KR101405483B1 - 용철 제조용 성형탄 제조 방법 및 그 제조 장치 - Google Patents

Abstract

우수한 열간 강도를 가지는 성형탄 및 그 제조 방법을 제공한다. 성형탄의 제조 방법은, i) 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 ii) 용융가스화로에 연결되고, 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되도록 적용된다. 성형탄의 제조 방법은, i) 분탄을 제공하는 단계, ii) 성형탄의 고온 분화를 억제하는 코크스 부산물을 제공하는 단계, iii) 경화제 및 바인더를 제공하는 단계, iv) 분탄, 코크스 부산물, 경화제 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계, 및 v) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 혼합물을 제공하는 단계에서, 성형탄에 포함된 코크스 부산물의 양은 0보다 크고 30wt% 이하이다.

Description

용철 제조용 성형탄 제조 방법 및 그 제조 장치 {METHOD FOR MANUFACTURING COAL BRIQUETTES FOR BEING USED IN MANUFACTURING MOLTEN IRON AND APPARATUS FOR THE SAME}

본 발명은 용철 제조용 성형탄 제조 방법 및 그 제조 장치에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 코크스 부산물을 사용하여 우수한 냉간 강도와 열간 강도를 가지는 용철 제조용 성형탄 제조 방법 및 그 제조 장치에 관한 것이다.

용융환원제철법에서는 환원로 또는 유동층로에서 환원된 철광석을 용융하는 용융가스화로를 사용한다. 용융가스화로에서 철광석을 용융하는 경우, 철광석을 용융할 열원으로서 성형탄을 용융가스화로에 장입한다. 여기서, 환원철은 용융가스화로에서 용융된 후, 용철 및 슬래그로 전환된 후 외부로 배출된다. 용융가스화로에 장입된 성형탄은 석탄충전층을 형성한다. 산소는 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 취입된 후 석탄충전층을 연소시켜서 연소 가스를 생성한다. 연소가스는 석탄충전층을 통하여 상승하면서 고온의 환원 가스로 전환된다. 고온의 환원가스는 용융가스화로의 외부로 배출되어 환원가스로서 환원로 또는 유동층로에 공급된다.

성형탄을 사용하는 경우, 용철의 생산량을 증대시키고 연료비를 줄여서 용철 제조 공정을 효율화하기 위한 추가적인 제어 수단이 필요하다. 이를 위해서는 성형탄의 용융가스화로내에서의 분화량이 저감되어 용융가스화로내에서 성형탄을 큰 입도로 유지시켜야 한다. 이 경우, 용융가스화로내에서 기체와 액체가 원활히 통과하는 통기성 및 통액성을 확보하여 각 물질간의 반응 효율과 열전달 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 분화로 인해 용철 제조시에 효율적으로 사용하지 못하는 미분의 발생량을 줄일 수 있다. 다양한 석탄의 배합에 의해 미분의 발생량을 저감시키는 것은 한계가 있다.

용융가스화로에 장입시 성형탄의 고온 분화를 억제할 수 있는 성형탄의 제조 방법을 제공하고자 한다. 또한, 용융가스화로에 장입시 성형탄의 고온 분화를 억제할 수 있는 성형탄의 제조 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은, i) 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 ii) 용융가스화로에 연결되고, 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되도록 적용된다. 성형탄의 제조 방법은, i) 분탄을 제공하는 단계, ii) 성형탄의 고온 분화를 억제하는 코크스 부산물을 제공하는 단계, iii) 경화제 및 바인더를 제공하는 단계, iv) 분탄, 코크스 부산물, 경화제 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계, 및 v) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 혼합물을 제공하는 단계에서, 성형탄에 포함된 코크스 부산물의 양은 0보다 크고 30wt% 이하이다.

분탄의 양과 코크스 부산물의 양의 합에 대한 코크스 부산물의 양의 비는 0.1 내지 0.3일 수 있다. 분탄의 양과 코크스 부산물의 양의 합에 대한 코크스 부산물의 양의 비는 0.15 내지 0.2일 수 있다. 코크스 부산물의 양이 증가함에 따라 바인더의 양이 증가할 수 있다. 코크스 부산물을 제공하는 단계에서, 코크스 부산물은 코크스 슬러지를 포함하고, 코크스 슬러지의 입도는 3mm 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은 코크스 슬러지를 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 코크스 슬러지를 건조하는 단계에서, 분탄은 코크스 슬러지와 혼합된 후 함께 건조될 수 있다. 코크스 부산물을 제공하는 단계는, 코크스 제조시에 고온 건류된 코크스 더스트를 회수하는 단계와 코크스 더스트를 입도 선별하여 코크스 더스트 중 3mm 이하의 입도를 가진 코크스 부산물을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 코크스 부산물을 제공하는 단계는 코크스 더스트를 기체로 압력 수송하여 코크스 부산물 저장조에 저장한 후 제공할 수 있다. 혼합물을 제공하는 단계에서, 코크스 부산물은 분탄과 사전 혼합되지 않은 상태로 경화제 및 바인더와 직접 혼합될 수 있다. 기체는 질소를 함유할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은, i) 분탄과 코크스 부산물을 사전 혼합하여 원료탄을 제조하는 단계, ii) 원료탄으로부터 기설정된 입도 이상의 원료탄을 선별하는 단계, 및 iii) 선별된 원료탄을 파쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다. 혼합물을 제공하는 단계에서, 분탄 및 코크스 부산물은 파쇄된 원료탄일 수 있다.

성형탄을 제공하는 단계에서, 성형탄은 복수의 탄소 결정들을 포함할 수 있다. 탄소 결정들의 면간 거리는 4.0Å 이하이고, 복수의 탄소 결정들 중 하나 이상의 탄소 결정의 크기는 6.5Å 내지 8.8Å일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 장치는 i) 분탄이 저장되는 분탄 저장조, ii) 코크스 부산물이 저장되는 코크스 부산물 저장조, iii) 코크스 부산물 저장조와 연결되어 코크스 부산물 저장조에 코크스 부산물을 기체로 압력 수송하는 코크스 부산물 수송관, iv) 바인더가 저장된 바인더 저장조, v) 경화제가 저장된 경화제 저장조, vi) 분탄 저장빈으로부터 제공된 분탄, 코크스 부산물 저장빈으로부터 제공된 코크스 부산물, 바인더 저장조로부터 제공된 바인더, 그리고 경화제 저장조로부터 제공된 경화제를 상호 혼합하여 혼합물을 제공하는 믹서, 및 vii) 믹서로부터 혼합물을 제공받아 혼합물을 성형하는 성형기를 포함한다.

코크스 부산물 수송관의 내면을 현무암(basalt)으로 코팅할 수 있다. 코크스 부산물 저장조는 믹서와 바로 연결될 수 있다.

코크스 더스트 또는 코크스 슬러지를 사용하여 성형탄을 제조하므로, 성형탄의 열간 품질을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 코크스 더스트 또는 코크스 슬러지를 성형탄 제조에 사용함으로써 자원의 재활용률을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄 제조 장치의 개략적인 도면이다.
도 3은 도 2의 성형탄 제조 장치와 연결된 용철 제조 장치의 개략적인 도면이다.
도 4는 도 2의 성형탄 제조 장치와 연결된 또다른 용철 제조 장치의 개략적인 도면이다.
도 5는 도 1에서 제조한 성형탄의 용철 제조 장치 장입시의 용융가스화로에서의 분화와 소모 거동을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 성형탄의 열간강도지수와 풍구위치에서의 분의 함량과의 관계에 대한 그래프이다.
도 7은 실험예 1 내지 실험예 7과 비교예 1에 따른 성형탄의 낙하강도측정실험 그래프이다.
도 8은 실험예 1 내지 실험예 7과 비교예 1에 따른 성형탄의 열간강도측정실험 그래프이다.
도 9는 실험예 1 내지 실험예 4와 비교예 1에 따른 성형탄의 X선 회절 분석 그래프이다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

이하에서 사용하는 코크스 부산물이라는 용어는 탄재를 고온 건류한 물질을 모두 포함하는 것으로 해석된다. 따라서 코크스 부산물은 코크스 더스트 및 코크스 슬러지 등 코크스 제조시 발생되는 부가 물질 뿐만 아니라 코크스를 포함하는 것으로 해석된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 성형탄의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 성형탄 제조 방법을 다양하게 변형할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 성형탄의 제조 방법은, 분탄을 제공하는 단계(S10), 코크스 부산물을 제공하는 단계(S20), 경화제 및 바인더를 제공하는 단계(S30), 분탄, 코크스 부산물, 경화제 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계(S40), 그리고 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계(S50)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 성형탄의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.

먼저, 단계(S10)에서는 분탄을 제공한다. 분탄은 원료탄을 입도 선별하여 제공할 수 있다. 예를 들면, 8mm 이하의 입도를 가지는 원료탄을 분탄으로서 제공할 수 있다. 즉, 원료탄을 입도 선별하여 작은 입도를 가지는 분탄과 큰 입도를 가진 괴탄으로 분급할 수 있다. 원료탄으로서 작은 입도를 가지는 분탄을 사용함으로써 냉간 강도가 우수한 성형탄을 제조할 수 있다. 8mm를 초과하는 입도를 가지는 원료탄인 괴탄은 용융가스화로에 직접 장입되거나 파쇄하여 사용할 수 있다. 한편, 도 1에는 예시하지 않았지만, 용철의 품질을 향상시키기 위하여 품질조절용 석탄을 분탄에 함께 혼합시킬 수 있다. 여기서, 품질조절용 석탄으로서 기설정된 수치 이상의 반사율을 가진 석탄을 사용할 수 있다.

다음으로 단계(S20)에서는 코크스 부산물을 제공한다. 즉, 코크스 제조시에 나오는 부가적으로 발생되는 코크스 부산물을 사용한다. 코크스 부산물은 코크스 더스트와 코크스 슬러지를 포함한다. 코크스 더스트는 고온의 코크스를 질소를 이용해 냉각시키는 과정에서 산출된다. 특히, 코크스 부산물 중 코크스 더스트는 매우 가는 형상을 가지고, 높은 경도를 가지므로, 제철소내 다른 곳에서 코크스 더스트를 재활용시 제약이 많았다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄 제조 방법에서는 코크스 더스트를 재활용함으로써 제철소내 분진의 발생을 방지할 수 있고, 코크스 부산물의 재활용률을 높일 수 있다.

한편, 코크스 부산물은 수분을 함유한 코크스 슬러지를 포함할 수 있다. 코크스 슬러지는 주로 야드에 퇴적시켜 놓는다. 이 경우, 야드에 퇴적된 코크스 슬러지를 분탄과 혼합한 후 함께 건조할 수 있다. 따라서 코크스 슬러지와 분탄이 혼합된 혼합탄을 제조하고, 그 수분 및 입도를 제어하여 성형탄을 제조할 수 있다. 즉, 코크스 슬러지는 수분을 포함하므로, 코크스 슬러지를 건조하여 혼합탄의 수분을 제어할 수 있다. 하기의 표 1은 코크스 슬러지의 물성과 코크스 더스트의 물성을 상호 비교하여 나타낸다. 표 1에 기재한 코크스 슬러지의 물성과 코크스 더스트의 물성은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 코크스 슬러지의 물성과 코크스 더스트의 물성은 다르게 변형될 수 있다.

표 1에 기재한 바와 같이, 코크스 슬러지의 입도는 코크스 더스트의 입도보다 상대적으로 그 범위가 넓고 그 평균입도도 크다. 이와는 대조적으로 코크스 더스트의 입도는 1mm 미만으로 대부분 형성된다. 그러나 코크스 슬러지와 코크스 더스트는 모두 코크스 제조 과정에서 발생되므로, 공업분석결과는 상호 유사하다. 제철소에서 발생되는 코크스 슬러지는 소결광 제조 공정의 원료로서 부분적으로 사용되기는 하지만, 그 수분 함량이 높고, 넓은 입도 분포를 가지므로, 사용에는 제한이 있다. 따라서 재활용률이 상대적으로 낮은 코크스 슬러지를 성형탄 제조시에 사용하는 경우, 성형탄의 품질을 향상시키면서 소내 자원의 재활용률을 높일 수 있다.

좀더 구체적으로, 코크스 부산물을 제공하는 단계는, 코크스 더스트를 회수하는 단계와 코크스 더스트를 입도 선별하는 단계를 포함한다. 이외에, 코크스 부산물을 제공하는 단계에서 코크스 더스트의 입도가 너무 큰 경우, 코크스 더스트를 파쇄할 수도 있다.

코크스 더스트를 회수하는 단계에서는, 코크스 제조시에 고온 건류된 코크스 더스트를 회수한다. 코크스 더스트는 석탄을 1000℃ 이상에서 건류하여 제조하므로 열적으로 안정하다. 그리고 코크스 더스트를 입도 선별하여 코크스 더스트 중 3mm 이하의 입도를 가진 코크스 부산물을 제공할 수 있다. 코크스 더스트의 입도가 너무 큰 경우, 성형탄의 냉간 강도와 열간 강도가 모두 저하된다. 따라서 전술한 범위로 코크스 더스트의 입도를 조절한다.

한편, 코크스 더스트는 기체로 압력 수송된 후 코크스 부산물 저장조에 저장될 수 있다. 여기서, 기체로는 코크스 더스트의 발화를 방지하기 위해 질소 부생 가스를 사용할 수 있다. 성형탄 제조시, 코크스 부산물 저장조에 저장된 코크스 더스트를 반출하여 사용할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 단계(S30)에서는 경화제 및 바인더를 제공한다. 경화제로서 생석회, 소석회, 금속산화물, 플라이애쉬(fly ash), 점토, 계면활성제, 양이온수지, 급결제, 섬유질 또는 인산 등을 사용할 수 있다. 또한, 바인더로서 당밀, 스타치, 설탕, 고분자수지, 피치, 타르, 비투멘, 오일, 시멘트, 아스팔트 또는 물유리 등을 사용할 수 있다. 예를 들면, 바인더로서 당밀을 사용하고, 경화제로서 생석회를 사용하여 성형탄 제조시 당산염 결합에 의해 성형탄의 냉간 강도를 크게 향상시킬 수 있다.

다음으로, 단계(S40)에서는 분탄, 코크스 부산물, 경화제 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공한다. 여기서, 분탄, 코크스 부산물, 경화제 및 바인더는 임의의 순서로 혼합하거나 특정 원료를 먼저 혼합할 수도 있다. 예를 들면, 분탄과 코크스 더스트를 먼저 혼합한 후 바인더를 혼합하고 경화제를 혼합할 수 있다. 또는, 코크스 더스트를 분탄과 사전 혼합하지 않은 상태로 경화제 및 바인더와 직접 혼합할 수 있다. 즉, 건조된 코크스 더스트는 그 내부에 함유된 수분량이 조절되어 분탄과 사전 혼합할 필요가 없으므로, 바로 경화제 및 바인더와 혼합한다.

성형탄 제조에 사용하는 코크스 부산물의 양이 증가되는 경우, 이에 따라 바인더의 양을 증가시킬 수 있다. 즉, 코크스 부산물의 양이 증가되는 경우, 성형탄의 냉간 강도가 저하될 수 있으므로, 바인더를 좀더 사용하여 성형탄의 냉간 강도가 저하되지 않도록 한다.

한편, 도 1에는 도시하지 않았지만, 분탄과 코크스를 사전 혼합하여 원료탄을 제조한 후 경화제 및 바인더와 혼합할 수 있다. 제조한 원료탄은 선별하여 기설정된 입도 이상의 원료탄을 선별할 수 있다. 그리고 선별된 원료탄을 파쇄함으로써 원료탄의 입도를 성형탄 제조에 적합하게 조절할 수 있다. 즉, 분탄과 코크스는 파쇄되어 원료탄으로서 제공된다.

분탄의 양과 코크스 더스트의 양의 합에 대한 코크스 더스트의 양의 비는 0보다 크고 0.3 이하일 수 있다. 코크스 더스트의 양이 너무 많은 경우, 성형탄의 열간 강도가 낮아진다. 따라서 코크스 더스트의 양을 전술한 범위로 조절한다. 좀더 바람직하게는, 분탄의 양과 코크스 더스트의 양의 합에 대한 코크스 더스트의 양의 비는 0.1 내지 0.3일 수 있다. 더욱 바람직하게는 분탄의 양과 코크스 더스트의 양의 합에 대한 코크스 더스트의 양의 비는 0.15 내지 0.2일 수 있다.

마지막으로, 단계(S50)에서는 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공한다. 예를 들면, 한 쌍의 성형롤들을 포함하는 성형기를 이용해 혼합물을 연속적으로 압축하여 성형탄을 제조할 수 있다.

코크스 부산물을 첨가한 성형탄에는 탄소 결정이 존재한다. 탄소 결정들의 면간 거리는 4.0Å 이하이다. 또한, 탄소 결정의 크기는 6.5Å 내지 8.8Å이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄 제조 장치(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 확대원에는 제2 코크스 부산물 수송관(301)의 내부 단면 구조를 확대하여 나타낸다. 도 2의 성형탄의 제조 장치(100)는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 성형탄 제조 장치(100)의 구조를 다양하게 변형할 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 성형탄 제조 장치(100)는 분탄 저장조(10), 코크스 부산물 저장조(20), 코크스 부산물 수송관(30), 바인더 저장조(40), 경화제 저장조(50), 믹서(60) 그리고 성형기(70)을 포함한다. 이외에, 성형탄 제조 장치(100)는 파쇄기(80), 건조기(90), 혼합탄 저장조(92), 회수탄 저장조(94), 그리고 입도선별기(801, 803, 805)를 더 포함한다. 필요에 따라 성형탄 제조 장치(100)는 다른 장치들을 더 포함할 수 있다. 도 2의 성형탄 제조 장치(100)에 포함된 각 기기들의 구체적인 구조 및 작동 방법은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로 그 상세한 설명을 생략한다.

분탄 저장조(10)는 분탄을 저장한다. 성형탄의 품질을 향상시키기 위하여 품질 조절용 석탄을 사용할 수도 있다. 이 경우, 도 2에는 도시하지 않았지만, 품질조절용 석탄 저장조를 별도로 사용하거나 분탄 저장조(10)에 품질조절용 석탄을 함께 저장할 수도 있다.

석탄을 입도선별기(801)에 통과시켜 괴탄과 분탄으로 분리한 후, 분탄을 분탄 저장조(10)에 저장할 수 있다. 예를 들면, 분탄으로서 8mm 이하의 입도를 가지는 석탄을 사용할 수 있다. 한편, 입도선별기(801)에 의해 분리된 괴탄은 용융가스화로(210)(도 3 및 도 4에 도시)에 바로 장입할 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이. 코크스 부산물 저장조(20)는 제1 코크스 부산물 저장조(201) 또는 제2 코크스 부산물 저장조(203)를 포함한다. 도 2에는 2개의 코크스 부산물 저장조들(201, 203)을 도시하였지만, 2개의 코크스 부산물 저장조들(201, 203) 중 하나만 설치해도 된다.

제1 코크스 부산물 저장조(201)에는 코크스 더스트 또는 코크스 슬러지를 저장한다. 코크스 슬러지를 사용하는 경우, 그 입도 및 수분량을 조절해야 하므로 제1 코크스 부산물 저장조(201)에 저장하는 것이 바람직하다. 저장된 코크스 슬러지는 분탄과 혼합, 건조 및 파쇄되어 성형탄 제조에 적합한 입도와 수분량을 가지는 원료탄으로 제조된다. 한편, 제2 코크스 부산물 저장조(203)에는 이미 입도 및 수분량이 조절된 코크스 더스트가 저장되므로, 전처리없이 바로 믹서(60)에서 바인더 및 경화제와 혼합될 수 있다.

코크스 부산물 수송관(30)은 제1 코크스 부산물 수송관(303) 및 제2 코크스 부산물 수송관(301)을 포함한다. 제1 코크스 부산물 수송관(303) 및 제2 코크스 부산물 수송관(301)은 각각 제1 코크스 부산물 저장조(201) 및 제2 코크스 부산물 저장조(203)와 연결된다. 제2 코크스 부산물 수송관(301)을 이용하여 코크스 부산물을 제2 코크스 부산물 저장조(203)에 기체로 압력 수송할 수 있다. 따라서 성형탄 제조시 코크스 부산물을 원활하고 신속하게 공급할 수 있다. 한편, 수분을 다량으로 함유한 코크스 부산물은 제1 코크스 부산물 수송관(303)에 설치된 컨베이어 벨트 등을 통하여 제1 코크스 부산물 저장조(201)에 공급한다.

도 2의 확대원에는 제2 코크스 부산물 수송관(301)의 내부 단면 구조를 확대하여 나타낸다. 도 2의 확대원에 도시한 바와 같이, 제2 코크스 부산물 수송관(301)의 내면은 현무암(3011)으로 코팅된다. 따라서 코크스 부산물을 제2 코크스 부산물 수송관(301)을 통하여 이송하는 경우, 코크스 부산물로 인한 제2 코크스 부산물 수송관(301)의 마모를 최소화하면서 제2 코크스 부산물 수송관(301) 내에서 코크스 부산물의 이송 효율을 높일 수 있다.

한편, 제2 코크스 부산물 수송관(301)은 기체에 의해 코크스 부산물을 압력 수송한다. 그 결과, 코크스 부산물은 신속하게 이송되어 믹서(60)에 공급될 수 있다. 기체로는 질소를 함유하는 가스를 사용하여 코크스 부산물의 발화를 방지할 수 있다.

건조기(90)는 분탄과 코크스 부산물을 건조시킨다. 즉, 분탄 저장조(10)에서 제공된 분탄과 코크스 부산물 저장조(20)에서 제공된 코크스 부산물은 건조기(90)에서 건조된다. 건조기(90)에서 분탄과 코크스 부산물은 상호 혼합되면서 열풍 등에 의해 수분량이 적절하게 제어된다.

혼합탄은 입도 선별기(803)에서 분급되고, 일정 입도 이상의 혼합탄은 파쇄기(80)에서 파쇄된다. 파쇄된 혼합탄과 일정 입도 미만의 혼합탄은 혼합탄 저장조(92)에 저장된다. 혼합탄 저장조(92)에 저장된 혼합탄은 믹서(60)에 제공된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 바인더는 바인더 저장조(40)에 저장된다. 바인더는 분탄과 코크스 부산물을 상호 결합시켜서 성형탄 제조에 적합한 상태로 만든다. 바인더 저장조(40)는 믹서(60)와 연결되어 믹서(60)에 바인더를 제공한다.

한편, 경화제는 경화제 저장조(50)에 저장된다. 경화제는 분탄, 코크스 부산물 및 바인더와 상호 결합되어 성형탄을 경화시킴으로써 그 강도를 최적화할 수 있다. 경화제 저장조(50)는 믹서(60)와 연결되어 경화제를 믹서(60)에 제공한다.

믹서(60)는 분탄, 코크스 부산물, 바인더 및 경화제 등을 상호 혼합하여 성형탄을 제조하기 위한 혼합물을 제공한다. 한편, 제2 코크스 부산물 저장조(203)는 믹서(60)와 바로 연결되어 믹서(60)에 코크스 부산물을 바로 공급할 수도 있다. 코크스 부산물인 코크스 더스트를 코크스 공장으로부터 바로 기체 수송한 경우, 그 수분과 입도가 제어된 상태이므로 믹서(60)에 바로 사용할 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 성형기(70)는 상호 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 롤들을 포함한다. 한 쌍의 롤들의 사이로 혼합물을 공급하여 한 쌍의 롤들에 의해 혼합물을 압축함으로써 성형탄을 제조한다. 한편, 제조한 성형탄을 입도선별기(805)를 통해 다시 분급하여 분탄을 회수탄 저장조(94)에 저장한다. 회수탄 저장조(94)에 저장된 분탄은 다시 믹서(50)에 재공급되어 성형탄의 원료로 사용될 수 있다. 그 결과, 분탄의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

도 3은 도 2의 성형탄 제조 장치(100)와 연결되어 성형탄 제조 장치(100)에서 제조한 성형탄을 사용하는 용철제조장치(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 용철제조장치(200)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 3의 용철제조장치(200)를 다양한 형태로 변형할 수 있다.

도 3의 용철제조장치(200)는 용융가스화로(210) 및 환원로(220)를 포함한다. 이외에 용철제조장치(200)는 필요에 따라 기타 다른 장치를 포함할 수 있다. 환원로(220)에는 철광석이 장입되어 환원된다. 환원로(220)에 장입되는 철광석은 사전 건조된 후에 환원로(220)를 통과하면서 환원철로 제조된다. 환원로(220)는 충전층형 환원로로서, 용융가스화로로(210)부터 환원가스를 공급받아 그 내부에 충전층을 형성한다.

도 2의 성형탄 제조 장치(100)에서 제조한 성형탄은 도 3의 용융가스화로(210)에 장입되므로, 용융가스화로(210)의 내부에는 석탄충전층이 형성된다. 용융가스화로(210)의 상부에는 돔부(2101)가 형성된다. 용융가스화로(210)의 다른 부분에 비해 넓은 공간으로 형성된 돔부(2101)에는 고온의 환원가스가 존재한다. 성형탄은 용융가스화로(210)의 돔부(2101)에 장입된 후 급속 가열되어 용융가스화로(210)의 하부까지 낙하한다. 성형탄의 열분해 반응에 의해 생성된 촤는 용융가스화로(210)의 하부로 이동하여 풍구(230)를 통해 공급되는 산소와 발열 반응한다. 그 결과, 성형탄은 용융가스화로(210)를 고온으로 유지하는 열원으로서 사용될 수 있다. 한편, 촤는 통기성을 제공하므로, 용융가스화로(210)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 환원로(220)에서 공급된 환원철이 용융가스화로(210)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과할 수 있다.

전술한 성형탄 이외에 필요에 따라 괴상 탄재 또는 코크스를 용융가스화로(210)에 장입할 수도 있다. 용융가스화로(210)의 외벽에는 풍구(230)를 설치하여 산소를 취입한다. 산소는 석탄충전층에 취입되어 연소대를 형성한다. 성형탄은 연소대에서 연소되어 환원가스를 발생시킬 수 있다.

도 4는 도 2의 성형탄 제조 장치(100)와 연결되어 성형탄 제조 장치(100)에서 제조한 성형탄을 사용하는 또다른 용철제조장치(300)를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 용철제조장치(300)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 4의 용철제조장치(300)를 다양한 형태로 변형할 수 있다. 도 4의 용철제조장치(300)의 구조는 도 3의 용철제조장치(200)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 용철제조장치(100)는 용융가스화로(210), 유동층형 환원로(310), 환원철 압축장치(320) 및 압축 환원철 저장조(330)를 포함한다. 여기서, 압축 환원철 저장조(330)는 생략할 수 있다.

제조된 성형탄은 용융가스화로(210)에 장입된다. 여기서, 성형탄은 용융가스화로(210)에서 환원가스를 발생시키고 발생된 환원가스는 유동층형 환원로(310)에 공급된다. 분철광석은 유동층형 환원로(310)에 공급되고, 용융가스화로(210)로부터 유동층형 환원로(310)에 공급된 환원가스에 의해 유동되면서 환원철로 제조된다. 환원철은 환원철 압축장치(320)에 의해 압축된 후 압축 환원철 저장조(50)에 저장된다. 압축된 환원철은 압축 환원철 저장조(330)로부터 용융가스화로(210)에 공급되어 용융가스화로(210)에서 용융된다. 성형탄은 용융가스화로(210)에 장입되어 통기성을 가진 촤로 변하므로, 용융가스화로(210)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 압축된 환원철이 용융가스화로(210)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과하여 양질의 용철을 제조할 수 있다. 한편, 풍구(230)를 통해서 산소가 공급되어 성형탄을 연소시킨다.

도 5는 도 1에서 제조한 성형탄의 용철 제조 장치 장입시의 분화 및 소모 현상을 개략적으로 나타낸다. 도 5의 성형탄의 용융가스화로에서의 거동은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 성형탄의 용융가스화로에서의 거동을 다른 형태를 나타낼 수 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 상온에서 제조된 성형탄은 용융가스화로내에서 약 1,000℃의 돔부에 장입되어 급속 가열된다. 코크스로에서의 코크스의 제조시의 석탄의 가열 속도는 2~3℃/분 정도이지만, 용융가스화로 상부의 1000℃를 기준시 석탄의 가열 속도는 코크스로보다 훨씬 빠른 50~100℃/분 정도가 된다. 이로 인한 열충격으로 성형탄내에 온도 구배가 형성되면서 성형탄에 균열이 발생하고 성형탄내의 석탄과 바인더로부터 유래된 휘발분과 수분이 성형탄으로부터 급격하게 방출되어 성형탄이 촤로 변환되기 시작한다.

방출된 휘발분 및 성형탄의 분화에 따라 생성된 더스트는 용융가스화로에 설치된 더스트 버너의 산소에 의해 일산화탄소 또는 메탄 등의 저분자량의 탄화수소로 분해된 후 용융가스화로 외부로 배출된다. 이 과정에서 생성된 탄화물인 촤는 용융가스화로에 장입된 철광석 또는 괴상화된 철광석 그리고 부원료 등과 충전층을 형성한다. 충전층을 형성하는 대부분의 촤는 풍구 앞에 형성된 연소대에서 소모된다. 이로 인해 충전층 상부에 위치한 불완전한 촤는 점차 용융가스화로 하부로 이동한다. 이 과정 중에 촤는 상승하는 고온가스와 접촉하여 휘발분이 완전히 방출된 탄화물로 전환된다. 이 경우, 장입물간의 마찰에 의한 기계적인 분화와 이산화탄소에 의한 가스화에 따른 화학적 분화가 동시에 진행된다. 그리고 촤는 풍구앞 연소대에서 고온의 송풍에 의한 열충격과 송풍에너지에 의해 기계적으로 분화된다. 한편, 용융가스화로 하부를 형성하는 촤는 용철과 접촉하여 가탄 반응을 진행시키고, 이 과정 중에 촤는 분화 및 소모된다.

전술한 바와 같이, 성형탄은 용융가스화로에 장입되어 소모될 때까지 다양한 형태의 분화, 예를 들면 열적 분화, 기계적 분화 그리고 화학적 분화를 거친다. 그러나 용융가스화로 내부에 충전되는 철광석과 부원료는 약 1200℃ 이상의 고온 영역에서는 연화 및 용융되어 액상으로 전환되므로, 촤만이 고온 영역에서 고체 상태로 존재하여 통기 및 통액 기능을 담당한다.

성형탄의 열적 분화는 상온에서 성형탄이 1000℃로 장입되는 과정과 2000℃ 이상의 풍구앞 연소대 등의 급격한 승온 조건에서 발생한다. 또한, 기계적 분화는 성형탄을 용융가스화로 돔부에 장입하는 경우 등 성형탄이 10m 이상 자유 낙하하면서 받는 충격, 용융가스화로의 충전층에서 하부로 이동하는 과정 중의 장입물과의 마찰, 용융가스화로 하부에서의 장입물의 하중 등 물리적인 작용에 의해 발생한다. 그리고 성형탄의 화학적 분화는 용융가스화로 내부에서의 이산화탄소 가스에 의한 화학반응, 산소에 의한 연소반응 그리고 용선과의 접촉에 의한 가탄반응 등이 있을 수 있다. 전술한 분화 조건을 견뎌야 성형탄의 열간 품질이 우수하다고 할 수 있다.

도 6은 성형탄의 열간강도지수와 풍구위치에서의 시료의 함량과의 관계에 대한 그래프를 나타낸다. 즉, 실제로 성형탄을 사용하여 용철을 제조하는 용융가스화로의 풍구 위치의 노내 반경 방향 약 1.5m 깊이의 내용물을 채취하여 3mm 이하의 입도를 가진 분의 양과 장입된 성형탄의 열간강도지수와의 관계를 나타낸다.

도 6에 도시한 바와 같이, 높은 열간강도지수를 가지는 성형탄이 용융가스화로에 장입된 경우, 용융가스화로의 충전층 하부를 구성하는 물질의 입도가 증가한다. 따라서 성형탄의 열간강도지수가 높을수록 성형탄의 분화가 적어서 용융가스화로 하부까지 성형탄이 잔존할 확률이 높아진다는 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 성형탄이 용융가스화로의 돔부에 장입되는 경우, 급속가열조건에 의해 성형탄이 분화되는 특성이 가장 중요하다. 이 경우, 성형탄 내부와 성형탄 외부의 온도차, 즉 온도 구배가 발생하고 이로 인한 성형탄의 수축 및 팽창 정도의 차이 때문에 균열 등의 초기 분화 현상에 큰 영향을 미친다. 또한, 성형탄에 함유된 석탄의 휘발 성분이 급속 가열에 의해 팽창하여 성형탄 밖으로 급속히 방출되면서 성형탄 구조에 결함을 발생시킨다.

따라서 1000℃ 이상의 용융가스화로 돔부에서 열적으로 안정한 코크스 더스트를 첨가하여 성형탄의 급속 가열시 발생하는 균열 전파를 억제한다. 또한, 이를 통하여 휘발 성분의 방출 통로를 사전 확보하여 초기 분화를 억제한다. 코크스 더스트는 용융가스화로에 장입된 성형탄이 초기에 급속 가열되는 과정 중 분화되는 현상을 억제할 수 있다. 코크스 더스트는 1000℃ 이상으로 건류하여 제조된 탄소 원료인 코크스를 제조시에 발생하는 부산물로서 열적으로 안정한 특성을 가진다.

성형탄의 주 구성원소인 석탄은 용융가스화로의 돔부에서 급속 가열되면서 연화용융 및 재고화 과정을 거치고, 팽창과 수축에 의해 균열이 발생한다. 그러나 코크스 더스트는 이러한 온도변화과정에서도 안정적으로 존재하므로, 성형탄의 분화를 효율적으로 예방할 수 있다. 성형탄에 첨가하는 코크스 더스트는 콘크리트를 제조시 건조 전후의 부피 변화, 즉 건조 수축량을 저감시키면서 마모 저항을 높이는 골재와 유사한 역할을 한다. 따라서 코크스 더스트를 성형탄에 첨가함으로써 성형탄의 열간 품질을 향상시키고 이를 통해 용융가스화로의 충전층의 효율을 향상시킬 수 있다.

코크스 더스트는 고온의 코크스를 질소를 이용하여 냉각시키는 과정에서 발생하는 부산물로서 매우 가는 형상과 높은 경도를 가진다. 따라서 코크스 더스트를 제철소내의 다른 공정에 직접 사용하기 어렵다. 그러므로 코크스 제조 공정에서 다량으로 발생되는 부산물인 코크스 더스트를 성형탄 제조시에 효율적으로 재활용할 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예

석탄과 코크스 더스트를 사용하여 성형탄을 제조하였다. 바인더로는 당밀을 사용하였고, 경화제로는 생석회를 사용하였다. 석탄과 코크스 더스트의 혼합탄 : 생석회 : 당밀을 100 : 3 : 8로 혼합하여 성형탄을 제조하였다. 한편, 석탄과 코크스 더스트를 함유한 혼합탄의 수분량은 8%로 일정하게 조절하였다. 성형탄 원료를 혼합실험장치에서 균일하게 혼합한 후 한 쌍의 성형롤들로 압축하여 성형탄을 제조하였다. 성형탄 제조시에 사용된 석탄과 코크스 더스트의 입도와 공업분석결과를 표 2에 나타낸다.

실험예에서 사용한 석탄에 함유된 고정탄소의 양은 62%이었고, 휘발분의 양은 28.6%이었다. 또한, 코크스 제조 공장에서 직접 채취하여 사용한 코크스 더스트에 함유된 고정탄소의 양은 85.4%이었고, 휘발분의 양은 2.6%이었다. 사용한 석탄의 입도는 4mm 이하이었고, 코크스 더스트의 입도는 1mm 이하의 비율이 94%이었다.

실험예 1

95wt%의 분탄과 5wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 공업분석결과, 혼합탄의 고정탄소의 양은 63.3wt%이었고, 휘발분의 양은 28.0wt%이었으며, 회분의 양은 9.0wt%이었다. 한편, 혼합탄의 평균 입경은 0.94mm이었다.

실험예 2

90wt%의 분탄과 10wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 공업분석결과, 혼합탄의 고정탄소의 양은 65.0wt%이었고, 휘발분의 양은 25.9wt%이었으며, 회분의 양은 9.1wt%이었다. 한편, 혼합탄의 평균 입경은 0.9mm이었다.

실험예 3

85wt%의 분탄과 15wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 공업분석결과, 혼합탄의 고정탄소의 양은 66.7wt%이었고, 휘발분의 양은 23.9wt%이었으며, 회분의 양은 9.4wt%이었다. 한편, 혼합탄의 평균 입경은 0.87mm이었다.

실험예 4

80wt%의 분탄과 20wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 공업분석결과, 혼합탄의 고정탄소의 양은 67.6wt%이었고, 휘발분의 양은 23.3wt%이었으며, 회분의 양은 9.5wt%이었다. 한편, 혼합탄의 평균 입경은 0.85mm이었다.

실험예 5

75wt%의 분탄과 25wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 공업분석결과, 혼합탄의 고정탄소의 양은 68.9wt%이었고, 휘발분의 양은 21.4wt%이었으며, 회분의 양은 9.7wt%이었다. 한편, 혼합탄의 평균 입경은 0.82mm이었다.

실험예 6

70wt%의 분탄과 30wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 공업분석결과, 혼합탄의 고정탄소의 양은 70.2wt%이었고, 휘발분의 양은 19.7wt%이었으며, 회분의 양은 10.1wt%이었다. 한편, 혼합탄의 평균 입경은 0.81mm이었다.

실험예 7

60wt%의 분탄과 40wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 공업분석결과, 혼합탄의 고정탄소의 양은 71.6wt%이었고, 휘발분의 양은 18.4wt%이었으며, 회분의 양은 10.0wt%이었다. 한편, 혼합탄의 평균 입경은 0.78mm이었다.

비교예 1

코크스 더스트를 포함하지 않고 분탄만을 사용하였다. 공업분석결과, 분탄의 고정탄소의 양은 62.1wt%이었고, 휘발분의 양은 29wt%이었으며, 회분의 양은 8.9wt%이었다. 한편, 분탄의 평균 입경은 0.99mm이었다.

전술한 실험예 1 내지 실험예 7과 비교예 1의 혼합탄의 분석결과를 하기의 표 3에 정리하여 나타낸다. 표 3에 기재한 바와 같이, 성형탄 제조용 원료탄중 코크스 더스트 배합비를 5wt% 내지 40wt%로 조절하였다.

코크스 더스트의 첨가비가 증가할수록 혼합탄의 고정탄소의 양은 62.1% 에서 71.6%로 증가하였다. 또한, 배합탄의 평균입도는 0.99mm로부터 0.78mm로 감소하였다. 특히, 코크스 더스트의 배합에 따라 성형탄 중 고정탄소의 양이 증가하는 것은 용융가스화로내에서 성형탄을 좀더 유용한 탄소원으로 기능할 것을 예상할 수 있었다.

한편, 전술한 실험예 1 내지 실험예 7와 비교예 1에서 사용된 혼합탄의 입도 분포를 측정하였다. 입도 분포는 3.4mm, 2.8mm, 1mm, 0.5mm, -0.5mm를 기준으로 그 함량을 측정하였다. 입도 분포 측정 결과와 그 평균 입경을 하기의 표 4에 나타낸다.

낙하강도측정 실험

전술한 실험예 1 내지 실험예 7과 비교예 1에 따라 제조한 성형탄의 물성을 측정하였다. 성형탄의 물성 측정에 따라 성형탄에 함유된 코크스 더스트가 성형탄의 물성에 미치는 영향을 평가하였다.

성형탄의 냉간 품질을 평가하기 위하여 성형탄의 낙하강도를 측정하였다. 여기서, 냉간 품질은 성형탄이 상온에서 용융가스화로에 장입되기 전까지 수송과 저장 중에 받을 수 있는 다양한 물리적 분화 조건을 기준으로 한 상온 상태에서의 강도 품질을 의미한다. 성형탄의 낙하강도지수는 2kg의 성형탄을 5m 높이에서 4회 자유낙하한 후 잔존하는 20mm 이상의 입도를 가진 분탄의 중량비를 측정하는 방법으로 구하였다.

낙하강도측정 실험결과

도 7은 실험예 1 내지 실험예 7과 비교예 1에 따른 성형탄의 낙하강도측정 실험 결과를 나타낸다.

도 7에 도시한 바와 같이, 성형탄의 낙하강도는 실험예 1로부터 실험예 7로 갈수록 점차 감소하였다. 특히, 실험예 7의 성형탄의 낙하강도는 실험예 1 내지 실험예 6의 성형탄의 낙하강도에 비해 상대적으로 낮았고, 나아가 비교예 1의 성형탄의 낙하강도는 실험예 1로부터 실험예 7의 성형탄의 낙하강도에 비해 훨씬 낮았다. 따라서 코크스 더스트를 성형탄에 첨가함에 따라 성형탄의 냉간 품질이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

열간강도측정 실험

성형탄의 열간 품질을 평가하기 위하여 성형탄의 열간강도를 측정하였다. 성형탄의 열간 품질은 성형탄이 고온의 용융가스화로에 장입되는 경우 받을 수 있는 다양한 물리적, 화학적, 열적 조건에 대해 견딜 수 있는 특성을 의미한다. 따라서 성형탄의 열간 품질을 평가하기 위하여 열간강도지수를 그 지표로서 사용하였다. 열간강도지수는 성형탄이 용융가스화로 내에서 분화되는 경우, 가장 큰 영향을 미치는 급속 가열시 분화 및 입자간의 마모에 따른 분화를 표준화하여 나타낸다. 즉, 1000℃로 승온 유지된 회전 반응관에 상온의 1000g의 성형탄 시료를 한번에 장입한 후 10rpm의 회전 속도로 60분간 반응시킨다. 이 경우, 반응 가스는 불활성 가스인 질소를 사용하며, 반응중에는 반응관의 온도를 1000℃로 유지하였다. 성형탄의 열간강도지수는 반응 후 생성된 성형탄 촤를 입도 분석하여 성형탄 촤의 무게를 기준으로 10mmm 이상의 무게비를 측정하는 방법으로 구하였다.

열간강도측정 실험결과

도 8은 실험예 1 내지 실험예 7과 비교예 1에 따른 성형탄의 열간강도측정 실험 결과를 나타낸다.

도 8에 도시한 바와 같이, 성형탄의 열간강도는 실험예 1로부터 실험예 4로 갈수록 점차 증가하였다. 즉, 코크스 더스트의 첨가량이 15wt% 내지 20wt%인 경우, 성형탄의 열간강도지수가 최대값을 나타내었다. 반면에, 실험예 5로부터 실험예 7로 갈수록 성형탄의 열간강도지수는 다시 감소하였다. 또한, 비교예 1에 따러 제조한 성형탄의 열간강도지수는 실험예 1 내지 실험예 7에 따라 제조한 성형탄의 열간강도지수에 비해 크게 낮았다. 특히, 실험예 7의 성형탄은 그 냉간 품질이 크게 낮아짐에 따라 그 열간 품질도 크게 낮아진 것으로 예상되었다. 열간강도측정 실험결과, 실험예 2 내지 실험예 6의 성형탄의 열간 품질이 우수하다는 것을 확인할 수 있었으며, 더욱 바람직하게는 실험예 3 및 실험예 4의 성형탄의 열간 품질이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

혼합탄의 수분함량과 바인더의 첨가량 실험

전술한 실험예 1 내지 실험예 7에서 혼합탄의 수분함량과 당밀의 배합비를 일정하게 유지하는 경우, 코크스 더스트의 첨가량 증가에 따라 성형탄의 열간강도지수가 증가하였지만, 낙하강도지수가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

하기의 표 5는 전술한 실험예 1 내지 실험예 7에서 사용된 분탄과 코크스 더스트의 입도에 따른 보수능(단위, %)을 나타낸다.

표 5에 기재한 바와 같이, 코크스 더스트는 미세한 입도를 가지고, 높은 보수능을 가지므로, 그 첨가비가 증가함에 따라 혼합탄 중 미분입자의 비율이 증가한다. 따라서 혼합탄 입자의 비표면적이 증가하므로, 혼합탄 입자 사이의 결합력이 떨어지면서 성형탄의 냉간 품질이 저하되는 것으로 예상되었다. 그러므로 성형탄의 냉간 품질을 확보하기 위해서 당밀의 배합량과 혼합탄의 수분량을 증가시킬 필요가 있다.

전술한 내용에 근거하여 성형탄의 낙하강도지수 저하를 극복하기 위해 원료탄에 10wt%의 코크스 더스트를 첨가시에 원료탄의 수분 함량과 당밀 첨가량을 변화시켜서 제조한 성형탄의 품질을 평가하였다.

실험예 8

90wt%의 분탄과 10wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 혼합탄의 수분량은 8.5wt%이었고, 바인더로서 8wt%의 당밀을 첨가하여 성형탄을 제조하였다.

실험예 9

90wt%의 분탄과 10wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 혼합탄의 수분량은 8.5wt%이었고, 바인더로서 8.5wt%의 당밀을 첨가하여 성형탄을 제조하였다.

실험예 10

90wt%의 분탄과 10wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 혼합탄의 수분량은 8.5wt%이었고, 바인더로서 9wt%의 당밀을 첨가하여 성형탄을 제조하였다.

실험예 11

90wt%의 분탄과 10wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 혼합탄의 수분량은 9.5wt%이었고, 바인더로서 8wt%의 당밀을 첨가하여 성형탄을 제조하였다.

실험예 12

90wt%의 분탄과 10wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 혼합탄의 수분량은 10.1wt%이었고, 바인더로서 8wt%의 당밀을 첨가하여 성형탄을 제조하였다.

비교예 2

코크스 더스트를 사용하지 않고 분탄만으로 성형탄을 제조하였다. 분탄의 수분량은 8.5wt%이었고, 바인더로서 8wt%의 당밀을 첨가하였다.

혼합탄의 수분함량과 바인더의 첨가량 실험 결과

표 6은 혼합탄의 수분함량과 바인더의 첨가량의 실험 결과를 나타낸다.

표 6에 기재한 바와 같이, 실험예 8에서 실험예 9로 당밀의 첨가량을 0.5wt% 증가시키는 경우, 혼합탄의 입자간 결합력이 증가되면서 낙하강도지수가 상승하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, 낙하강도지수가 증가하면서 열간강도도 다소 향상되는 것을 관찰할 수 있었다. 한편, 실험예 10으로부터 실험예 12로 원료탄의 수분함량을 8.5wt%에서 10.1wt%까지 증가시키는 경우, 성형탄의 낙하강도지수가 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 이 경우, 코크스 더스트의 첨가량을 증가시켜서 성형탄의 낙하강도지수 저하를 방지할 수 있다. 따라서 코크스 더스트의 첨가비를 변화시키는 경우, 당밀 첨가량 또는 혼합탄의 수분량을 조절하여 성형탄의 냉간 품질이 저하되는 현상을 방지할 수 있다.

용융가스화로 실험

8mm 이하의 입도를 가진 분탄, 생석회 및 당밀을 교반기에서 교반한 후 혼련기(kneader)에서 추가적으로 반죽한 혼합물을 성형기에서 압축하여 성형탄을 제조하였다. 제조한 성형탄의 낙하강도지수 및 열간강도지수를 측정하고, 성형탄을 용융가스화로에 장입하여 용철 제조 조업을 실시하였다. 또한, 성형탄 촤의 기공율과 비표면적을 측정하였다.

실험예 13

97wt%의 분탄과 3wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 혼합탄에 8.5wt%의 당밀을 첨가하여 성형탄을 제조하였다.

실험예 14

95wt%의 분탄과 5wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 혼합탄에 8.6wt%의 당밀을 첨가하여 성형탄을 제조하였다.

실험예 15

93wt%의 분탄과 7wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 혼합탄에 9wt%의 당밀을 첨가하여 성형탄을 제조하였다.

실험예 16

90wt%의 분탄과 10wt%의 코크스 더스트를 함유한 혼합탄을 제조하였다. 혼합탄에 9.3wt%의 당밀을 첨가하여 성형탄을 제조하였다.

비교예 3

코크스 더스트를 사용하지 않고 분탄에 8.4wt%의 당밀을 첨가하여 성형탄을 제조하였다.

용융가스화로 실험결과

표 7은 전술한 실험예 13 내지 실험예 16과 비교예 3에 따른 용융가스화로 실험 결과를 나타낸다.

코크스 더스트의 첨가량이 증가하였지만, 당밀의 사용량을 증가시킴에 따라 성형탄의 낙하강도지수는 저하되지 않았으며, 오히려 다소 증가되었다. 또한, 코크스 더스트의 첨가에 따라 성형탄의 열간강도지수가 크게 증가한 것을 알 수 있었다. 그리고 코크스 더스트가 첨가된 성형탄을 용융가스화로에 장입하여 실험한 결과, 용융가스화로의 송풍 압력과 돔부 압력의 차인 압력 손실이 감소하여 용융가스화로 조업이 안정되고 용융가스화로내의 석탄충천층의 통기성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 석탄충전층에서의 열교환 효율이 개선됨에 따라 용철 온도가 증가한 것을 확인할 수 있었고, 용융가스화로의 연료비를 저감시킬 수 있었다.

또한, 성형탄의 촤의 기공율 및 비표면적을 측정하는 경우, 코크스 더스트의 첨가비가 증가할수록 촤의 기공률과 비표면적이 증가하였다. 즉, 성형탄에 첨가된 코크스 더스트가 촤 조직내에서 열적으로 안정된 기능을 하므로, 성형탄의 용융 및 수축에 따른 성형탄의 크랙 생성 및 전파를 억제하는 것으로 추정된다. 그 결과, 코크스 더스트가 성형탄의 기지 조직을 강화시킨다. 또한, 코크스 더스트는 촤 조직내의 기공 및 비표면적을 증대시켜서 고온에서 성형탄 내부에 포함된 휘발분 가스가 용이하게 방출되도록 하여 급속 가열에 따른 성형탄의 분화를 방지할 수 있었다.

코크스 슬러지 실험

전술한 실험에서는 코크스 제조 공정에서 발생하는 코크스 더스트를 이용하여 성형탄을 제조하였지만, 이하에서는 코크스로에서 건류한 고온의 코크스를 물로 냉각하는 과정중에 발생하는 코크스 슬러지를 성형탄 제조에 사용하는 실험을 실시하였다.

실험예 17

원료탄에 5mm 이하의 입도를 가지는 10wt%의 코크스 슬러지를 첨가하였다. 바인더로서 8wt%의 당밀을 사용하여 원료탄과 혼합해 혼합물을 제조하였고, 혼합물의 수분량은 8.7wt%로 조절하였다. 혼합물을 성형기로 압축하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예들과 동일하였다.

실험예 18

원료탄에 3mm 이하의 입도를 가지는 10wt%의 코크스 슬러지를 첨가하였다. 바인더로서 8wt%의 당밀을 사용하여 원료탄과 혼합해 혼합물을 제조하였고, 혼합물의 수분량은 8.7wt%로 조절하였다. 혼합물을 성형기로 압축하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예들과 동일하였다.

실험예 19

원료탄에 0.5mm 이하의 입도를 가지는 10wt%의 코크스 슬러지를 첨가하였다. 바인더로서 8wt%의 당밀을 사용하여 원료탄과 혼합해 혼합물을 제조하였고, 혼합물의 수분량은 8.7wt%로 조절하였다. 혼합물을 성형기로 압축하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예들과 동일하였다.

실험예 20

원료탄에 10wt%의 코크스 더스트를 첨가하였다. 바인더로서 8wt%의 당밀을 사용하여 원료탄과 혼합해 혼합물을 제조하였고, 혼합물의 수분량은 8.7wt%로 조절하였다. 혼합물을 성형기로 압축하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예들과 동일하였다.

하기의 표 8에 전술한 실험예 17 내지 실험예 19에서 사용한 코크스 슬러지와 실험예 20에서 사용한 코크스 더스트를 분석하여 나타낸다. 표 8에 기재한 바와 같이, 코크스 슬러지의 입도분포범위가 넓다는 것을 알 수 있었다.

코크스 슬러지 실험 결과

실험예 17 내지 실험예 20에 따라 제조한 성형탄의 낙하강도지수와 열간강도지수를 측정하고, 성형탄을 분석하였다. 그 결과를 하기의 표 9에 나타낸다.

표 9에 기재한 바와 같이, 코크스 슬러지의 경우 실험예 17에서 실험예 19로 가면서 성형탄의 물성이 크게 향상되는 것을 알 수 있었다. 즉, 코크스 슬러지의 입도가 작아질수록 성형탄의 물성은 크게 향상되었다. 특히, 성형탄의 물성면에서 실험예 18과 실험예 19는 실험예 20과 거의 유사한 결과를 보였다. 따라서 실험예 18처럼 코크스 슬러지의 입도를 3mm 이하로 제한하는 경우, 코크스 더스트를 첨가한 석탄과 동일한 효과를 낼 수 있을 것으로 예측되었다. 또한, 코크스 더스트의 입도를 3mm 이하로 조절하여 성형탄에 첨가하는 경우, 성형탄의 물성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 예상되었다.

X선 회절분석 실험

실험예 1 내지 실험예 4와 비교예 1에 따라 제조한 성형탄에 대하여 X선 회절분석실험을 실시하였다. X선 회절분석실험은 구리 타겟을 사용하여 20kV, 100mA의 가속 전압으로 1˚/분의 속도로 실시하였다. X선 회절분석실험을 통하여 코크스 더스트를 첨가한 성형탄의 결정 구조와 코크스 더스트를 첨가하지 않은 성형탄의 결정 구조의 차이점을 분석하였다.

X선 회절분석 실험결과

1000℃ 이상의 고온에서 열적 응력을 받은 코크스 더스트, 코크스 슬러지 또는 이와 유사한 분코크스가 성형탄에 첨가됨에 따라 탄소의 결정화도가 증가한다. 탄소의 결정화도는 결정의 면간 거리와 결정 크기 등을 통하여 평가할 수 있다. 결정의 면간 거리는 인접한 2개의 결정 사이의 거리로서 Bragg 공식을 통해 구한다. 결정화도가 증가할수록 면간 거리는 감소하고, 결정 크기는 증가한다.

도 9는 실험예 1 내지 실험예 4와 비교예 1에 따른 성형탄의 X선 회절 그래프를 나타낸다.

도 9에 도시한 바와 같이, 비교예 1에 비해 실험예 1 내지 실험예 4에서 탄소의 측정 강도가 증가하는 것으로 관찰되었다. 실험 결과를 하기의 표 10에 좀더 구체적으로 기재한다.

표 10에 기재한 바와 같이, 비교예 1에 따른 성형탄과는 달리 실험예 1 내지 실험예 4에 따른 성형탄에 함유된 탄소 결정들의 면간 거리는 약 4 Å 이하인 것으로 측정되었고, 탄소 결정의 입도는 6.5Å 내지 8.8Å인 것으로 측정되었다. 따라서 코크스 더스트를 첨가함으로써 성형탄에 함유된 탄소 결정들이 변화하는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10. 분탄 저장조
20, 201, 203. 코크스 부산물 저장조
30, 301, 302. 코크스 부산물 수송관
40. 바인더 저장조
50. 경화제 저장조
60. 믹서
70. 성형기
80. 파쇄기
90. 건조기
92. 혼합탄 저장조
94. 회수탄 저장조
100. 성형탄 제조 장치
200. 용철제조장치
210. 용융가스화로
220. 충전층형 환원로
230. 풍구
310. 유동층형 환원로
320. 환원철 압축장치
330. 압축 환원철 저장조
801, 803, 805. 입도선별기
2101. 돔부

Claims (16)

1. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
   상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
   를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되도록 적용된 성형탄의 제조 방법으로서,
   분탄을 제공하는 단계,
   상기 성형탄의 고온 분화를 억제하는 코크스 부산물을 제공하는 단계,
   경화제 및 바인더를 제공하는 단계,
   상기 분탄, 상기 코크스 부산물, 상기 경화제 및 상기 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계, 및
   상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계
   를 포함하고,
   상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 분탄의 양과 상기 코크스 부산물의 양의 합에 대한 상기 코크스 부산물의 양의 비는 0보다 크고 0.3 이하이고,
   상기 성형탄을 제공하는 단계에서, 상기 성형탄은 복수의 탄소 결정들을 포함하고, 상기 탄소 결정들의 면간 거리는 4.0Å 이하이고, 상기 복수의 탄소 결정들 중 하나 이상의 탄소 결정의 크기는 6.5Å 내지 8.8Å인 성형탄의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 분탄의 양과 상기 코크스 부산물의 양의 합에 대한 상기 코크스 부산물의 양의 비는 0.1 내지 0.3인 성형탄의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 분탄의 양과 상기 코크스 부산물의 양의 합에 대한 상기 코크스 부산물의 양의 비는 0.15 내지 0.2인 성형탄의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 코크스 부산물의 양이 증가함에 따라 상기 바인더의 양이 증가하는 성형탄의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 코크스 부산물을 제공하는 단계에서, 상기 코크스 부산물은 코크스 슬러지를 포함하고, 상기 코크스 슬러지의 입도는 3mm 이하인 성형탄의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 코크스 슬러지를 건조하는 단계를 더 포함하는 성형탄의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 코크스 슬러지를 건조하는 단계에서, 상기 분탄은 상기 코크스 슬러지와 혼합된 후 함께 건조되는 성형탄의 제조 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 코크스 부산물을 제공하는 단계는,
   코크스 제조시에 고온 건류된 코크스 더스트를 회수하는 단계, 및
   상기 코크스 더스트를 입도 선별하여 상기 코크스 더스트 중 3mm 이하의 입도를 가진 코크스 부산물을 제공하는 단계
   를 포함하는 성형탄의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 코크스 부산물을 제공하는 단계는 상기 코크스 더스트를 기체로 압력 수송하여 코크스 부산물 저장조에 저장한 후 제공하는 성형탄의 제조 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 코크스 부산물은 상기 분탄과 사전 혼합되지 않은 상태로 상기 경화제 및 상기 바인더와 직접 혼합되는 성형탄의 제조 방법.
11. 제9항에 있어서,
    상기 기체는 질소를 함유하는 성형탄의 제조 방법.
12. 제1항에 있어서,
    상기 분탄과 상기 코크스 부산물을 사전 혼합하여 원료탄을 제조하는 단계,
    상기 원료탄으로부터 기설정된 입도 이상의 원료탄을 선별하는 단계, 및
    상기 선별된 원료탄을 파쇄하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 혼합물을 제공하는 단계에서, 상기 분탄 및 상기 코크스 부산물은 상기 파쇄된 원료탄인 성형탄의 제조 방법.
13. 삭제
14. 분탄이 저장되는 분탄 저장조,
    코크스 부산물이 저장되는 코크스 부산물 저장조,
    상기 코크스 부산물 저장조와 연결되어 상기 코크스 부산물 저장조에 상기 코크스 부산물을 기체로 압력 수송하고, 그 내면을 현무암(basalt)으로 코팅한 코크스 부산물 수송관,
    바인더가 저장된 바인더 저장조,
    경화제가 저장된 경화제 저장조,
    상기 분탄 저장빈으로부터 제공된 분탄, 상기 코크스 부산물 저장빈으로부터 제공된 코크스 부산물, 상기 바인더 저장조로부터 제공된 바인더, 그리고 상기 경화제 저장조로부터 제공된 경화제를 상호 혼합하여 혼합물을 제공하는 믹서, 및
    상기 믹서로부터 상기 혼합물을 제공받아 상기 혼합물을 성형하는 성형기
    를 포함하는 성형탄 제조 장치.
15. 삭제
16. 제14항에 있어서,
    상기 코크스 부산물 저장조는 상기 믹서와 바로 연결된 성형탄 제조 장치.

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