KR101160023B1 - 코크스의 고온 강도 예측방법 - Google Patents

코크스의 고온 강도 예측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 코크스의 고온 강도 예측방법은, 원료석탄의 초기 유동도에 근거하여 원료석탄의 등급을 분류하는 단계, 각 등급별로 원료석탄의 저장기간에 따른 유동도를 나타내는 소정의 수학식을 산출하는 단계 및 각 등급별로 산출된 상기 소정의 수학식을 이용하여 배합된 원료석탄의 저장기간별 보정 유동도를 산출하고, 상기 보정 유동도를 반영하여 저장기간별 코크스의 고온 강도를 예측하는 단계를 포함한다.
이에 따르면, 본 발명은 석탄 야드에 장기 보관되는 저품위 석탄을 이용하여 배합을 설계할 때, 코크스의 고온 강도를 정확히 예측하여 원하는 품질의 고강도 코크스를 제조할 수 있고, 공정의 특성을 잘 반영할 수 있고, 조업여건 변화에 따라 쉽게 예측모델을 보완할 수 있는 효과가 있다.
원료석탄, 유동도, CSR

Description

코크스의 고온 강도 예측방법{Method for predicting of coke strength after reaction}
본 발명은 코크스의 고온 강도 예측방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원료석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도를 산출하고, 산출된 유동도를 반영하여 코크스의 강도를 정확하게 예측할 수 있는 코크스의 고온 강도 예측방법에 관한 것이다.
일반적으로 고로 제철법에 있어 코크스의 사용은 필수적이다. 고로에 투입된 코크스는 철광석을 고로 내에서 녹이는 열원인 동시에 철분을 철광석에서 분리시키는 환원제의 역할을 할 뿐만 아니라, 고로 하부로부터 상부로 흐르는 열풍의 통기성을 유지하는 중요한 역할을 하기 때문이다. 따라서, 고강도의 코크스가 안정적으로 공급되는 것이 고로 조업의 기본적 요구 사항이며, 코크스의 품질관리를 위해 코크스의 고온 강도(CSR, Coke strength after CO2 reaction)를 정확하게 예측하는 것이 무엇보다 중요하다.
일반적인 야금용 코크스 제조공정상, 입하된 석탄은 탄종별로 석탄 야드에 저장되고, 저장된 석탄은 배합조에 탄종별로 저장된다.
여기서, 원료석탄의 코크스화 성질을 나타내는 중요한 인자 중 하나인 점결성은 석탄의 산화에 따라 변하게 되며, 그 중 가장 민감한 인자가 유동도(LMF)이다.
석탄의 유동도는 입하된 석탄이 석탄 야드에 저장되는 저장기간에 따라 급속하게 저하되고, 이와 같은 저장기간에 따른 유동도 감소에 대한 고려없이 배합설계를 하는 경우 예측한 코크스의 고온 강도보다 낮은 저강도 코크스가 제조되는 문제점이 있고, 그로 인해 고로 조업의 안정성이 저해되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 원료석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도를 산출하고, 산출된 유동도를 반영하여 코크스의 강도를 정확하게 예측할 수 있는 코크스의 고온 강도 예측방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 코크스의 고온 강도 예측방법은, 원료석탄의 초기 유동도에 근거하여 원료석탄의 등급을 분류하는 단계, 각 등급별로 원료석탄의 저장기간에 따른 유동도를 나타내는 소정의 수학식을 산출하는 단계 및 각 등급별로 산출된 상기 소정의 수학식을 이용하여 배합된 원료석탄의 저장기간별 보정 유동도를 산출하고, 상기 보정 유동도를 반영하여 저장기간별 코크스의 고온 강도를 예측하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 원료석탄의 등급을 분류하는 단계에서는, 유동도(단위:log ddpm)가 4.0 이상인 원료석탄을 고유동 석탄, 유동도가 3.0 이상 4.0 미만인 원료석탄을 중유동 석탄, 유동도가 3.0 미만인 원료석탄을 저유동 석탄으로 분류할 수 있다.
또한, 상기 고유동 석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도는 하기 수학식 1로 나타날 수 있다.
<수학식 1>
LMFt1 = LMFi1 - 0.015 × t
[상기 수학식 1에서, LMFi1는 고유동 석탄의 초기 유동도(log ddpm), t는 저장기간(일), LMFt1는 저장기간 경과에 따른 고유동 석탄의 유동도(log ddpm)를 의미함]
또한, 상기 중유동 석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도는 하기 수학식 2로 나타날 수 있다.
<수학식 2>
LMFt2 = LMFi2 - 0.012 × t
[상기 수학식 2에서, LMFi2는 중유동 석탄의 초기 유동도(log ddpm), t는 저장기간(일), LMFt2는 저장기간 경과에 따른 중유동 석탄의 유동도(log ddpm)를 의미함]
또한, 상기 저유동 석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도는 하기 수학식 3으로 나타날 수 있다.
<수학식 3>
LMFt3 = LMFi3 - 0.012 × t
[상기 수학식 3에서, LMFi3는 저유동 석탄의 초기 유동도(log ddpm), t는 저장기간(일), LMFt3는 저장기간 경과에 따른 저유동 석탄의 유동도(log ddpm)를 의미 함]
또한, 상기 저장기간별 코크스 강도와 상기 보정 유동도 사이에는 하기 수학식 4의 관계가 성립할 수 있다.
<수학식 4>
CSR = 95.76 - 2.50×(VM) + 11.0×(LMF)
[상기 수학식 4에서, CSR은 저장기간별 코크스 강도(%), VM은 휘발분(%), LMF는 보정 유동도(log ddpm)를 의미함]
본 발명에 의한 코크스의 고온 강도 예측방법에 의하면, 석탄 야드에 장기 보관되는 저품위 석탄을 이용하여 배합을 설계할 때, 코크스의 고온 강도를 정확히 예측하여 원하는 품질의 고강도 코크스를 제조할 수 있는 이점이 있다.
또한, 공정의 특성이 잘 반영되고, 예측 정도가 매우 높을 뿐만 아니라 조업여건 변화에 따라 쉽게 예측모델을 보완할 수 있는 효과가 있다.
또한, 원료석탄의 장기보관 시, 고유동, 중유동 또는 저유동 석탄이 코크스 품질에 미치는 상반되는 효과가 서로 상쇄되어 일정한 코크스 품질을 유지할 수 있는 이상적인 배합안을 도출할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
고로에 투입된 코크스는 철광석을 고로 내에서 녹이는 열원인 동시에 철분을 철광석에서 분리시키는 환원제의 역할을 할 뿐만 아니라, 고로 하부로부터 상부로 흐르는 열풍의 통기성을 유지하는 역할을 하기 때문에, 고강도의 코크스를 안정적으로 공급하는 것은 고로 조업의 기본적 요구 사항이며, 코크스의 품질관리를 위해 코크스의 고온 강도(CSR, Coke strength after CO2 reaction)를 정확하게 예측하는 것이 무엇보다 중요하다.
상기와 같은 고강도의 코크스를 안정적으로 획득하기 위해서 원료석탄의 배합설계 과정에서 다양한 배합지표를 활용하게 된다.
이와 같은 배합지표로는 석탄의 탄화도를 나타내는 지표로 휘발분(VM, Volatile Matter), 강도지수(SI, Strength Index), 비트리나이트 평균반사율(RM, Mean Reflectance of Vitrinite of Coal Texture) 등이 있고, 점결성을 나타내는 지표로 유동도(LMF, Log Maximum Fluidity), 조직평형지수(CBI, Composition Balance Index), 전팽창(TD, Total Dilatation), 총 불활성성분(TI, Total Inert) 등이 있으며, 그 밖에 회분(ASH) 등이 있다.
이 중에서, 원료석탄의 코크스화 성질을 나타내는 중요한 인자 중 하나인 점결성은 석탄의 산화에 따라 변하게 되며, 그 중 가장 민감한 인자가 유동도(LMF)이다.
본 발명에서는 고강도의 코크스를 안정적으로 확보하기 위하여, 원료석탄이 석탄 야드에 저장되는 저장기간에 따라 감소하는 유동도를 산출하고 그로부터 코크스의 강도를 예측하는 방법을 제안한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 코크스의 고온 강도 예측방법에 따르면, 원료석탄의 초기 유동도에 근거하여 원료석탄의 등급을 분류한다.
원료석탄의 초기 유동도를 기준으로, 유동도(단위:log ddpm)가 4.0 이상인 원료석탄을 고유동 석탄, 유동도가 3.0 이상 4.0 미만인 원료석탄을 중유동 석탄, 유동도가 3.0 미만인 원료석탄을 저유동 석탄으로 분류한다.
이와 같이 초기 유동도에 근거하여 원료석탄의 등급을 분류한 후, 각 원료석탄의 등급별로 야드 저장기간에 따른 유동도의 변화를 측정하였다.
도 1 내지 도 3은 원료석탄의 등급별 저장기간에 따른 유동도 변화를 나타내는 그래프로, 도 1은 고유동 석탄, 도 2는 중유동 석탄, 도 3은 저유동 석탄의 저장기간에 따른 유동도 변화를 나타낸다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 고유동 석탄, 중유동 석탄, 저유동 석탄 모두 저장기간에 따라 선형적으로 유동도가 감소하는 것을 확인할 수 있고, 도 1 내지 도 3에 나타난 데이터들로부터 원료석탄의 등급별로 저장기간에 따른 유동도를 LP(Linear Programming) 기법을 이용하여 각각 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
LMFt1 = LMFi1 - 0.015 × t
고유동 석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도는 수학식 1로 표시될 수 있으며, 여기서 LMFi1는 고유동 석탄의 초기 유동도(log ddpm), t는 저장기간(일), LMFt1는 저장기간 경과에 따른 고유동 석탄의 유동도(log ddpm)를 의미한다.
LMFt2 = LMFi2 - 0.015 × t
중유동 석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도는 수학식 2로 표시될 수 있으며, 여기서 LMFi2는 중유동 석탄의 초기 유동도(log ddpm), t는 저장기간(일), LMFt2는 저장기간 경과에 따른 중유동 석탄의 유동도(log ddpm)를 의미한다.
LMFt3 = LMFi3 - 0.015 × t
저유동 석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도는 수학식 3으로 표시될 수 있으며, 여기서 LMFi3는 저유동 석탄의 초기 유동도(log ddpm), t는 저장기간(일), LMFt3는 저장기간 경과에 따른 고유동 석탄의 유동도(log ddpm)를 의미한다.
각 등급별로 원료석탄의 저장기간에 따른 유동도를 나타내는 상기 수학식 1 내지 수학식 3을 산출한 후에는, 상기 수학식 1 내지 수학식 3을 이용하여, 배합된 원료석탄의 저장기간별 보정 유동도를 산출한다.
상기 보정 유동도를 반영하여 저장기간별 코크스의 고온 강도를 예측한다. 여기서, 상기 저장기간별 코크스 강도와 상기 보정 유동도 사이에는 하기 수학식 4의 관계가 성립한다.
CSR = 95.76 - 2.50×(VM) + 11.0×(LMF)
상기 수학식 4에서, CSR은 저장기간별 코크스의 고온 강도(%)를 의미한다. 또한, VM은 휘발분(%), LMF는 보정 유동도(log ddpm)를 의미한다.
상기 수학식 4는, 원료석탄의 단일품종 품질 분석 및 배합 탄종의 건류테스트 결과에 의해 산출한 것으로, 구체적으로 40kg의 원료석탄이 장입되는 코크스 시험로에서 6종의 단일탄종과 12종의 배합탄을 건류하고, 장입탄의 품질과 제조된 코크스의 CRI(제조된 코크스의 CO2 와의 반응성 지수)와 CSR을 측정하여 그로부터 유동도(LMF)와 CSR의 관계를 단계별로 회귀분석하여 도출해낸 식이다.
여기서, 상기 소정의 시험로 조건은, 장입밀도: 750kg/m3, 시험로 내 수분: 8.0±0.3%, 시험로의 온도: 1100℃, 장입시간: 시험로의 중심부 온도가 900℃ 도달 후 2시간으로 하였다.
상기 수학식 4로부터 알 수 있듯이, 유동도(LMF)와 휘발분(VM)을 이용하여 코크스의 고온 강도(CSR)를 예측할 수 있으며, 특히 본 발명에서는 원료석탄의 저장기간에 따라 유동도가 감소하는 특징을 이용하여, 배합된 원료석탄의 저장기간별 보정 유동도를 산출하고, 상기 보정 유동도를 상기 수학식 4에 대입함으로써, 저장기간별 코크스의 고온 강도를 예측할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 코크스의 고온 강도 예측방법을 실시예 및 비교예를 참고로 하여 상세하게 설명하기로 한다.
표 1은 실시예와 비교예의 저장기간별 고온 강도(CSR)의 실측치와 예측치의 오차를 나타낸 표이다.


저장기간
(일)

휘발분
(VM,%)
고온강도
실측치
(CSR,%)		 비교예 실시예
배합탄의
초기 유동도
(LMFi,log ddpm)
고온강도
예측치
(CSR,%)

오차		 배합탄의
보정 유동도
(LMFa,log ddpm)
고온강도
예측치
(CSR,%)

오차
0 25.2 61.6
2.62		 61.6 - 2.62 61.6 -
14 25.1 61.0 61.6 0.6 2.51 60.6 -0.4
28 25.2 59.5 61.6 2.1 2.40 59.2 -0.3
42 25.2 57.5 61.6 4.1 2.26 58.0 0.5
본 발명의 실시예와 비교예의 고유동 석탄, 중유동 석탄 및 저유동 석탄의 초기 유동도는 각각 4.32, 3.21, 2.04 (단위는 log ddpm)이고, 고유동 석탄, 중유동 석탄 및 저유동 석탄을 각각 10%, 30%, 60%의 비율로 배합하였다.
따라서, 배합된 원료석탄의 초기 유동도는 2.62(=4.32×0.1 + 3.21×0.3 + 2.04×0.6)가 된다.
비교예의 경우, 원료 석탄이 저장기간에 따라 산화되어 유동도가 감소하는 특성을 반영하지 않았으므로, 초기 유동도 값이 일정하게 유지된다.
실시예의 경우, 원료석탄의 등급별로 저장기간에 따른 유동도를 상기 수학식 1 내지 수학식 3을 이용하여 산출하고, 그로부터 각 저장기간별 보정 유동도를 산출하였다.
표 1에서 고온강도 예측치(CSR,%)는, 비교예의 경우 초기 유동도 값을 상기 수학식 4에 대입하여 산출한 것이고, 실시예의 경우 저장기간을 고려한 보정 유동도를 상기 수학식 4에 대입하여 고온 강도 예측치를 산출한 것이다.
표 1을 살펴보면, 비교예에서는 고온 강도의 예측치와 실측치의 오차가 저장기간 42일 후 약 4.1이었지만, 실시예에서는 저장기간 42일 후 오차가 0.5에 불과함을 확인할 수 있다.
즉, 비교예와 같이 원료석탄의 저장기간의 고려없이 배합설계를 할 경우, 예측한 코크스의 고온 강도보다 차등한 저품위의 저강도 코크스가 제조됨을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 고유동 석탄의 저장기간에 따른 유동도 변화를 나타내는 그래프,
도 2는 중유동 석탄의 저장기간에 따른 유동도 변화를 나타내는 그래프,
도 3은 저유동 석탄의 저장기간에 따른 유동도 변화를 나타내는 그래프이다.

Claims (6)

  1. 원료석탄의 초기 유동도에 근거하여 원료석탄의 등급을 분류하는 단계;
    각 등급별로 원료석탄의 저장기간에 따른 유동도를 나타내는 소정의 수학식을 산출하는 단계; 및
    각 등급별로 산출된 상기 소정의 수학식을 이용하여 배합된 원료석탄의 저장기간별 보정 유동도를 산출하고, 상기 보정 유동도를 반영하여 저장기간별 코크스의 고온 강도를 예측하는 단계를 포함하고,
    상기 소정의 수학식은,
    저장기간 경과에 따른 석탄의 유동도 = 초기 유동도 - 감소율 × 저장기일(일) 이고,
    상기 감소율은 상기 원료석탄의 등급에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 코크스의 고온 강도 예측방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 원료석탄의 등급을 분류하는 단계에서는,
    유동도(단위:log ddpm)가 4.0 이상인 원료석탄을 고유동 석탄, 유동도가 3.0 이상 4.0 미만인 원료석탄을 중유동 석탄, 유동도가 3.0 미만인 원료석탄을 저유동 석탄으로 분류하는 것을 특징으로 하는 코크스의 고온 강도 예측방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고유동 석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도는 하기 수학식 1로 나타나는 것을 특징으로 하는 코크스의 고온 강도 예측방법.
    <수학식 1>
    LMFt1 = LMFi1 - 0.015 × t
    [상기 수학식 1에서, LMFi1는 고유동 석탄의 초기 유동도(log ddpm), t는 저장기간(일), LMFt1는 저장기간 경과에 따른 고유동 석탄의 유동도(log ddpm)를 의미함]
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 중유동 석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도는 하기 수학식 2로 나타나는 것을 특징으로 하는 코크스의 고온 강도 예측방법.
    <수학식 2>
    LMFt2 = LMFi2 - 0.012 × t
    [상기 수학식 2에서, LMFi2는 중유동 석탄의 초기 유동도(log ddpm), t는 저장기간(일), LMFt2는 저장기간 경과에 따른 중유동 석탄의 유동도(log ddpm)를 의미함]
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 저유동 석탄의 저장기간에 따라 감소하는 유동도는 하기 수학식 3으로 나타나는 것을 특징으로 하는 코크스의 고온 강도 예측방법.
    <수학식 3>
    LMFt3 = LMFi3 - 0.012 × t
    [상기 수학식 3에서, LMFi3는 저유동 석탄의 초기 유동도(log ddpm), t는 저장기간(일), LMFt3는 저장기간 경과에 따른 저유동 석탄의 유동도(log ddpm)를 의미함]
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장기간별 코크스 강도와 상기 보정 유동도 사이에는 하기 수학식 4의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 코크스의 고온 강도 예측방법.
    <수학식 4>
    CSR = 95.76 - 2.50×(VM) + 11.0×(LMF)
    [상기 수학식 4에서, CSR은 저장기간별 코크스 강도(%), VM은 휘발분(%), LMF는 보정 유동도(log ddpm)를 의미함]
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