KR100518326B1 - 강도가 우수한 성형탄의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미분탄을 성형탄으로 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 미분탄 100중량부에 대해 CaO를 20~60% 함유하는 더스트를 3~15중량부 혼합하는 단계, 상기 혼합물의 미분탄 100중량부에 당밀 5~15중량부를 혼합하는 단계 및

상기 2차 혼합물을 성형탄으로 성형하는 단계를 포함한다.

이 방법에서 얻어지는 성형탄은 강도가 우수하여 신제철법인 용융환원제철공정에 적용될 수 있다.

Description

강도가 우수한 성형탄의 제조 방법 {Method of manufacturing briquettes having superior strength}

본 발명은 미분탄을 성형탄으로 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미분탄, 당밀, CaO 함유 더스트의 배합순서를 제어하여 균일한 혼합을 도모하면서 당밀과 CaO 함유 더스트 내 칼슘의 화학반응에 의해 강도를 증진시킨 성형탄의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제조된 성형탄은 강도가 우수하여 신제철법인 용융환원제철공정에 적용될 수 있다.

신 제철공법인 용융환원제철공정의 일종인 파이넥스(FINEX) 및 코렉스(COREX)공정에서는 코크스(coke)가 아닌 석탄을 용융로 투입연료로 사용하므로 연료 사용 면에서 많은 장점을 가진 것으로 알려져 있다. 그러나, 연료로 사용되는 석탄이 약 8mm이하의 경우 용융로 내에서 충분히 연소되지 못하고 집진기에 포집되며, 과다할 경우 공정내에서 불균형을 초래하여 조업에 문제를 일으키므로 제철공정상 미분탄의 사용은 제한된다. 현재 용융환원제철공정에서는 크기가 약 8mm이상 되는 괴탄만을 사용할 수 있다. 그러나, 현재 사용되는 제철용 석탄의 상당량이 약 8mm이하의 미분으로 구성되어 있으므로, 적절한 방법으로 괴상화시킬 수 있는 성형탄의 제조기술의 개발이 필요하다.

지금까지 미분탄을 성형탄으로 만들어 신 제철공법인 파이넥스(FINEX) 및 코렉스(COREX)공정에 적용하는 기술은 알려져 있지 않다. 다만, 미분탄을 성형탄으로 만들어 코크스 제조용으로 사용하는 기술로서 일본 공개특허공보 평7-97576호(공개일 1995. 4. 11)가 있다. 이 기술은 타르 및 피치(pitch) 등의 결합제를 연화온도(약 150℃)이상으로 가열하여 용융시킨 다음에 이를 미분탄에 일정량 첨가하여 혼합하고 가압성형하여 융용상태의 결합제가 냉각되는 것에 의하여 성형탄을 제조하는 기술이다. 피치 결합제에 의하여 석탄입자를 강고하게 결합시키므로 성형탄은 이송취급에 대하여 충분한 기기적 강도를 나타낸다. 그러나, 결합제를 연화온도 이상으로 가열하기 때문에 대규모 가열설비가 필요하고 이때 유해가스가 발생하여 작업환경 악화와 그 방지를 위한 막대한 경비가 소요된다. 그리고, 성형탄을 옥외에 야적하는 경우 태양열에 의해 야적장의 온도가 40~60℃까지 상승하면, 피치결합제의 연화온도부근이기 때문에 피치 등이 다시 연화되어 성형탄에 서로 들러 붙어서 기기력에 의한 대량 취급이 어렵게 된다.

한편, 미국 특허공보 US 4.738,685호에서는 당밀과 무기경화제를 사용하여 성형탄을 만든 후에 200~300℃에서 1시간 경화시켜 성형탄을 제조하는 방법이 제시되어 있다. 이 방법에서는 경화효율이 좋지 않기 때문에 초기 강도가 낮아서 실온에서 1~3일간 경화시키거나 200~300℃의 오븐에서 1시간동안 경화시켜서 성형탄의 강도를 향상시키게 된다. 그러나, 200℃이상으로 성형탄을 가열시키기 위하여서는 대규모의 가열건조설비가 필요하여 성형탄을 제조하는데 많은 비용과 생산성이 낮은 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 별도의 바인더나 석탄의 가열공정 없는 환경친화적인 제조공정에 의해 높은 강도를 갖는 성형탄의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 성형탄 제조방법은, 미분탄 100중량부에 대해 CaO를 20~60% 함유하는 더스트를 3~15중량부 혼합하는 단계, 상기 혼합물의 미분탄 100중량부에 당밀 5~15중량부를 혼합하는 단계,

상기 2차 혼합물을 성형탄으로 성형하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 미분탄에 바인더로서 당밀을 사용하고 바인더의 경화제로서 CaO를 함유하는 더스트를 이용하면 당밀-칼슘의 화학반응에 의해 경화가 진행되어 성형탄의 강도를 증진시킬 수 있다는 사실을 확인하였다. 그런데, 이때 이들의 균일하고 높은 강도를 확보하기 위해서는 이들 원료의 배합순서가 중요하다.

본 발명에 따르면, 미분탄과 CaO 함유 더스트를 먼저 혼합하고 여기에 당밀 바인더를 혼합하여야 한다. 만일 3가지 원료를 한꺼번에 혼합하거나 혹은 미분탄과 당밀을 혼합한 다음에 나중에 CaO 함유 더스트를 혼합하는 경우에는 균일한 혼합물을 얻을 수 없어 강도가 열악해진다. 만일 고체분인 미분탄과 액상인 당밀을 혼합한 다음에 고체분인 CaO 함유 더스트를 혼합하면 당밀-칼슘 반응에 의하여 더스트가 균일하게 분포되기 전에 경화되어 버린다.

반면에 고체분인 미분탄과 CaO 함유 더스트를 혼합한 다음에 액상인 당밀을 혼합하게 되면 당밀-칼슘 반응이 일어나는데, 이 반응은 액상인 당밀의 균일 혼합에 장애가 되지는 않는 것을 실험을 통해 밝혀 내었다.

이러한 연구에 기초하여 완성된 본 발명을 공정순서에 따라 설명한다.

[1차 혼합: 미분탄과 CaO 함유 더스트의 혼합]

본 발명에서는 먼저 미분탄과 CaO 함유 더스트를 혼합한다.

본 발명에서 사용하는 미분탄은 파이넥스 및 코렉스 공정에서 입도 규정상 사용되지 못하는 석탄을 원료로 한다. 즉, 8mm이하의 것을 사용하는데, 바람직하게는 8mm이하의 미분탄을 4mm이하의 입도로 파쇄한 후에 사용하는 것이 좋다. 4mm보다 큰 입도를 가진 석탄은 성형시 가해지는 압력에 의해 균열을 일으켜서 성형탄의 강도를 저하시킬 수 있다.

이러한 미분탄에 CaO 함유 더스트를 혼합하는데, 가능한 균일하게 혼합한다.

CaO 함유 더스트는 미분탄의 수분을 제어하고, 당밀 바인더와 칼슘-당산염 결합의 화학반응으로 인하여 성형탄의 강도향상에 기여한다. 따라서, 더스트에는 CaO가 20%이상의 것이 좋다. 더스트에서 CaO의 함량이 20% 미만이면 칼슘-당산염 결합이 부족할 수 있기 때문이다. 더스트에서 CaO의 함량이 높으면 그 만큼 첨가량을 조절하면 되므로 더스트에서 CaO의 상한이 제한되지는 않는다. CaO가 다량 함유된 더스트로는 제강더스트가 대표적이다. 제강더스트는 열원과 환원제로 사용할 수 있는 C성분, 철원으로 사용할 수 있는 Fe화합물, 그리고 부원료로 사용할 수 있는 Ca화합물 및 기타 성분으로 구성된다. 따라서, T-Fe, C 등은 유효성분으로서 성형탄에서 재활용할 수 있으므로, 이러한 더스트를 사용하는 것이 가장 바람직하다. CaO와 함께 유효성분의 효과적인 사용을 고려할 때 더스트내 CaO의 함량은 20~60%가 바람직하다. 보다 바람직하게는 20~40%이며, 그 예가 제강더스트이다. 더스트내 CaO의 함량이 40%를 초과할 경우에는 그 만큼 유효성분이 적어진다.

본 발명에서 CaO 함유 더스트 배합량은 미분탄 100중량부에 대해 3~15중량부가 바람직하다. CaO 함유 더스트의 함량이 3중량부 미만의 경우에는 당밀과의 칼슘-당산염 결합을 충분히 발휘하지 못하여 성형탄의 강도가 저하된다. 또한, CaO 함유 더스트의 배합량이 15중량부를 초과하면 성형탄 내에 재(ash)성분이 높아져서 용융로 내에서 연료로서의 역할을 충분히 발휘하지 못하는 경우가 있다.

CaO 함유 더스트는 1mm 이하가 바람직하며, 이중 0.3mm이하의 입도가 무게비로 50중량%이상을 가지는 것이 가장 바람직하다. CaO 함유 더스트의 입도가 작으면 작을수록 상대적으로 비표면적은 넓어지게 된다. 따라서, 미분탄-당밀 혼합물을 경화시키는 칼슘-당산염 결합의 화학반응도 더 원활하게 일어나게 된다. CaO 함유 더스트의 입도가 1mm보다 큰 경우와 0.3mm이하의 입도분포가 50중량% 미만인 경우에는 충분한 화학반응을 일으키지 못하여 성형탄의 강도를 저하시키게 되는 원인으로 작용하게 된다.

[2차 혼합: 미분탄과 CaO 함유 더스트의 혼합물에 당밀 바인더 혼합]

상기 미분탄-CaO 함유 더스트 혼합물에 당밀 바인더를 혼합한다. 당밀 바인더는 고형분 함량이 70~85중량% 포함된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 당밀 바인더의 고형분 함량이 70중량% 미만인 경우에는 바인더 특성을 나타내는 당 성분이 적고, 수분의 함량이 높아서 성형탄의 강도가 저하되는 문제가 생길 수 있으며, 고형분 함량이 85중량%를 초과하는 경우에는 당밀의 점도가 높아서 균일 혼합에 문제를 발생하는 경우가 있다.

당밀 바인더를 미분탄-CaO 함유 더스트 혼합물과 혼합할 때에는 미분탄 100중량부에 대하여 5~15중량부 사용하는 것이 바람직하다. 당밀의 첨가량이 5중량부 미만에서는 미분탄 중에 당밀 바인더가 충분히 있지 못하여 성형탄 강도에 문제가 생길 수 있으며, 첨가량이 15중량부를 초과하는 경우에는 미분탄-CaO 함유 더스트 혼합물과의 혼합시에 부착 등의 장애를 일으킬 수가 있으며 경제적으로도 손실이 발생한다. 그리고, 당밀의 점도가 높을 경우에 이를 조절하기 위하여 일정량의 물을 혼합한 희석액을 사용할 수도 있다.

이러한 성형탄의 제조방법을 도 1을 참조로 보다 구체적으로 설명한다.

미분탄 빈(1)에 있는 4mm이하의 미분탄 100중량부에 대하여 더스트빈(2)에서 CaO 함유 더스트를 3~15중량부 추출하여 1차 혼합기(4)에서 균일하게 혼합한다. 1차 혼합기는 믹서혼합기(Twin SCREW방식)를 이용하는 것이 균일혼합을 도모할 수 있어 바람직하다.

1차 혼합된 미분탄-CaO 함유 더스트 혼합물에 미분탄 100중량부에 대하여 당밀 바인더를 5~15중량부 첨가하여 2차혼합기(5)에서 균일하게 혼합한다. 2차 혼합기도 균일한 혼합을 위해 믹서혼합기를 이용하는 것이 좋다. 2차 혼합기에서 미분탄-제강더스트 혼합물과 당밀 바인더가 혼합되면서 칼슘-당산염 결합의 화학반응에 일어나게 된다.

일반적으로 믹서혼합기에서 혼합물의 체류시간은 1~3분으로 매우 짧기 때문에 칼슘-당산염 결합의 화학반응은 제한적일 수 밖에 없다.

따라서, 혼합물의 체류시간을 연장시키면 칼슘-당산염 결합의 화학반응에 의한 경화반응을 보다 진전시킨 다면 성형탄의 강도가 커진다. 본 발명에서는 이를 위해 미분탄과 CaO 함유 더스트의 혼합물에 당밀 바인더를 혼합한 2차 혼합물을 일정시간동안 교반하여 칼슘-당산염 화학반응을 진행하도록 한다. 이러한 장시간의 교반은 믹서혼합기 보다는 혼련기의 일종인 니더( Kneader, 도 1의 (6))에서 행하는 것이 바람직하다.

혼련기의 니더(6)는 날개가 부착된 중앙 축을 가진 수직 원기둥 모양의 통으로 구성된 것으로, 장입물을 교반시킨다. 따라서, 미분탄과 CaO 함유 더스트의 혼합물에 당밀 바인더를 혼합한 2차 혼합물을 니더기에서 교반하면 칼슘-당산염 결합에 의한 당밀 바인더의 경화 효율을 증가시키게 된다. 날개는 축이 회전할 때 혼합물을 저어주는 기능이 가지도록 배열되어 있으며, 니더(6)에서의 혼합물의 수위를 조절함으로써 혼합물의 교반시간을 조절할 수 있다. 본 발명의 실험에 따르면 교반시간이 5분 미만일 경우에는 교반시간이 부족하여 성형탄의 강도가 저하되는 경우가 있고, 교반시간이 40분을 초과할 경우에는 미분탄-CaO 함유 더스트-당밀의 혼합물이 건조되어 성형시 강도가 저하되기도 한다. 따라서, 교반시간 범위는 5분∼40분이 적정하다.

적절하게 경화 효율이 증가된 미분탄-당밀-CaO 함유 더스트 혼합물은 롤 프레스(7)에서 통상적인 압력으로 가압하여 성형탄을 제조하게 된다. 성형탄을 콤베이어 벨트로 이송할 때의 가열건조하지 않고 그대로 상온에서 이송하여 성형탄 빈(9)에 저장한다. 한편, 불만족스러운 성형탄은 켄베이어 벨트(8)상에서 분리되어서 회수 빈(10)을 거쳐 2차 혼합기(5)내의 성형 혼합물로 가도록 계산된 양이 재사용된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

3.4mm이하의 Mt.thorley 미분탄(수분함량:8~12%) 100중량부에 대하여 수분 함량을 조절하기 위한 제강더스트를 Muller Mixer에서 균일하게 혼합하였다. 균일하게 혼합된 미분탄-제강더스트 혼합물에 당밀 바인더를 Muller Mixer에서 균일하게 혼합한 다음에 니더기(Kneader)에서 10분 동안 교반시켜 경화효율을 증가시킨 후에 실온에서 롤 프레스 성형기(Briquetter Roll Press)를 사용하여 가압하고 직경 63.5mm, 폭 25.4mm 그리고 두께 19.1mm의 베개 모양의 성형탄을 제조하였다. 하기 표 1은 본 발명에서 사용된 제강더스트의 주요성분 분석 결과를 나타낸 것이고, 표 2는 본 발명의 실시예와 이를 비교하기 위한 비교예를 나타낸 것이다.

종 류	조성(중량%)
	T-Fe(%)	C(%)	CaO(%)	수분(%)
제강더스트A	25.3	2.4	33.3	2.4
제강더스트B	45.7	2.5	30.9	1.1
제강더스트C	60.6	4.4	7.0	0.4
제강더스트D	35.9	30.4	3.8	3.0

실험예	3.4mm 이하 의 미분탄(중량부)	첨가제		당밀 바인더사용량(중량부)
		종 류	사용량(중량부)
발명예1	100	제강더스트A	10	8
발명예2	100	제강더스트B	10	8
비교예1	100	-	-	8
비교예2	100	탄산칼슘	10	8
비교예3	100	제강더스트C	10	8
비교예4	100	제강더스트D	10	8

상기 표 2의 발명예1은 미분탄 100중량부에 대하여 10중량부의 제강더스트 A를 균일하게 혼합한 후에, 결합제로 당밀 바인더를 8중량부 혼합하여 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조한 것이다. 발명예2는 첨가제로 제강더스트 B를 10중량부 혼합하여 발명예 1과 같은 방법으로 성형탄을 제조한 것이다.

그리고, 비교예1은 미분탄 100중량부에 대하여 8중량부의 당밀 바인더를 결합제로 첨가하였고, 비교예2는 미분탄 100중량부에 대하여 10중량부의 탄산칼슘(CaCO3)를 균일하게 혼합한 후에, 8중량부의 당밀 바인더를 결합제로 사용하여 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조하였다. 비교예 3은 미분탄 100중량부에 대하여 10중량부의 제강더스트 C를 균일하게 혼합한 후에, 8중량부의 당밀 바인더를 혼합하여 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조하였다. 비교예 4는 미분탄 100중량부에 대하여 10중량부의 제강더스트 D를 균일하게 혼합한 후에, 8중량부의 당밀 바인더를 혼합하여 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조하였다.

상기한 바와 같은 발명예(1,2) 및 비교예(1~4)에 따라 제조된 성형탄을 제조된 즉시 낙하강도와 분 발생율을 측정하였다. 그리고, 1,000℃에서 고온강도를 측정하였다.

낙하강도는 성형탄 약 2Kg을 5M높이에서 철판 위에 4회 자유낙하로 떨어뜨린 후에 10mm 이상 크기의 성형탄 잔존율을 하기 식(1)과 같이 평가하였고, 분 발생율은 6.3mm 이하 크기의 성형탄 비율을 하기식(2)와 같이 평가하였다.

고온강도 시험은 1,000℃로 설정된 반응로에 질소가스를 2 L/min으로 통과시켜 불활성 분위기를 만든 조건 하에서 10분 간격으로 2개씩의 성형탄을 4회 투입하였다. 최종 성형탄 시료를 반응로에 투입하고 10분 경과 후에 성형탄 시료를 추출 냉각하여 입도 분포를 측정하였다. 고온강도는 16mm이상 크기의 성형탄 비율을 하기 식(3)과 같이 평가하였다.

하기 표 3은 상기 표 2의 각 발명예와 비교예에 따라 제조된 성형탄의 낙하강도, 분발생율 과 고온강도를 평가한 것이다.

실험예	낙하강도(%)	분 발생율(%)	고온강도(%)
발명예1	94.5	4.7	60.3
발명예2	97.0	2.5	67.6
비교예1	16.1	75.9	34.5
비교예2	35.1	57.5	51.2
비교예3	71.6	17.4	61.3
비교예4	65.4	24.3	56.8

상기 표2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예(1.2)의 경우는 낙하강도는 90%이상, 분 발생율은 5%이하, 그리고 고온강도 60%이상의 양호한 성형탄이 제조되었다. 이에 반해, 본 발명의 범위를 만족하지 못하는 비교예(1∼4)의 경우는 상기한 발명예의 경우에 비하여 낙하강도가 떨어지고 분 발생율이 높아져서 성형탄의 강도가 낮음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 성형탄은 미분탄을 건조하지 않고 사용할뿐 아니라 제철소에서 발생되는 CaO 함유 더스트를 제철공정 자체 내에서 환경친화적으로 재활용이 가능하며 점결제로서 당밀을 사용하므로 실온에서 가압성형 할 수 있어 제조 비용을 절감하고, 취급이 용이하며, 가열하지 않고도 초기 강도가 우수한 성형탄을 제조할 수는 유용한 효과가 있는 것이다. 그리고, 신 제철공법인 파이넥스(FINEX) 및 코렉스(COREX)공정에서 요구하는 강도를 확보할 수 있는 성형탄을 제공할 수 있으며, 이에 따라 신제철공법인 파이넥스(FINEX) 및 코렉스(COREX)공정의 경쟁력을 향상시키는 유용한 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 성형탄 제조공정의 개략도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

4, 5:믹서혼합기 6: 니더 혼련기(kneader)

7: 롤프레스 8: 켄베이어 벨트

Claims (5)

1. 미분탄 100중량부에 대해 CaO를 20~60% 함유하는 더스트를 3~15중량부 혼합하는 단계, 상기 혼합물의 미분탄 100중량부에 당밀 5~15중량부를 혼합하는 단계,

   상기 2차 혼합물을 성형탄으로 성형하는 단계를 포함하여 이루어지는 강도가 우수한 성형탄의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 더스트는 제강더스트로서, CaO의 함량이 20~40%임을 특징으로 하는 강도가 우수한 성형탄의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제강더스트는 1mm이하로서 0.3mm이하의 입도가 50~100중량%임을 특징으로 하는 강도가 우수한 성형탄의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 2차 혼합물의 성형전 5~40분 동안 교반하여 혼합물의 경화율을 높이는 것을 특징으로 하는 강도가 우수한 성형탄의 제조방법.
5. 제 1항 내지 제 4항에 있어서, 상기 성형탄은 낙하강도가 90%이상, 분발생율이 5%이하 그리고 고온강도가 60%이상으로 용융환원제철공정에 적용되는 것을 특징으로 강도가 우수한 성형탄의 제조방법.