KR101914086B1 - 성형탄 제조방법 및 성형탄 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 성형탄 제조방법 및 성형탄에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하는 성형탄 제조방법 및 성형탄에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 성형탄 제조방법은 미분탄을 마련하는 과정; 셀룰로오스 에테르 화합물, 물 및 상기 물에 용해되어 흡열 반응하는 흡열제를 상기 미분탄과 혼합하여 혼합물을 마련하는 과정; 및 상기 혼합물을 성형하는 과정;을 포함할 수 있다.

Description

성형탄 제조방법 및 성형탄{Method for manufacturing coal briquettes and coal briquettes}
본 발명은 성형탄 제조방법 및 성형탄에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하는 성형탄 제조방법 및 성형탄에 관한 것이다.
용융환원제철법에서는 철광석을 환원시키는 환원로 및 환원된 철광석을 용융하는 용융가스화로를 사용한다. 용융가스화로에서 철광석을 용융하는 경우, 철광석을 용융할 열원으로서, 성형탄을 용융가스화로에 장입한다. 여기서, 환원철은 용융가스화로에서 용융되어 용철 및 슬래그로 전환된 후에 외부로 배출된다. 용융가스화로에 장입된 성형탄은 석탄충전층을 형성한다. 산소는 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 취입된 후, 석탄충전층을 연소시켜서 연소 가스를 생성한다. 연소 가스는 석탄충전층을 통하여 상승하면서 고온의 환원 가스로 전환된다. 고온의 환원 가스는 용융가스화로의 외부로 배출되어 환원 가스로서 환원로에 공급된다.
성형탄은 미분탄과 바인더를 혼합한 후에 압축하여 제조한다. 용철 제조에 사용하기 위해서는 우수한 강도를 가진 성형탄을 제조할 필요가 있다. 종래에는 주로 우수한 강도를 가진 성형탄을 제조하기 위해 당밀을 사용했으나, 제조된 성형탄의 강도가 취약하기 때문에 강도를 증대시키기 위하여 생석회와 같은 강도 강화제를 추가적으로 사용하였다.
당밀은 저장, 운반 및 관리 등에 여러 문제점이 있어서, 이러한 문제점을 예방하기 위한 설비를 필요로 하였고, 이로 인해 성형탄 제조공정이 복잡해지는 단점을 안고 있다.
이를 해결하고자, 최근에는 알킬셀룰로오스, 하이드록시알킬 셀룰로오스 및 하이드록시알킬 알킬셀룰로오스 중에서 1종 이상 선택된 셀룰로오스 에테르 화합물을 포함하는 성형탄용 바인더를 사용하는 기술들이 등장하였다. 이러한 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하기 위해서는 셀룰로오스 에테르 화합물에 물을 첨가해야 한다. 셀룰로오스 에테르 화합물을 물에 용해시키면, 용액의 점도가 올라가 바인더로서 기능을 할 수 있다. 도 1은 셀룰로오스 에테르 화합물 용액의 온도에 따른 점도 변화를 보여준다. 셀룰로오스 에테르 화합물 용액의 온도가 낮을수록 점도가 증가한다. 온도가 높은 특정 온도(TC) 이상에서는 셀룰로오스 에테르 화합물이 용액 속에서 뭉침 현상이 발생하여 점도가 감소하게 된다. 그러므로 성형탄의 강도(또는 낙하강도)를 증가시키기 위해서는 셀룰로오스 에테르 화합물 용액의 온도가 낮아야 한다.
한국공개특허공보 제10-2016-0076395호
본 발명은 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 물에 용해시킨 셀룰로오스 에테르 화합물 용액의 온도를 낮출 수 있는 성형탄 제조방법 및 성형탄을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 성형탄 제조방법은 미분탄을 마련하는 과정; 셀룰로오스 에테르 화합물, 물 및 상기 물에 용해되어 흡열 반응하는 흡열제를 상기 미분탄과 혼합하여 혼합물을 마련하는 과정; 및 상기 혼합물을 성형하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 흡열제는 요소를 포함할 수 있다.
상기 요소의 양은 상기 물의 온도가 높을수록 증가할 수 있다.
상기 물에 대한 상기 요소의 중량부는 0.01 내지 0.7일 수 있다.
상기 혼합물을 마련하는 과정에서는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물과 상기 흡열제 중 적어도 어느 하나는 분말 상태로 혼합될 수 있다.
상기 혼합물을 마련하는 과정은, 상기 미분탄에 상기 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하는 과정; 상기 흡열제를 첨가하는 과정; 및 상기 물을 첨가하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 혼합물을 마련하는 과정은 상기 흡열제가 상기 물에 용해되어 상기 혼합물의 온도를 낮추는 과정을 포함할 수 있다.
상기 혼합물의 온도를 낮추는 과정 이후에, 상기 혼합물의 온도는 4 내지 20 ℃일 수 있다.
상기 혼합물 100 wt% 중 상기 물의 양은 5 내지 15 wt%일 수 있다.
상기 혼합물 100 wt% 중 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.7 내지 2 wt%일 수 있다.
상기 미분탄의 평균 입도는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도보다 클 수 있다.
상기 성형탄을 건조하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 성형탄을 건조하는 과정은 음압을 걸어주는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 성형탄은 미분탄; 바인더로 상기 미분탄에 혼합되는 셀룰로오스 에테르 화합물; 및 상기 미분탄 또는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물에 첨가되는 흡열제;를 포함할 수 있다.
상기 성형탄은 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물 및 상기 흡열제가 물과 혼합되고 성형될 수 있다.
상기 흡열제는 요소를 포함하고, 상기 물에 용해되어 흡열 반응할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 성형탄 제조방법은 특정 점도 범위를 갖는 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하면서 흡열제를 첨가하여 별도의 냉각 수단 또는 추가적인 냉각 공정 없이 미분탄, 셀룰로오스 에테르 화합물, 물 및 흡열제의 혼합물 온도를 낮출 수 있다. 이에 따라 낮은 온도의 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조할 수 있어 성형탄의 낙하강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하여 생석회와 같은 강도 강화제를 추가적으로 사용하지 않을 수 있으며, 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용하는 경우에는 저장, 운반 및 관리가 용이해 질 수 있고, 이에 따라 성형탄 제조설비 및 제조공정이 간단해 질 수 있다.
도 1은 일반적인 셀룰로오스 에테르 화합물 용액의 온도에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 성형탄 제조방법을 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 요소의 첨가에 의한 성형탄의 낙하강도 향상을 나타낸 그림.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 일반적인 셀룰로오스 에테르 화합물 용액의 온도에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 셀룰로오스 에테르 화합물 용액의 온도가 낮을수록 점도가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 온도가 높은 특정 온도(TC) 이상에서는 점도가 급격하게 감소하는데, 셀룰로오스 에테르 화합물이 용액 속에서 뭉침 현상이 발생하여 점도가 더욱 감소하게 된다. 이에 따라 셀룰로오스 에테르 화합물 용액의 온도가 높을수록 성형탄의 강도(또는 낙하강도)가 낮아지게 된다. 여기서, 상기 특정 온도(TC)는 셀룰로오스 에테르 화합물의 종류에 따라 다를 수 있는데, 약 70 내지 80 ℃일 수 있다. 그러므로, 낙하강도를 포함하는 성형탄의 강도(즉, 냉간 강도)를 증가시키기 위해서는 셀룰로오스 에테르 화합물 용액의 온도가 낮아야 한다.
종래의 성형탄의 냉간 강도를 측정하는 실험은 다음과 같을 수 있다. 여기서, 성형탄의 수분 함유율은 10 내지 11 wt%로 유지하였다.
종래 1 : 20 ℃ 온도의 셀룰로오스 에테르 화합물 용액으로 성형탄 제조
3.4 ㎜ 이하의 미분탄과 0.2 ㎜ 이하의 셀룰로오스 에테르 화합물 분말 1.1 wt%을 1분간 균일하게 혼합한 후, 물을 첨가하여 다시 3분간 혼합해 혼합물을 제조하였다. 미분탄으로는 강점탄, 미점탄 및 분코크스를 혼합하여 사용하였고, 셀룰로오스 에테르 화합물은 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC) 제품을 사용하였다. 성형전 혼합물은 상온 20℃에서 충분히 냉각되었다. 그리고 혼합물을 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤들 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 이 경우, 한 쌍의 롤들은 20 kN/㎝의 압력으로 혼합물을 가압하여 64.5㎜×25.4㎜×19.1㎜ 크기의 베게 형상의 성형탄을 제조하였다. 나머지 성형탄의 상세한 제조 공정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
종래 2 : 60 ℃ 온도의 셀룰로오스 에테르 화합물 용액으로 성형탄 제조
3.4 ㎜ 이하의 미분탄과 0.2 ㎜ 이하의 셀룰로오스 에테르 화합물 분말 1.1 wt%를 1분간 균일하게 혼합한다. 그리고 물을 미분탄 혼합물에 첨가하고 3분간 혼합해 혼합물을 제조하였다. 미분탄으로는 강점탄, 미점탄 및 분코크스를 혼합하여 사용하였고, 셀룰로오스 에테르 화합물은 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC) 제품을 사용하였다. 그리고 이 혼합물이 균일하게 60℃가 되도록 오븐(oven)에 보관하였다. 혼합물을 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤들 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 이 경우, 한 쌍의 롤들은 20 kN/㎝의 압력으로 혼합물을 가압하여 64.5㎜×25.4㎜×19.1㎜ 크기의 베게 형상의 성형탄을 제조하였다. 나머지 성형탄의 상세한 제조 공정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
전술한 실험예를 따라 제조한 종래의 성형탄의 낙하강도와 압축강도(또는 압축하중)을 측정하였다.
성형탄의 낙하강도는 성형탄 2 ㎏을 5 m 높이에서 4회 또는 8회 자유낙하시킨 후에 20 ㎜ 이상의 입도(또는 20 ㎜보다 큰 입도)를 가진 성형탄 비율로부터 구하였다. 이때, 자유낙하로 조각난 성형탄 조각들을 모은 후에 크기(또는 폭)가 20 ㎜보다 작은(또는 20 ㎜인) 구멍을 갖는 체(sieve)로 걸러 20 ㎜ 이상의 입도를 가진 성형탄 조각을 선별할 수 있고, 이들의 중량을 자유낙하시키기 전의 성형탄의 중량(즉, 성형탄의 초기 중량 2 ㎏)과 비교하여 성형탄 비율을 구할 수 있다. 결과는 표 1에서 확인할 수 있다.
20 ℃ 60 ℃
낙하강도(4회) 96 90
낙하강도(8회) 82 70
표 1을 참조하면, 성형전 혼합물의 온도가 낮을수록 낙하강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
그리고 성형탄의 압축강도는 50 ㎜/min 속도로 압축하였을 때의 최대 하중으로 측정하였으며, 20개 성형탄 시료의 평균값으로 측정하였다. 이는 표 2에서 확인할 수 있다.
20 ℃ 60 ℃
압축강도 28 27
표 2를 참조하면, 성형탄의 압축강도는 성형전 혼합물의 온도가 변화하여도 큰 변화가 없음을 알 수 있다.
위의 실험으로부터 성형전 혼합물의 온도가 성형탄 강도(또는 낙하강도)에 영향을 준다는 것을 알 수 있었고, 이는 성형전 혼합물에 포함된 물의 온도가 올라갈수록 셀룰로오스 에테르 화합물 용액의 점도가 감소하기 때문이라는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로, 성형전 혼합물의 온도를 낮추는 것이 필요하며, 이를 위해 흡열제를 첨가하는 방법을 제시하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 성형탄 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 성형탄 제조방법은 미분탄을 마련하는 과정(S100); 셀룰로오스 에테르 화합물, 물 및 상기 물에 용해되어 흡열 반응하는 흡열제를 상기 미분탄과 혼합하여 혼합물을 마련하는 과정(S200); 및 상기 혼합물을 성형하는 과정(S300);을 포함할 수 있다.
먼저, 미분탄을 마련한다(S100). 여기서, 미분탄(dust coal)은 석탄의 부유선탄(浮遊選炭) 과정에서 물과 함께 부유하거나 채탄 중에 탄진으로서 사방으로 흩어지는 것으로, 그 크기는 명확하지 않으나, 대략 0.5 ㎜ 이하라고 생각할 수 있다. 용도는 코크스 제조용, 점결제(粘結劑)를 넣은 연탄 제조용으로 쓰일 수 있고, 원료탄 관계에서 분탄과 혼합해서 사용할 수도 있다. 미분탄은 역청탄, 아역청탄, 무연탄, 코크스 등의 탄소가 함유된 원료를 포함할 수 있고, 강점탄, 미점탄, 분코크스 등일 수 있다. 상기 미분탄의 입도는 4 ㎜ 이하로 조절할 수 있는데, 이에 특별히 한정되지 않는다.
다음으로, 셀룰로오스 에테르 화합물, 물 및 상기 물에 용해되어 흡열 반응하는 흡열제를 상기 미분탄과 혼합하여 혼합물을 마련한다(S200). 셀룰로오스 에테르 화합물은 메틸셀룰로오스(MC), 히드록시에틸셀룰로오스(HEC), 히드록시프로필셀룰로오스(HPC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC), 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC), 알킬셀룰로오스, 히드록시알킬 셀룰로오스 및 히드록시알킬 알킬셀룰로오스 등을 포함할 수 있고, 이 중에서 적어도 1종 이상이 선택된 화합물일 수 있다. 메틸셀룰로오스(MC)는 18 내지 32 wt%의 메틸기 치환도를 가지며, 히드록시에틸셀룰로오스(HEC)는 20 내지 80 wt%의 히드록시에틸기 치환도를 가질 수 있다. 그리고 히드록시프로필셀룰로오스(HPC)는 20 내지 80 wt%의 히드록시프로필기 치환도를 가지며, 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC)는 18 내지 32 wt%의 메틸기 치환도와 2 내지 14 wt%의 히드록시프로필기 치환도를 가질 수 있다. 또한, 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC)는 18 내지 32 wt%의 메틸기 치환도와 2 내지 14 wt%의 히드록시에틸기 치환도를 가질 수 있다.
상기 혼합물을 마련하는 과정(S200)은 상기 미분탄에 상기 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하는 과정(S210); 상기 흡열제를 첨가하는 과정(S220); 및 상기 물을 첨가하는 과정(S230);을 포함할 수 있다. 상기 미분탄에 바인더로서 상기 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합할 수 있다(S210). 즉, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물을 상기 미분탄에 첨가한 후, 균일하게 혼합되도록 잘 섞어 줄 수 있다. 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 50 내지 200 ㎛일 수 있다. 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도가 50 ㎛보다 작은 경우에는 입도가 너무 작아 다루기(또는 취급이) 어려울 뿐만 아니라 제조 공정비가 상승할 수 있다. 또한, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도가 200 ㎛보다 큰 경우에는 입도가 너무 커서 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 비표면적이 작아질 수 있고, 용해성(또는 수용해성)이 저하되어 바인더 성능이 저하될 수 있으며, 이를 이용하여 성형탄을 제조하는 경우에 성형탄의 강도가 저하될 수 있다. 따라서, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직할 수 있으며, 바인더 성능을 소정 범위로 확보할 수 있도록 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 바람직하게는 50 내지 100 ㎛일 수도 있다. 한편, 좀 더 바람직하게는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 78 ㎛일 수 있다. 이 경우, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도는 0.18 ㎜ 이하가 97% 이상일 수 있다.
상기 미분탄의 평균 입도는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도보다 클 수 있다. 여기서, 상기 미분탄의 평균 입도는 4 ㎜ 이하일 수 있고, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 50 내지 200 ㎛일 수 있다. 이러한 경우, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물이 바인더로서 상기 미분탄 내에서 결합 능력을 충분히 발현할 수 있다. 구체적으로, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 상기 미분탄의 평균 입도의 비는 7 내지 30일 수 있다. 즉, 상기 미분탄의 평균 입도는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도보다 7 내지 30 배 클 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 상기 미분탄의 평균 입도의 비는 10 내지 20일 수 있다. 상기 셀룰로오스 에테르 화합물과 상기 미분탄의 평균 입도의 비가 너무 크거나 너무 작은 경우에는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물이 바인더로서 상기 미분탄 내에서 결합 능력을 충분히 발현하지 못할 수 있다. 따라서, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물과 상기 미분탄의 평균 입도의 비를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 흡열제를 첨가할 수 있고(S220), 상기 흡열제를 첨가하여 혼합할 수 있다. 여기서, 상기 흡열제는 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물, 상기 물 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물에 첨가될 수 있다. 상기 흡열제는 상기 물에 용해되어 흡열 반응할 수 있다.
그리고 상기 흡열제는 탄소(C), 질소(N), 수소(H), 산소(O) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있고, 탄소(C), 질소(N), 수소(H), 산소(O)와 같이 불순물로 작용하지 않는 원소로 구성될 수 있는데, 탄소(C), 질소(N), 수소(H), 산소(O) 중에서 선택된 둘 이상의 원소로만 이루어진 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 흡열제는 요소(CO(NH2)2), 질산암모늄(NH4NO3) 등일 수 있다. 일반적인 흡열제(또는 냉각제)로는 티오시안산암모늄(NH4SCN), 염화암모늄(NH4Cl), 수산화바륨(Ba(OH)2), 염화칼슘(CaCl2), 염화나트륨(NaCl, 또는 소금) 등이 있을 수 있으나, 나트륨(Na), 염소(Cl) 등의 탄소(C), 질소(N), 수소(H), 산소(O) 이외의 원소들은 불순물로 작용하여 성형탄의 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 특히 염소(Cl) 등은 후속 공정에서 부착 물질로 작용하여 설비를 부식시키는 문제가 생길 수 있다. 따라서, 상기 흡열제는 염소(Cl) 또는 불순물로 작용하는 원소를 포함하지 않을 수 있다. 한편, 탄소(C) 원소를 포함하는 흡열제는 성형탄 제조시에 성형탄의 발열량을 조금이나마 높일 수 있고, 이에 따라 바인더 사용에 따른 성형탄의 발열량 하락을 방지 또는 억제할 수 있다.
상기 흡열제는 탄소(C)를 포함하는 요소를 포함할 수 있다. 요소(Urea)는 화학식이 CO(NH2)2인 유기화합물이며, 무색의 결정성 물질이다. 요소의 물리적 특성은 다음과 같다.
- 분자량 : 60.06 g/㏖
- 비중 : 1.32 g/㎤
- 융점 : 133 내지 135 ℃
- 물에 대한 용해도 : 1,079 g/L(20℃), 2,510 g/L(60℃), 4,000g/L(80℃)
- 물에 용해시 흡열량 : 15.3 kJ/㏖
여기서, 요소에 대해 주목해야 할 점은 상온에서 고체 상태로 존재하여 취급하기 쉬우며, 온도가 올라갈수록 물에 대한 용해도가 증가할 뿐만 아니라 용해시 상당량의 열을 흡수하므로, 흡열제(endothermic agent) 또는 냉각제(cooling agent)로 사용 가능하다는 것이다. 물을 냉각시키기 위해서 냉각 장치(예를 들어, chiller) 등을 활용하는 방법도 있으나, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물과 상기 요소를 일정량 섞어 성형탄 제조시 물과 함께 혼합하면, 성형탄 제조시 발생되는 열을 자연스럽게 흡수할 수 있고, 물을 냉각시켜 상기 혼합물(즉, 셀룰로오스 에테르 화합물 용액)의 점도를 높일 수 있으며, 결국 성형탄의 낙하강도를 증가시키는 데에 기여할 수 있다.
상기 요소의 양은 상기 물의 온도가 높을수록 증가할 수 있다. 상기 요소는 물에 대한 용해도가 온도(즉, 물의 온도)가 높아질수록 높아지므로, 상기 물의 온도가 높아지면, 상기 요소의 양은 물에 대한 용해도에 따라 증가할 수 있다. 또한, 상기 물의 온도가 높으면, 상기 혼합물의 점도를 저하시켜 성형탄의 낙하강도를 저하시키므로, 많은 양의 상기 요소를 물에 용해시켜 상기 물의 온도를 소정 온도(예를 들어, 4 내지 20 ℃, 상온 또는 실온)로 낮출 수도 있다.
상기 혼합물을 마련하는 과정(S200)에서는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물과 상기 흡열제 중 적어도 어느 하나는 분말 상태로 혼합될 수 있다. 상기 셀룰로오스 에테르 화합물은 액상이 아닌 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용할 수 있다. 바인더 용액(즉, 액상의 셀룰로오스 에테르 화합물)을 사용하는 경우, 흐름성을 좋게 하기 위하여 바인더 자체의 점도가 낮은 카르복시메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC) 용액을 사용할 수 있으나, 바인더 자체의 점도가 낮으므로, 성형탄의 강도가 저하되는 문제점이 있다. 또한, 용액 형태의 바인더는 층분리(delamination)로 인하여 바인더 성분을 균일하게 유지하기가 어려우며, 이송시 탱크로리 등 특수 운반차가 필요하여 운송비가 높은 단점을 가진다. 그리고 바인더 용액은 동절기에는 결빙되므로, 저장이 용이하지 않다. 따라서, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물에는 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)가 포함되지 않을 수도 있다.
반면에, 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하는 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물 자체의 점도가 높으므로, 우수한 강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다. 또한, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물을 분말형으로 사용하므로, 그 부피를 최소화하여 보관하기가 용이하며, 운송도 간편한 이점이 있다. 나아가 동절기에 결빙 등을 걱정할 필요가 없다. 그리고 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용하는 경우에는 고체(또는 분말)와 고체(또는 분말)의 혼합으로 상기 미분탄과 혼합되므로, 단시간 동안에도 균일한 혼합이 가능할 수 있다. 따라서, 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물는 바인더로 사용하기에 적합하며, 본 발명에서는 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용하여 바인더 저장과 이송 등이 용이할 수 있다.
상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도는 4,000 cps 내지 80,000 cps일 수 있다. 여기서, 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도는 Brookfield사의 DV-Ⅱ+Pro(spindle HA)를 사용하여 20±0.1 ℃에서 2 wt%의 농도를 갖는 셀룰로오스 에테르 화합물 용액(또는 수용액)의 점도를 측정한 값을 의미한다. 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도가 4,000 cps보다 낮은 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물을 포함하는 용액(예를 들면, 수용액)의 점도가 너무 낮아서 상기 미분탄에 대한 결합력이 저하될 수 있고, 이로 인해 성형탄의 강도가 저하될 수 있다. 한편, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도가 80,000 cps보다 높은 경우, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 분자량이 너무 높아서 용해성이 저하되므로, 미분탄에 대한 결합력이 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 흡열제는 분말 상태로 사용할 수 있다. 상기 흡열제를 분말 상태로 사용하는 경우, 그 부피를 최소화하여 보관하기가 용이하며, 운송도 간편한 이점이 있고, 나아가 동절기에 결빙 등을 걱정할 필요도 없다. 특히, 상기 요소는 상온에서 고체 상태로 존재하여 별다른 처리없이 분말 상태를 얻을 수 있고, 이에 따라 분말 상태의 요소를 마련하기 쉬울 뿐만 아니라 취급이 용이할 수 있다. 그리고 물에 용해시 상당량의 열을 흡수하므로, 물을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
그리고 상기 셀룰로오스 에테르 화합물과 상기 흡열제가 모두 분말 상태인 경우에는 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물 및 상기 흡열제가 모두 고체와 고체의 혼합으로 혼합되므로, 단시간 동안에도 균일한 혼합이 가능할 수 있다.
상기 물을 첨가할 수 있고(S230), 상기 물을 첨가하여 혼합할 수 있다. 여기서, 상기 물은 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물, 상기 흡열제 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물에 첨가될 수 있고, 물의 온도는 달리할 수 있다. 예를 들어, 상기 미분탄에 상기 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합한 후에 상기 물을 첨가하는 경우, 상기 미분탄 내에 분산된(또는 균일하게 분포된) 상기 셀룰로오스 에테르 화합물이 상기 물에 용해될 수 있다. 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하기 위해서는 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물에 물을 첨가해야 하는데, 셀룰로오스 에테르 화합물을 물에 용해시키면, 용액의 점도가 올라가 바인더로서 기능을 할 수 있다. 이에 따라 상기 물에 용해된 상기 셀룰로오스 에테르 화합물이 상기 미분탄과의 결합력을 발휘하여 후속 공정에서 제조되는 성형탄의 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 액상 바인더를 상기 미분탄에 바로 혼합하지 않고, 먼저 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 상기 미분탄에 혼합한 후에 물을 첨가하여 각 공정을 분리함으로써, 우수한 강도를 가지면서도 공정 비용을 최소화한 성형탄을 제조할 수 있다.
그리고 상기 흡열제를 첨가하는 과정(S220) 또는 상기 물을 첨가하는 과정(S230)은 상기 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하는 과정(S210), 상기 흡열제를 첨가하는 과정(S220) 및 상기 물을 첨가하는 과정(S230) 중 마지막에 수행될 수 있다. 상기 셀룰로오스 에테르 화합물, 상기 흡열제 또는 상기 물을 상기 미분탄과 혼합하면서 혼합물의 온도가 상승할 수도 있으므로, 상기 흡열제 또는 상기 물을 마지막에 첨가하여 최종 과정에서 상기 혼합물의 온도를 낮출 수 있다. 특히, 상기 혼합물의 점도는 상기 물의 온도에 밀접하게 연관되는데, 상기 물을 마지막에 첨가하게 되면, 혼합으로 인해 온도가 상승하지 않은 물을 상기 흡열제의 용해에 의해 냉각시킬 수 있으므로, 보다 효과적으로 상기 혼합물의 점도를 향상시킬 수 있다.
한편, 분말 상태의 상기 셀룰로오스 에테르 화합물, 상기 흡열제 중 어느 하나와 상기 미분탄의 혼합물에 상기 물을 첨가하여 혼합하는 시간은 분말 상태의 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물, 상기 흡열제 중 둘 이상을 혼합하는 시간보다 오래 걸릴 수 있다(또는 클 수 있다). 즉, 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물, 상기 흡열제 중 둘 이상의 혼합은 고체와 고체의 혼합으로 단시간 동안에도 균일한 혼합이 가능할 수 있지만, 상기 미분탄의 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 경우에는 액상의 물을 투입하여 상기 미분탄의 혼합물과 접촉시켜 상기 미분탄 내에서 균일하게 잘 용해시켜야 하므로, 장시간 혼합하는 것이 공정 효율면에서 바람직할 수 있다. 좀 더 바람직하게는, 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물, 상기 흡열제 중 둘 이상의 혼합 시간에 대한 상기 미분탄의 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 시간의 비는 2 내지 5일 수 있다. 즉, 상기 미분탄의 혼합물에 물을 첨가하여 혼합하는 시간이 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물, 상기 흡열제 중 둘 이상의 혼합 시간의 2 내지 5 배일 수 있다. 상기 시간의 비가 2보다 적은 경우에는 혼합하는 시간이 너무 적어 상기 미분탄과 혼합된 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물 또는 상기 흡열제가 물과 충분하게 접촉하지 못해 성형탄의 강도가 저하될 수 있다. 반대로, 상기 시간의 비가 5보다 큰 경우에는 혼합하는 시간이 너무 길어 공정 효율면에서 바람직하지 않다. 따라서, 상기 시간의 비를 적절하게 조절하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 물에 대한 상기 요소의 중량부는 0.01 내지 0.7일 수 있다. 여기서, 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부 0.01은 상기 물 100 wt%에 대해 상기 요소가 1 wt%인 것을 의미하고, 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부 0.7은 상기 물 100 wt%에 대해 상기 요소가 70 wt%인 것을 의미한다. 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부가 0.01보다 작게 되면, 상기 요소의 양이 너무 작아 상기 물의 냉각 효과가 미미할 수 있고, 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부가 0.7보다 크게 되면, 상기 요소의 양이 너무 많아 물에 완전히 용해되지 않게 되며, 상기 물에 용해되는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도에 영향을 줄 수 있다. 상기 물에 대한 상기 요소의 용해도는 물의 온도에 따라 달라질 수 있는데, 20 ℃의 물에서는 약 50 wt%(즉, 상기 물 중량의 약 50 wt%)의 상기 요소가 용해될 수 있고, 60 ℃의 물에서는 약 70 wt%(즉, 상기 물 중량의 약 70 wt%)까지 상기 요소가 용해될 수 있다. 즉, 20℃에서는 요소 수용액의 농도가 약 50 %, 60 ℃에서는 약 70 %까지 가능할 수 있다.
따라서, 상기 요소의 양은 상기 요소의 용해도에 따라 결정될 수 있는데, 물의 온도에 따른 요소의 용해도에 따라 결정될 수 있고, 상기 요소의 용해도에 따라 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부의 상한선이 결정될 수 있다. 여기서, 상기 요소의 용해도는 상기 물의 온도가 높아질수록 증가할 수 있고, 상기 요소의 양은 상기 요소의 용해도가 높아질수록 증가할 수 있다. 이때, 상기 요소는 첨가된 모든 양이 용해되면서 상기 혼합물 및/또는 상기 물의 온도를 4 내지 20 ℃로 낮출(또는 만들) 수 있는 양이 첨가될 수 있다.
상기 물의 온도가 상온(15 내지 25 ℃, 20±5 ℃)인 경우에 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부는 0.01 내지 0.5일 수 있고, 바람직하게는 상기 물의 온도가 실온(15 내지 20 ℃)인 경우에 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부는 0.01 내지 0.5일 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 물의 온도가 20 ℃(표준온도)인 경우에 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부는 0.01 내지 0.5일 수 있다. 상기 물의 온도가 20 ℃인 경우, 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부가 0.01보다 작게 되면, 상기 요소의 양이 너무 작아 상기 물의 냉각 효과가 미미할 수 있고, 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부가 0.5보다 크게 되면, 상기 요소의 양이 너무 많아 물에 완전히 용해되지 않게 되며, 상기 물에 용해되는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도에 영향을 줄 수 있다. 이때, 상기 물의 온도가 20 ℃인 경우에는 약 50 wt%의 상기 요소가 용해될 수 있다.
상기 물의 온도가 상온(~25℃)보다 높은 경우에 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부는 0.2 내지 0.7일 수 있다.
바람직하게는 상기 물의 온도가 60 ℃인 경우에 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부는 0.2 내지 0.7일 수 있다. 상기 물의 온도가 60 ℃인 경우, 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부가 0.2보다 작게 되면, 상기 요소의 양이 너무 작아 상기 물이 냉각되어도 약 40 ℃ 이상이므로, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도가 저하되며, 성형탄의 강도가 저하될 수 있고, 상기 물에 대한 상기 요소의 중량부가 0.7보다 크게 되면, 상기 요소의 양이 너무 많아 물에 완전히 용해되지 않게 되며, 상기 물에 용해되는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도에 영향을 줄 수 있다. 이때, 상기 물의 온도가 60 ℃인 경우에는 약 70 wt%의 상기 요소가 용해될 수 있다.
이와 같이, 상기 요소의 양은 상기 물의 온도가 높을수록 증가할 수 있다.
상기 혼합물을 마련하는 과정(S200)은 상기 흡열제가 상기 물에 용해되어 상기 혼합물의 온도를 낮추는 과정(S250)을 포함할 수 있다. 상기 흡열제는 상기 물에 용해되어 흡열 반응할 수 있는데, 상기 혼합물을 마련하는 과정(S200)에서 상기 흡열제가 상기 물에 용해되어 상기 혼합물의 온도를 낮출 수 있다.
이하에서는 상기 혼합물의 온도를 낮추는 과정(S250)을 요소를 첨가하는 방법을 예로 들어 제시하고자 한다.
요소의 분자량은 60.1 g/㏖이고, 물에 용해시 발열량 △H = 15.3 kJ/㏖이다. 이로부터 요소 단위 무게당 △H = 255 kJ/㎏이 된다. 성형탄의 생산량이 M이고, 이 중 물(또는 수분)의 함량이 10 %라고 하면, 성형탄의 물의 온도를 △T만큼 낮추기 위해 필요한 열은 다음과 같이 정의된다.
Cp·M·0.1·△T --- (식 1)
여기서, Cp는 4.2 kJ/㎏이다.
요소를 물의 양의 10 %만큼 혼합한다고 가정하면,
M·0.1·0.1·△H --- (식 2)
식 1과 식 2를 풀면, △T = 6 ℃이다.
다시 말하면, 물에 10 wt% 농도로 요소를 용해시키는 경우에 물의 온도를 6 ℃만큼 냉각이 가능하다. 요소의 물에 대한 용해도는 앞서 언급하였듯이 20 ℃에서 물 1L(즉, 1㎏)당 1㎏ 이상의 요소 용해가 가능하니 요소를 물에 10 wt% 녹이는 것은 가능하다. 요소를 첨가함에 따라 냉각되는 물의 온도는 선형적으로 증가하므로, 20 wt% 혼합시 12 ℃, 40 wt% 혼합시 24℃ 온도 저하가 가능하다. 그러므로, 첨가하는 물의 양을 고려하여 요소를 첨가하면, 냉각 설비 없이도 성형탄의 강도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 상기 흡열제를 첨가하여 상기 물에 용해시킴으로써, 상기 혼합물의 온도를 낮출 수 있고, 성형탄의 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 혼합물의 온도를 낮추는 과정(S250) 이후에 상기 혼합물의 온도는 4 내지 20 ℃일 수 있다. 4 내지 20 ℃의 온도를 갖는 상기 혼합물로 상기 성형탄을 제조할 수 있는데, 상기 혼합물의 온도가 4 ℃보다 낮으면, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 용해도가 저하되며, 물이 얼 수도 있고, 상기 혼합물의 온도가 20 ℃보다 높으면, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도를 소정 범위로 확보하지 못하며, 성형탄의 강도가 저하될 수 있다. 상기 혼합물은 상기 물에 대한 0.01 내지 0.7의 중량부로 혼합되는 상기 요소에 의해 0.6 내지 42 ℃의 온도가 감소할 수 있다.
한편, 상기 혼합물의 온도 및/또는 상기 물의 온도가 4 내지 20 ℃이면 되고, 상기 혼합물의 온도 및/또는 상기 물의 온도를 4 내지 20 ℃로 낮추는 것이 목적이므로, 상기 물을 일부러 가열하여 상기 물의 온도를 높일 필요는 없다. 그리고 상기 물의 온도를 일부러 높일 필요는 없으나, 상기 요소를 용해시키기 전에 굳이 높은 온도의 물을 냉각시켜 사용할 필요도 없다. 다시 말하면, 상기 물은 제철 공정에서 냉매 또는 냉각수로 사용되어 온도가 높아진 물이나 공급 중에 높은 온도의 공간을 통과하면서 온도가 높아진 물을 사용할 수도 있다.
그리고 상기 혼합물 100 wt% 중 상기 물의 양은 5 내지 15 wt%일 수 있고, 바람직하게는 7 내지 12 wt%일 수 있다. 상기 물의 양이 5 wt%보다 적은 경우에는 수분의 양이 너무 적어 첨가된 모든 바인더의 용해가 어려우며, 성형탄의 냉간 강도가 저하될 수 있고, 상기 물의 양이 15 wt%보다 많은 경우에는 수분의 양이 너무 많아 상기 혼합물의 성형이 어려운 문제점이 있다. 따라서, 상기 혼합물 중 상기 물의 양을 전술한 범위로 조절할 수 있다.
또한, 상기 혼합물 100 wt% 중 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.7 내지 2 wt%일 수 있고, 좀 더 구체적으로는 0.8 내지 1.5 wt%일 수 있다. 여기서, 상기 혼합물 중 5 내지 15 wt%의 상기 물 및 나머지의 상기 미분탄을 포함할 수 있다. 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 양이 0.7 wt%보다 적은 경우에는 바인더의 양이 너무 적어 성형탄의 강도가 저하될 수 있고, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 양이 2 wt%보다 큰 경우에는 바인더의 양이 너무 많아 성형탄의 제조 비용이 크게 증가할 수 있다. 따라서, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 양을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직할 수 있다.
그 다음 상기 혼합물을 성형한다(S300). 상기 혼합물을 성형하는 과정(S300)에서 상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조할 수 있다. 예를 들면, 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤러들 사이로 상기 혼합물을 연속적으로 장입하여 압착함으로써, 포켓 또는 스트립 형태의 성형탄을 제조할 수 있다. 이를 통해 성형탄의 대량 생산이 가능할 수 있다. 롤러에서 빠져나온 상기 성형탄 중 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.7 내지 2.0 wt%일 수 있으며, 상기 성형탄에 포함된 수분의 양은 5 내지 15 wt%일 수 있고, 바람직하게는 7 내지 12 wt%일 수 있다. 수분의 양이 너무 많은 경우에는 성형탄의 성형성이 저하될 수 있고, 수분의 양이 너무 적은 경우에는 성형탄의 냉간 강도가 저하될 수 있다. 따라서, 전술한 범위로 성형탄의 수분량을 조절할 수 있다.
한편, 상기의 과정들을 포함하기만 하면, 성형탄 제조방법을 다양하게 변형할 수 있다. 상기 혼합물을 마련하는 과정(S200)의 하위 과정(예를 들어, S210 내지 S230)들은 상기 혼합물을 마련할 수만 있으면 순서에 무관할 수 있고, 상기의 과정들 이외에 필요에 따라 다른 과정들을 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 성형탄 제조방법은 상기 성형탄을 건조하는 과정(S400);을 더 포함할 수 있다. 상기 성형탄을 건조하는 과정(S400)에서 상기 셀룰로오스 에테르 화합물을 녹이는 용매로 사용한 상기 물은 건조될 수 있다. 건조 공정에서 적정 건조된 상기 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용한 성형탄은 성형탄 바인더로 당밀을 사용하지 않았기 때문에, 용융가스화로에 장입되는 알칼리량을 감소시키는데 기여할 수 있다. 이로 인해, 노(furnace) 내에서 알칼리 농축으로 인해 발생할 수 있는 조업 및 설비 장애의 예방이 가능할 수 있다. 한편, 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물, 상기 물 및 상기 흡열제를 첨가한 혼합물로 제조된 성형탄의 성형성을 조절할 필요가 있는 경우, 성형탄을 건조하여 일부 수분을 제거할 수 있다. 이를 통해, 상기 성형탄의 강도를 크게 향상시킬 수도 있다.
상기 성형탄을 건조하는 과정(S400)은 음압을 걸어주는 과정(S450)을 포함할 수 있다. 상기 성형탄의 건조가 효과적으로 이루어질수록 상기 성형탄의 강도가 향상될 수 있는데, 상기 음압을 걸어주는 과정(S450)에서 음압(예를 들어, 진공 등)을 걸어주어 상기 성형탄을 건조함으로써, 상기 성형탄이 효과적으로 건조될 수 있고, 상기 성형탄의 강도가 향상될 수 있다. 즉, 진공 등의 음압을 걸어주는 경우, 효과적인 건조가 이루어질 수 있다.
상기 성형탄을 건조하는 과정에서는 4 내지 80 ℃의 온도에서 상기 성형탄을 건조할 수 있다. 4 ℃보다 낮은 온도에서 상기 성형탄을 건조시키게 되면, 물의 비중이 높아져서 건조 효과가 미미할 수 있고, 80 ℃보다 높은 온도에서 상기 성형탄을 건조시키게 되면, 상기 성형탄의 건조가 급격히 일어나 상기 성형탄에 크랙(cracks)이 발생할 수 있으며, 온도가 너무 높은 경우에는 상기 성형탄이 발화할 수도 있다.
성형탄의 냉간 강도를 측정하는 실험은 다음과 같을 수 있다.
상기 성형탄의 냉간 강도 측정 실험에서는 성형탄의 물 첨가 비율을 10 내지 11 wt%로 유지하였다. 그리고 요소 함량은 수분 10 wt%를 기준으로 물의 양에 대한 중량비로 표현하였다. 예를 들어, 요소 20 wt%는 성형탄의 요소 첨가 비율로 변환하면, 2 wt%가 될 수 있고, 물에 대한 요소의 중량부로는 0.2일 수 있다.
실시예 1 : 요소 20 wt%가 첨가된 20℃ 온도의 상기 혼합물로 제조된 성형탄
3.4 ㎜ 이하의 미분탄과 0.2 ㎜ 이하의 셀룰로오스 에테르 화합물 분말 1.1 wt%를 요소와 1분간 균일하게 혼합하는데, 제공된 미분탄에 혼합된 셀룰로오스 에테르 화합물과 요소를 첨가하여 혼합한다. 그리고 이 혼합물을 20℃로 유지시킨다. 그리고 20 ℃의 물을 상기 미분탄 혼합물에 첨가하고 3분간 혼합해 상기 혼합물을 제조하였다. 상기 미분탄으로는 강점탄, 미점탄 및 분코크스를 혼합하여 사용하였고, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물은 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC) 제품을 사용하였다. 혼합물을 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤들 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 이 경우, 한 쌍의 롤들은 20 kN/㎝의 압력으로 혼합물을 가압하여 64.5㎜×25.4㎜×19.1㎜ 크기의 베게 형상의 성형탄을 제조하였다. 나머지 성형탄의 상세한 제조 공정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
비교예 1 : 요소 0 wt%가 첨가된 20℃ 온도의 상기 혼합물로 제조된 성형탄
3.4 ㎜ 이하의 미분탄과 0.2 ㎜ 이하의 셀룰로오스 에테르 화합물 분말 1.1 wt%를 1분간 균일하게 혼합하여 20℃로 온도를 균일하게 유지시킨 후, 20 ℃의 물을 첨가하여 다시 3분간 혼합해 혼합물을 제조하였다. 상기 미분탄으로는 강점탄, 미점탄 및 분코크스를 혼합하여 사용하였고, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물은 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC) 제품을 사용하였다. 그리고 혼합물을 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤들 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 이 경우, 한 쌍의 롤들은 20 kN/㎝의 압력으로 혼합물을 가압하여 64.5㎜×25.4㎜×19.1㎜ 크기의 베게 형상의 성형탄을 제조하였다. 나머지 성형탄의 상세한 제조 공정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
전술한 실험예를 따라 제조한 성형탄의 낙하강도와 압축강도를 측정하였다.
성형탄의 낙하강도는 성형탄 2 ㎏을 5 m 높이에서 4회 또는 8회 자유낙하시킨 후에 20 ㎜ 이상의 입도를 가진 성형탄 비율로부터 구하였다. 결과는 도 3에 도시하였다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 요소의 첨가에 의한 성형탄의 낙하강도 향상을 나타낸 그림으로, 도 3(a)는 4회 자유낙하시킨 낙하강도이고, 도 3(b)는 8회 자유낙하시킨 낙하강도이다.
도 3을 참조하면, 요소를 첨가하는 경우에 도 3(a)와 같이 4회 자유낙하시킨 낙하강도에서는 별 차이가 없으나, 도 3(b)와 같이 4회보다 많이(예를 들어, 8회) 자유낙하시킨 낙하강도에서는 낙하강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기 성형탄의 압축강도는 50 ㎜/min 속도로 압축하였을 때의 최대 하중으로 측정하였으며, 20개 성형탄 시료의 평균값으로 측정하였는데, 압축강도는 표 2의 결과와 유사하여 생략한다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 성형탄을 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 성형탄 제조방법과 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 성형탄은 미분탄; 바인더로 상기 미분탄에 혼합되는 셀룰로오스 에테르 화합물; 및 상기 미분탄 또는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물에 첨가되는 흡열제;를 포함할 수 있다. 이러한 성형탄은 종래보다 성형탄의 낙하강도가 향상될 수 있다.
그리고 상기 성형탄은 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물 및 상기 흡열제가 물과 혼합되고 성형될 수 있다. 상기 흡열제가 성형전 미분탄, 셀룰로오스 에테르 화합물, 물 및 흡열제가 혼합된 혼합물의 온도를 낮춰 줄 수 있어 성형탄의 낙하강도를 향상시킬 수 있다.
상기 흡열제는 요소를 포함할 수 있고, 상기 물에 용해되어 흡열 반응할 수 있다. 상기 흡열제는 상기 물에 용해되어 용해 흡열 반응에 의해 상기 혼합물의 온도를 낮출 수 있고, 낮은 온도의 상기 혼합물로 성형탄이 제조되어 성형탄의 낙하강도가 향상될 수 있다. 그리고 상기 흡열제는 요소를 포함할 수 있는데, 요소는 상온에서 고체 상태로 존재하여 취급하기 쉬우며, 온도가 올라갈수록 물에 대한 용해도가 증가할 뿐만 아니라 용해시 상당량의 열을 흡수하므로, 상기 흡열제(또는 냉각제)로 사용할 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 특정 점도 범위를 갖는 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하면서 요소를 첨가하여 별도의 냉각 수단 또는 추가적인 냉각 공정 없이 미분탄, 셀룰로오스 에테르 화합물, 물 및 요소의 혼합물 온도를 낮출 수 있다. 이에 따라 낮은 온도의 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조할 수 있어 성형탄의 낙하강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하여 생석회와 같은 강도 강화제를 추가적으로 사용하지 않을 수 있으며, 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용하는 경우에는 저장, 운반 및 관리가 용이해 질 수 있고, 이에 따라 성형탄 제조설비 및 제조공정이 간단해 질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
S100 : 미분탄을 마련 S200 : 혼합물을 마련
S300 : 혼합물을 성형

Claims (16)

  1. 미분탄을 마련하는 과정;
    셀룰로오스 에테르 화합물, 물 및 상기 물에 용해되어 흡열 반응하는 흡열제를 상기 미분탄과 혼합하여 혼합물을 마련하는 과정; 및
    상기 혼합물을 성형하는 과정;을 포함하고,
    상기 흡열제는 요소를 포함하는 성형탄 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 요소의 양은 상기 물의 온도가 높을수록 증가하는 성형탄 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 물에 대한 상기 요소의 중량부는 0.01 내지 0.7인 성형탄 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합물을 마련하는 과정에서는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물과 상기 흡열제 중 적어도 어느 하나는 분말 상태로 혼합되는 성형탄 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합물을 마련하는 과정은,
    상기 미분탄에 상기 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하는 과정;
    상기 흡열제를 첨가하는 과정; 및
    상기 물을 첨가하는 과정;을 포함하는 성형탄 제조방법.
  7. 청구항 1, 및 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합물을 마련하는 과정은 상기 흡열제가 상기 물에 용해되어 상기 혼합물의 온도를 낮추는 과정을 포함하는 성형탄 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 혼합물의 온도를 낮추는 과정 이후에,
    상기 혼합물의 온도는 4 내지 20 ℃인 성형탄 제조방법.
  9. 청구항 1, 및 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합물 100 wt% 중 상기 물의 양은 5 내지 15 wt%인 성형탄 제조방법.
  10. 청구항 1, 및 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합물 100 wt% 중 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.7 내지 2 wt%인 성형탄 제조방법.
  11. 청구항 1, 및 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미분탄의 평균 입도는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도보다 큰 성형탄 제조방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형탄을 건조하는 과정;을 더 포함하는 성형탄 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 성형탄을 건조하는 과정은 음압을 걸어주는 과정을 포함하는 성형탄 제조방법.
  14. 미분탄;
    바인더로 상기 미분탄에 혼합되는 셀룰로오스 에테르 화합물; 및
    상기 미분탄 또는 상기 셀룰로오스 에테르 화합물에 첨가되는 흡열제;를 포함하고,
    상기 흡열제는 요소를 포함하며, 물에 용해되어 흡열 반응하는 성형탄.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 성형탄은 상기 미분탄, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물 및 상기 흡열제가 물과 혼합되고 성형된 성형탄.
  16. 삭제
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