were obtained from the graphs in Figures 9 to 11 using the method described above. As shown in Figures 9 to 11, the glass transition point (Tg) of coal I was 286°C, the glass transition point (Tg) of mixed model A was 247°C, and the glass transition point (Tg) of mixed model B was 411°C.

以上の結果から、石炭材料に対して優れた膨張性向上効果を示す粘結剤はコロネンということになる。つぎに、この判断が正しいことを確認するために、石炭材料、石炭材料にコロネンを5質量%(石炭材料に対する質量%)添加した混合物A’、石炭材料にコラニュレンを5質量%(石炭材料に対する質量%)添加した混合物B’のそれぞれに対して、JIS B 8801に従って最大膨張率を測定した。この結果、混合物A’の最大膨張率は石炭材料の最大膨張率に対して101%増加したが、混合物B’の最大膨張率は石炭材料の最大膨張率とほぼ変わらなかった。したがって、この石炭材料に対して優れた膨張性向上効果を示す粘結剤はコロネンという判断は正しいことになる。次に、石炭IIについて、得られた結果について述べる。石炭IIのガラス転移温度は301℃であることがわかった。コロネン、ピレン、アントラセン、ナフタレンのいずれか一つが共存した混合モデルから得られたガラス転移温度を図16に示す。その結果、石炭IIのみの場合と比較し、石炭IIに粘結剤分子としてナフタレンが共存した混合モデルの場合はガラス転移温度が288℃と、石炭II単体より低下した。また、石炭IIに粘結剤分子としてコロネンが共存した混合モデルの場合にもガラス転移温度が284℃と、石炭II単体より低下した。石炭IIとピレン、アントラセンが共存した場合のガラス転移温度は、いずれも単味の場合より上昇した。JIS M8801に従い、石炭IIのみ、石炭IIに対して5質量%各粘結剤を添加した系の膨張率測定を行った。その結果、図17に示すように、石炭IIのみの場合に比べ、石炭IIに対して5質量%コロネンおよびナフタレンを添加した系の全膨張率はそれぞれ、210%および113%に増加したが、石炭に対して5質量%ピレンおよびアントラセンを添加した系の全膨張率は単味の場合より低下した。
以上のことから、石炭IIのみと石炭IIに粘結剤を添加した各系について分子動力学計算を用いて、ガラス転位温度を算出することにより、石炭のみの系よりも粘結剤を添加した系の方がガラス転位温度が低下したとき、その添加剤は、石炭の膨張性向上効果を有すると予測できることが示された。
したがって、対象とする石炭が強粘結炭の場合のみならず、非微粘結炭のような膨張性の比較的低位の石炭に対しても本手法は有効である。
From the above results, it can be concluded that coronene is the binder that exhibits an excellent expansion improvement effect on the coal material. Next, in order to confirm that this judgment is correct, the maximum expansion coefficient was measured according to JIS B 8801 for each of the coal material, mixture A' in which 5% by mass (mass % relative to the coal material) of coronene was added to the coal material, and mixture B' in which 5% by mass (mass % relative to the coal material) of corannulene was added to the coal material. As a result, the maximum expansion coefficient of mixture A' increased by 101% compared to the maximum expansion coefficient of the coal material, while the maximum expansion coefficient of mixture B' was almost the same as the maximum expansion coefficient of the coal material. Therefore, it can be concluded that coronene is the binder that exhibits an excellent expansion improvement effect on this coal material. Next, the results obtained for coal II will be described. It was found that the glass transition temperature of coal II was 301°C. The glass transition temperatures obtained from a mixture model in which any one of coronene, pyrene, anthracene, and naphthalene coexisted are shown in FIG. 16. As a result, compared to the case of only coal II, the glass transition temperature of the mixed model in which naphthalene coexists with coal II as a binder molecule was 288°C, which was lower than that of coal II alone. The glass transition temperature of the mixed model in which coronene coexists with coal II as a binder molecule was also 284°C, which was lower than that of coal II alone. The glass transition temperatures of the mixed models in which coal II coexists with pyrene and anthracene were all higher than those of the pure coals. In accordance with JIS M8801, the expansion coefficients of the systems in which only coal II and 5% by mass of each binder were added to coal II were measured. As a result, as shown in FIG. 17, compared to the case of only coal II, the total expansion coefficients of the systems in which 5% by mass of coronene and naphthalene were added to coal II increased to 210% and 113%, respectively, but the total expansion coefficients of the systems in which 5% by mass of pyrene and anthracene were added to coal were lower than those of the pure coals.
From the above, by calculating the glass transition temperature using molecular dynamics calculations for each system of coal II only and coal II with a binder added, it was shown that if the glass transition temperature is lower in the system with the addition of a binder than in the system of coal only, it can be predicted that the additive has the effect of improving the expansion of coal.
Therefore, this method is effective not only for heavily caking coals, but also for coals with relatively low expansion properties, such as non- or slightly caking coals.

以上の結果、本実施形態による粘結剤の評価方法、すなわち石炭材料と粘結剤との混合物のガラス転移点に基づいて粘結剤の膨張性向上効果を評価することによって粘結剤の膨張性向上効果を正確に評価することができることが確認できた。 As a result of the above, it was confirmed that the binder evaluation method according to this embodiment, i.e., by evaluating the expansion improvement effect of the binder based on the glass transition point of the mixture of the coal material and the binder, the expansion improvement effect of the binder can be accurately evaluated.

以上、本発明の好適な実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments and examples of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to these examples. It is clear that a person with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can conceive of various modified or revised examples within the scope of the technical ideas described in the claims, and it is understood that these also naturally fall within the technical scope of the present invention.

10 混合モデルの単位セル
10’ 炭素材料の分子モデルの単位セル
10a 石炭材料の分子モデル
10b コロネンの分子モデル
10c コラニュレンの分子モデル
10 Unit cell of the mixed model 10' Unit cell of the molecular model of the carbon material 10a Molecular model of the coal material 10b Molecular model of coronene 10c Molecular model of corannulene

Claims (6)

コークスの原料となる石炭材料のガラス転移点を取得し、さらに、前記石炭材料と、前記石炭材料に混合される粘結剤との混合物のガラス転移点を複数種類の前記粘結剤について取得するガラス転移点取得工程と、
前記石炭材料のガラス転移点と、各粘結剤について得られた前記混合物のガラス転移点とに基づいて、前記石炭材料に対する各粘結剤の膨張性向上効果を評価する評価工程と、を含むことを特徴とする、粘結剤の評価方法と、を含み、
前記ガラス転移点取得工程では、
前記石炭材料を構成する成分をモデル化することで前記石炭材料の分子モデルを構築し、前記石炭材料の分子モデル比容積を分子動力学計算法により複数の温度で求め、前記石炭材料の分子モデルの比容積と前記温度との相関グラフに基づいて、前記石炭材料のガラス転移点を取得するか、または、示差走査熱量測定を用いて前記石炭材料のガラス転移点を測定し、
前記石炭材料を構成する成分をモデル化することで前記石炭材料の分子モデルを構築し、さらに前記粘結剤を構成する成分をモデル化することで前記粘結剤の分子モデルを構築し、前記石炭材料の分子モデルと前記粘結剤の分子モデルとの混合モデルの比容積を分子動力学計算法により複数の温度で求め、前記混合モデルの比容積と前記温度との相関グラフに基づいて、前記混合物のガラス転移点を測定するか、または、示差走査熱量測定を用いて前記混合物のガラス転移点を測定する
ことを特徴とする、粘結剤の評価方法。
A glass transition point acquisition step of acquiring a glass transition point of a coal material that is a raw material for coke, and further acquiring glass transition points of a mixture of the coal material and a binder to be mixed with the coal material for a plurality of types of the binder;
and an evaluation step of evaluating an expansion improving effect of each binder on the coal material based on the glass transition point of the coal material and the glass transition point of the mixture obtained for each binder .
In the glass transition temperature obtaining step,
A molecular model of the coal material is constructed by modeling the components constituting the coal material, a specific volume of the molecular model of the coal material is calculated at a plurality of temperatures by a molecular dynamics calculation method, and a glass transition point of the coal material is obtained based on a correlation graph between the specific volume of the molecular model of the coal material and the temperature, or a glass transition point of the coal material is measured by differential scanning calorimetry;
A molecular model of the coal material is constructed by modeling the components constituting the coal material, and a molecular model of the binder is constructed by modeling the components constituting the binder. The specific volumes of a mixed model of the molecular model of the coal material and the molecular model of the binder are calculated at a plurality of temperatures by a molecular dynamics calculation method, and the glass transition point of the mixture is measured based on a correlation graph between the specific volume of the mixed model and the temperature, or the glass transition point of the mixture is measured using differential scanning calorimetry.
A method for evaluating a binder, comprising:
コークスの原料となる石炭材料のガラス転移点を取得し、さらに、前記石炭材料と、前記石炭材料に混合される粘結剤との混合物のガラス転移点を取得するガラス転移点取得工程と、
前記石炭材料のガラス転移点と、前記混合物のガラス転移点とに基づいて、前記石炭材料に対する前記粘結剤の膨張性向上効果を評価する評価工程と、を含むことを特徴とする、粘結剤の評価方法と、を含み、
前記ガラス転移点取得工程では、
前記石炭材料を構成する成分をモデル化することで前記石炭材料の分子モデルを構築し、前記石炭材料の分子モデル比容積を分子動力学計算法により複数の温度で求め、前記石炭材料の分子モデルの比容積と前記温度との相関グラフに基づいて、前記石炭材料のガラス転移点を取得するか、または、示差走査熱量測定を用いて前記石炭材料のガラス転移点を測定し、
前記石炭材料を構成する成分をモデル化することで前記石炭材料の分子モデルを構築し、さらに前記粘結剤を構成する成分をモデル化することで前記粘結剤の分子モデルを構築し、前記石炭材料の分子モデルと前記粘結剤の分子モデルとの混合モデルの比容積を分子動力学計算法により複数の温度で求め、前記混合モデルの比容積と前記温度との相関グラフに基づいて、前記混合物のガラス転移点を測定するか、または、示差走査熱量測定を用いて前記混合物のガラス転移点を測定する
ことを特徴とする、粘結剤の評価方法。
a glass transition point acquisition step of acquiring a glass transition point of a coal material that is a raw material for coke, and further acquiring a glass transition point of a mixture of the coal material and a binder to be mixed with the coal material;
and an evaluation step of evaluating an expansion improving effect of the binder on the coal material based on a glass transition point of the coal material and a glass transition point of the mixture .
In the glass transition temperature obtaining step,
A molecular model of the coal material is constructed by modeling the components constituting the coal material, a specific volume of the molecular model of the coal material is calculated at a plurality of temperatures by a molecular dynamics calculation method, and a glass transition point of the coal material is obtained based on a correlation graph between the specific volume of the molecular model of the coal material and the temperature, or a glass transition point of the coal material is measured by differential scanning calorimetry;
A molecular model of the coal material is constructed by modeling the components constituting the coal material, and a molecular model of the binder is constructed by modeling the components constituting the binder. The specific volumes of a mixed model of the molecular model of the coal material and the molecular model of the binder are calculated at a plurality of temperatures by a molecular dynamics calculation method, and the glass transition point of the mixture is measured based on a correlation graph between the specific volume of the mixed model and the temperature, or the glass transition point of the mixture is measured using differential scanning calorimetry.
A method for evaluating a binder, comprising:
前記評価工程では、
各粘結剤について得られた前記ガラス転移点が前記石炭材料のガラス転移点に対して小さいほど、当該粘結剤の膨張性向上効果が大きいと評価することを特徴とする、請求項1または2に記載の粘結剤の評価方法。
In the evaluation step,
3. The method for evaluating a binder according to claim 1, wherein the binder is evaluated to have a greater expansion improvement effect as the glass transition temperature obtained for each binder is smaller than the glass transition temperature of the coal material.
各粘結剤について得られた前記ガラス転移点が前記石炭材料のガラス転移点に対して15℃以上小さいときに、当該粘結剤の膨張性向上効果が大きいと評価することを特徴とする、請求項1または2に記載の粘結剤の評価方法。 The method for evaluating a binder according to claim 1 or 2, characterized in that when the glass transition point obtained for each binder is 15°C or more lower than the glass transition point of the coal material, the binder is evaluated as having a large expansion improvement effect. 前記石炭材料は強粘結炭または非微粘結炭であることを特徴とする、請求項1~のいずれか1項に記載の粘結剤の評価方法。 The method for evaluating a binder according to any one of claims 1 to 4 , wherein the coal material is a hard caking coal or a non- or slightly caking coal. 石炭材料に添加する粘結剤を請求項1~の何れか1項に記載された粘結剤の評価方法に基づいて決定し、決定された粘結剤と前記石炭材料とを用いてコークスを製造することを特徴とする、コークスの製造方法。 A method for producing coke, comprising: determining a binder to be added to a coal material based on the binder evaluation method according to any one of claims 1 to 5 ; and producing coke using the determined binder and the coal material.
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