KR101949704B1

KR101949704B1 - 성형탄 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 성형탄

Info

Publication number: KR101949704B1
Application number: KR1020170086631A
Authority: KR
Inventors: 류진호; 박우일; 김재동; 신성기; 박석인
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2019-02-19
Also published as: CA3068798A1; EP3650520A4; CN110869475A; BR112020000147A2; WO2019009484A1; KR20190005649A; EP3650520A1; CA3068798C

Abstract

본 발명은 성형탄 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 성형탄에 관한 것으로, 미분탄과 덱스트린을 포함하는 원료를 마련하는 과정과, 상기 원료를 혼합하여 혼합물을 제조하는 과정과, 상기 혼합물을 숙성시키는 과정과, 상기 숙성된 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조하는 과정을 포함하고, 용선 제조 시 저융점 화합물의 생성을 억제하여 부착물에 의한 설비의 손상을 방지할 수 있다.

Description

성형탄 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 성형탄{Method for manufacturing coal briquettes and coal briquettes using the same}

본 발명은 성형탄 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 성형탄에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용선 제조 시 용융가스화로의 배관 막힘 현상을 방지할 수 있는 성형탄 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 성형탄에 관한 것이다.

세계 각국의 제철소에서는 연료 및 환원제로서 일반탄을 직접 사용하고, 철원으로는 전세계 광석 생산량의 80% 이상을 점유하는 분철광석을 직접 사용하여 용선을 제조하는 용융 환원 제철법이 개발되어 있다.

용융 환원 제철법에서는 철광석을 환원시킨 환원철과, 성형탄을 용융가스화로에 장입하고, 용융가스화로에 산소 함유 가스를 취입하여 성형탄을 연소시키고, 성형탄이 연소되면서 발생하는 열을 이용하여 환원철을 용융시킴으로써 용선을 제조한다.

한편, 성형탄은 미분탄과 바인더를 혼합하고, 성형기에서 미분탄과 바인더의 혼합물을 가압 성형하여 제조될 수 있다. 성형탄은 용선 제조 시 연료 물질로 사용되는데, 용융가스화로 내부에 안정적으로 장입하기 위해서는 냉간 강도와 열간 강도를 가질 필요가 있다. 이에 바인더로서 우수한 점도를 가지는 당밀 등을 사용하고 있다.

그러나 당밀은 산지에 따라 그 성분이 다르고, 제당 제조 공정에 따라 그 성분을 제어하기 어렵기 때문에 당밀을 바인더로 사용하여 성형탄을 제조하는 경우, 성형탄의 품질을 일정하게 제어할 수 없다.

또한, 당밀은 알칼리 성분을 다량 함유하고 있기 때문에 당밀을 이용하여 제조된 성형탄을 용융가스화로에 사용하는 경우 KCl 등과 같은 저융점 화합물을 다량 발생시킨다. 이렇게 생성된 저융점 화합물은 환원가스에 포함되어 환원가스가 배출되는 배관을 막히게 하고, 환원가스를 이용하여 환원철을 제조하는 유동환원로 내부에 부착되어 공정 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

KR

0627469

B

KR

10-2017-0018275

A

본 발명은 저융점 화합물의 생성을 억제할 수 있는 성형탄 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 성형탄을 제공한다.

본 발명은 설비 손상을 억제하여 조업 효율 및 생산성을 향상시킬 수 있는 성형탄 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 성형탄을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 성형탄 제조방법은, 미분탄과 덱스트린을 포함하는 원료를 마련하는 과정; 상기 원료를 혼합하여 혼합물을 제조하는 과정; 상기 혼합물을 숙성시키는 과정; 상기 숙성된 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조하는 과정;을 포함할 수 있다.

상기 원료를 마련하는 과정에서, DE(Dextrose Equivalent)가 0 초과, 10 이하인 덱스트린을 마련하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 원료를 마련하는 과정에서, 10 내지 20㎛의 입자 크기를 갖는 덱스트린을 마련하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 혼합물을 제조하는 과정은, 상기 미분탄과 상기 덱스트린을 합한 총 중량 100wt%에 대해서, 상기 미분탄은 91 내지 97wt%와 상기 덱스트린은 3 내지 9wt% 혼합하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 숙성시키는 과정은, 상기 혼합물이 50 내지 100℃를 유지하도록 스팀을 이용하여 가열하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 숙성시키는 과정에서, 상기 혼합물이 상기 혼합물 전체 100wt%에 대해서 3 내지 10wt%의 수분 함량을 갖도록 조절하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 숙성시키는 과정에서, 상기 덱스트린의 양에 대한 수분 양의 비를 1 내지 3로 조절하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 숙성시키는 과정은, 상기 혼합물을 교반하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 숙성시키는 과정은 7 내지 20분 동안 수행할 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따른 성형탄은, 미분탄과 덱스트린을 포함하고, 상기 덱스트린은 호화된 상태로 존재할 수 있다.

본 발명의 실시 형태들에 의하면, 알칼리 성분인 칼슘(K)을 포함하지 않는 덱스트린을 바인더를 이용하여 우수한 강도를 갖는 성형탄을 제조할 수 있다. 따라서 성형탄의 강도를 확보할 수 있고, 성형탄을 이용하여 용선을 제조할 때 알칼리 성분에 의한 저융점 화합물의 생성을 억제 혹은 방지할 수 있다. 이를 통해 저융점 화합물에 의한 배관 막힘이나 설비 내 부착물 생성을 억제할 수 있다. 예컨대 용융가스화로 내 배관 막힘을 억제할 수 있고, 유동환원로의 분산판 등의 막힘 현상을 억제할 수 있다. 또한, 설비를 안정적으로 운영할 수 있으므로, 설비의 유지 보수를 용이하게 할 수 있고, 조업 효율 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 성형탄 제조장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 성형탄 제조방법을 순차적으로 보여주는 순서도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 요소를 명확하게 표현하기 위하여 크기를 과장하거나 확대하여 표현하였으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명을 설명하기 앞서, 용선 제조 장치의 구성에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 용선 제조 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 성형탄 제조장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 1에서 실선은 원료의 이동 경로를 나타내고, 점선은 가스의 이동 경로를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 용선 제조 장치는, 철광석을 환원시켜 환원철을 제조하는 유동 환원로(200)와, 성형탄 공급장치(300) 및 환원철과 성형탄을 이용하여 용선을 제조하는 용융가스화로(100)를 포함할 수 있다. 또한, 용선 제조 장치는 환원철을 열간 상태에서 괴성광으로 성형하는 성형장치(400)를 포함할 수 있다.

유동 환원로(200)는 철광석을 환원시켜 환원철을 제조하는 수단이며, 철광석은 분철광석일 수 있으며, 필요에 따라 부원료를 투입할 수 있다. 즉, 유동 환원로(200)는 내부에 철광석을 환원시키기 위한 공간이 형성될 수 있고, 그 내부에는 유동 환원로(200) 내부로 공급되는 가스, 예컨대 환원가스를 균일하게 확산시킬 수 있는 분산판이 설치될 수 있다. 이에 유동 환원로(200)는 내부에서 환원가스에 의해 철광석을 유동시키면서 환원시킬 수 있다. 이와 같은 유동 환원로(200)는 복수개로 구비될 수 있고, 철광석은 복수의 유동 환원로(200)를 순차적으로 이동하면서 환원철로 제조될 수 있다. 예컨대 유동 환원로는 3개의 유동 환원로(이하, 제1유동 환원로(201), 제2유동 환원로(202) 및 제3유동 환원로(203))를 구비할 수 있다. 이때, 제1유동 환원로(201)는 철광석이 최초 장입되는 곳으로 제2유동 환원로(202)에서 배출되는 배가스 및 환원가스를 이용하여 철광석을 건조 및 예열시킬 수 있다. 제1유동 환원로(201)에서 건조 및 예열된 철광석은 제2유동 환원로(202)를 거치면서 환원 또는 예비 환원되고, 제2유동 환원로(202)는 제3유동 환원로(203)에서 배출되는 배가스 및 환원가스로 철광석을 환원시킬 수 있다. 그리고 제3유동 환원로(203)는 용융가스화로(100)에서 배출된 환원가스에 의해 철광석을 최종 환원시킬 수 있다. 유동 환원로(200)의 개수는 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 가감 가능하다.

성형장치(400)는 유동 환원로(200)에서 제조된 환원철, 즉 미분 상태의 환원철을 열간 상태에서 괴성화할 수 있다. 성형장치(400)는 유동 환원로(200)에서 배출되는 환원철을 저장하는 제1저장기(410)와, 제1저장기(410)로부터 환원철을 공급받아 브리켓 등과 같이 괴성화된 환원철을 제조하는 제1성형기(420)와, 제1성형기(420)에서 제조된 성형체를 일시적으로 저장하였다가 용융가스화로(100)에 공급하는 제2저장기(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 제1성형기(420)는 상호 마주보도록 설치된 한 쌍의 롤을 구비하는 쌍롤식 성형기일 수 있다. 이에, 한 쌍의 롤 사이에 분말 상태의 환원철이 장입되면, 상기 한 쌍의 롤의 회전으로 인한 압출에 의해 괴성화된 환원철을 제조할 수 있다.

성형탄 제조장치(300)는 미분탄과 바인더의 혼합물을 가압 성형하여 성형탄을 제조하고, 제조된 성형탄을 용융가스화로(100)에 장입할 수 있다. 성형탄 제조장치(300)는 미분탄과 바인더를 혼합하기 위한 혼합기(310)와, 혼합기(310)에서 혼합된 미분탄과 바인더의 혼합물을 숙성하기 위한 숙성기(320)와, 숙성된 혼합물을 가압 성형하여 성형탄을 제조하는 제2성형기(330) 및 성형탄을 저장하였다가 용융가스화로(100)에 장입하는 제3저장기(340)를 포함할 수 있다. 여기에서 혼합기(310)는 내부에 미분탄과 바인더를 수용할 수 있는 공간이 형성되고, 회전 가능하도록 형성된 드럼 믹서일 수 있다. 그리고 숙성기(320)는 내부에 미분탄과 바인더의 혼합물을 수용할 수 있는 공간이 형성되는 몸체(322)와, 혼합물을 교반할 수 있는 교반기(324)와, 몸체(322) 내부에 스팀을 공급할 수 있는 스팀 공급수단(326)을 포함할 수 있다.

성형탄 공급장치(300)의 구성 및 구조는 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형될 수 있다.

용융가스화로(100)는 성형 장치에서 괴성화된 환원철을 용해시켜 용선을 제조하고, 유동 환원로(200)에 공급할 환원가스를 제조할 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있다. 용융가스화로(100)는 하부에 환원철과, 성형탄 및 괴탄 등과 같은 탄재가 수용되고 용선이 제조되는 하부 공간과, 용선을 제조하는 과정에서 발생하는 배가스를 유동 환원로(200)에 공급하기 위한 환원가스로 제조하기 위한 상부 공간을 포함할 수 있다. 이때, 상부 공간은 하부 공간보다 넓은 돔형으로 형성될 수 있으며, 상부 공간을 통해 환원철과 탄재(성형탄)가 장입될 수 있다. 용융가스화로(100)에는 환원철을 용융시키기 위한 열원을 확보하기 위해 탄재를 연소시키기 위한 산소 함유 가스가 취입되는 풍구(미도시)가 구비될 수 있다.

또한, 용융가스화로(100)에는 환원철을 용해시키는 과정에서 발생하는 타르 등과 같은 휘발성 물질을 제거하기 위해 산소 함유 가스를 공급하기 위한 취입 노즐(미도시)이 구비될 수 있다. 용융가스화로(100) 내부에 성형탕 및 괴탄 등과 같은 탄재가 장입되면 승온되는 과정에서 타르 등과 같은 휘발성 물질이 발생하는데, 이러한 휘발성 물질을 용융가스화로(100) 외부로 배출시키면 배관 막힘 현상 등과 같은 문제점이 발생한다. 이에 휘발성 물질이 유입되는 용융가스화로(100)의 상부 공간에 산소 함유 가스를 취입하여 일산화탄소나 카본 더스트 등을 연소시키고, 이때 발생하는 연소열을 이용하여 상부 공간의 온도를 900 내지 1100℃ 정도로 승온시켜 휘발성 물질을 고온 화학적 분리(cracking)과정을 통해 일산화탄소(CO) 및 수소가스(H₂)로 변환시켜 용융가스화로(100)에서 배출시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 성형탄 제조방법에 대해서 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 성형탄 제조방법을 순차적으로 보여주는 순서도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 성형탄 제조방법은, 미분탄과 바인더를 포함하는 원료를 마련하는 과정(S100)과, 원료를 혼합하여 혼합물을 제조하는 과정(S110)과, 혼합물을 숙성하는 과정(S120) 및 숙성된 혼합물을 이용하여 성형탄을 제조하는 과정(S130)을 포함할 수 있다. 이때, 바인더는 덱스트린을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 성형탄 제조방법은 필요에 따라 제시된 과정들 외에 추가적인 과정을 더 포함할 수도 있다.

원료를 마련하는 과정에서, 미분탄은 역청탄(Bituminous coal), 아역청탄(Subbituminous Coal), 무연탄(Anthracite), 코크스 등 탄소가 함유된 원료를 사용할 수 있다. 미분탄은 성형탄 품질의 편차를 줄이기 위해 미분탄의 입도 분포가 일정한 것이 바람직하며, 미분탄 전체 100wt%에 대해서 입도 5㎜ 이하가 90 wt% 이상, 입도 3㎜ 이하가 80 wt% 이상이고, 1 내지 2㎜ 정도의 평균 입도를 가질 수 있다. 이에 미분탄은 제시된 범위의 입도를 갖도록 원료탄을 파쇄한 후 입도 선별하여 사용할 수 있다. 미분탄은 미분탄 전체 100wt%에 대하여 3 내지 10wt% 정도의 수분을 함유할 수 있다. 이때, 미분탄 내 수분 함량을 조절하기 위하여 미분탄을 마련하는 과정에서 원료탄 또는 미분탄을 건조하는 과정을 더 포함할 수도 있다.

그리고 바인더는 덱스트린을 포함할 수 있다. 덱스트린은 전분을 산, 열, 효소 등으로 가수분해시켜 제조되는 것으로, 옥수수, 밀, 타피오카, 감자, 쌀 등과 같은 다양한 전분을 가수분해하여 제조될 수 있다. 덱스트린은 전분을 약간 분해한 고분자량에서 요오드-전분반응을 보이지 않는 저분자량의 것까지 넓은 범위로 제조될 수 있다. 전분의 가수분해의 정도에 따라서 백색, 담황색, 황색의 3종류의 덱스트린이 생산되며, 백색은 고분자량의 덱스트린이며, 황색은 저분자량의 덱스트린이다.

덱스트린의 DE(dextose equivalent)는 0 내지 10 정도일 수 있고, 바람직하게는 0 내지 5 정도일 수 있다. 덱스트린의 DE는 포도당의 결합으로 이루어진 전분이 얼마나 분해되어 포도당이 생성되었는지의 척도를 나타낸다. DE가 높을수록 분해가 더 많이 된 것이며, 완전하게 분해되어 포도당이 되면 DE는 100으로 표기한다. 덱스트린의 DE가 10을 초과하면 전분의 분해가 너무 많이 되어 미분탄에 대한 결합력이 떨어져 성형탄 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 제시된 범위의 DE을 갖는 덱스트린을 이용하여 성형탄의 강도를 확보할 수 있다.

덱스트린은 칼륨(K) 등과 같은 알칼리 성분을 포함하고 있지 않다. 이에 덱스트린을 이용하여 제조된 성형탄을 용선 제조 시 연료 물질로 사용하면, 배가스 중 알칼리 성분에 의해 발생하는 KCl 등과 같은 저융점 화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 이에 저융점 화합물에 의해 용융가스화로의 배관이 막히거나 유동환원로의 분산판 등이 막히는 현상을 억제할 수 있다.

덱스트린은 분말 상태로 마련될 수 있고, 10 내지 20㎛ 정도의 입자 크기를 가질 수 있다. 이때, 덱스트린의 입자 크기가 제시된 범위보다 큰 경우에는 미분탄과 혼합 시 미분탄 내에 균일하게 분포되지 않아 미분탄에 대한 결합력이 저하될 수 있다. 그리고 덱스트린의 입자 크기가 제시된 범위에 포함되면 덱스트린을 미분탄 내에 균일하게 분포시켜 미분탄과의 접촉면적을 충분하게 확보할 수 있으며, 제시된 범위보다 작을 필요는 없다.

한편, 액체 상태의 바인더를 사용하는 경우, 높은 수분 함량으로 인해 바인더와 미분탄 혼합물의 흐름성을 저하시켜, 성형탄을 제조하는 과정에서 부착현상이 발생하고, 성형기에 혼합물이 불균일하게 장입되는 현상이 발생하여 성형탄의 강도 및 형상이 불균일하게 되는 현상이 발생하기 때문이다. 또한, 이렇게 제조된 성형탄은 높은 수분 함량을 갖기 때문에 성형탄의 강도를 확보하기 위하여 용융가스화로에 장입하기 전 건조 공정을 추가적으로 실시해야 하고, 이로 인해 전체적인 공정 시간 및 비용이 상승하고, 공정 효율이 저하되기 때문이다. 또한, 액체 상태의 바인더는 층분리로 인하여 바인더 성분을 균일하게 유지하기가 어려우며, 이송시 탱크로리 등 특수 운반차가 필요하여 운송비가 높고, 동절기에는 결빙되므로, 저장이 용이하지 않다.

이와는 대조적으로, 분말 상태의 바인더를 사용하면, 미분탄과 바인더 혼합물의 흐름성이 개선되어 균일한 성형탄 제조가 가능하다. 또한, 성형탄 제조 시 분말 상태의 바인더를 사용하면, 조업에 사용하기 전 추가적인 건조과정을 거치지 않아도 성형탄의 강도를 충분히 확보할 수 있다. 또한, 분말 상태의 바인더는 그 부피를 최소화하여 보관 및 운송이 용이하며, 동절기에 결빙 등을 걱정할 필요가 없다.

원료, 즉 미분탄과 바인더인 덱스트린이 마련되면, 혼합기(310)에서 이들을 균일하게 혼합하여 혼합물을 제조한다. 이때, 혼합물 전체 100wt%에 대하여 미분탄은 91 내지 97wt%, 덱스트린은 3 내지 9wt% 포함될 수 있다. 바람직하게는 혼합물 전체 100wt%에 대하여 미분탄은 93 내지 97wt%, 덱스트린은 3 내지 7wt% 포함될 수 있다. 바인더의 함량이 제시된 범위보다 적은 경우 제조되는 성형탄의 강도를 충분히 확보할 수 없고, 바인더의 함량이 제시된 범위보다 많은 경우 성형탄을 제조하는데 드는 비용이 증가하는 문제점이 있다.

이렇게 제조된 혼합물은 혼합물 100wt%에 대하여 3 내지 10wt% 정도의 수분을 포함할 수 있다. 이때, 혼합물에 함유되는 수분의 양이 제시된 범위보다 적은 경우에는 후속 숙성 공정에서 숙성기(320) 내부를 과포화증기 상태로 만들어 혼합물에 수분을 추가적으로 공급할 수 있다. 덱스트린의 양에 대한 수분 양의 비는 1 내지 3 정도 할 수 있다. 이는 숙성과정에서 덱스트린을 원활하게 호화(糊化)시켜 점성을 확보하기 위함이며, 수분의 함량이 제시된 범위보다 적은 경우에는 덱스트린의 호화 반응이 원활하게 일어나지 않아 제조되는 성형탄의 강도를 충분하게 확보할 수 없다. 그리고 수분의 함량이 제시된 범위보다 많은 경우에는 성형탄의 수분 함량이 증가하게 되어 강도 확보를 위해 건조 공정을 추가적으로 수행해야 하는 문제점이 있다. 다만, 혼합물을 제조하는 과정에서 혼합물 중 수분 양이 제시된 범위보다 적은 경우, 혼합물을 숙성하는 과정에서 몸체(322) 내부의 증기압을 조절하여 수분량을 제시된 범위로 조절할 수 있다.

혼합물이 제조되면, 혼합물을 숙성기(320)의 몸체(322) 내부에 장입하고, 스팀 공급수단(326)을 통해 몸체(322) 내부에 스팀을 공급하면서 혼합물을 숙성시킨다.

숙성 과정은 몸체(322) 내부 압력이 5 내지 10bar 정도이고, 몸체(322) 내부 온도가 110℃ 이상인 조건 하에서 수행될 수 있다. 혼합물을 숙성하는 동안 혼합물이 50 내지 100℃, 바람직하게는 50 내지 100℃ 정도를 유지하도록 몸체(322) 내부 환경을 제어할 수 있다. 혼합물의 온도가 제시된 범위보다 높은 경우 혼합물의 온도를 높이는데 많은 에너지가 소요되어 공정 효율면에서 바람직하지 않고, 혼합물의 온도가 제시된 범위보다 낮은 경우 덱스트린의 호화 반응이 충분하게 일어나지 않아 원하는 강도를 갖는 성형탄을 제조하기 어렵다.

숙성 과정에서 교반기(324)를 이용하여 혼합물을 교반할 수 있다. 교반기(324)를 이용하여 혼합물을 교반하면, 혼합물의 온도를 전체적으로 균일하게 조절할 수 있다. 또한, 혼합물을 숙성하는 과정에서 덱스트린이 호화반응을 일으켜 점성이 생기는데, 교반기(324)를 이용하여 혼합물을 교반하면 혼합물과 교반기(324)가 접촉하여 마찰열이 발생하게 된다. 이렇게 발생하는 마찰열은 몸체(322) 내부로 공급되는 스팀과 함께 덱스트린의 호화반응을 일으키는데 열원으로 사용될 수 있다.

이와 같은 방법으로 혼합물을 숙성하면, 미분탄 내에 균일하게 분산되어 있는 덱스트린이 수분과 만나고, 숙성기(320)의 몸체(322) 내부 온도가 상승되면 팽창되어 점도가 높은 상태로 변화되는 호화반응이 일어나게 된다. 그 결과, 호화된 덱스트린이 미분탄에 대한 결합력을 발현하여 후속 공정에서 제조되는 성형탄의 강도를 크게 향상시킬 수 있다.

혼합물의 숙성 시간은 약 7 내지 20분 정도 동안 수행될 수 있다. 이때, 숙성 시간은 원료를 혼합하는 시간보다 길게 수행될 수 있으며, 이는 덱스트린이 미분탄 내에서 균일하고 충분하게 호화되도록 하기 위함이다. 또한, 원료들, 즉 미분탄과 덱스트린이 분말 상태로 제공되기 때문에 이들을 균일하게 혼합하는데 많은 시간이 걸리지 않지만, 숙성 과정에서는 덱스트린이 호화되면서 점성이 생기기 때문에 혼합물을 균일하게 교반하는데는 많은 시간이 걸리기 때문이다. 이에 숙성 시간은 미분탄과 덱스트린의 혼합물을 제조하는 시간에 비해 2 내지 5배 정도 길게 수행하는 것이 좋다.

숙성 과정이 완료되면, 숙성기(320) 몸체(322)에서 혼합물을 인출하여 제2성형기(330)에 장입하여 성형탄을 제조한다. 성형탄은 한 쌍의 롤러 사이로 숙성된 혼합물을 장입한 후 압착하여 제조될 수 있으며, 브리켓이나 스트립 형상 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 성형탄을 제조할 때, 제조되는 성형탄이 1.25 내지 1.35㎏/㎥ 정도의 겉보기 밀도를 갖도록 성형 압력을 조절할 수 있다. 이에 용융가스화로에 사용 가능한 강도를 갖는 성형탄을 제조할 수 있다.

이렇게 제조된 성형탄은 제3저장기(340)에 일시적으로 저장했다가 용선 제조를 위해 용융가스화로(100)에 장입될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 의해 제조된 성형탄의 물리적 특성과 성형탄을 실제 조업에 적용했을 때 얻어지는 효과를 검증하기 위한 실험 예에 대해서 설명한다.

성형탄의 열간강도 및 냉간강도 측정 실험

3.4㎜이하가 90% 이상의 입도를 가지는 미분탄과 덱스트린 분말을 2~3분간 균일하게 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하고 스팀을 숙성기 내부에 공급하여 숙성기 내부의 온도를 높여서 일정시간 숙성 혼합하였다. 이때, 미분탄으로는 강점탄, 미점탄 및 분코크스를 혼합하여 사용하였고, 덱스트린은 MANILDRA사의 WSCR Wheat Dextrin 제품을 사용하였다. 숙성 시 미분탄과 덱스트린의 혼합물은 교반기를 이용하여 교반하였다.

그리고 숙성된 혼합물을 제2성형기를 한 쌍의 롤들 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 성형탄 제조 시 제2성형기의 롤들은 20 kN/㎝의 압력으로 혼합물을 가압하여 64.5㎜ × 25.4㎜ × 19.1㎜ 크기의 필로우(pillow) 형상의 성형탄을 제조하였다.

실험 예 1

수분 함량 7.6wt% 인 미분탄 95.5 wt%와 분말형 덱스트린 4.5 wt%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 10분간 숙성 처리하였다. 이때, DE가 2인 덱스트린을 사용하였고, 숙성기에서 배출된 숙성된 혼합물의 수분 함량은 7.4wt%, 온도는 62℃이었다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 성형탄이 제조되면, 상온에서 1시간 정도 방치하였다가 낙하강도와 압축하중을 측정하였다. 성형탄의 낙하 강도는 각각의 실험 예에 의해 제조된 성형탄 2㎏을 5M 높이에서 8회 자유낙하시킨 후에 20㎜ 이상의 입도를 가진 성형탄 비율로부터 구하였다. 또한, 성형탄의 압축하중은 성형탄의 하부를 고정한 상태에서 성형탄의 상부에서 일정한 속도로 압축하였을 때의 최대 하중으로 측정하였으며, 20개 성형탄 시료의 평균값으로 측정하였다.

실험 예 2

수분 함량 8.0wt% 인 미분탄 95.5 wt%와 분말형 덱스트린 4.5 wt%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 15분간 숙성 처리하였다. 이때, DE가 2인 덱스트린을 사용하였고, 숙성기에서 배출된 숙성된 혼합물의 수분 함량은 6.9wt%, 온도는 68℃이었다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 성형탄이 제조되면, 실험 예1과 동일한 방법으로 낙하강도와 압축하중을 측정하였다.

실험 예 3

수분 함량 6.2wt% 인 미분탄 95.5 wt%와 분말형 덱스트린 4.5 wt%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 10분간 숙성 처리하였다. 이때, DE가 2인 덱스트린을 사용하였고, 숙성기에서 배출된 숙성된 혼합물의 수분 함량은 5.4wt%, 온도는 63℃이었다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 성형탄이 제조되면, 실험 예1과 동일한 방법으로 낙하강도와 압축하중을 측정하였다.

실험 예 4

수분 함량 9.8wt% 인 미분탄 95.0 wt%와 분말형 덱스트린 5.0 wt%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 10분간 숙성 처리하였다. 이때, DE가 2인 덱스트린을 사용하였고, 숙성기에서 배출된 숙성된 혼합물의 수분 함량은 8.5wt%, 온도는 66℃이었다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 성형탄이 제조되면, 실험 예1과 동일한 방법으로 낙하강도와 압축하중을 측정하였다.

실험 예 5

수분 함량 7.6wt% 인 미분탄 97.5 wt%와 분말형 덱스트린 2.5 wt%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 10분간 숙성 처리하였다. 이때, DE가 2인 덱스트린을 사용하였고, 숙성기에서 배출된 숙성된 혼합물의 수분 함량은 7.2wt%, 온도는 63℃이었다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 성형탄이 제조되면, 실험 예1과 동일한 방법으로 낙하강도와 압축하중을 측정하였다.

실험 예 6

수분 함량 6.0wt% 인 미분탄 95.5 wt%와 분말형 덱스트린 4.5 wt%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 5분간 숙성 처리하였다. 이때, DE가 2인 덱스트린을 사용하였고, 숙성기에서 배출된 숙성된 혼합물의 수분 함량은 5.8wt%, 온도는 63℃이었다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 성형탄이 제조되면, 실험 예1과 동일한 방법으로 낙하강도와 압축하중을 측정하였다.

실험 예 7

수분 함량 7.5wt% 인 미분탄 95.5 wt%와 분말형 덱스트린 4.5 wt%를 3분간 혼합하고, 숙성기에서 숙성하는 공정을 생략하였다. 이때, DE가 2인 덱스트린을 사용하였다. 그리고 숙성된 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 성형탄이 제조되면, 실험 예1과 동일한 방법으로 낙하강도와 압축하중을 측정하였다.

실험 예 8

수분 함량 7.5wt% 인 미분탄 95.5 wt%와 분말형 덱스트린 4.5 wt%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 10분간 처리하였다. DE가 42인 덱스트린을 사용하였고, 숙성기에서 배출된 숙성된 혼합물의 수분 함량은 7.1wt%, 온도는 62℃이었다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 성형탄이 제조되면, 실험 예1과 동일한 방법으로 낙하강도와 압축하중을 측정하였다.

상기 실험 예1 내지 8의 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.

실험예	배합비 (wt%)		숙성된 혼합물			성형탄 품질
실험예	미분탄	덱스트린	숙성시간(분)	수분 (wt%)	온도 (℃)	낙하강도(%)	압축하중 (㎏f)
실험예 1	95.5	4.5	10	7.4	62	90	62
실험예 2	95.5	4.5	15	6.9	68	88	78
실험예 3	95.5	4.5	10	5.4	63	78	69
실험예 4	95.0	5.0	10	8.5	66	97	74
실험예 5	97.5	2.5	10	7.2	63	49	37
실험예 6	95.5	4.5	5	5.8	63	62	49
실험예 7	95.5	4.5	0	7.5	25	24	14
실험예 8	95.5	4.5	10	7.1	62	57	44

상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 따른 성형탄 제조방법으로 제조된 실험 예1 내지 4의 경우 성형탄의 낙하강조 및 압축 하중이 매우 우수하게 측정된 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 성형탄 제조방법에서 제시한 조건으로 제조된 성형탄의 경우, 낙하강도는 70% 이상, 압축하중은 60㎏f 이상으로 높게 측정되었다.

그러나 본 발명에서 제시한 범위보다 덱스트린의 함량을 적게 사용한 실험 예5의 경우, 성형탄의 낙하강도 및 압축하중이 실험 예1 내지 4에 비해 낮게 측정되었다.

또한, 본 발명에서 제시한 범위보다 숙성을 짧게 실시한 실험 예 6과, 숙성공정을 거치지 않은 실험 예7의 경우에도 성형탄의 낙하강도 및 압축하중이 실험 예1 내지 4에 비해 낮게 측정되었다.

그리고 원료의 함량 및 숙성 시간 등이 본원 발명에서 제시한 범위에 포함되지만, 텍스트린의 DE가 42인 덱스트린을 사용한 실험 예8의 경우도 성형탄의 낙하강도 및 압축하중이 실험 예1 내지 4에 비해 낮게 측정되었다.

이를 통해 성형탄 제조 시 본 발명에서 제시한 원료들의 함량과 공정 조건을 만족하는 경우 성형탄의 강도를 충분하게 확보할 수 있음을 알 수 있었다.

본 발명에 의해 제조된 성형탄을 실제 조업에 사용했을 때 저융점 화합물 등의 생성 정도를 알아보기 위한 실험에 대해서 설명한다.

실험 예 9

상기 실험 예4에 의해 제조된 성형탄을 파쇄하여 미분 상태로 만들었다. 그리고 파쇄된 성형탄, 예컨대 시료1을 30㎖ 자기도가니에 약 7g 정도 장입하였다. 그리고 자기도가니를 850℃ 가열로에 장입한 다음 10시간 동안 가열하여 시료 1을 연소시켰다. 이후, 연소된 시료 1의 성분을 분석하였다.

실험 예 10

3.4㎜ 이하 90% 이상의 입도를 가지는 미분탄 100중량부에 생석회 2.7중량부와 당밀 11중량부를 균일하게 혼합하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 이때, 성형탄 제조 시 실험 예4와 동일한 성형 압력을 이용하여 동일한 크기의 성형탄을 제조하였다. 이와 같이 제조한 성형탄을 파쇄하여 미분 상태로 만들었다. 그리고 파쇄된 성형탄, 예컨대 시료 2를 30㎖ 자기도가니에 약 7g 정도 장입하였다. 그리고 자기도가니를 850℃ 가열로에 장입한 다음 10시간 동안 가열하여 시료 2를 연소시켰다. 이후 연소된 시료 2의 성분을 분석하였다.

아래의 표 2에는 시료 1 및 2의 성분을 분석한 결과를 나타내고 있다.

구분	성형탄 Ash성분 (wt%)
구분	SiO₂	CaO	Al₂O₃	MgO	TiO₂	Fe₂O₃	K₂O	Na₂O
실험예 9	50.9	8.2	24.3	2.2	1.3	8.2	1.9	0.8
실험예 10	38.8	27.3	20.2	2.2	1.0	4.6	3.3	0.3

상기 표 2를 살펴보면, 덱스트린을 이용하여 제조된 성형탄의 경우, 배관이나 설비 등에 부착물을 생성하는 알칼리 성분, 즉 K₂O의 양이 당밀을 이용하여 제조된 성형탄에 비해 현저하게 감소한 것을 알 수 있다. 여기에서 바인더로 사용되는 덱스트린은 K 성분을 포함하고 있지 않기 때문에 시료1을 연소시킨 후 K₂O가 검출되지 않는 것이 바람직하지만, 미분탄에 K 성분이 일부 함유되어 있어 K₂O 성분이 검출된 검출된 것으로 판단된다.

이와 같이 덱스트린을 사용하여 제조된 성형탄을 용융가스화로에 사용하는 경우 알칼리 성분에 의해 생성되는 KCl 등의 저융점 화합물(융점 770℃)의 생성을 억제할 수 있다. 따라서 용선 제조 시 용융가스화로의 배관이 막히거나, 용융가스화로에서 생성된 환원가스를 이용하여 철광석을 환원시키는 유동환원로 내에 저융점 화합물에 의한 부착물 생성을 억제하여 설비를 안정적으로 운영할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100: 용융가스화로 200: 유동 환원로
300: 성형탄 공급장치 400: 성형장치

Claims

용융 환원 제철 공정에서 사용되는 성형탄을 제조하는 방법으로서,
미분탄과 덱스트린을 포함하는 원료를 마련하는 과정;
상기 원료를 혼합하여 혼합물을 제조하는 과정;
상기 혼합물을 숙성시키는 과정;
상기 숙성된 혼합물을 성형하여 성형탄을 제조하는 과정;
을 포함하고,
상기 숙성시키는 과정은 상기 혼합물이 50 내지 100℃를 유지하도록 스팀을 이용하여 가열하는 과정 및 교반기를 이용하여 상기 혼합물을 교반하는 과정을 포함하여, 상기 교반기와 상기 혼합물의 접촉으로 발생하는 마찰열을 열원으로 사용하는 성형탄 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 원료를 마련하는 과정에서,
DE(Dextrose Equivalent)가 0 초과, 10 이하인 덱스트린을 마련하는 과정을 포함하는 성형탄 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 원료를 마련하는 과정에서,
10 내지 20㎛의 입자 크기를 갖는 덱스트린을 마련하는 과정을 포함하는 성형탄 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 혼합물을 제조하는 과정은,
상기 미분탄과 상기 덱스트린을 합한 총 중량 100wt%에 대해서, 상기 미분탄은 91 내지 97wt%와 상기 덱스트린은 3 내지 9wt% 혼합하는 과정을 포함하는 성형탄 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 숙성시키는 과정에서,
상기 혼합물이 상기 혼합물 전체 100wt%에 대해서 3 내지 10wt%의 수분 함량을 갖도록 조절하는 과정을 포함하는 성형탄 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 숙성시키는 과정에서,
상기 덱스트린의 양에 대한 수분 양의 비를 1 내지 3로 조절하는 과정을 포함하는 성형탄 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 숙성시키는 과정은 7 내지 20분 동안 수행하는 성형탄 제조방법.
삭제
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 의한 성형탄 제조방법으로 제조되고,
미분탄과 덱스트린을 포함하고,
상기 덱스트린은 호화된 상태로 존재하는 성형탄.
청구항 9에 있어서,
상기 성형탄은,
연소시켰을 때 발생하는 애쉬(ash) 성분에 대하여 2중량% 이하의 K₂O를 포함하는 성형탄.