KR100799425B1 - 타르슬러지를 이용한 탄소성형체 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반 제철소 제선공정 중 일부인 코크스 생산과정에서 부산물로 얻어지는 타르슬러지를 이용한 탄소성형체 제조방법에 관한 것으로서, 타르슬러지 중의 고형분을 기계분쇄하여 미립화하고 공기 취입 열처리를 한 후 가압성형하고 소성하여 탄소성형체를 제조하는 방법을 제공하여, 연료로서 단순 이용되는 타르슬러지를 고부가가치적으로 이용할 수 있게 한다.

타르슬러지, 분쇄, 열처리, 가압성형, 성형체

Description

타르슬러지를 이용한 탄소성형체 제조방법{Method of preparing carbonaceous by tar sludge}

본 발명은 일반 제철소 제선공정 중의 일부인 코크스 생산과정에서 부산물로 얻어지는 타르슬러지를 이용한 탄소성형체 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 현재 단순 연료로 이용되고 있는 타르슬러지 중의 고형분을 분쇄하여 골재화하고 열처리하여 탄소성형체를 제조할 수 있게 함으로써, 고온용 야금도가니, 탄소 블록 등으로 이용할 수 있도록 한 타르슬러지를 이용한 탄소 성형체 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 철광석, 석회석, 코크스를 이용하여 쇳물을 제조하는 일반 제철공정에서는 코크스 생산 및 이용 과정에서 타르가 부산물로 얻어지며, 이 타르를 저장하는 타르 침전조 하부에 슬러지가 침강하여 주기적으로 발출되는데, 이를 타르 슬러지라 한다. 이러한 타르 슬러지는 높은 유동도를 가지는 타르와 화학적으로 안정된 고체입자로 이루어져 그 점도가 높으나, 석탄화학공업의 기초원료로서 사용되는 타르와 달리 내부에 포함된 고체입자로 인하여 그 이용이 제한되어 왔다. 그 제한적 이용방법에는 다음과 같은 기술들이 공지되어 있다.

그 하나는 연료로서 이용하는 것인데, 분코크스, 타르슬러지, 활성오니 슬러지, 타르안수 에멀젼 등의 제철소 화성부산물들로 연료를 만들어 고로 송풍구를 통하여 취입하는 방법[일본 공개특허공보(A) 평5-117728호], 타르 슬러지를 분쇄하고 80-120℃로 가열하여 산업용 로에서 버너로 연소하는 방법[일본 공개특허공보(A) 소55-066992호] 등과 같은 방법이 알려져 있다.

또 다른 예로서는 원료탄을 분쇄한 후 코크스 로에 장입하여 코크스를 제조하기 위하여, 분쇄 전의 석탄에 타르 슬러지를 첨가하고, 그 후의 분쇄공정에 있어 석탄과 타르슬러지와의 혼합도를 좋게 하여 코크스 로 장입탄의 고밀도화를 도모하는 방법[일본공개특허공보(A) 평4-270790호]가 있다.

현재 산업적으로는 단순연료로 이용되는 것이 일반적인데, 환경규제 강화에 따라 앞으로 연료로서의 이용에는 제약이 따를 것으로 판단됨과 동시에 점도가 낮은 타르 슬러지를 그대로 장입탄에 섞어 투입할 경우에는 지나치게 많은 휘발분이 건류 도중 많은 기공을 생성시켜 코크스 강도를 저하시킨다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 타르슬러지의 이용을 제한하고 있는 고체입자를 분쇄하여 오히려 탄소성형체의 골재로서 적절히 이용할 수 있게 함으로써 별도의 골재 첨가 공정 없이 비교적 단순하고 간단한 처리에 의해 탄소성형체를 제조할 수 있게 하여, 단순 이용되던 타르슬러지의 효율적이고 고부가가치적인 이용이 가능하도록 한 타르슬러지를 이용한 탄소성형체 제조방법을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 타르슬러지 중의 고형분을 분쇄하여 미립화하고, 공기를 취입하며 열처리하여 자기소결성을 가지는 분체를 제조하는 제 1공정과, 상기 제 1공정에서 제조된 분체를 100 내지 2000kg/cm²으로 가압성형하고 소성하는 제 2공정을 포함하는 타르슬러지를 이용한 탄소성형체 제조방법이다.

상기 본 발명에서, 제 1공정의 공기취입 열처리 조건은 그 온도가 350℃ 내지 450℃이고 시간은 30분 내지 1시간인 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에서, 제 2공정의 소성공정은 불활성 분위기 중에서 800℃ 내지 1000℃의 온도로 30분 내지 1시간 동안 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에서, 상기 제 1공정에서 제조되는 타르슬러지와 자기소결성을 가지는 분체의 크기는 0.1mm 이하인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 타르슬러지를 분쇄하고 열처리하여 가압성형하고 소성함으로써 성형체를 제조하는 방법으로서, 타르 침전조에서 발출된 타르슬러지를 기계적으로 분쇄하여 내포되어 있는 고체입자들을 0.1mm 이하로 미립화하고, 이를 350℃-450℃에서 30분-1시간동안 공기를 불어넣으며 열처리한 후, 100-2000kg/cm²으로 가압성형한 후 800℃-1000℃에서 30분-1시간동안 아르곤 또는 질소 등의 불활성분위기 중에서 소성하는 탄소 성형체 제조 방법이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 사용되는 타르슬러지는 타르침전조에서 발출된 것으로서 타르성분 70%, 고형분 30%이며 고형분의 97% 이상이 0.5mm 이하 입도를 가진다. 고형분의 대부분은 미세한 코크스이며 일부는 미세한 석탄입자일 수 있다.

탄소성형체의 골재 크기는 본 발명이 목적하는 용도에 따라 0.1mm 이하로 조절되는 것이 바람직하다. 소규모로는 볼밀 등을 이용할 수 있으며 좀 더 큰 규모에서는 롤밀이나 진동밀 등을 적용할 수 있다. 타르슬러지의 약 70%는 타르이므로 별도의 미디어는 필요하지 않으나 분쇄 조작 중의 발열 등에 의한 발화 및 산화 방지에 대하여는 일반적인 유기용매 취급 규정을 준수할 필요가 있다.

분쇄된 타르슬러지는 용기 하부로부터 공기를 불어 넣으며 가열할 수 있는 반응기에 넣어져 열처리된다. 보다 바람직하게는 열처리 중 기계적 연속교반이 가능한 반응조를 이용할 수 있다. 열처리 온도는 350℃-450℃, 열처리 시간은 30분-1시간이 적합하며 그 온도와 시간은 열처리가 완료된 타르슬러지 케이크의 연화점이 280℃ 이상이 되도록 조절되는 것이 바람직하다.

열처리가 완료된 타르슬러지 케이크는 0.1mm 이하로 분쇄하고 100-2000kg/cm²으로 일축 성형 또는 등방 가압성형하여 성형체를 제작한다. 성형압력이 100kg/cm²보다 낮으면 성형체의 강도가 작아 부서지기 쉬우며 2000kg/cm²을 넘으면 성형체 내부의 잔류응력으로 인한 변형 및 균열발생 문제가 생기기 쉽다.

이 성형체는 질소 또는 아르곤 등의 불활성 분위기 중에서 800℃-1000℃에서 30분-1시간 동안 소성한다. 소성온도는 공기취입에 의한 타르슬러지 케이크의 자기소결성이 충분히 발휘될 수 있도록 800℃ 이상인 것이 바람직하며 이 경우 소성시간은 1시간이 바람직하다. 소성온도가 더 높아 1000℃인 경우에는 30분으로 본 발명이 목적하는 용도를 위한 충분한 소성이 가능하다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 제시한다. 그러나 이 실시예는 본 발명을 내용을 더욱 잘 이해할 수 있도록 하기 위한 것으며 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

타르슬러지와 직경 10mm 및 1mm 철구(무게비 1:1)를 마개가 있는 폴리에틸렌 용기에 부피비로 1:1로 넣고 점착성 테이프로 기밀한 후 볼밀에서 48시간 회전시켰다. 볼밀이 완료된 후 고체입자의 평균 입경은 약 0.05mm였으며 0.1mm 이상의 고체입자는 발견되지 않았다. 분쇄가 완료된 타르슬러지를 회분식 가열반응기에 넣고 직경 1mm 스테인리스 강관을 통하여 분당 1L 의 유량으로 공기를 취입하면서 아래 표 1과 같은 조건에 따라 열처리하고 고형체를 얻었다. 이 고형체를 분쇄하여 0.1mm 이하의 분체로 만들고 ASTM E28에 의하여 연화점을 측정하였다.

시료	1	2	3
온도(℃)	350	400	450
시간(분)	60	45	30
수율(%)	58.2	57.1	56.6
연화점(℃)	283	288	285

<실시예2>

상기 실시예1의 시료를 일축성형기로 1000kg/cm²의 성형압에 의해 높이 10mm, 두께 10mm, 길이 50mm의 직육면체 성형체를 제조하였다.　 제조된 성형체는 질소 분위기 중에서 1000℃로 30분간 소성하고 밀도와 압축강도를 측정하였다. 그 결과가 아래의 표 2이다.

시료	1	2	3
밀도(g/cc)	1.14	1.21	1.17
압축강도(kg/cm2)	712	687	743

이상과 같이 실시예1과 실시예2를 통하여 성형성이 우수하고 소성체의 밀도와 강도가 우수한 탄소성형체가 제조되는 것을 확인하였다.

<비교예1>

상기 실시예에서 열처리 조건을　 300℃ 및 1시간으로 한 경우 연화점은 235℃로서 성형체를 제조하는 과정에서 성형 몰드에 성형체 일부가 점착하여 박리되는 문제가 발생하였으며, 소성 후에는 표면 및 내부에 거품형상의 결함이 다수 발견되어 본 발명이 목적하는 성형체의 용도에 부적합함을 확인하였다.

<비교예2>

상기 실시예에서 열처리조건을 500℃ 및 30분으로 한 경우에는 점결성분이 매우 적어져, 보유하고 있는 Mettler FP90 연화점 측정장치를 이용한 연화점 측정이 불가능할 정도로 연화점이 높았으며, 그 때문에 일축성형기를 이용하여 2000kg/cm²으로 성형하여도 매우 쉽게 부스러져 성형체를 얻을 수 없었다.

이상의 본 발명에 의하면, 단순히 연료로서 이용되고 있는 타르슬러지를 이용하여 야금용 도가니, 탄소블록 등으로 이용할 수 있는 탄소성형체를 제조할 수 있게 되므로, 별도의 골재 첨가 공정이 없이도 비교적 단순하고 간단한 처리에 의해 탄소 성형체의 제조가 가능하게 되는 이점이 있으며, 또한 이로써 단순 이용되고 있던 타르슬러지의 효율적이면서도 고부가 가치적인 이용이 가능하게 되는 등의 이점을 얻을 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 타르슬러지와 직경 10mm 및 1mm 철구(무게비 1:1)를 마개가 있는 폴리에틸렌 용기에 부피비로 1:1로 넣고 점착성 테이프로 기밀한 후 볼밀에서 48시간 회전시켜 타르슬러지 중의 고형분을 분쇄하고,

   분쇄가 완료된 타르슬러지를 회분식 가열반응기에 넣고 직경 1mm 스테인리스 강관을 통하여 분당 1L 의 유량으로 공기를 취입하면서 열처리하되, 그 온도가 350℃ 내지 450℃이고 시간은 30분 내지 1시간의 조건으로 열처리하여, 그 크기가 0.1mm 이하인 자기소결성을 가지는 분체를 제조하는 제 1공정과,

   상기 제 1공정에서 제조된 분체를 100 내지 2000kg/cm²으로 가압성형하되, 높이 10mm, 두께 10mm, 길이 50mm의 직육면체로 성형하고,

   상기 성형체를 소성하되, 불활성 분위기 중에서 800℃ 내지 1000℃의 온도로 30분 내지 1시간 동안 실시하여 소성하는 제 2공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 타르슬러지를 이용한 탄소성형체 제조방법.
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