KR102372369B1 - 친환경 가탄제 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 친환경 가탄제 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예를 따르는 친환경 가탄제는, 흡착제, 제1탄소첨가제 및 제2탄소첨가제를 포함하고, 상기 제1탄소첨가제는 고무계 탄소첨가제이고, 상기 제2탄소첨가제는 석유코크스이다.

Description

친환경 가탄제 조성물{Eco-friendly recarburizer}
본 발명은 친환경 가탄제 조성물에 관한 것이다.
가탄제는 주로 제강공정 중에서 금속 재료를 용해하여 용강을 제조하는 과정 중에 탄소의 함량을 조절하는 목적으로 투입하는 물질이다. 이러한 가탄제는 탄소의 함량을 조절하는 기능 외에, 용강 전체의 열전도도를 높여 용강의 온도를 높이고, 용강이 전체적으로 고른 온도 분포가 되도록 하는 기능도 수행한다.
종래에는 가탄제로서 폐타이어, 폐플라스틱 등을 잘게 부순 것을 사용하였다. 이러한 가탄제는 용강에 투입되기 전 처리 과정 중에서 폐타이어나 폐플라스틱에 함유된 휘발성유기화합물(VOC; Volatile Organic Compounds)를 배출하기 때문에 환경 오염은 물론, 작업자의 건강에 나쁜 영향을 주고 있다.
선행기술문헌인 한국 공개특허 제10-2018-0058846호에는 폐타이어를 이용한 가탄제를 제조하는 방법을 개시한다.
한국 공개특허 제10-2018-0058846호
본 발명은 탄소 첨가 효율이 높은 친환경 가탄제를 제공함을 목적으로 한다.
또한, VOC 발생을 저감할 수 있다.
또한, 황산화물의 발생을 저감할 수 있다.
또한, 경제적으로 친환경 가탄제를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 친환경 가탄제는, 흡착제, 제1탄소첨가제 및 제2탄소첨가제를 포함하고, 상기 제1탄소첨가제는 고무계 탄소첨가제이고, 상기 제2탄소첨가제는 석유코크스이다.
상기 제1탄소첨가제의 함량은, 제1탄소첨가제 및 제2탄소첨가제 전체 중량에 대하여 50 내지 55중량%일 수 있다.
상기 제2탄소첨가제의 함량은, 제1탄소첨가제 및 제2탄소첨가제 전체 중량에 대하여 45 내지 50중량%일 수 있다.
상기 제1탄소첨가제의 평균 입자 크기가 상기 제2탄소첨가제의 평균 입자 크기에 비해 클 수 있다.
또한, 상기 흡착제의 함량은 친환경 가탄제 조성물 전체 중량에 대하여 4 내지 6중량%인,
본 발명의 실시 예를 따르는 용강의 제조방법은, 전기로에 코크스 및 가탄제를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 가탄제는 앞서 설명한 친환경 가탄제이다.
상기 가탄제의 함량은 상기 코크스 및 가탄제 전체 중량에 대하여 20 내지 40중량%일 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 친환경 가탄제는 탄소 첨가 효율이 높다.
또한, VOC 발생을 저감할 수 있다.
또한, 황산화물의 발생을 저감할 수 있다.
또한, 경제적으로 친환경 가탄제를 제공할 수 있다.
도 1은 박리 현상이 없는 가탄제 조성물의 발화 후 사진이다.
도 2는 박리 현상이 있는 가탄제 조성물의 발화 후 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.　 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.　 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 친환경 가탄제는, 흡착제, 제1탄소첨가제 및 제2탄소첨가제를 포함하고, 상기 제1탄소첨가제는 고무계 탄소첨가제이고, 상기 제2탄소첨가제는 석유코크스이다. 다른 실시 예에서, 상기 친환경 가탄제는 탄산칼슘(CaCO3)을 더 포함할 수 있다.
가탄제는 용강 제조시 코크스와 함께 전기로에 공급함으로써 탄소를 추가한는 재료이다. 이를 위해 가탄제에는 탄소첨가제가 포함된다. 본 발명의 실시 예에서 탄소첨가제는 서로 다른 종류의 탄소첨가제가 포함되고, 상기 제1탄소첨가제는 고무계 탄소첨가제이고, 상기 제2탄소첨가제는 석유코크스이다. 상기 탄소첨가제는 칩, 블록, 분말 등의 형상으로 제작될 수 있다.
상기 제1탄소첨가제는 고무계 탄소첨가제로서 NR, SBR, BR, CR, CM, NBR, EPDM 등일 수 있다. 또한, 경제성을 고려하여 폐타이어를 분쇄 또는 절단한 것일 수 있다. 상기 폐타이어는 천연고무의 함량이 전체 폐타이어에 대하여 60 내지 80 중량%, 합성고무의 함량이 20 내지 40 중량%인 것일 수 있다. 천연고무의 함량이 보다 높은 폐타이어를 사용함으로써 CO2 저감 효과를 높일 수 있다.
상기 제1탄소첨가제의 함량은, 제1탄소첨가제 및 제2탄소첨가제 전체 중량에 대하여 50 내지 55중량%일 수 있고, 상기 제2탄소첨가제의 함량은, 제1탄소첨가제 및 제2탄소첨가제 전체 중량에 대하여 45 내지 50중량%일 수 있다. 상기 제2탄소첨가제의 함량이 적은 경우에는 탄소 함량이 감소하고 용강 제조 시의 에너지 절감 효과가 감소하는 문제가 있고, 상기 제2탄소첨가제의 함량이 높은 경우에는 경제성이 감소하고 미연소분이 남는 문제가 발생할 수 있다.
상기 제1탄소첨가제의 평균 입자 크기가 상기 제2탄소첨가제의 평균 입자 크기에 비해 클 수 있다. 이와 같이 서로 다른 크기의 탄소첨가제를 첨가하는 이유는 공극률을 최소화하여 가탄제 전체의 비중을 높임으로써 전체 열량을 높여 고효율의 가탄제를 제조하기 위함이다. 특히, 흡착제 및 탈황제의 첨가로 인해 중량 대비 감소한 열량을 상기 제2탄소첨가제의 크기를 제한함으로써 보충할 수 있다. 상기 제1탄소첨가제는 고무계 탄소첨가제이므로 상기 제2탄소첨가제에 비하여 입자 크기가 크더라도 쉽게 용융할 수 있다. 상기 제1탄소첨가제의 평균 입자 크기는 지름이 2 내지 5mm일 수 있고, 상기 제2탄소첨가제의 평균 입자 크기는 150 내지 250mesh일 수 있다. 상기 제2탄소첨가제의 평균 입자 크기가 너무 큰 경우에는 분산성이 나빠져서 비중 상승, 열량 상승 등의 효과를 충분히 얻을 수 없는 문제가 있고, 상기 제2탄소첨가제의 평균 입자 크기가 너무 작은 경우에는 제조 비용이 상승하는 문제가 있다.
상기 흡착제는 탄소첨가제에서 발생하는 VOC를 흡착함으로써 환경오염 방지하고 및 작업자의 위해 요소를 차단하는 기능을 수행한다. 일반적으로 사용하는 탄소첨가제는 가소제, 가교제, 활성제 등 다양한 첨가제가 함유되어 있으며, 100℃ 이상의 온도에서 발생하게 된다. 가탄제의 경우, 용강에 투입된 경우뿐 아니라, 용강에 투입하기 위한 전처리 과정에서 100 내지 200℃에서 처리될 수 있으며, 이 경우 VOC가 발생할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 흡착제를 포함함으로써 VOC에 의한 문제를 방지할 수 있다.
상기 흡착제의 함량은 가탄제 조성물의 전체 중량에 대하여 2 내지 10 중량%, 바람직하게는 4 내지 8 중량%일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 4 내지 6 중량%일 수 있다. 상기 흡착제의 함량이 낮은 경우에는 VOC의 흡착 성능이 감소하여 악취발생 등의 문제가 있고, 상기 흡착제의 함량이 높은 경우에는 탄소 첨가 효율이 감소하는 문제 및 가탄제 첨가 이후에 별도의 흡착제 제거 공정을 수행하여야 하는 바 경제성이 낮아지는 문제가 있다.
상기 흡착제는 분말이나 입자 형상일 수 있으며, 평균 입자 크기는 상기 탄소첨가제의 평균 입자 크기보다 작을 수 있다. 상기 흡착제의 평균 입자 크기는 100 내지 150mesh일 수 있다. 상기 흡착제의 평균 입자 크기가 너무 큰 경우에는 상기 흡착제가 상기 탄소첨가제에 고르게 분산되지 않는 문제가 있으며, 상기 흡착제의 평균 입자 크기가 너무 작은 경우에는 흡착제의 제조 비용이 높고 관리에 어려운 문제가 있다.
상기 흡착제는 흡착성 및 분산성을 고려하여 다공성 제올라이트일 수 있다.
상기 탄산칼슘(CaCO3)은 수 mm 내지 수 cm 크기의 분말 또는 입자 형태일 수 이으며, 바람직하게는 패각 분말일 수 있다. 패각 분말을 사용함으로써 환경 오염으로 문제가 되는 패각의 처리에 도움이 될 수 있고, 저렴한 가격으로 탄산칼슘을 공급받을 수 있어 경제성을 높일 수 있다. 상기 탄산칼슘은 용강 중 발생하는 대기 오염을 감소시키는 기능을 수행한다. 상기 탄산칼슘의 함량은 조성물 전체 중량에 대하여 0.1 내지 2 중량%일 수 있다. 탄산칼슘의 함량이 너무 낮은 경우에는 대기오염 감소 효과가 떨어지고, 함량이 너무 많은 경우에는 용강에 부수적인 원소 함량이 증가하는 문제가 있다.
본 발명의 실시 예는 탈황제를 더 포함할 수 있다. 상기 탈황제는 탄소첨가제의 온도가 상승함에 따라 발생하는 황산화물을 제거하는 기능을 수행한다. 일반적으로 사용하는 탄소첨가제는 황이 함유되어 있으며, 고온에서 SO2 등 다양한 황산화물을 생성한다. 본 발명의 실시 예에서는 탈활제를 포함함으로써 황산화물 발생에 의한 문제를 방지할 수 있다.
상기 탈황제의 함량은 조성물 전체 중량에 대하여 0.5 내지 10 중량%일 수 있다. 상기 탈황제의 함량이 낮은 경우에는 탈황 성능이 감소하는 문제가 있고, 상기 탈황제의 함량이 높은 경우에는 탄소 첨가 효율이 감소하는 문제 및 가탄제 첨가 이후에 별도의 탈황제 제거 공정을 수행하여야 하는 바 경제성이 낮아지는 문제가 있다.
상기 탈황제는 분말이나 입자 형상일 수 있으며, 평균 입자 크기는 상기 탄소첨가제의 평균 입자 크기보다 작을 수 있다. 상기 흡착제의 평균 입자 크기는 150 내지 250mesh일 수 있다. 상기 탈황제의 평균 입자 크기가 너무 큰 경우에는 상기 탈황제가 상기 탄소첨가제에 고르게 분산되지 않는 문제가 있으며, 상기 탈황제의 평균 입자 크기가 너무 작은 경우에는 탈황제의 제조 비용이 높고 관리에 어려운 문제가 있다.
상기 탈황제는 산화칼슘일 수 있다. 탄산칼슘의 경우 미세한 입자를 얻기 어려워 경제성이 낮은 문제가 있고, 분산이 어렵다. 또한, 황산화물과 반응하지 않고 잔존하는 탄산칼슘이 다수 존재하게 되어 별도의 공정을 통해 탄산칼슘을 제거하는 번거로움과 비용 상승이 문제될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 탈황제로 산화칼슘을 사용함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 용강의 제조방법은, 전기로에 코크스 및 가탄제를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 가탄제는 앞서 설명한 친환경 가탄제이다.
상기 용강 제조 시 생성되는 용탕은 다양한 금속 또는 합금 제품을 제조하기 위해 금속 또는 합금을 녹인 것일 수 있으며, 당해 분야에서 통상적인 목적을 달성하기 위해 제조하는 것일 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 상기 코크스 및 가탄제는 상기 용탕을 제조하기 위한 금속 또는 합금 재료와 함께 투입되거나, 용탕의 제조 과정 중간에 투입될 수 있다.
상기 가탄제의 함량은 상기 코크스 및 가탄제 전체 중량에 대하여 20 내지 40중량%일 수 있다. 상기 가탄제의 함량이 높은 경우에는 공급구에 가탄제가 늘어붙어 공정에 어려움이 있을 수 있으며 용강의 품질이 저하될 수 있다. 상기 가탄제의 함량이 낮으면 용강의 탄소 함량이 감소하고 에너지 감소 효과가 적은 문제가 있다.
상기 코크스 및 가탄제의 함량은 상기 금속 재료의 중량에 대하여 0.3 내지 0.7 중량%일 수 있다.
본 실시 예에서, 용강의 제조방법과 관련된 내용들은 가탄제를 제외하고 당해 분야에서 통상적으로 수행하는 방법일 수 있으며, 특별히 제한하지 않는다.
친환경 가탄제 조성물의 제조1
고무계 탄소첨가제로 가로 및 세로 길이가 2 내지 5 mm 범위로 절단된 트럭폐타이어 칩을 준비하였고, 평균 입자 크기가 200 mesh인 석유 코크스(주식회사 태경비케이, 저유황 페트로코크스 원탄 가공)를 준비하였다. 흡착제로는 평균 입자 크기가 100 mesh인 제올라이트(주식회사 렉셈, Zeo 300 가공)를 준비하였다. 상기 폐타이어 칩, 석유 코크스 및 제올라이트를 아래의 표 1에 따른 중량비로 배합하여 혼합기에서 교반하여 친환경 가탄제 조성물을 제조하였다.

구분		 폐타이어 칩 및 석유 코크스의 중량비 탄소첨가제 전체 및 제올라이트의 중량비
폐타이어 칩 석유 코크스 탄소첨가제 제올라이트
가탄제 조성물1 55 45 100 0
가탄제 조성물2 54.75 45.25 99.5 0.5
가탄제 조성물3 54.5 45.5 99.0 1.0
가탄제 조성물4 54.25 45.75 98.5 1.5
가탄제 조성물5 54 46 98.0 2.0
가탄제 조성물6 53.5 46.5 97.0 3.0
가탄제 조성물7 52.75 47.25 96.0 4.0
가탄제 조성물8 52.25 47.75 95.0 5.0
가탄제 조성물9 51.25 48.75 93.0 7.0
가탄제 조성물10 50 50 91.0 9.0
소각 실험
가탄제 조성물 1 내지 10을 토치로 가열하여 발화시켜 발화시의 화력, 발화시 및발화 후의 냄새, 발화 후의 박리 여부를 관찰하였다.
냄새는 상기 가탄제 조성물을 발화 시키킨 후 후각을 통해 냄새 발생 정도를 확인하였다. 냄새가 가장 강한 것을 10으로 하여, 상대적인 냄새 발생 정도를 수치로 표현하였다.
화력은 발화 시 화력 정도를 육안으로 확인하였으며, 가탄제 조성물1의 화력을 100으로 기준하였다.
박리 여부는 발화 후 가탄제 조성물에서 고무로부터 제올라이트가 박리된 정도를 육안으로 관찰하였다.
본 실험의 결과는 아래 표 2와 같다.
구분 냄새 관능 실험 결과 화력 관찰 결과 박리 관찰 결과
가탄제 조성물1 10 100 없음
가탄제 조성물2 8 100 없음
가탄제 조성물3 7.5 100 없음
가탄제 조성물4 7. 100 없음
가탄제 조성물5 5.8 100 없음
가탄제 조성물6 5.5 90 없음
가탄제 조성물7 4.8 80 없음
가탄제 조성물8 4 80 없음
가탄제 조성물9 4 75 발생
가탄제 조성물10 4 70 발생
냄새의 경우 제올라이트가 4 중량% 함유된 가탄제 조성물7에서부터 5 미만으로 감소하였으며, 제올라이트가 5 중량% 함유된 가탄제 조성물8부터는 냄새 감소 효과가 동일함을 알 수 있다. 화력은 제올라이트가 7 중량% 함유된 가탄제 조성물9부터 감소하였으며, 박리 현상 역시 가탄제 조성물9부터 발생하였다. 도 1은 가탄제 조성물8의 발화 후 모습이고, 도 2는 가탄제 조성물9의 발화 후 모습이다. 제올라이트가 박리되는 경우 제올라이트 분진이 발생하는 등 문제가 발생할 수 있다.
VOC 측정 실험
가탄제 조성물 1 내지 10을 각각 100 g을 오븐에 넣고 50 ℃부터 200 ℃까지 50 ℃ 단위로 온도를 상승하여 VOC 측정기를 이용하여 VOC를 측정하였다.
본 실험의 결과는 아래 표 3과 같다.
구분 제올라이트 50 ℃에서 VOC (ppm) 100 ℃에서 VOC (ppm) 150 ℃에서 VOC (ppm) 200 ℃에서 VOC (ppm)
가탄제 조성물1 0 0 17 21 99
가탄제 조성물2 0.5 0 2 14 50
가탄제 조성물3 1.0 0 0 5 48
가탄제 조성물4 1.5 0 0 3 42
가탄제 조성물5 2.0 0 0 2 34
가탄제 조성물6 3.0 0 0 1 30
가탄제 조성물7 4.0 0 1 1 29
가탄제 조성물8 5.0 0 0 0 27
가탄제 조성물9 7.0 0 0 0 20
가탄제 조성물10 9.0 0 0 0 19
제올라이트가 4 중량% 함유된 가탄제 조성물7에서부터 30 미만으로 감소하였으며, 제올라이트가 7 중량% 함유된 가탄제 조성물9부터는 VOC 감소 효과가 크지 않음을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 휘발성유기화합물(VOC) 흡착을 위한 제올라이트, 제1탄소첨가제 및 제2탄소첨가제를 포함하고,
    상기 제1탄소첨가제는 고무계 탄소첨가제로서, 천연고무 및 합성고무 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 제2탄소첨가제는 석유코크스이고,
    상기 제1탄소첨가제 및 제2탄소첨가제 전체 중량에 대하여 상기 제1탄소첨가제의 함량은 50 내지 55 중량%, 상기 제2탄소첨가제의 함량은 45 내지 50 중량%이고,
    상기 제올라이트의 함량은 친환경 가탄제 조성물 전체 중량에 대하여 4.5 내지 5.5 중량%이고,
    상기 제1탄소첨가제의 평균 입자 크기는 지름이 2 내지 5mm이고, 상기 제2탄소첨가제의 평균 입자 크기는 150 내지 250mesh인 것인,
    친환경 가탄제 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 전기로에 코크스 및 가탄제를 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 가탄제는 제1항의 친환경 가탄제인,
    용강의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가탄제의 함량은 상기 코크스 및 가탄제 전체 중량에 대하여 20 내지 40중량%인,
    용강의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전기로에 금속 재료를 투입하는 단계를 더 포함하고,
    상기 금속 재료를 투입하는 단계는 상기 코크스 및 가탄제를 공급하는 단계 이전에 수행하거나, 상기 코크스 및 가탄제를 공급하는 단계와 함께 수행하는 것이고,
    상기 코크스 및 가탄제의 함량은 상기 금속 재료의 중량에 대하여 0.3 내지 0.7 중량%인,
    용강의 제조방법.
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