상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 성형탄은,
철분, 탄소, Ca화합물, Mg화합물을 포함하는 슬러지, 더스트 또는 이들의 혼합물: 50중량%이하와 나머지 미분탄으로 이루어지는 주성분과, 이 주성분 100중량부에 대해 결합제가 5~20중량부 포함되어 구성된다.
나아가, 본 발명의 성형탄 제조방법은,
철분, 탄소, Ca화합물, Mg화합물을 포함하는 슬러지, 더스트 또는 이들의 혼합물:50중량%이하와 나머지 미분탄을 혼합하는 단계,
상기 혼합물 100중량부에 대해 경화제인 생석회를 5중량부 이하 혼합하여 숙성하는 단계,
상기 숙성된 혼합물 100중량부에 대해 결합제인 당밀을 5~20중량부 혼합하고 교반하는 단계,
교반한 혼합물을 성형하는 단계를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 미분탄을 신제철공법(파이넥스 또는 코렉스 공정)에 사용하기 위한 연구과정에서, 슬러지나 더스트에는 유효성분이 다량 함유되어 있어 미분탄과 함께 성형탄으로 만들어도 일정 입도 이상의 일반탄을 사용하는 제선공정에서 사용할 수 있다는 사실을 확인하고 본 발명을 완성한 것이다. 이러한 본 발명을 성형탄과 성형탄의 제조방법으로 구분하여 설명한다.
[성형탄]
본 발명의 성형탄은 슬러지 더스트 또는 이들의 혼합물과 미분탄을 주성분으로 하고, 여기에 결합제나 필요에 따라 경화제를 포함한다.
[미분탄]
먼저, 본 발명에서 미분탄은 제선공정(코렉스)에서 입도규정상 사용 못하는 석탄을 원료로 한다. 통상 코렉스 공정에서는 약 8mm를 초과하는 입도의 석탄을 권장하므로, 그 이하의 석탄을 미분탄으로 사용한다. 바람직하게는 약 4mm 이하의 입도를 갖는 것을 사용하는 것이 좋다. 미분탄의 입도가 너무 크면 성형공정에서 큰 성형압력이 필요하게 되어 성형탄에 균열을 일으킬 수 있다. 따라서, 미분탄을 4mm 이하의 입도로 분쇄하여 사용할 수도 있다.
[슬러지, 더스트]
슬러지와 더스트는 제철소(제선, 제강공정 등)내에서 발생한 것을 사용한다. 슬러지와 더스트의 물성은 크게 차이가 없으며 단지 수분함량에 차이가 있다. 슬러지를 건조하면 성상이 더스트와 거의 동일하게 된다.
본 발명에서 슬러지와 더스트는 유효성분인 철분, 탄소, Ca화합물, Mg화합물을 포함한 것이면 어떤 것이던 사용할 수 있다. 물론, 제선공정에서 성형탄으로 재활용하는 측면을 고려할 때, 유효성분의 함량이 높으면 높을수록 좋다. 이들 유효성분의 함량이 슬러지나 더스트의 건조 총중량에 대해 30중량%이상이면 바람직하다.
본 발명에서 슬러지는 건조슬러지 미건조 슬러지 둘 다 사용할 수 있다. 미건조 슬러지는 건조설비가 필요 없으므로 경제적이다.
슬러지는 수분함량이 50중량%이하의 것을 사용한다. 슬러지의 수분함량이 50중량%를 초과하는 경우에는 과다한 수분량으로 인하여 슬러지가 미분탄에 골고루 혼합되지 않고 슬러지 자체가 경단과 같이 뭉쳐있는 현상이 발생한다. 이와 같은 상태에서 제조된 성형탄은 편석된 미건조 슬러지로 인하여 낙하강도와 고온분화 특성이 낮다. 물론, 수분함량이 높은 슬러지를 건조하여 수분함량을 50중량%이하로 낮추어 사용할 수 있다.
본 발명에서 슬러지, 더스트 또는 이들의 혼합물을 50중량%이하로 배합하고, 나머지는 미분탄으로 한다. 슬러지와 더스트의 배합량이 50중량% 보다 많아지면 성형탄의 특성이 열화 되기 때문이다. 슬러지와 더스트는 성상에 큰 차이가 없으므로, 이들의 배합비는 상관이 없다.
[결합제]
본 발명에서 결합제로는 석탄계 피치(pitch), 석유계 비투멘(bitumen), 당밀, 열경화성 수지, 녹말 그리고 시멘트 등이 사용될 수 있으나, 당밀이 가장 바람직하다. 당밀은 고형분 함량이 70 ~ 80 중량%인 것이 좋다. 당밀의 고형분 함량이 70중량% 미만인 경우에는 결합제 특성을 나타내는 당 성분이 적을 수 있으며, 80중량% 초과의 경우에는 점도가 높아서 균일 혼합에 어려움이 있다.
본 발명에서 결합제는 슬러지, 더스트 또는 이들의 혼합물과 미분탄의 100중량부에 대해 5~20중량부 배합한다. 결합제의 첨가량이 5중량부 미만의 경우에는 성형탄의 성형강도가 낮고, 20중량부 초과의 경우에는 경제성이 떨어진다.
[경화제]
본 발명의 성형탄에 경화제를 추가로 첨가할 수 있다.
경화제로는 생석회(CaO), 석회석(Limestone), 철광석(iron ore), 보크사이트(Bauxite)등의 무기물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 미분탄이나 슬러지의 수분과 반응하여 소석회로 전환되면서 발열반응을 일으켜 수분을 제거하는 역할을 하는 생석회가 가장 좋다. 생석회는 입도 1 mm 이하가 바람직하다. 생석회의 입도가 작을수록 비표면적이 넓어 미분탄중의 수분과 반응하여 소석회로의 전환이 용이하다.
경화제는 미분탄, 슬러지, 더스트의 총합의 100중량부에 대해 5 중량부 이하로 배합하는 것이 바람직하다. 경화제의 배합량이 5중량부를 초과하는 경우에는 성형탄의 물성을 떨어뜨릴 수 있다.
[성형탄의 제조방법]
본 발명에서 미분탄, 더스트, 슬러지에 생석회와 당밀을 배합하여 성형탄으로 제조할 때, 이들 원료의 배합순서와 공정조건에 따라 성형탄의 물성이 영향을 받는다. 따라서, 가장 바람직한 제조방법을 도 1을 참고로 설명한다.
먼저 미분탄에 일정량의 슬러지, 더스트 또는 이들의 혼합물 50중량%이하를 혼합한다.
혼합시간은 슬러지의 건조여부에 따라 조절한다. 건조슬러지의 경우에는 3분이하 동안 혼합하고, 미건조슬러지의 경우에는 3~10분 동안 혼합한다.
건조슬러지의 경우 혼합시간이 3분 초과의 경우에는 혼합 시간을 증가시키더라도 혼합 시간 증가로 인한 효과가 그리 크지 않다.
미건조 슬러지의 경우 혼합시간이 3분 미만의 경우에는 미분탄과 미건조 슬러지의 혼합이 완전하게 이루어지지 않고 편석이 있으며, 혼합시간이 10분 초과의 경우에는 앞에서와 마찬가지로 혼합 시간을 증가시키더라도 혼합 시간 증가로 인한 효과가 그리 크지 않다.
혼합한 미분탄, 슬러지, 더스트의 주원료 100중량부에 대해 생석회를 5중량부 이하로 혼합한다. 이때 혼합은 믹서혼합기를 이용하면 균일혼합을 도모할 수 있으며, 혼합시간은 1~3분이면 충분하다.
생석회를 혼합한 다음에 숙성한다. 숙성은 생석회가 소석회로 전환되도록 하는 것이다. 혼합기에서도 생석회가 소석회로 전환되지만, 체류시간이 짧아 제한적일 수 밖에 없다. 따라서, 호퍼와 같은 저장용기에서 장시간 보관하는데, 보관시간은 2분에서 2시간 정도면 숙성이 완료된다.
숙성한 원료에 결합제인 당밀을 5~20중량부 혼합한다. 당밀과의 혼합기도 믹서혼합기를 이용할 수 있다.
당밀과 혼합한 다음에 교반한다. 당밀의 수분과 미반응 생석회가 반응하여 소석회 로 전환되며, 칼슘당산염 결합의 화학반응이 일어나는데, 당밀과의 혼합기내에서는 체류시간이 짧아 제한적일 수 밖에 없다. 혼합물의 체류시간을 연장시키려면 일정 시간동안 교반하여 칼슘당산염 결합의 화학반응에 의한 경화반응에 의해 성형탄의 강도가 증진된다. 교반은 믹서혼합기 보다는 혼련기의 일종인 니더기에서 행하는 것이 좋다. 니더기는 날개가 부착된 중앙 축을 가진 수직 원기둥 모양의 통으로 구성된 것으로, 장입물을 교반시킨다.
교반시간은 2~50분으로 하는 것이 바람직하다. 교반시간이 2분 미만의 경우에는 교반시간의 부족으로 성형탄의 강도가 저하되며, 교반시간이 50분 초과할 경우에는 혼합물이 건조되어 성형시 강도가 저하된다.
상기와 같이 교반한 다음, 성형한다. 성형은 롤프레스에서 일정압력으로 성형탄을 제조한다.
본 발명에 따라 제조된 성형탄은 그 수분량이 30중량%를 초과하는 경우에는 낙하강도와 고온분화 특성이 낮아지므로, 성형탄의 전체수분량이 30중량%이하가 되도록 전공정을 관리하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
실시예 1은 건조된 슬러지 또는 더스트를 재활용하여 성형탄을 제조하는 방법이고,
실시예 2는 미건조 슬러지를 직접 재활용하여 성형탄을 제조하는 방법이다.
[실시예 1]
표 1의 건조슬러지 및/또는 더스트 10 중량%와 입도 4 mm 이하의 미분탄을 3분 이하 동안 혼합하였다. 건조슬러지는 슬러지를 로타리 킬른로에서 건조한 것이다.
건조 슬러지의 화학성분(중량%) |
구분 |
T.Fe |
C |
CaO |
MgO |
Total |
A |
42.37 |
25.00 |
2.78 |
0.58 |
70.73 |
B |
17.46 |
37.20 |
5.45 |
0.99 |
61.10 |
C |
12.13 |
46.80 |
6.00 |
2.30 |
67.23 |
D |
40.33 |
5.89 |
7.97 |
1.01 |
55.20 |
E |
71.96 |
1.46 |
- |
- |
73.42 |
A는 제철소의 고로슬러지 B는 제철소의 선강종말슬러지 C는 오니처리설비 슬러지 D는 소결 더스트 E는 선재 더스트 |
혼합한 건조슬러지 및/또는 더스트와 미분탄 100중량부에 대해 경화제로 생석회 3 중량부를 혼합하였다. 이 혼합물을 2 분 ~ 2 시간 동안 숙성한 다음, 미분탄과 건조슬러지 및/또는 더스트 100중량부에 대해 결합제로 당밀을 8 중량%를 혼합하였다. 이어 2 ~ 50 분 동안 교반하고 상온에서 성형탄을 제조한 다음, 성형탄의 낙하강도, 고온분화, 동적고온분화를 조사하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
낙하강도는 제조된 성형탄을 5 m 높이에서 4회 낙하 시험한 후 얻어진 입도에서 조립과 미립의 분율을 나타낸 것이다. 고온분화는 제조된 성형탄을 1000 ℃로 유지된 반응로에서 반응시켜 얻어진 석탄 챠(char)의 입도에서 조립과 미립의 분율을 나타낸 것이다. 고온동적분화는 제조된 성형탄을 900 ℃로 유지된 회전식 반응로에서 얻어진 석탄 챠의 입도에서 조립의 분율을 나타낸 것이다. 이상의 특성평가 결과에서 일반적으로 조립의 비율은 클수록, 미립의 비율은 작을수록 우수한 특성을 가지고 있다.
성형탄 |
낙하강도 (조립비율) |
낙하강도 (미립비율) |
고온분화 (조립비율) |
고온분화 (미립비율) |
고온동적분화 (조립비율) |
A |
87.4 |
7.4 |
60.5 |
1.6 |
50.5 |
B |
76.4 |
13.8 |
61.3 |
1.2 |
51.2 |
C |
91.4 |
5.0 |
54.2 |
1.3 |
48.6 |
D |
82.6 |
8.5 |
63.5 |
2.1 |
47.5 |
E |
88.7 |
5.7 |
67.3 |
1.8 |
56.3 |
A+D |
79.4 |
10.3 |
62.8 |
2.0 |
52.8 |
B+E |
83.1 |
4.7 |
59.6 |
1.8 |
51.1 |
괴탄 |
78.7 |
10.4 |
60.2 |
4.6 |
50.2 |
상기 표2의 A는 제철소의 고로슬러지, B는 제철소의 선강종말슬러지, C는 오니처리설비 슬러지, D는 소결 더스트 및 E는 선재더스트이다. 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에서 제조된 성형탄(A, B, C, D, E, A+D, B+E)는 괴탄의 특성과 동일한 수준이거나 우수함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 성형탄은 일반탄을 사용하는 용철제조공정에서 충분히 사용 가능함을 알 수 있다.
[실시예 2]
표 3의 미건조슬러지 또는 미건조슬러지 및 더스트 또는 미건조 슬러지 및 건조 슬러지 또는 미건조슬러지 및 더스트 및 건조 슬러지 혼합물의 10중량%와 4 mm 이하인 미분탄 90중량%를 3~10분 동안 혼합하였다.
미건조 슬러지의 화학성분(중량%) |
|
T.Fe |
C |
CaO |
MgO |
Total |
수분 |
F |
35.94 |
30.4 |
3.81 |
0.56 |
70.71 |
15.7 |
G |
40.40 |
22.4 |
3.90 |
0.57 |
67.27 |
16.3 |
H |
29.81 |
28.4 |
5.17 |
1.54 |
64.92 |
42.4 |
D |
40.33 |
5.89 |
7.97 |
1.01 |
55.20 |
1.5 |
E |
71.96 |
1.46 |
- |
- |
73.42 |
3.2 |
F는 고로슬러지 1 G는 고로슬러지 2 H는 COREX 슬러지 D는 소결 더스트 E는 선재 더스트 |
이 혼합물 100중량부에 대해 경화제로 생석회 3 중량부를 혼합하고 2 분 ~ 2 시간동안 숙성하였다. 숙성된 혼합물에 미건조슬러지 또는 미건조슬러지 및 더스트 혼합물과 미분탄 100중량부에 대해 결합제로 당밀을 8 중량부 혼합하였다. 이 혼합물을 2 ~ 50 분동안 교반한 후 성형탄으로 제조하였다.
성형탄 |
슬러지(건조) |
슬러지(미건조) |
|
낙하강도 |
고온분화 |
낙하강도 |
고온분화 |
F |
93.3 |
56.8 |
83.7 |
85.2 |
G |
86.3 |
82.3 |
88.9 |
77.9 |
H |
70.2 |
79.2 |
92.9 |
75.1 |
F+D |
84.5 |
69.7 |
89.4 |
77.4 |
G+E |
91.5 |
80.2 |
84.5 |
81.2 |
A+F |
76.4 |
77.3 |
80.5 |
83.2 |
A+F+D |
88.4 |
83.2 |
90.5 |
81.8 |
괴탄 |
78.7 |
60.2 |
- |
- |
상기 표4의 A는 제철소의 고로슬러지, D는 소결더스트, E는 선재더스트, F는 상기 표3에 기재된 고로슬러지1, G는 상기 표3에 기재된 고로슬러지2 및 H는 COREX슬러지이다. 표 4에 나타난 바와 같이, 미건조한 슬러지를 이용하여 제조된 성형탄은 괴탄의 특성과 동일한 수준이거나 우수하므로, 일반탄을 사용하는 용철제조공정에서 충분히 사용 가능함을 알 수 있었다.