KR100816793B1

KR100816793B1 - 야금용 코크스 제조방법

Info

Publication number: KR100816793B1
Application number: KR1020010083029A
Authority: KR
Inventors: 최재훈; 이운재; 이상열
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2008-03-25
Also published as: KR20030052899A

Abstract

본 발명은 야금용 코크스의 제조방법에 관한 것으로 특히, 코크스의 제조원가 저감을 위하여 점결성이 매우 약한 비점결탄의 배합비를 증대시키는 동시에 코크스의 강도를 유지시킬 수 있는 야금용 코크스 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이와 같은 본 발명의 야금용 코크스 제조방법은, 배합탄의 강도지수(SI)는 동일 수준으로 유지하면서, 배합탄의 최고 유동도(LMF)는 0.15 내지 0.5만큼 증가되도록 다수종의 원료탄의 배합비를 조정하여 코크스를 제조하는 것을 특징으로 한다. 이 같은 본 발명의 야금용 코크스 제조방법에 의하여 비점결탄의 사용 증대에 따른 코크스 제조원가를 저감시키는 동시에 코크스의 강도를 유지시킬 수 있다.

야금, 코크스, 배합탄, 점결탄, 비점결탄, 강도 지수, 최고 유동도, 조직평형지수

Description

야금용 코크스 제조방법{Preparation method for metallurgical coke}

도 1은 비점결탄 증가 및 배합탄의 유동도에 따른 코크스의 강도 변화를 나타낸 그래프

본 발명은 야금용 코크스의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배합탄의 유동도를 조정하여, 코크스의 제조원가 저감을 위해 비점결탄의 배합비를 증대시킴에 따른 코크스의 강도 저하 현상을 방지하는 동시에 품질을 향상시킬 수 있는 야금용 코크스 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고로에 사용되는 야금용 코크스는 고로 내부의 철광석을 환원시키는 환원재와 고로 내부의 온도를 유지시키기 위한 열원 공급재로서의 역할을 수행할 뿐만 아니라 고로 하부로부터 상부로 흐르는 열풍의 통기성을 유지하는 중요한 역할을 수행한다.

또한, 고강도의 코크스가 원료로 사용되면 고로의 노황이 안정되어 선철의 생산량을 증대시킬 수 있으며, 미분탄의 연소량을 증대시킬 수 있어 연료비의 절감으로 인한 고로의 생산성을 향상시킬 수 있다.

따라서, 가능한한 고강도의 코크스를 고로에 안정적으로 공급하는 것이 고로의 조업 안정에 필수적 요건이라 할 수 있다.

이와 같은 상기한 사유들로 인하여, 고강도의 코크스를 제조하기 위한 많은 노력들이 현재 이루어지고 있는 바, 상기 고강도 코크스를 제조하기 위해서는 점결성이 우수한 원료탄을 사용하는 것이 가장 바람직한 것으로 알려져 있다.

하지만, 상기 점결성이 우수한 원료탄은 부존량이 적고 고가이므로 코크스의 제조원가가 상승되는 단점이 있다.

따라서, 가격은 저렴하지만 점결성이 없거나 미약한 비점결탄(비점결탄 또는 일반탄이라고도 함)을 점결탄과 적정비율로 배합하여 코크스를 제조함으로써 코크스의 제조원가 상승을 억제하고 있는 실정이다.

그러나, 상기 비점결탄의 배합비가 증대되면 제조원가가 저감되는 잇점은 있지만 코크스의 강도가 저하되는 문제점이 남아 있다.

한편, 통상의 코크스 제조에 있어 수십종의 원료탄이 사용되고 있는데, 이것은 코크스 제조용 원료탄을 전량 수입에 의존하는 실정에서 고로 원료의 원활한 수급 측면이 고려되어 있기 때문이다.

따라서, 코크스의 제조를 위한 상기 원료탄의 배합에는 통상 십여종의 원료탄이 투입되고 있으며, 배합방법은 개개의 원료탄 물성을 배합비에 가중 평균하여 산출된 배합탄의 물성치가 코크스 강도 및 주위 환경에 적합한 관리지수 범위에 포 함되도록 한다.

이때, 상기 관리지수에는 코크스 강도를 고려하는 지수와 환경 및 공정을 고려한 측면에서의 유황 및 회분(ash) 함량 등이 포함되어 있다.

한편, 각 원료탄의 물성은 일차적으로 석탄 채광 산지에서 측정되며, 최종 수요가인 제철소에 입하되면 다시 물성을 측정하여 확인하고 있다.

제철소에 입하된 상기 원료탄의 물성 평가 항목은 크게 공업분석, 원소분석, 조직분석, 발열량 및 연화용융특성으로 분류될 수 있다. 이 중에서 조직분석은 광학현미경 관찰에 의하여 석탄 조직을 분석하는 것이며, 평균 반사율이나 강도지수 등이 도출되는 것이다.

그리고, 코크스의 제조공정에 있어서, 코크스의 강도 제어를 위하여 원료탄 배합에 보편적으로 적용되고 있는 것은 각 원료탄의 강도지수(Strength Index:SI)와 조직평형지수(Composition Balance Index:CBI)이다.

상기한 원료탄의 강도지수와 조직평형지수는 미국의 사피로(Schappiro)가 제안한 것으로서, 강도지수가 높으며, 조직평형지수가 1 부근이 되는 배합탄을 제조할수록 고강도 코크스의 제조가 가능하다는 것이다(Journal of The Institute of Fuel, 234page, 1964년).

그러므로, 전세계적으로 유통되고 있는 수 많은 코크스 제조용 원료탄 중에서 강도지수가 높은 동시에 조직평형지수가 낮은 원료탄은 고가에 판매되고 있는 실정이다.

이에 따라, 상기한 고강도 코크스를 제조하기 위하여 가능한한 배합탄의 강 도지수를 상향 조정하는 것이 필요하지만, 제조원가가 상승된다라는 측면에서 제약이 따르고 있는 것이 사실이다.

한편, 야금용 코크스 제조에 사용되는 원료탄을 점결탄과 비점결탄으로 구분하는 것은, 야금용 코크스 제조용 원료탄의 가장 큰 특징으로서 350∼500℃의 온도 영역에서 분말 형태의 석탄이 연와 용융된 후 500℃ 이상의 온도에서 고화되어 괴상의 코크스가 얻어지는 점에 있는데, 상기 비점결탄은 이러한 용융 특성이 매우 미흡하기 때문에 고강도 코크스 제조에는 적합하지 않으며, 또한 배합탄에 다량으로 배합될수록 용융성을 저하시키기 때문에 제조되는 코크스의 강도를 저하시키는 문제가 있다.

이러한 원료탄의 용융 특성을 평가하는 방법으로는 기슬러 플라스토미터 (Gieseler Plastometer)에 의한 방법이 있다(ASTM D2639-74). 상기 방법은, 0.5mm 이하로 미분쇄된 석탄을 실린더형의 용기에 넣고 일정 속도로 승온하면서 교반시킴에 있어, 상기 교반기의 회전수를 측정하며, 상기 회전수의 최대치 로그값(최고유동도:LMF)을 사용하여 원료탄의 유동도를 나타내는 것이다.

상기 원료탄의 유동도 중 최고유동도(이하 "LMF"라 함) 값이 높을수록 유동성이 높은 원료탄으로 분류된다.

일반적으로, 배합탄의 유동도가 너무 낮으면(예를 들어 LMF 2.3 이하), 석탄 입자들 간의 결합력 부족으로 고강도의 코크스가 제조될 수 없으며, 유동도가 너무 높으면(예를 들어 LMF 3.0 이상) 제조된 코크스의 기공과 기공벽의 약화 현상이 발생되므로 야금용 코크스 제조에 적합하지 못한 것으로 알려져 있다.

그리고, 야금용 코크스의 강도에 따른 품질은 규격으로 표준화된 방법에 의하여 평가되고 있는데, 상기 규격으로 표준화된 방법은 상온에서 일정량의 코크스를 드럼에 넣고 상기 드럼을 일정시간 회전시킨 후 전량을 체분하여 일정크기(15 mm) 이상 되는 코크스의 함량을 백분율로 나타낸 것이다. 이것은 상온에서 코크스의 분화특성을 평가하는 것으로 미분으로 분화되는 함량이 작을수록 코크스 강도가 높은 것을 의미한다.

따라서, 드럼 인덱스(Drum Index:DI)로 표기되는 코크스 냉간 강도는 DI 지수가 높을수록 고강도 코크스로 평가된다.

그리고 또한, 일반적으로 코크스는 기공이 많은 다공성 탄소재료이기 때문에 코크스 냉간 강도(DI)는 기공특성과 기공벽의 강도에 의하여 결정되는 것으로 알려져 있다. 즉, 기공벽의 강도는 두꺼울수록 또는 동일 두께의 기공벽인 경우에는 광학적 이방성 구조가 발달할수록 코크스 강도는 향상되는 상관성을 가지고 있다.

고로 조업에 있어서, 각종 원료탄의 수급에 따라 배합되는 원료탄의 탄종 또는 그 배합비는 변하게 되는데, 이것은 상기한 바와 같이 수십 종의 원료탄이 공급되고 있으며, 이 중에서 십 여종의 원료탄만을 적정 비율로 배합하는 조건에서의 필수 불가결한 것이라고 할 수 있다.

또한, 고로에 고품질의 코크스를 일정하게 안정적으로 제공해야 하는 전제 조건 하에서 코크스 품질이 관리기준 이하로 저하되는 현상이 나타나는 경우, 우선적으로 강도지수가 높은 원료탄의 배합비를 증대시킴으로써 코크스의 품질 향상을 도모할 수 있다.

그러나, 이 경우 강도지수가 높은 고가의 원료탄 배합비 증대는 제조원가 상승으로 이어진다는 문제점이 있으며, 또한 강도지수가 높은 원료탄 배합비를 크게 증대시켜도 품질의 향상 효과가 나타나지 않는 경우에는, 코크스 오븐의 온도를 상승시켜야 하므로, 이는 노온 상승에 필요한 에너지가 그 만큼 더 투입되어야한다는 경제적 손실이 따르는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점을 개선하고자 안출된 것으로서, 점결탄 중에서 강도지수는 낮으나 유동성이 우수한 원료탄의 배합비를 조정하거나, 또는 원료탄의 유동성을 고려한 배합으로 배합탄의 최고유동도(LMF)를 증대시킴으로써, 동일 수준의 강도지수를 가진 배합탄에 있어서 비점결탄 사용 증대에 따른 제조원가의 저감을 도모하는 동시에 코크스의 강도 저하를 방지할 수 있는 야금용 코크스 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 야금용 코크스 제조방법은, 다수종의 원료탄을 배합한 배합탄으로부터 코크스를 제조하는 야금용 코크스 제조방법에 있어서, 상기 배합탄의 강도지수(SI)는 동일 수준으로 유지하면서, 상기 배합탄의 최고 유동도(LMF)는 0.15 내지 0.5만큼 증가되도록 상기 다수종의 원료탄의 배합비를 조정하여 코크스를 제조하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 배합탄 중에 비점결탄 함량이 10% 내지 25%인 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 다공체인 코크스의 강도는 기공특성과 기공벽의 두께 및 강도에 의하여 결정되며, 상기 기공벽은 탄소를 중심으로 하는 다양한 코크스 조직을 이루고 있으며, 코크스의 광학적 이방성 조직이 크게 발달할수록 코크스 강도는 향상된다.

상기 코크스의 광학적 이방성 조직은 2∼3개의 밴젠환을 기본 구조로 하는 원료탄이 건류 중 350∼500℃의 온도 영역에서 용융상태에서 진행되는 중합반응 특성에 의하여 결정된다. 다시 말하면, 용융상태의 점도가 낮을 수록(유동성이 높을수록) 벤젠환들의 중합이 촉진되어 더 큰 분자량을 가진 거대 조직으로 성장할 수 있게 된다.

따라서, 배합탄의 유동도 향상은, 용융단계에서 코크스의 광학적 이방성 조직을 개선하는 효과를 부여하기 때문에, 최종적으로 얻어지는 코크스의 강도를 향상시킬 수 있는 것이다.

한편, 강도지수가 높은 원료탄은 벤젠환의 크기가 상당히 발달되어 있기 때문에 이로부터 제조되는 코크스 조직은 광학적 이방성 조직이 쉽게 발달되는 특성을 가짐에 비하여, 비점결탄은 석탄화도가 상대적으로 낮기 때문에 상기 광학적 이방성 조직 발달이 미비하여 코크스의 강도가 낮아지게 된다.

이에 따라, 상기 코크스의 광학적 이방성 조직 발달을 도모하기 위하여 강도지수가 높은 원료탄의 사용량을 높이면, 그 만큼 비용이 상승되는 문제점이 발생된다.

따라서, 본 발명에서는 상기한 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 비점결 탄 배합비를 증대시킴에 따라 상기 배합탄의 유동도가 감소되는 현상을 억제하기 위하여, 강도지수는 낮으나 유동성이 우수한 원료탄의 사용 증대 또는 전체적인 원료탄의 배합비율을 조정함으로써 얻어지는 배합탄의 최고유동도(LMF)를 0.15∼0.5 증가시켜 코크스를 제조함으로써 상기 비점결탄의 사용 증대에 따른 원가절감과 동시에 코크스의 강도 유지를 도모하고자 하는 것이다.

그러나, 이때 코크스 오븐 조업의 조건을 크게 변화시키지 않는 조건에서 배합탄 유동도를 0.5 이상으로 크게 상승시키는 것은 석탄화도 부족에 의한 코크스 강도저하를 초래할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들을 통하여 본 발명의 야금용 코크스 제조방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

(실시예 1)

배합탄 중에 비점결탄 비율이 10%인 경우에 있어, 강도지수(SI)가 4.01이며, 최고유동도(LMF)가 2.55인 배합탄 A와, 유동성이 높은 원료탄을 배합하여 강도지수를 비슷한 수준(4.01과 4.04에서 소수 2번째 자리의 변화는 거의 동일한 강도지수로 볼 수 있음)으로 유지하면서 배합탄의 최고유동도를 2.70으로 증가시킨 배합탄 B를, 테스트 오븐에서 장입 밀도 800Kg/Ton으로 충진한 후 1100℃의 온도에서 코크스를 제조하고, 제조된 코크스의 강도에 대한 비교치를 하기의 [표 1]에 나타내었다.

시료명	배합탄 구성(%)		배합탄 특성			코크스 강도	비고
시료명	점결탄	비점결탄	SI	LMF	CBI	DI¹⁵⁰	비고
배합탄 A	90	10	4.01	2.55	1.27	79.7%	(비교예 1)
배합탄 B	90	10	4.04	2.70	1.16	80.4%	(발명예 1)

상기 [표 1]은 배합탄 유동도 증가에 따른 코크스 강도를 나타낸 것으로서, SI는 강도지수(Strength Index), LMF는 최고유동도 대수값(Logarithmic Maximum Fluidity), CBI는 조직평형지수(Composition Balance Index), DI¹⁵⁰은 드럼 150회전시 코크스 강도(Drum Index)를 각각 나타낸 것이다.

상기한 [표 1]에서 비고의 (발명예 1)에 나타낸 바와 같이, 배합탄의 강도지수를 동일 수준으로 유지하고, 최고유동도를 0.15 증가시켜 코크스를 제조한 경우, 코크스 강도는 79.7%(배합탄 A)에서 80.4%(배합탄 B)로 0.7% 향상됨을 알 수 있었다.

(실시예 2)

배합탄 중에 비점결탄 비율이 15%인 경우에 있어, 강도지수(SI)가 4.01이며, 최고유동도(LMF)가 2.52인 배합탄 C와, 강도지수가 4.02이며, 최고유동도가 2.68인 배합탄 D를, 테스트 오븐에서 장입 밀도 800Kg/Ton으로 충진한 후 1100℃의 온도에서 코크스를 제조하고, 제조된 코크스의 강도에 대한 비교치를 하기의 [표 2]에 나타내었다.

시료명	배합탄 구성(%)		배합탄 특성			코크스 강도	비고
시료명	점결탄	비점결탄	SI	LMF	CBI	DI¹⁵⁰	비고
배합탄 C	85	15	4.01	2.52	1.17	79.3%	(비교예 2)
배합탄 D	85	15	4.02	2.68	1.11	80.0%	(발명예 2)

상기 [표 2]는 상기 [표 1]과 마찬가지로 배합탄 유동도 증가에 따른 코크스 강도를 나타낸 것으로서, 비고의 (발명예 2)에 나타낸 바와 같이, 배합탄의 강도지수가 동일한 조건에서 최고유동도를 0.16 증가시켜 코크스를 제조한 경우, 코크스 강도는 79.3%(배합탄 C)에서 80.0%(배합탄 D)로 0.7% 향상됨을 알 수 있었다.

(실시예 3)

배합탄 중에 비점결탄 비율이 20%인 경우에 있어, 강도지수(SI)가 4.00이며, 최고유동도(LMF)가 2.55인 배합탄 E와, 강도지수가 4.00이며, 최고유동도가 2.70인 배합탄 F를, 테스트 오븐에서 장입 밀도 800Kg/Ton으로 충진한 후 1100℃의 온도에서 코크스를 제조하고, 제조된 코크스의 강도에 대한 비교치를 하기의 [표 3]에 나타내었다.

시료명	배합탄 구성(%)		배합탄 특성			코크스 강도	비고
시료명	점결탄	비점결탄	SI	LMF	CBI	DI¹⁵⁰	비고
배합탄 E	80	20	4.00	2.55	1.25	79.2%	(비교예 3)
배합탄 F	80	20	4.00	2.70	1.19	79.8%	(발명예 3)

상기 [표 3]은 상기 [표 1] 및 [표 2]와 마찬가지로 배합탄 유동도 증가에 따른 코크스 강도를 나타낸 것으로서, 비고의 (발명예 3)에 나타낸 바와 같이, 배합탄의 강도지수가 4.00의 동일한 조건에서 최고유동도를 0.15 증가시켜 코크스를 제조한 경우, 코크스 강도는 79.2%(배합탄 E)에서 79.8%(배합탄 F)로 0.6% 향상됨 을 알 수 있었다.

(실시예 4)

배합탄 중에 비점결탄 비율이 25%인 경우에 있어, 강도지수(SI)가 3.96이며, 최고유동도(LMF)가 2.50인 배합탄 G와, 강도지수가 3.94이며, 최고유동도가 2.66인 배합탄 H를, 테스트 오븐에서 장입 밀도 800Kg/Ton으로 충진한 후 1100℃의 온도에서 코크스를 제조하고, 제조된 코크스의 강도에 대한 비교치를 하기의 [표 4]에 나타내었다.

시료명	배합탄 구성(%)		배합탄 특성			코크스 강도	비고
시료명	점결탄	비점결탄	SI	LMF	CBI	DI¹⁵⁰	비고
배합탄 G	75	25	3.96	2.50	1.21	78.9%	(비교예 4)
배합탄 H	75	25	3.94	2.66	1.19	79.3%	(발명예 4)

상기 [표 4]는 상기 [표 1]과 [표 2] 및 [표 3]과 마찬가지로 배합탄 유동도 증가에 따른 코크스 강도를 나타낸 것으로서, 비고의 (발명예 4)에 나타낸 바와 같이, 배합탄의 강도지수가 동일한 조건에서 유동도를 0.16 증가시켜 코크스를 제조한 경우, 코크스 강도는 78.9%(배합탄 G)에서 79.3%(배합탄 H)로 0.4% 향상됨을 알 수 있었다.

상기한 본 발명의 실시예 1에서 실시예 4까지의 결과를 나타낸 도면인 도 1은 비점결탄 증가 및 배합탄의 유동도에 따른 코크스의 강도 변화를 나타낸 그래프로서, 전체적으로 배합탄 중에 비점결탄 함량이 10∼25% 변화되는 조건에서, 강도지수를 동일 수준으로 유지하면서, 배합탄의 최고유동도(LMF)를 소폭으로 증대시킨 경우 코크스의 강도가 향상됨을 알 수 있다.

일반적으로, 비점결탄 5∼6% 증대시 코크스 강도가 1% 감소되는 점을 감안하면, 배합탄 유동도 증가로 코크스 강도가 평균 0.6% 이상 향상될 수 있다는 것은 배합탄에 비점결탄을 3% 이상 증대하여도 동일 수준의 강도를 가진 코크스가 제조될 수 있음을 의미하며, 이것은 코크스의 강도저하 없이 비점결탄 사용 증대에 따른 원가절감 효과를 얻을 수 있다는 것을 의미하는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명의 야금용 코크스 제조방법은, 점결탄 중에서 강도지수는 낮으나 유동성이 우수한 원료탄의 배합비를 조정하거나, 또는 원료탄의 유동성을 고려한 배합으로 배합탄의 최고유동도(LMF)를 0.15∼0.5 증대시킴으로써, 동일 수준의 강도지수를 가진 배합탄에 있어서 비점결탄 사용 증대에 따른 제조원가의 저감을 도모하는 동시에 코크스의 강도 저하를 방지할 수 있다.

Claims

다수종의 원료탄을 배합한 배합탄으로부터 코크스를 제조하는 야금용 코크스 제조방법에 있어서,

상기 배합탄의 강도지수(SI)는 동일 수준으로 유지하면서, 상기 배합탄의 최고 유동도(LMF)는 0.15 내지 0.5만큼 증가되도록 상기 다수종의 원료탄의 배합비를 조정하여 코크스를 제조하는 것인 야금용 코크스 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 배합탄 중에 비점결탄 함량이 10% 내지 25%인 것인 야금용 코크스 제조방법.