상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 배합탄에 의해 제조된 코크스의 품질을 예측하기 위하여, 상기 배합탄으로 된 시료를 장입밀도 0.8∼1.1ton/m3, 입도는 3mm이하인 입자가 85~90% 되도록 크기 15×20×30mm∼15×15×20mm의 시료통에 넣는 단계; 상기 시료를 건류하는 단계; 상기 시료를 압축속도 20∼30m/min로 압축하는 단계; 및 상기 압축강도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원료탄의 열간 압축강도를 이용한 코크스 제조용 석탄의 압축강도를 측정하는 방법을 제공한다.
상기 압축온도는 850∼900℃인 것이 바람직하고, 상기 압축강도는 최대 피크점과, 제1차 및 제2차 피크점으로 측정하는 것이 바람직하다.
이하, 상기한 본 발명을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 코크스의 품질관리를 위하여 원료탄을 규정된 가열로에서 가열하 여 건류시킨 후, 냉각하지 않고 압축하여 파쇄되는 강도를 측정하는 방법에 관한 것이다. 즉, 측정하고자 하는 원료탄을 일정한 조건의 시료를 만들어 주어진 조건으로 가열한 후, 그대로 압축하여 파쇄되는 특성을 이용하여 원료탄의 품질 특성을 파악하는 방법이다.
본 발명은 압축강도를 측정하여 품질을 평가하는 방법을 특징으로 하고 있으며, 측정 시간을 단축하기 위하여 최종 건류 온도를 정하고, 측정되는 압축강도 간의 편차를 최소화하기 위한 입도, 장입밀도, 그리고 시료의 크기를 결정하는 실험을 하였다.
분석시간을 축소하기 위하여는 원료탄의 품질 특성을 잘 표현하는 수준에서 최대한 낮은 건류 온도가 되어야 한다. 측정시간의 단축은 품질 관리 조정(Feed Back) 시간을 단축하는 의미가 있으므로 매우 중요하다. 실혐결과는 표1과 같다.
순서 |
건류온도 (℃) |
측정시간 (시간) |
시료갯수 |
평균압축강도 (Kgf/cm2) |
표준편차 |
1 |
700 |
4 |
5 |
350 |
31 |
2 |
800 |
4.4 |
5 |
416 |
19 |
3 |
850 |
4.8 |
5 |
494 |
10 |
4 |
900 |
5.0 |
5 |
512 |
11 |
5 |
950 |
5.3 |
5 |
514 |
10 |
표1에서 보는 바와 같이, 건류온도가 높을수록 압축강도가 높은 현상을 보이나 이때는 건류시간이 크게 증가한다. 압축강도를 정확히 표현하면서 데이터의 안정성을 확보할 수 있는 온도는 최저 850℃로 확인되었다. 따라서, 건류 온도는 850~900℃가 바람직하며 이때, 최소의 건류시간에 안정된 측정 결과를 얻을 수 있다. 측정된 값들의 편차는 낮은 온도에서 크다가 건류온도가 높을수록 안정되어 850℃ 이상에서는 10수준으로 일정하게 유지된다.
본 발명의 시료는 분석용 시료이므로, 적은량의 원료탄을 건류하게 되고 따라서, 입도가 품질의 안정성에 미치는 영향이 크게 된다. 입도가 낮아서 입경이 크게 되면, 석탄 하나의 입자가 전체 시료에서 차지하는 비중이 커지고 샘플링에 따른 편차가 커지기 때문이다. 적절한 입도를 알기 위해, 석탄을 여러가지 입도로 파쇄하여 압축강도 측정을 실시하였다. 장입탄의 입도(입자의 크기, 직경이 3mm이하가 되는 입자의 전체 시료량에 대한 중량 퍼센트로 표현함)에 따른 압축강도와 편차를 표2에서 나타내었다.
순서 |
입도(%) |
시료갯수 |
평균압축강도 (Kgf/cm2) |
표준편차 |
1 |
75 |
5 |
411 |
14 |
2 |
80 |
5 |
415 |
12 |
3 |
85 |
5 |
431 |
9 |
4 |
90 |
5 |
435 |
10 |
5 |
95 |
5 |
429 |
13 |
입도에 따른 압축강도의 편차는 85%수준에서 안정되었다. 입도가 85% 미만이면 압축강도가 충분히 측정되지 않을 수 있고, 85%이상이 되면 압축강도의 증가가 거의 없었으며 측정 데이터들의 표준편차가 9~10으로 안정되었으며, 90%를 초과하는 경우는 압축강도가 다시 작아지고 편차가 커질 우려가 있다. 따라서, 입도는 85~90%가 바람직하며, 안정된 데이터를 얻을 수 있는 조건이 된다.
장입밀도는 일정한 조건에서 건류시간과 압축강도의 안정에 필요한 것이다. 장입밀도가 높으면 코크스 강도가 높아지고 실험의 재현성이 높아진다. 장입밀도에 따른 압축강도와 편차를 표3에 나타냈다.
순서 |
장입밀도 (ton/m3) |
시료갯수 |
평균압축강도 (Kgf/cm2) |
표준편차 |
1 |
0.6 |
5 |
398 |
24 |
2 |
0.65 |
5 |
407 |
20 |
3 |
0.70 |
5 |
414 |
16 |
4 |
0.75 |
5 |
419 |
13 |
5 |
0.80 |
5 |
487 |
9 |
6 |
1.10 |
5 |
490 |
9 |
장입밀도는 석탄 입자간의 거리를 조정하여 건류을 일정하게 하여 석탄의 특성을 잘 구현하도록 하는 것이다. 실험결과 0.8~1.1ton/m3수준에서 가장 안정되었다. 0.8ton/m3미만인 경우에는 편차가 심하고 압축강도 또한 충분히 나타나지 않을 수 있으며, 1.1ton/m3를 초과하면 압축강도는 높으나 표준편차가 줄어들지 않게 될 수 있다. 따라서 표준편차가 안정되는 0.9ton/m3수준에서 측정함이 가장 바람직하다. 또한, 실제적으로 장입밀도를 1.1ton/m3이상으로 높이기 어렵다.
시료의 크기는 측정 시간에 결정적인 영향을 주는 것이기 때문에 중요한 요인이 된다. 왜냐하면, 본 발명의 방법은 공정에서의 원료탄 품질을 파악하기 위한 것이기 때문에, 가장 짧은 시간에 안정된 데이터가 나와야 공정분석에 적용할 수 있기 때문이다. 실험결과는 표4와 같다.
순서 |
두께 (mm) |
가로×세로 (mm) |
시료갯수 |
건류시간 (분) |
평균압축강도 (Kgf/cm2) |
편차 |
1 |
5 |
15×20 |
5 |
29 |
268 |
24 |
2 |
5 |
20×30 |
5 |
30 |
271 |
21 |
3 |
10 |
15×20 |
5 |
37 |
342 |
11 |
4 |
10 |
20×30 |
5 |
38 |
346 |
13 |
5 |
15 |
15×20 |
5 |
43 |
435 |
9 |
6 |
15 |
20×30 |
5 |
45 |
439 |
9 |
7 |
20 |
15×20 |
5 |
49 |
428 |
10 |
8 |
20 |
20×30 |
5 |
51 |
431 |
15 |
시료의 조건은 입도 85%, 장입밀도 0.9ton/m3, 건류온도 850℃로 하였다. 건류시간이 50분이하 이면서 안정된 편차를 갖는 시료의 크기는 15(두께)×15(가로)×20(세로)mm~15(두께)×20(가로)×30(세로)mm에서 안정된 값을 보였다. 시료의 크기를 줄일수록 건류시간이 줄어들어 측정시간을 단축할 수 있다. 그러나 15(두께)×15(가로)×20(세로)mm미만이면 탄의 입자 하나가 차지하는 비중이 커지기 때문에 측정결과의 편차가 커질 우려가 있다. 반대로 15(두께)×20(가로)×30(세 로)mm를 초과하면 건류시간이 많이 소요될 수 있을 뿐만 아니라, 시료의 건류가 양쪽에서 시작되어 진행되기 때문에 중간부분에서 균열이 발생할 수 있다. 이렇게 되면 압축강도가 측정이 안되고 압축 중에 분열되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 여러 형태를 만들어서 측정한 결과 압축강도 측정에 안정성을 주면서 건류시간을 줄일 수 있는 범위로서 시료의 크기는 15(두께)×15(가로)×20(세로)mm~15(두께) ×20(가로)×30(세로)mm이 바람직하다. 실험결과에서 두께가 미치는 영향이 큰 것을 알 수 있다.
압축강도와 유사한 일반적인 방법은 굽힘강도, 파괘강도, 인장강도 등이다. 종래의 상기와 같은 각종의 강도들과 본 발명에서 측정하는 방법의 차이점은 다른 종전의 방법들은 피크점(Peak)이 하나만 나오지만, 본 발명에 따른 방법은 압축을 연속적으로 하여 2차 피크점이 발생한다는 점이다. 이 두 개의 피크점을 평균하여 압축강도로 사용하거나 각각의 피크점을 해석하여 압축강도값으로 활용할 수 있다.
또한, 압축하는 속도에 따라서 2차 피크점의 높이가 다르다는 점이다. 1차 파쇄후 빠른 속도로 압축해야 파쇄된 덩어리가 떨어지지 않고 2차 파쇄점에 이르는데, 이를 위하여 압축 속도 20~30m/min에서 압축을 해야 1차 피크점 및 2차 피크점의 안정된 값을 얻을 수 있다(도3). 압축 속도가 20m/min미만이면 1차 파쇄후 파쇄된 덩어리가 떨어져서 분리될 우려가 있어 2차 파쇄점이 충분히 나타나지 않을 우려가 있고, 압축 속도가 30m/min를 초과하여도 2차 파쇄점에서의 압축강도가 거의 상승하지 않게 된다.
본 발명에서는 일정한 시료를 만들어 건류하고 시료의 가공없이 그대로 압축하는데, 압축이 시작되면 파괘되는 시점에서 압축력이 측정되며, 이를 더욱 압축하면 2차 피크가 발생하는데 이들 모두 품질 특성을 의미하는 값으로서 활용할 수 있다. 즉, 최대 피크점, 1차 및 2차 피크점, 1차와 2차 피크의 평균값을 활용하여 코크스의 품질을 예측할 수 있다.
따라서, 본 발명은 원료탄의 품질을 측정하는 방법으로서 장입탄의 입도는 3mm이하가 85~90%와 장입밀도 0.8~1.1ton/m3, 시료의 크기는 15(두께)×15(가로)× 20(세로)mm ~ 15(두께)×20(가로) ×30(세로)mm, 그리고 압축 속도는 20~30m/min으로 하는 압축강도 측정 방법을 제공한다. 또한 측정된 압축 피크점을 1,2차로 구분 하여 측정 데이터로 활용하는 것을 특징으로 한다. 전체적인 측정 방법 및 플로우 차트는 도1과 같다.
시료 조제에 의한 품질차이를 확보하기 위하여 또 다른 시험을 하였는데, 냉간강도가 높은 탄을 A는 30%배합하여 낮은 품질이 되도록 하고, B는 50%, C는 70%를 사용하여 코크스 품질에 차이가 생기도록 한 후, 본 발명에 따라 압축강도를 측정하였다.
상기와 같이 제조된 원료탄을 테스트 오븐에 장입하여 정상적인 코크스를 만들어 냉각한 후 덩어리의 압축강도를 측정하고, 또한 본 발명에 의한 방법으로 건류하여 압축강도를 측정하였다. 상기와 같이 측정한 원래 제조하고자 하는 코크스의 압축강도 및 본 발명에 따른 압축강도를 비교하여 표5에 나타내었다. 각 시료별로 3회씩 측정하였다.
시료 |
본 발명에 의한 압축강도 (Kgf/cm2) |
정상적으로 제조한 코크스의 압축강도 (Kgf/cm2) |
평균 |
측정값 |
A |
152 |
546 |
540 |
530 |
568 |
B |
184 |
616 |
617 |
634 |
598 |
C |
217 |
678 |
678 |
692 |
665 |
정상적으로 건류하여 제조된 코크스의 압축강도가 높은 것은 본 발명에 의한 방법으로도 높은 압축강도를 얻어, 두 개의 값의 상관성이 높음을 확인하였다. 즉 코크스 냉간강도는 코크스 제조하는 원료탄의 압축강도를 본 발명에 따라 측정하여 정확하게 추정할 수 있으며, 이를 통하여 품질관리가 가능함을 입증하였다. 상기의 압축강도 측정 결과는 실제로 코크스를 제조하여 만들어진 코크스 덩어리의 압축강도와의 상관성을 확인한 것이다. 즉, 코크스를 정상적으로 제조하여 압축강도를 측정하고, 또 본 발명에 따른 방법으로 일정 시료를 채취하여 신속 건류 후 압축강도를 측정해도 코크스 품질을 대표하는데 문제가 없음을 증명하였다.
또한, 코크스의 압축강도와 냉간강도의 상관성을 조사한 결과 표6에 나타낸 바과 같이 매우 상관성이 높은 것이 입증되었다. 표6의 데이터로 도4에서 나타낸 바와 같이 상관성을 구하였는데, 상관성 R2은 0.89로 매우 높았다.
순서 |
냉간강도(%) |
압축강도(Kgf/cm2) |
1 |
87.5 |
570.4 |
2 |
87.9 |
638.8 |
3 |
88.0 |
713.0 |
4 |
88.1 |
733.6 |
5 |
87.6 |
631.6 |
6 |
87.6 |
583.0 |
7 |
87.5 |
542.0 |
8 |
87.7 |
630.3 |
따라서, 본 발명에 따라 코크스 오븐에 장입되는 장입탄에 대해 1시간 간격으로 압축강도를 측정하여 측정값(1,2차 Peak의 평균값)의 경향(Trend)을 보면 원료탄의 품질 현황을 알 수 있는 것이다.
코크스 제조 공정에서 코크스 오븐에 투입하는 원료탄의 일부를 채취하여, 본 발명에 따른 규정된 시료로 만들어 건류시킨 후, 열간 상태에서 압축강도를 측정하고 이를 품질관리에 이용할 수 있다. 즉, 원료의 상태가 나쁜 방향으로 가면 원료배합을 재설계하고, 원료의 품질이 지속적으로 확보되면 코크스오븐의 조업 조 건을 변경하면서 품질을 관리한다.
본 발명에 따라 측정된 압축강도는 코크스 품질관리에 즉시 이용된다. 압축강도가 측정되면 원료배합설계자에 통보되도록 하여 현재의 원료탄 품질상태를 판정할 수 있도록 한다. 또한 측정된 압축강도의 경향치를 분석하여 배합 변경의 방향을 결정한다. 여기에 코크스 오븐의 조업조건을 수집하고, 원료탄의 특성을 포함하여 코크스의 품질 특성을 분석할 수 있다.