KR100675348B1 - 폐철분 브리켓 제조용 이분형 바인더 및 이를 사용한폐철분 브리켓의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐철분 브리켓 제조용 이분형 바인더 및 이를 사용하여 제강원료용인 폐철분 브리켓 제조방법에 관한 것으로, 폐철분과 바인더가 혼합된 브리켓 제조용 조성물 100중량% 기준으로, 카올리나이트 1∼3 중량%, 벤토나이트 0.3∼0.9중량% 및 실리카 5∼9 중량%로 이루어지는 무기 바인더; 및 전분 2∼6 중량%, 헥사메타인나트륨 0.1∼0.4 중량% 및 붕사 0.3∼0.9중량%로 이루어지는 유기 바인더를 포함하여 이루어지는 폐철분 브리켓용 이분형 바인더와, (a) 카올리나이트 1∼3 중량%, 벤토나이트 0.3∼0.9중량% 및 실리카 5∼9 중량%로 이루어지는 무기 바인더의 평균입자가 350 내지 800 메쉬로 분쇄하고 입도 선별하는 단계; (b) 상기 입도 선별된된 무기 바인더와 폐철분 80∼90 중량%를 1차 혼련하고, 상기 혼련된 폐철분에 전분 2∼6 중량%, 헥사메타인나트륨 0.1∼0.4 중량% 및 붕사 0.3∼0.9중량%로 이루어지는 유기 바인더를 첨가하여 2차 혼련하는 단계; (c) 상기 혼련물을 1∼3시간 숙성하는 단계; (d) 상기 숙성물을 소정의 압력하에서 소정의 형태로 성형하는 단계; 및 (e) 상기 성형물을 건조하고 냉각하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐철분 브리켓의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 대형제철소에서 발생하여 폐기되는 철분말의 재활용할 수 있도록 냉간압연으로 성형접착할 수 있는 비화학적인 천연 바인더를 개발하고, 이를 이용하여 폐철분을 브리켓으로 성형하여 건조하여 철원료의 사용에 요구되는 규격을 만족하는 물성을 구현시킴으로써, 폐철분을 재활용하여 부족한 철원료를 확보하면서 환경오염을 저감할 수 있게 하였다.

폐철분 브리켓, 이분형 바인더, 카올리나이트, 벤토나이트, 실리카, 전분류, 헥사메타인나트륨, 붕사

Description

폐철분 브리켓 제조용 이분형 바인더 및 이를 사용한 폐철분 브리켓의 제조방법{Two type binder and method for preparing briquette of the used steel using the same}

본 발명은 폐철분 브리켓 제조용 이분형 바인더 및 이를 사용하여 제강원료용인 폐철분 브리켓 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐철분을 냉간 성형(Cold Bonded Mill Scale; CBMS)하여 제강원료용인 폐철분 브리켓을 제조하기 위해, 천연 무기바인더와 유기바인더를 이분한 바인더를 사용하여 폐철분 브리켓을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 제철분야나 금속가공 분야에서 미세광석, 스케일 또는 연삭분진, 그리고 이외의 미세 입자의 철함유 물질은 주로 브리케트화(briquetting)하여 제강용 원료로 사용하는 것은 많이 알려져 있으며, 최근에는 환경문제가 대두되면서 상기 기술을 응용하여 제철과 금속가공 공정에서 배출되어 폐기되어왔던 철함유 부산물(이하, 폐철)을 재활용하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.

그러나, 종래 폐철을 재활용한 브리케트화는 고온에서 성형을 수행함으로써 제철원가를 상승시키는 요인으로 작용하는 문제점이 있다.

이의 문제를 해소하고자, 저비용 측면에서 냉간성형방법으로 브리케트화하는 방법이 개발되었다.

그러나, 냉간 브리케트화의 경우, 용해로에 투입되어도 일정한 형태를 유지할 수 있는 충분한 강도를 갖는 것이 용이하지 않는 문제점이 있다. 그리고, 만약 냉간성형에 의해 성형된 브리켓의 경우, 필요로 하는 충분한 강도를 갖지 못하면, 용해로에 투여되면서 브리켓(briquett)이 쉽게 부숴지게 되어 분진이 발생 및 비산되면서 폐철분이 제철용 원료로 사용되지 못하고 다시 집진기를 통해 회수되고, 부서진 분진이 함유하고 있는 수분에 의해 돌비(bumping)가 용광로에서 발생하여 생산효율이 저하되기 때문이다.

이를 해소하고자, 또 다른 냉간 성형 공정에서는 시멘트 또는 입자형태의 용해로 슬래그로 구성된 바인더를 브리켓 재료에 첨가하여 성형 후 강도를 유지하는 방법이 공지되어 있다. 하지만 상기 바인더는 용광로에 투여되는 브리켓으로는 불순물이 많이 함유되어 있는 상태이기 때문에 제품의 질이 저하되는 단점이 있다.

이에, 본 발명자는 불순물이 거의 없으며, 비용이 저렴한 냉간성형방법으로 폐철분의 브리켓을 제조하는 방법을 개발하고자 하였으며, 신규한 천연 바인더를 사용하여 페철분으로부터 브리켓을 냉간 성형하고 건조하고, 이의 성형품이 제철용 브리켓으로 사용하기에 충분한 상온압축강도와 열간압축강도를 가지면서 불순물이 거의 없음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 카올리나이트, 벤토나이트 및 실리카로 이루어지 는 무기 바인더; 및 전분류, 헥사메타인나트륨 및 붕사로 이루어지는 유기 바인더를 포함하여 이루어지는 폐철분 브리켓 제조용 이분형 바인더를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 이분형 바인더를 사용하여 폐철분 브리켓을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폐철분과 바인더가 혼합된 브리켓 제조용 조성물 100중량% 기준으로,

카올리나이트 1∼3 중량%, 벤토나이트 0.3∼0.9중량% 및 실리카 5∼9 중량%로 이루어지는 무기 바인더; 및

전분 2∼6 중량%, 헥사메타인나트륨[(NaPO₃)₆] 0.1∼0.4 중량% 및 붕사 0.3∼0.9중량%로 이루어지는 유기 바인더를 포함하여 이루어지는 폐철분 브리켓용 이분형 바인더를 제공한다.

또한, 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폐철분과 바인더가 혼합된 브리켓 제조용 조성물 100중량% 기준으로,

(a) 카올리나이트 1∼3 중량%, 벤토나이트 0.3∼0.9중량% 및 실리카 5∼9 중량%로 이루어지는 무기 바인더의 평균입자가 350 내지 800 메쉬로 분쇄하고 입도 선별하는 단계;

(b) 상기 입도 선별된된 무기 바인더와 폐철분 80∼90 중량%를 1차 혼련하고, 상기 혼련된 폐철분에 전분 2∼6 중량%, 헥사메타인나트륨[(NaPO₃)₆] 0.1∼0.4 중량% 및 붕사 0.3∼0.9중량%로 이루어지는 유기 바인더를 첨가하여 2차 혼련하는 단계;

(c) 상기 혼련물을 1∼3시간 숙성하는 단계;

(d) 상기 숙성물을 소정의 압력하에서 소정의 형태로 성형하는 단계; 및

(e) 상기 성형물을 건조하고 냉각하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐철분 브리켓의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다.

또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 제철소의 부산물인 폐철분말과 천연 무기바인더와 천연 유기바인더를 각각 이분(二分)적으로 사용하여 소성을 거치지 않는 냉간압연의 방법으로 성형품, 즉 브리켓(briquette)을 제조할 수 있게 함으로써, 종래 폐철 브리켓(briquette)을 제조하기 위해 사용해 왔던 열간압연 방법을 대체하여 제철의 생산원가를 크게 절감하면서 종래의 이점은 그대로 유지할 수 있게 한 것이다.

또한, 본 발명에서 냉간압연의 방법으로 제조된 폐철분 브리켓은 용광로에 투입했을 경우 최소 900℃ 전후의 고온에서는 열간강도를 유지함으로써, 용광로에서 철분이 활성화되면서 제강원료로 사용할 수 있게 한 것이다.

본 발명에서 사용하는 폐철분은 제철소에서 파생되면서 통상적으로 수분은 2∼12 중량, 유분은 1∼5 중량%를 함유하고 있는 폐철가루를 말한다. 그러나, 베어링강이나 침탄강 등의 철계 금속을 연삭, 연마, 래핑(lapping) 등에 의하여 발생하는 수분 및 유분을 포함한 부스러기를 사용할 수 있다.

이때, 본 발명의 천연 무기 바인더는 폐철분과 결합하여 건조 후 강도를 약 170㎏/㎠ 전후로 유지시켜 주는 역할을 한다. 이중, 5∼9 중량%을 사용하는 실리카는 폐철분과 결합하고 건조 후 강도를 유지해 주는 역할을 하고, 1∼3 중량%의 카올리나이트(kaolilite)와 0.3∼0.9중량%의 벤토나이트(bentonite)는 실리카와 폐철분 사이의 결합을 안정되게 하는 역할을 하는 데, 실리카의 경우, 5 중량% 미만을 사용하면 건조 후 브리켓의 원하는 강도를 유지할 수 없고, 9 중량%를 초과할 경우에는 초과량에 비하여 강도에 미치는 영향이 미미하며, 카올라이트의 경우, 1 중량% 미만을 사용하면 벤토나이트와 함께 실리카와 폐철분의 결합에 대한 안정화 효과가 저감되고, 3 중량%를 초과해서 사용하면 초과사용량에 비하여 안정화 효과의 향상이 미미하며, 벤토나이트의 경우, 0.3중량% 미만을 사용할 경우에는 카올리나이트와 함께 실리카의 안정화 효과가 저감되고, 0.9 중량%를 초과할 경우에는 실리카와 폐철분과의 결합을 방해하여 용광로 내의 열간강도를 낮게 하여 용광로 투입 시 브리켓이 부숴져서 돌비를 발생하거나 비산되어 제강원료로 사용할 수 없는 문제점이 발생하기 때문에, 상기 성분의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명에서 실리카, 벤토나이트 및 카올리나이트의 평균입자 크기는 325∼800 메쉬로 하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 카올리나이트와 벤토 나이트는 325∼600메쉬, 실리카는 600∼800 메쉬인 것을 사용한다. 이는 상기 범위 내의 입경을 유지해야 균일하게 폐철분과 결합하여 브리켓 건조 후 원하는 강도로 유지할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명의 천연 유기 바인더는 폐철분과 결합하여 건조 전 강도를 약 50㎏/㎠ 전후로 유지하는 역할을 한다. 이 중 2∼6 중량%를 사용하는 전분은 폐철분에 함유된 수분과 유분과 반응하여 건조 전 폐철분의 강도를 유지하는 주요 성분으로 작용하고, 헥사메타인나트륨[(NaPO₃)₆]과 붕사(borax)는 상호 반응하면서 전분과 폐철분 간의 건조 전 강도를 유지하도록 촉진하는 역할을 하고, 건조 후에는 휘발되어 폐철분과 실리카 및 소량의 벤토나이트와 카올리나이트만이 남는 폐철분의 브리켓이 제조되게 하는 데, 전분의 경우 2 중량% 미만을 사용하면 건조 전 필요한 강도를 유지할 수 없고, 6 중량%를 사용하면 전분의 경화현상이 발생하기 용이해져서 폐철분과의 건조 전 결합력이 저하되며, 0.1∼0.4 중량%의 헥사메타인나트륨과 0.3∼0.9중량%의 붕사 경우, 상기 사용 범위 내에서 사용하면 헥사메타인나트륨과 붕사의 반응으로 전분류의 결합력을 촉진하는 효과가 가장 바람직하게 나타나기 때문에, 상기 성분의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명에 따른 이분형 바인더는 폐철분 브리켓을 성형하고 건조단계를 거치면서 유기바인더는 연소되어 사라지기 때문에, 최종적으로 완성된 브리켓에는 무기 바인더와 폐철분만이 남게 된다.

이와같은 본 발명에 따른 폐철분 브리켓은 용광로에 투입하고 용해하여 제철 공정을 거치는 동안 불순물이 없어서 품질좋은 제철 원료로 사용할 수 있으며 인체에 전혀 유해하기 때문에 환경오염 문제를 저감시키는 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 폐철분 브리켓의 제조방법에 있어서, 상기 (c)의 숙성공정은 1∼3시간정도 상온상태에서 숙성하는 것이 바람직한데, 이는 1시간 미만이 되면 수분과 전분류가 충분히 반응하지 못하여 건조 전 강도를 유지하지 못하고, 3시간을 초과하면 전분류 자체의 경화반응으로 폐철분과 전분류 사이의 결합이 약화되어 건조 전 강도를 유지하지 못하기 때문이다.

또한, 상기 (d)단계의 압력은 20,000∼40,000 psi로 유지하는 것을 특징으로 하는 냉간압연으로 폐철분 브리켓을 제조하는 방법.

그리고, 상기 (d) 단계는 150∼200℃에서 예열을 하고, 300∼400℃에서 건조한 다음, 상온에서 냉각하는 것이 바람직하다. 이는 급격한 높은 온도에서는 브리켓이 부숴지가 쉽기 때문에 브리켓을 예열하여 건조하는 것이 바람직하고, 본 건조 온도인 경우에는 충분히 유기 바인더가 연소되어 소실되면서 무기 바인더와 폐철분과의 결합을 더욱 견고히 해줄 수 있는 온도로 건조하는 것이 바람직한 데, 150℃ 미만인 경우에는 본 건조 온도인 300℃ 이상으로 상승하는 것과 관련하여 온도 차이가 커서 브리켓에 균일이 발생하기 용이해지면서 건조 시간은 연장되고, 400℃를 초과하여 건조할 경우에는 생산원가가 상승하나 이의 효과는 미미하기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 상기 (a) 내지 (e) 공정으로 이루어지는 폐철분 브리켓의 제조방법 이외에, 완성된 폐철분 브리켓을 표준규격에 따라 품질 검사하여 선별하는 단계와 상기 선별된 브리켓을 수요자의 요구에 따라 다양하게 포장하는 단계 를 더 포함할 수 있다. 이때, 품질 검사및 선별 단계와 포장방법은 통상의 방법에 의해 수행하는 데, 이중 품질 규격으로 상온강도는 171kg/㎠, 열간강도는 151kg/㎠ 로 하고, 포장방법은 벌크(Bulk)나 PP 백으로 포장하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 구체적인 실시예에 의해 보다 더 상세히 설명하고자 한다. 하지만, 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 여러가지 변형 또는 수정할 수 있음은 이 분야에서 당업자에게 명백한 것이다.

[실시예 1] 재료 준비

(1) 폐철분

본 실시예에서 사용하는 폐철분은 제철소에서 부산물로 파생되어 모아둔 철가루를 원료로 준비하였다. 이때, 철가루(폐철분)은 자체 고유 수분함량은 8%, 유분 함량은 2% 였다.

(2) 유기 바인더

헥사메타인산나트륨 2㎏, 붕사 5㎏, 전분 50㎏을 균일하게 혼합하여 본 발명에 따른 유기 바인더를 준비하였다.

[실시예 2] 폐철분 브리켓의 제조

(1) 분쇄 및 입도 선별 공정

임펙트 밀분쇄를 통하여 카올리나이트, 벤토나이트는 평균 입경이 325 메쉬(mesh)가 되도록 분쇄한 다음 입도선별하였으며, 실리카는 600 메쉬가 되도록 분쇄 한 다음 입도선별하고, 상기 선별된 카올리나이트 20㎏, 벤토나이트 5㎏ 및 실리카 75㎏을 균일하게 혼합하여 본 발명의 무기 바인더를 준비하였다.

(2) 혼련 공정

상기 실시예 2의 (1)에서 제조한 무기 바인더와 폐철분 843 ㎏를 혼합기에 넣고 입도 편중이 생기지 않도록 볼밀기를 사용하여 약 8분간 1차 혼련을 수행하였으며, 상기 혼련물에 실시예 1의 (2)에서 제조한 유기바인더를 첨가하고 약 2분간 2차 혼련을 수행하였다. 이때, 전체 폐철분 브리켓 조성물의 중량이 1톤이 되도록 하였다.

(3) 숙성 공정

2시간동안 숙성하여 전분류를 중심으로 하는 유기바인더와 폐철분의 수분과 유분과 반응하여 건조 전 강도가 50㎏/㎠ 정도가 되도록 하였다.

(4) 성형 공정

상기 실시예 2의 (3)에서 숙성된 브리켓 조성물을 유압롤성형기에서 30,000psi의 유압을 주면서 직사각형의 브리켓을 다수개로 성형하였다.

이때, 유압롤성형기는 파일롯(pilot) 성형기 20톤 유압자켓을 사용, 60파이 금형을 이용하여 브리켓 시제품을 성형하였다.

(5) 건조 공정

상기 실시예 2의 (4)에서 성형된 브리켓 시제품 30개를 200℃로 미리 예열된 소형전기로인 건조기에 투입 후, 20분간 전 건조를 하고, 다시 350℃로 승온 한 다음, 40분간 건조하였다. 그리고, 전원을 끄고 전기로 문을 열고 서냉하여 본 발명에 따른 브리켓을 완성하였다.

[실시예 3] 품질 검사

본 실시예는 상기 실시예 2의 (5)에서 완성된 브리켓의 품질을 확인하고자, KSL 3114 에 준한 상온 압축 강도(cold crushing strength)와 KSL 3115 방법에 준한 900℃의 열간 압축강도(Hot cold crushing strength)을 측정하고, 구성성분에 따른 함량을 분석하였다.

이의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분		규격	측정치	측정방법
벌크 밀도		5.6 g/㎤	5.6 g/㎤	KSL 3114 방법
상온 압축강도		171 kgf/㎤	171 kgf/㎤	KSL 3115 방법 (내화벽돌과 비교)
열간압축강도(900℃)		151 kgf/㎤	151 kgf/㎤
화학조성비(%)	T Fe		94.99	산화철 포함
	SiO2		3.22
	Al2O3		0.66
	CaO		0.90
	Fe		73.30

이와같이, 본 발명자는 본 발명에 따른 브리켓의 품질 규격은 공식적으로는 신규품으로 규격이 없기때문에, 포스코 HBI의 규격인 상온 강도 250kg/㎠(1,380℃ 기준)를 참조하여 상온강도는 171kg/㎠, 열간강도는 151kg/㎠(900℃ 규격)로 하였다.

이상과 같이, 본 발명은 대형제철소에서 발생하여 폐기되는 철분말의 재활용 할 수 있도록 냉간압연으로 성형접착할 수 있는 비화학적인 천연 바인더를 개발하고, 이를 이용하여 폐철분을 브리켓으로 성형하여 건조하여 철원료의 사용에 요구되는 규격을 만족하는 물성을 구현시킴으로써, 폐철분을 재활용하여 부족한 철원료를 확보하면서 환경오염을 저감할 수 있게 하였다.

뿐만 아니라, 종래 높은 고열에서 브리켓을 제조하지 않고 냉간성형으로 제조할 수 있게 되어, 제철의 생산 원가를 절감하는 효과를 제공하게 되었다.

Claims (5)

1. 폐철분과 바인더가 혼합된 브리켓 제조용 조성물 100중량% 기준으로,

   상기 바인더는,

   카올리나이트 1∼3 중량%, 벤토나이트 0.3∼0.9중량% 및 실리카 5∼9 중량%로 이루어지는 무기 바인더; 및

   전분류 2∼6 중량%, 헥사메타인나트륨[(NaPO₃)₆] 0.1∼0.4 중량% 및 붕사 0.3∼0.9중량%로 이루어지는 유기 바인더를 포함하여 이루어지는 폐철분 브리켓제조용 이분형 바인더.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 무기바인더의 평균 입경은 350 내지 800 메쉬인 것을 특징으로 하는 폐철분 브리켓 제조용 무기 바인더 조성물.
3. 폐철분과 바인더가 혼합된 브리켓 제조용 조성물 100중량% 기준으로,

   (a) 카올리나이트 1∼3 중량%, 벤토나이트 0.3∼0.9중량% 및 실리카 5∼9 중량%로 이루어지는 무기 바인더의 평균입자가 350 내지 800 메쉬로 분쇄하고 입도 선별하는 단계;

   (b) 상기 입도 선별된 무기 바인더와 폐철분 80∼90 중량%를 1차 혼련하고, 상기 혼련된 폐철분에 전분 2∼6 중량%, 헥사메타인나트륨[(NaPO₃)₆] 0.1∼0.4 중량% 및 붕사 0.3∼0.9중량%로 이루어지는 유기 바인더를 첨가하여 2차 혼련하는 단계;

   (c) 상기 혼련물을 1∼3시간 숙성하는 단계;

   (d) 상기 숙성물을 일정 압력하에서 일정 형태로 성형하는 단계; 및

   (e) 상기 성형물을 건조하고 냉각하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐철분 브리켓의 제조방법.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 (e) 단계는 150∼200℃에서 예열을 하고, 300∼400℃에서 건조한 다음, 상온에서 냉각하는 것을 특징으로 하는 폐철분 브리켓의 제조방법.