KR100752918B1 - 폐타이어 분말과 코크스 더스트를 이용한 탄소성형체의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐타이어 분말 탄화체 및 코크스 더스트를 골재로 이용하여 탄소성형체를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 탄화되고 분쇄되어 제조되는 폐타이어 분말 탄화체와 코크스 더스트를 중량비로 각각 2:1 내지 9:1로 혼합하여 탄소질 골재 혼합물을 만들고, 280℃ 이상의 연화점을 가지며 산소함유량이 5 내지 20 중량%인 산화처리 핏치 분말에 상기 탄소질 골재 혼합물을 1 내지 20 중량%로 혼합하여 100 내지 2000kg/cm²로 가압 성형하고 소성하는 방법을 제공하여, 치밀하면서도 고온에서 높은 내산화성을 가져 야금도가니 등으로 이용할 수 있는 탄소성형체를 제조할 수 있게 하여, 폐타이어의 이용성을 높이고 코크스 더스트의 유효이용방법을 새롭게 제공할 수 있게 한다.

폐타이어, 코크스 더스트, 핏치, 산화처리, 탄소성형체

Description

폐타이어 분말과 코크스 더스트를 이용한 탄소성형체의 제조방법{Method of preparing carbonaceous material by using wasted cordless tire power and coke dust}

본 발명은 폐타이어 분말을 탄화체 및 코크스 더스트를 골재로 이용하여 탄소성형체를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단순 매립되거나, 연료, 구조물 등으로 단순하게 처리되고 있는 폐타이어와, 코크스 생산과정에서 발생되고 집진기에 의하여 포집된 미세한 코크스 더스트를 이용하여 내화학성, 내 침식성이 우수한 탄소 성형체를 제조함으로써 고온에서 야금도가니 등으로 사용될 수 있도록 한 탄소성형체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

현재 폐타이어는 매립 또는 소각하여 제거하거나, 또는 토목 재료로 재활용되거나 석탄을 건류하여 코크스를 제조하는 코크스 로에 투입하여 처리되고 있다.　 이러한 방법은 일본특허공개 소62-152040호, 일본특허공개 평1-95188호, 일본특허공개 평1-95189호, 일본특허공개 평1-95190호, 일본특허공개 평1-131293호, 일본특허공개 평1-131294호, 일본특허공개 평1-234494호 등에 개시되어 있다.

또한, 폐타이어를 분쇄한 후 코크스 로에 단독으로 장입하여 건류가스를 얻 는 방법으로는 일본특허공개 평1-131296호에 개시되어 있으며, 일본특허공개 평1-131295호에서는 코크스 제조용 원료로 이용하는 방법이 개시되어 있으며, 그리고 일본특허공개 평9-111245호에서는 석탄과 혼합하여 코크스를 제조하는 방법이 개시되어 있다.

그러나 이러한 폐타이어 처리방법 중 토목재료로 활용하는 방법이나 코크스 제조시 이용하는 방법은 생산성 저하의 문제가 있어 널리 사용되지 못하고 있으며, 실제로는 주로 매립 또는 소각의 방법, 즉 재활용되지 못한 채 단순 폐기되고 있는 실정이다.

또한 종래 탄소 성형체는 메조페이스 입자를 사용하거나(일본특허공고 소63-4016호), 고연화점 핏치와 열경화성 수지를 이용하는 방법(국내특허공개 제99-53883호)으로 제조되었으나 수율이 낮고 공정이 복잡하며 원료 가격이 비싼 문제점이 있었다.

한편 석탄을 건류하여 코크스를 생산하는 과정에서 발생되고 집진기에서 포집되는 코크스 더스트는 0.1mm 이하의 미세한 입도를 가지며, 85% 이상의 고정탄소, 11% 이상의 회분으로 이루어져 있다. 코크스 더스트는 이와 같은 물질 조성 및 크기로 인하여 유효하게 이용되지 못하고 있는 형편이다. 그러나 동시에 이와 같은 코크스 더스트의 물질 특성은 미세한 탄소골재가 요구되는 탄소 성형체 제조에 적합한 성질이라 할 수 있지만, 폐타이어 분말 및 그 탄화체와 마찬가지로 코크스 더스트는 자체적인 점결성이 없어 이들만으로는 성형체를 제조할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 단순 이용에 그치고 있는 폐타이어 및 산업적 이용이 이루어지고 있지 못한 코크스 더스트를 이용하여 특히 야금도가니 등 산업적으로 이용될 수 있는 탄소성형체를 제조할 수 있게 하여, 단순 이용되는 폐타이어의 이용성을 높이는 한편 코크스 더스트 유효이용이 가능하도록 한 폐타이어 분말과 코크스 더스트를 이용한 탄소성형체의 제조방법을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 탄화되고 분쇄되어 제조된 폐타이어 분말 탄화체와 코크스 더스트를 각각 중량비 2:1 내지 9:1로 혼합하여 탄소 골재 혼합물을 얻는 제1공정과, 상기 제 1공정의 탄소골재 혼합물을 280℃ 이상의 연화점을 가지고 산소함유량이 5 내지 20중량%인 산화처리 핏치분말에 1 내지 20중량%로 혼합하여 100 내지 2000kg/cm²로 가압성형하고 소성하는 제 2공정을 포함하는 폐타이어 분말과 코크스 더스트를 이용한 탄소성형체 제조방법이다.

상기 본 발명에서, 상기 산화처리 핏치분말은 핏치를 공기 분위기 또는 산소 분위기에서 200 내지 270℃로 30분 내지 1시간동안 산화처리한 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에서, 상기 소성공정은 불활성 분위기 중에서 800 내지 1000℃의 온도로 30분 내지 1시간 동안 실시하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에서, 상기 폐타이어 분말 탄화체는 폐타이어 분말을 600℃ 이상의 온도에서 30분 이상 불활성 분위기에서 탄화하여 0.1mm 이하로 분쇄되어 제조된 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에서, 상기 산화처리 핏치분말의 입도는 0.1mm 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에서, 상기 코크스 더스트의 크기는 0.1mm 이하이고 그 성분이 고정탄소와 회분으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 산업상의 이용이 어려운 폐타이어와 코크스 더스트를 이용하여 고온에서 사용할 수 있는 탄소성형체를 제조하는 방법으로서, 종래 메조페이스 입자를 사용하는 탄소성형체(일본특허공고 소63-4016호)나 고연화점 핏치와 열경화성 수지를 이용하는 방법으로 얻는 탄소성형체(국내특허공개 제99-53883호)에 비하여 본 발명에서 이용하는 폐타이어와 코크스 더스트는 재활용 자원이므로 훨씬 경제적이며 유기용매와 같은 화약약품 등을 적용하지 않는 단순한 공정으로도 산업적으로 이용될 수 있는 탄소성형체 제조방법을 제공하는 것이다.

폐타이어에서 철제 강선 등 불필요한 부분을 제거하고 고무부와 펠트부 등 고분자 유기물질만으로 이루어진 부분을 선별하여 적당한 크기, 예를 들어 3mm 이하로 분쇄하여 폐타이어 분말을 준비한다. 본 발명에서는 폐타이어 분말이 아니라 폐타이어 분말을 탄화하여 얻어지는 탄화체를 이용하므로 폐타이어 분말의 크기는 중요하지 않으므로 탄화공정의 효율성을 감안하여 파쇄 크기를 결정할 수 있다. 이 폐타이어 분말을 600℃ 이상의 온도에서 30분 이상 불활성 분위기 중에서 탄화하고 0.1mm 이하의 크기로 분쇄하여 폐타이어 분말 탄화체를 제조한다.

상기 폐타이어 분말의 탄화 온도와 시간은 폐타이어의 유기물 중에 포함되어 있는 수소, 질소, 황 등을 충분히 제거할 수 있는 조건이면 특별히 제한되지 않으나, 고온일수록, 그리고 탄화시간이 길수록 유리하며, 본 발명을 실제 적용할 경우에는 공정 비용을 고려하여 결정할 수 있다.

코크스 더스트는 코크스 생산과정에서 발생되고 집진기에서 포집된 0.1mm 이하 크기의 미세한 분체를 그대로 이용할 수 있다. 이 분말은 고정탄소 비율이 85% 이상이며 그 나머지는 무기산화물들로 이루어진 회분이므로, 야금도가니 등 산업적으로 이용되는 탄소질 성형체의 골재로서 별도의 가공 없이 단순건조 등을 거쳐 그대로 이용될 수 있다.

상기 폐타이어 분말 탄화체와 코크스 더스트를 각각 중량비 2:1 내지 9:1로 혼합하여 탄소골재 혼합물을 제조한다. 여기서 폐타이어 분말 탄화체와 코크스 더스트의 비율이 2:1 미만으로 상대적으로 코크스 더스트의 양이 많을 경우에는 그 입자의 형태 및 표면 상태 때문에 골재 분리가 일어나 적절한 혼합이 어려우며, 9:1을 넘어 상대적으로 코크스 더스트의 양이 적을 경우에는 코크스 더스트를 재활용하는 의미가 없다.

결합제로 이용되는 산화처리 핏치분말은 다음과 같이 제조된다. 석유계 또는 석탄계 핏치분말 가운데 연화점이 280℃ 이상인 핏치분말을 0.1mm 이하로 분쇄하고 산소 또는 공기 분위기 중에서 열처리하여 산소 함유량이 5 내지 20중량%가 되도록 한다. 여기서 원료 핏치분말이 석유계이거나 석탄계인 점은 중요하지 않으나 연화점은 280℃ 이상으로 높은 것이 바람직하다. 그렇지 못할 경우에는 후속되는 산화처리 과정에서 핏치분말이 서로 융착하여 덩어리지는 현상이 나타나 충분한 산화처리가 이루어지기 어렵기 때문이다. 또한 분쇄크기는 0.1mm 이하인 것이 바람직한데 그 크기가 0.1mm를 초과하면 산화처리 도중 산소가 핏치 중으로 충분히 확산하여 들어가기 어렵기 때문이다.

상기 핏치 분말의 산화처리에 대한 분위기, 온도 시간 등은 제조된 산화처리 핏치분말 중의 산소함유량이 5 내지 20중량%이고 그 크기가 0.1mm 이하가 되는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 여기서 산소 함유량이 5중량% 미만일 경우에는 후속되는 소성공정에서 휘발분이 지나치게 많이 발생하여 성형체가 팽창될 우려가 있으며 20중량%를 넘으면 고화가 지나치게 일어나 성형체 제조에 필요한 소결성 상실 및 그에 따른 강도 저하가 일어난다.

또한 상기 핏치 분말의 산화처리 방법에는 로터리 킬른이나 텀블링 베드와 같이 핏치 분말에 대하여 산화처리되는 동안 계속적으로 운동성을 부여함으로써 핏치 입자간 결합을 방지할 수 있는 방법이 바람직하다. 산화처리 분위기로는 산소분위기 또는 공기분위기 모두 적용할 수 있다. 공기 분위기는 비용이 저렴한 반면 산소 분위기는 신속한 산화처리가 장점이다.

이 핏치 분말의 산화처리 공정은 200 내지 270℃의 산화온도에서 30분 내지 24시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 산화온도가 200℃ 미만일 경우에도 산화처리는 가능하지만 공정 시간이 대단히 길어져 비경제적이며 270℃를 넘는 경우에는 핏치가 용융하여 서로 부착되어 덩어리를 만들어 충분한 산화처리를 방해하기 쉽게 된다. 산화시간은 산화온도에 반비례하며 200℃ 내지 270℃ 온도 범위에서는 30분 내지 24시간이 바람직하다.

이상과 같이 산화처리된 핏치 분말에 대하여 폐타이어 분말 탄화체와 코크스 더스트로 이루어진 탄소질 골재 혼합물을 1 내지 20 중량% 혼합하고 이 혼합물을 일축성형기 등으로 100 내지 2000kg/cm² 압력으로 가압 성형하여 성형체를 제조한다. 여기서 탄소질 골재 혼합물을 1 중량% 미만일 경우에는 자원 재활용의 산업적 의미가 적으며, 20중량%를 초과할 경우에는 후속되는 소성공정에서 소결성이 저하되어 강도가 떨어진다. 성형압력이 100kg/cm² 미만일 경우에는 성형체 강도가 낮아 부서지기 쉬우며 2000kg/cm²를 초과하면 성형체 내부의 잔류응력으로 인하여 변형 또는 균열발생의 문제가 생긴다.

상기 성형체를 질소 또는 아르곤 등의 불활성 분위기 중에서 800 내지 1000℃로 30분 내지 1시간 동안 소성한다. 소성 온도는 산화핏치 분말의 자기소결성이 충분히 발휘될 수 있도록 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하며 이 경우 소성 시간은 1시간이 바람직하다. 소성 온도가 800℃보다 높을 경우, 예를 들어 1000℃일 경우에는 30분으로도 충분한 소성이 이루어질 수 있다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 이 실시예는 단지 본 발명을 더욱 잘 이해할 수 있도록 제시되는 것이며 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예1>

폐타이어 분말을 600℃에서 1시간동안 탄화하고 0.1mm 이하로 분쇄하고 0.1mm 이하 크기의 코크스 더스트와 5:1의 중량비로 혼합하여 탄소질 골재 혼합물을 제조하였다. 그리고 연화점 310℃의 석탄계 핏치를 0.1mm 이하로 분쇄하고 공기분위기 중에서 250℃에서 1시간 동안 산화처리하였다. 원소분석법으로 확인된 산화처리된 핏치 분말 중의 산소함유량은 5.3중량%였다. 일부 융합된 핏치분말은 막자 사발에서 다시 0.1mm 이하로 분쇄하였다.

산화처리 핏치분말 90중량%에 상기 탄소골재 혼합물을 10중량% 혼합하고 일축성형기를 이용하여 1000kg/cm² 압력으로 높이 10mm, 두께 10mm, 길이 50mm의 직육면체 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체를 질소 분위기 중에서 1000℃로 1시간 동안 소성하였다.

<실시예2>

상기 실시예1에서 산화처리 핏치 분말 95중량%에 탄소질 골재 혼합물을 5중량% 혼합한 것을 제외하고 상기 실시예1과 동일하게 실시하였다.

<실시예3>

상기 실시예1에서 산화처리 핏치 분말 99중량%에 탄소골재 혼합물을 1중량% 혼합한 것을 제외하고 상기 실시예1과 동일하게 실시하였다.

상기 실시예1 내지 3의 방법에 따라 제조된 소성체의 밀도와 압축강도를 측정한 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.

실시예	1	2	3
밀도(g/cc)	1.13	1.21	1.33
압축강도(kg/cm2)	582	634	683

이와 같이 폐타이어 탄화물과 코크스 더스트를 이용하여 성형성과 밀도 및 압축강도가 우수한 탄소성형체가 제조되었다.

<실시예4>

상기 실시예1에서 산화처리 핏치 분말 80중량%에 탄소골재 혼합물을 20중량% 혼합한 것을 제외하고 상기 실시예1과 동일하게 실시하여 실시예1 내지 3과 유사한 탄소성형체가 얻어졌다.

<비교예1>

상기 실시예1에서 산화처리 핏치 분말 70중량%에 탄소질 골재 혼합물을 30중량% 혼합한 것을 제외하고 상기 실시예1과 동일하게 실시하여 얻은 탄소성형체는 그 표면에 부분적으로 균열이 발생되었다.

이상의 본 발명에 의하면, 단순 처리되고 있는 폐타이어와 산업적인 이용이 이루어지지 못하고 있는 코크스 더스트를 이용하여 야금도가니 등으로 산업적으로 이용될 수 있는 탄소성형체를 제조할 수 있게 되므로, 폐타이어의 이용성을 높이는 한편 코크스 더스트의 유효 이용방법이 새롭게 제공되는 이점을 얻을 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 탄화되고 분쇄되어 제조된 폐타이어 분말 탄화체와 코크스 더스트를 각각 중량비 2:1 내지 9:1로 혼합하여 탄소 골재 혼합물을 얻는 제1공정과;

   상기 제 1공정의 탄소골재 혼합물을 280℃ 이상의 연화점을 가지고 산소함유량이 5 내지 20중량%인 산화처리 핏치분말 80 내지 99중량%에 1 내지 20중량%로 혼합하여 100 내지 2000kg/cm²로 가압성형하고 소성하는 제 2공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐타이어 분말과 코크스 더스트를 이용한 탄소성형체 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산화처리 핏치분말은,

   핏치를 공기 분위기 또는 산소 분위기에서 200 내지 270℃로 30분 내지 1시간동안 산화처리한 것인 폐타이어 분말과 코크스 더스트를 이용한 탄소성형체의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 소성공정은,

   불활성 분위기 중에서 800 내지 1000℃의 온도로 30분 내지 1시간 동안 실시하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐타이어 분말과 코크스 더스트를 이용한 탄소성형체의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 폐타이어 분말 탄화체는 폐타이어 분말을 600℃ 이상의 온도에서 30분 이상 질소 또는 아르곤으로 형성한 불활성 분위기에서 탄화하여 0.01mm ~ 0.1mm로 분쇄되어 제조된 것인 폐타이어 분말과 코크스 더스트를 이용한 탄소성형체 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 산화처리 핏치분말의 입도는 0.1mm 이하인 것인 폐타이어 분말과 코크스 더스트를 이용한 탄소성형체 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 코크스 더스트의 크기는 0.01mm ~ 0.1mm이고 그 성분이 고정탄소와 회분으로 이루어진 것인 폐타이어 분말과 코크스 더스트를 이용한 탄소성형체 제조방법.