KR102425269B1 - 성형탄, 그 제조방법 및 용철 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 폐전극봉 분말을 제공하는 단계; 바인더를 제공하는 단계; 상기 미분탄, 폐전극봉 분말, 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계; 및 상기 숙성된 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계;를 포함하는 성형탄 제조방법 및 이에 의하여 제조된 성형탄과 상기 제조방법을 포함하는 용융철 제조방법에 관한 것이다.

Description

성형탄, 그 제조방법 및 용철 제조방법 {COAL BRIQUETTES, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING MOLTEN IRON}
본 개시는 성형탄 및 그 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 개시는 열간 강도가 우수한 성형탄 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 개시는 열간 강도가 우수한 성형탄를 이용한 용철 제조방법에 관한 것이다.
용융환원제철법에서는 철광석을 환원시키는 환원로와 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 석탄 충전층을 형성한다. 산소는 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 취입된 후 석탄 충전층을 연소시켜서 연소 가스를 생성한다. 연소가스는 석탄 충전층을 통하여 상승하면서 고온의 환원가스로 전환된다. 고온의 환원가스는 용융가스화로의 외부로 배출되어 환원가스로서 환원로에 공급된다.
성형탄을 사용하는 경우에, 용철의 생산량을 증대시키고 연료비를 줄여서 용철 제조 공정을 효율화하기 위해서는 추가적인 제어 수단이 필요하다. 이를 위하여는 성형탄의 용융가스화로 내에서의 분화량이 저감되어야 하고, 이에 용융가스화로 내에서 성형탄이 큰 입도로 유지되어야 한다. 성형탄이 큰 입도로 유지되는 경우, 용융가스화로 내에서 기체와 액체가 원활이 통과하는 통기성 및 통액성이 확보되어 각 물질간의 반응 효율과 열전달 효율이 증대될 수 있다. 또한, 분화로 인하여 용철 제조시에 효율적으로 사용되지 못하는 미분 발생량을 저감시킬 수 있다. 다만, 다양한 석탄의 배합에 의하여 미분의 발생량을 저감시키는 것은 한계가 있어, 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.
반면 전기로에서 철 스크랩을 용해하는데 사용되는 폐전극봉은 폐기물로서 폐기 처리하는데 막대한 비용이 소모되고, 아울러 환경 문제를 발생시키는 바, 이의 개선 역시 필요하다.
상기의 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 개시는 열간 강도가 우수한 성형탄 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. 또한, 열간 강도가 우수한 성형탄 제조방법을 포함하는 용철제조방법을 제공하고자 한다.
본 개시 일 구현예의 성형탄은 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄으로서, 흑연 원료 물질, 바인더를 포함하고, 잔부는 미분탄이며, 상기 흑연 원료 물질은 입도분포가 입도 0.5 mm 이하인 입자의 분율이 95 중량% 이상일 수 있다.
상기 흑연 원료 물질은 폐전극봉 분말을 포함할 수 있다.
상기 폐전극봉 분말은 폐전극봉 분말 중량에 대하여 고정탄소 함량이 80 중량% 이상일 수 있다.
상기 흑연 원료 물질은 성형탄 전체 중량에 대하여 2 내지 15 중량%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 성형탄 전체 중량에 대하여 3 내지 8 중량%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 알칼리 원소 함량이 바인더 전체 중량에 대하여 0.5 중량% 미만일 수 있다.
상기 미분탄은 입도 분포가 입도 3 mm 이하인 입자의 분율이 85 중량% 이상일 수 있다.
상기 바인더는 옥수수, 카사바, 타피오카, 밀, 쌀, 보리, 감자, 고구마, 매니옥 (manioc), 및 사고 (sago)로 이루어진 군 중에서 1종 이상을 원료로 하는 파우더, 알파파우더, 생전분, 알파 전분 및 변성전분으로 이루어진 군 중에서 1종 이상일 수 있다.
본 개시 일 구현예의 성형탄 제조방법은, 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법으로서, 미분탄을 제공하는 단계; 흑연 원료 물질을 제공하는 단계; 바인더를 제공하는 단계; 상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계;를 포함하고, 상기 흑연 원료 물질은 입도분포가 입도 0.5 mm 이하인 입자의 분율이 95중량% 이상일 수 있다.
상기 흑연 원료 물질을 제공하는 단계;에서, 상기 흑연 원료 물질은 폐전극봉 분말을 포함할 수 있다.
상기 폐전극봉 분말은 폐전극봉 분말 중량에 대하여 고정탄소 함량이 80 중량% 이상일 수 있다.
상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 에서 상기 흑연 원료 물질의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 2 내지 15 중량%일 수 있다.
상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 에서 상기 바인더의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 3 내지 8 중량%일 수 있다.
상기 바인더를 제공하는 단계; 에서, 바인더는 알칼리 원소 함량이 바인더 전체 중량에 대하여 0.5 중량% 미만일 수 있다.
상기 미분탄을 제공하는 단계;에서, 상기 미분탄은 입도 분포가 입도 3 mm 이하인 입자의 분율이 85 중량% 이상일 수 있다.
상기 바인더를 제공하는 단계; 에서 바인더는 옥수수, 카사바, 타피오카, 밀, 쌀, 보리, 감자, 고구마, 매니옥 (manioc), 및 사고 (sago)로 이루어진 군 중에서 1종 이상을 원료로 하는 파우더, 알파파우더, 생전분, 알파 전분 및 변성전분으로 이루어진 군 중에서 1종 이상일 수 있다.
상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 이후에
상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계;에서, 상기 혼합물의 온도는 60 내지 130 ℃일 수 있다.
상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계; 에서, 숙성시키는 시간은 5 내지 20분일 수 있다.
상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계; 에서, 상기 혼합물의 온도를 제어하기 위하여 온도가 110℃ 이상이고 압력이 5 내지 10 bar인 스팀을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 성형탄은 흑연 원료 물질로 폐전극봉 분말을 함유하여 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 열간 강도가 우수한 성형탄을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 성형탄은 흑연 원료 물질을 포함하므로 용융가스화로에서 급속 열분해하여 얻어지는 촤(char)의 크기 및 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 전기로에서 철스크랩을 용해하는데 사용된 이후 산업폐기물로 취급되던 폐전극봉을 흑연 원료 물질로 재사용하므로 환경오염 방지 및 원가 절감을 통한 경제성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 개시 일 구현예의 성형탄 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명 일 구현예의 성형탄 제조 장치의 개략도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명 일 구현예의 성형탄 제조 장치와 연결된 용철제조장치의 개략도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명 일 구현예의 성형탄 제조 장치와 연결된 용철제조장치의 개력도를 도시한 것이다.
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.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.
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, 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.
본 개시는 전기로에서 사용되던 폐전극봉 분말을 흑연 원료 물질로 사용하여 제조된 성형탄 및 그 제조방법에 관한 것이다. 전기로에서 철 스크랩을 용해하는 전극봉의 주성분은 탄소이다. 전극봉은 연필심의 흑연과 같은 구조와 성질을 가진다. 즉, 6개의 탄소원자가 6각형의 고리모양으로 연결되어 있는 벤젠 고리들이 층층이 쌓여있는 구조이다. 하지만 연필심과 같은 일반 흑연은 층과 층 사이에 전류가 잘 통하지 않기 때문에 전극봉은 이들 층간 배열을 길이 방향으로 직선화시킨 구조로 만들어 전류가 잘 흐를 수 있도록 제조된다.
전극봉을 만드는 과정은 탄소 덩어리인 석탄을 가열하면 석탄 입자가 녹으면서 입자끼리 다시 뭉쳐지고 이에 따라 높은 강도의 덩어리로 형성된다. 이것이 용광로의 원료로도 사용되는 코크스이며, 이 코크스를 2,500℃ 이상에서 재처리하면 인조 흑연이 만들어지고 이것으로 전극봉을 만든다. 즉, 양질의 석유 코크 (petroleum coke)와 콜타르 피지 (coal tar pitch)를 분쇄하여 해로 거르고, 혼합하고 가열한 다음, 압출 과정을 거쳐서 성형시킨 원통형 재료 (생전극)를 길이 방향으로 절단한다. 이 생전극을 소성로 (baking furnance)에서 소성하여 휘발분을 제거하고, 고착제를 탄소화시키기 위하여 3주동안 800℃로 가열시키고 나면 내마모성과 내열저항성이 우수한 경질의 탄소 전극봉재가 되며, 이것을 3000℃ 내외의 고온 전기 저항로에 투입하여 흑연 결정체로 재조직화 시킨다. 이러한 흑연화 과정이 끝나고 로의 내용물이 식은 후, 기계 가공하면 아크로 전극봉을 얻을 수 있다.
전기로의 원리는 우리가 흔히 보는 용접작업의 원리와 같다. 용접봉과 용접재료에 전극단자를 연결하고 용접봉을 재료에 붙였다 때면 섬광과 함께 고열이 발생하면서 용접작업이 이루어진다. 전기로의 전극봉 끝부분에서 튀어나온 전자가 전극봉과 스크랩 사이에서 전류가 흐를 수 있는 플라즈마 상태를 만들고 전극봉과 스크랩 사이에 전류가 흐르기 시작하면 전극봉에서는 더 많은 열전자가 방출되고 서로 충돌을 일으키는데 이러한 충돌에 의해 발생된 에너지는 철스크랩을 녹일 수 있을 만큼 온도를 높이게 된다.
폐전극봉은 전기로 공정의 부산물로 나온다. 폐전극봉 분말을 성형탄에 첨가함으로써 성형탄을 용융가스화로에 장입 시에 생성되는 촤의 입경과 강도를 향상시킨다. 용융가스화로에 장입된 성형탄에 포함된 석탄은 수축 및 팽창에 의해 크랙이 생성되면서 분화된다. 따라서 크랙 발생 및 전파를 방지하기 위하여 열적으로 안정한 폐전극봉 분말을 성형탄에 첨가한다. 폐전극봉 분말은 열적으로 안정하므로, 성형탄내의 석탄이 팽창 및 수축하는 중에도 안정하게 존재한다. 따라서 폐전극봉 분말은 큰트리트 또는 모르타르를 제조하는 경우에 사용하는 골재와 유사한 역할을 하므로, 성형탄의 고온에서의 분화를 효율적으로 방지할 수 있다.
이하에서는 각 단계별로 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 성형탄의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 성형탄의 제조 방법을 다양하게 변형할 수 있다. 한편, 도 1의 성형탄의 제조 방법을 구현하기 위한 성형탄 제조 장치의 구조는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 성형탄의 제조 방법은, 미분탄을 제공하는 단계(S10), 흑연 원료 물질을 제공하는 단계(S20), 바인더를 제공하는 단계(S30), 상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계(S40), 상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계(S50), 그리고 상기 숙성된 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계(S60)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 성형탄의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.
단계(S10)은 미분탄을 제공하는 단계이다. 미분탄으로서 역청탄(Bituminous coal), 아역청탄(Subbituminous Coal), 무연탄(Anthracite), 코크스 등 탄소가 함유된 원료를 사용할 수 있다. 성형탄 품질의 편차를 줄이기 위해 미분탄의 입도분포가 일정한 것이 바람직하며, 구체적인 기준으로서, 입도 3mm 이하인 입자의 분율이 85중량% 이상인 입도분포를 가지도록 미분탄의 입도를 조절할 수 있다.
다음으로 단계(S20)에서는 흑연 원료 물질을 제공한다. 상기 흑연 원료 물질은 입도분포가 입도 0.5 mm 이하인 입자의 분율이 95중량% 이상이 되도록 할 수 있다. 폐전극봉을 흑연 원료 물질로 사용하는 경우에는 파쇄하여 폐전극봉의 입도를 조절할 수 있다. 입도가 0.5mm를 초과하는 큰 입자의 비율이 많아지게 되면, 성형탄의 열간강도가 저하될 수 있다. 흑연 원료 물질을 함유한 성형탄을 용융가스화로에 장입하는 경우, 석탄과 흑연 원료 물질의 열적 안정성의 차이로 인하여, 성형탄에 함유되어 있는 흑연 원료 물질의 계면에서 크랙이 생성될 수 있다. 이때, 크랙의 크기는 흑연 원료 물질의 입도 크기 보다 작아지게 된다. 따라서, 입도가 큰 흑연 원료 물질을 사용하는 경우에는 큰 크랙이 생성되고, 입도가 작은 흑연 원료 물질을 사용하는 경우에는 작은 크랙이 생성되게 된다. 따라서, 흑연 원료 물질의 입도를 전술한 범위로 유지하는 것이 좋다.
상기 흑연 원료 물질은 폐전극봉 분말을 포함할 수 있다. 폐전극봉 관련하여서는 전술하여 생략한다.
상기 폐전극봉 분말은 폐전극봉 분말 전체 중량에 대해 고정탄소 함량이 80 중량% 이상일 수 있다. 구체적으로는 상기 폐전극봉 분말은 폐전극봉 분말 전체 중량에 대해 고정탄소 함량이 80 중량% 이상 내지 100 중량% 미만일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 폐전극봉 분말은 폐전극봉 분말 전체 중량에 대해 고정탄소 함량이 85 중량% 이상일 수 있다. 상기 고정탄소는 인조흑연일 수 있다. 폐전극봉은 전기로에서 철스크랩을 용해시키고 사용된 후 폐기되는 부산물로, 전기로에서 사용되는 과정에서 이물질이 혼입된다. 따라서, 폐전극봉 분말의 고정탄소 함량이 80중량% 미만인 경우, 폐전극봉을 구성하는 고정탄소의 비율이 낮아져서 성형탄 열간강도를 저하시키거나, 용융가스화로에서 성형탄을 사용하여 용철을 제조할 때, 폐전극봉의 이물질이 용철 성분을 악화시키는 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 폐전극봉 분말의 고정탄소 함량은 전술한 범위를 유지한다.
상기 폐전극봉 분말에서 고정탄소를 제외한 잔부는 성분이 Ash, 휘발분으로 이루어질 수 있고, Ash 함량은 13 중량% 이하이고 휘발분 성분은 7중량% 이하일 수 있다. 전극봉에 이물질이 많이 달라붙어 있는 폐전극봉을 사용하는 경우에는 고정탄소함량이 저하되고, Ash 함량이 증가된다. 이 경우에도 휘발분 함량은 거의 6~7%로 유사하다.
상기 흑연 원료 물질은 평균 입경이 0.1mm 이하일 수 있다. 구체적으로 상기 흑연 원료 물질은 평균 입경이 0.07mm 이하일 수 있다.
상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 에서, 상기 흑연 원료 물질의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 2 내지 15 중량%일 수 있다. 구체적으로 상기 흑연 원료 물질의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 3 내지 15 중량%일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 흑연 원료 물질의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 5 내지 10 중량%일 수 있다. 흑연 원료 물질의 양이 2중량% 미만인 경우, 성형탄의 열간강도를 확보 할 수 없다. 또한, 흑연 원료 물질의 양이 15중량% 초과하는 경우, 성형탄의 제조비용이 증가된다.
다음으로, 단계(S30)에서는 바인더를 제공한다. 바인더는 미분탄과 흑연 원료 물질을 바인딩하여 성형탄을 제조하기 위한 것으로, 상기 미분탄과 흑연 원료 물질들을 서로 결합시켜 주는 역할을 수행한다.
상기 바인더를 제공하는 단계; 에서 바인더는 옥수수, 카사바, 타피오카, 밀, 쌀, 보리, 감자, 고구마, 매니옥 (manioc), 및 사고 (sago)로 이루어진 군 중에서 1종 이상을 원료로 하는 파우더, 알파파우더, 생전분, 알파 전분 및 변성전분으로 이루어진 군 중에서 1종 이상일 수 있다. 전분은 자연에서 추출되는 탄수화물의 일종으로서, 여러 개의 포도당이 글루코시드 결합으로 결합된 천연고분자이다. 전분은 아밀로스(amylose)와 아밀로펙틴(amylopectin) 이란 2 가지의 성분으로 구성된다. 둘 다 다당류인데, 포도당이 곧은 사슬 모양 및 나선형으로 결합된 것이 아밀로스이고, 포도당이 나뭇가지 모양으로 결합된 것이 아밀로펙틴이다. 식물의 종류에 따라 둘의 비율이 다르긴 한데, 대개 20 내지 30 %의 아밀로스와 70 내지 80 %의 아밀로펙틴으로 전분이 구성된다. 전분 입자 구조를 나타내었는데, 아밀로펙틴 사슬이 규칙적으로 배열되어 있는 결정영역 구조와 아밀로스 사슬이 불규칙적으로 분산되어 있는 비결정 영역 구조가 순차적으로 교차되어 있다. 전분은 찬 물에는 녹지 않지만, 뜨거운 물에는 겔 형태로 녹아 풀처럼 된다. 녹는다고 해서 설탕이나 소금처럼 단순히 용해되는 것은 아니고, 알파(α)화 혹은 호화(糊化, gelatinization)라는 좀 복잡한 과정을 거친다. 전분은 원래 반 결정 구조를 이루고 있다. 그런데 전분을 뜨거운 물에 넣으면 전분 입자 사이로 물이 침투해서 전분입자가 부풀어 오르고, 결국에는 전분의 반 결정 구조가 붕괴된다. 이 때 갇혀있던 아밀로스 분자가 전분입자로부터 빠져 나오고, 이 아밀로스 분자들이 서로 연결되면서 전분 액의 점성이 높아져서 풀처럼 끈적하게 된다. 이것이 호화 또는 알파화라고 하는 반응이다. 일반적으로 아밀로스 함량이 높을수록 풀처럼 되는 겔화가 용이하게 된다. 전분이 호화 되어야 원료탄의 입자들을 서로 결합시켜 주는 바인더로서 기능을 하게 된다.
상기 바인더를 제공하는 단계; 에서, 바인더는 알칼리 원소 함량이 바인더 전체 중량에 대하여 0.5 중량% 미만일 수 있다. 구체적으로 0.3 중량% 미만일 수 있다. 알칼리 원소 함량이 0.5 중량% 이상인 바인더를 이용하여 제조한 성형탄은 CO2 반응에 의한 열간 강도가 낮아 용융가스화로의 석탄 충진층의 통기 및 통액성을 악화시키거나, 알칼리 성분에 의하여 발생될 수 있는 KCl 등과 같은 저융점 화합물 형성에 의한 환원가스 배관 막힘이나 유동 환원로의 분산판 등에 부착물을 생성시켜 설비의 유지 보수 비용을 증가 시키거나 용융환원 프로세스 조업 효율을 저하시킬 수 있다. 상기 알칼리 원소는 칼륨(K)일 수 있다.
상기 바인더를 제공하는 단계; 에서 바인더는 전분 함량이 (바인더 전체 중량)에 대하여 70 중량% 이상일 수 있다.
상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 에서, 상기 바인더의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 3 내지 8 중량% 일 수 있다. 바인더 함량이 3 중량% 미만인 경우에는 성형탄이 충분한 강도를 가지지 못할 수 있고, 바인더 함량이 8 중량%를 초과하는 경우에는 성형탄 제조비용이 증가할 수 있다.
다음으로, 단계(S40)에서는 미분탄, 흑연 원료 물질, 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공한다. 즉, 미분탄, 흑연 원료 물질, 및 바인더를 첨가한 후 균일하게 혼합되도록 혼합물을 잘 섞어준다. 여기서, 미분탄, 흑연 원료 물질 및 바인더는 동시에 혼합하거나, 임의의 순서로 혼합하거나 특정 원료를 먼저 혼합할 수도 있다. 예를 들면, 미분탄, 흑연 원료 물질 및 바인더를 동시에 혼합할 수 있다. 또는 미분탄과 흑연 원료 물질을 먼저 혼합한 후 바인더를 혼합할 수 있다. 또는, 흑연 원료 물질을 미분탄과 사전 혼합하지 않은 상태로 바인더와 직접 혼합할 수 있다.
다음으로, 단계(S50)에서는 혼합물을 가열하여 숙성한다. 바인더가 균일하게 분포하는 혼합물의 온도를 올리는 경우, 혼합물 내에 분산되어 있는 바인더의 전분 성분이 수분과 만나고 온도가 상승되면 팽창되어 점도가 높은 상태로 변화되는 호화반응이 일어나게 된다. 그 결과, 호화된 전분이 혼합물에 대한 결합력을 발현하여 후속 공정에서 제조되는 성형탄의 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 이처럼 액상 바인더를 미분탄에 바로 혼합하지 않고, 먼저 분말형의 전분 성분을 가진 바인더를 미분탄에 혼합한 후에 가열하여 숙성함으로써 성형탄 건조공정이 필요없이 우수한 강도를 가지면서도 공정 비용을 최소화한 성형탄을 제조할 수 있다.
미분탄, 흑연 원료 물질 및 바인더를 혼합기(121)에서 균일하게 혼합한 혼합물을 숙성기(123)에 장입하고, 스팀 공급수단(131)을 통해 숙성기(123) 내부에 스팀을 공급하면서 혼합물을 숙성시킨다.
상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계;에서, 상기 혼합물의 온도는 60 내지 130 ℃일 수 있다. 혼합물의 온도가 130℃를 초과하는 경우에는 온도를 높이는데 많은 에너지가 소요되어 공정 효율면에서 바람직하지 않고, 혼합물의 온도가 60℃ 미만인 경우에는 바인더의 호화 반응이 충분하게 일어나지 않아 원하는 강도를 가지는 성형탄으로 제조하기 어렵다. 숙성 과정에서 혼합물을 교반할 수 있다. 숙성기(123)내의 교반기를 이용하여 혼합물을 교반하면, 혼합물의 온도를 전체적으로 균일하게 조절할 수 있다. 또한, 혼합물을 숙성하는 과정에서 바인더의 호화반응을 일으켜 점성이 생기는데, 혼합물과 숙성기내의 교반기가 접촉하여 마찰열이 발생하게 된다. 이렇게 발생하는 마찰열은 숙성기(123) 내부로 공급되는 스팀과 함께 바인더의 호화반응을 일으키는데 열원으로 사용될 수 있다.
상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계; 에서, 상기 혼합물의 온도를 제어하기 위하여 온도가 110℃ 이상이고 압력이 5 내지 10 bar인 스팀을 사용할 수 있다.
상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계; 에서, 숙성시키는 시간은 5 내지 20분일 수 있다. 이때, 숙성 시간은 바인더가 원료탄 내에서 균일하고 충분하게 호화되도록 하기 위함이다. 숙성기(123)의 혼합물의 온도가 높을수록 숙성 시간을 단축시킬수 있으며, 사전에 호화시킨 알파파우더, 알파전분을 바인더로 사용하는 경우에는 쉽게 호화되기 때문에, 전분 원료를 분쇄한 파우더, 생전분을 바인더로 사용하는 경우보다 숙성 온도와 숙성시간을 단축시킬수 있다.
마지막으로, 단계(S60)에서는 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공한다. 예를 들면, 한 쌍의 롤러들 사이로 혼합물을 장입하여 압착함으로써 포켓 또는 스트립 형태의 성형탄을 제조할 수 있다. 그 결과, 우수한 열간강도 및 냉간강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다.
제조된 성형탄은 용융가스화로 상부로부터 투입되며 1000℃의 고온에서 열분해하여 가스를 발생시킨 후 촤로 전환되어 환원철과 함께 용융가스화로의 촤베드를 구성한다. 따라서, 촤는 용융가스화로내의 반응가스와 철광석과 슬래그의 용융물이 쉽게 상하로 이동할 수 있는 통로를 제공하여야 한다. 이러한 통기 통액성이 우수한 촤가 많이 존재할수록 용융가스화로의 조업이 안정되면서 생산성을 증대시킬 수 있다.
이와 같은 방법으로 숙성기(123)에서 혼합물을 숙성하면, 원료탄 내에 균일하게 분산되어 있는 바인더의 점도가 높은 상태로 변화되는 호화반응이 일어나게 된다. 그 결과, 호화된 바인더가 원료탄에 대한 결합력을 발현하여 후속 공정에서 제조되는 성형탄의 강도를 크게 향상시킬 수 있다.
전술한 방법으로 제조된 본 개시 일 구현예의 성형탄은 흑연 원료 물질, 바인더를 포함하고, 잔부는 미분탄이며, 상기 흑연 원료 물질은 입도분포가 입도 0.5 mm 이하인 입자의 분율이 95 중량% 이상일 수 있다.
상기 흑연 원료 물질은 폐전극봉 분말일 수 있다.
상기 폐전극봉 분말은 폐전극봉 분말 중량에 대하여 고정탄소 함량이 80 중량% 이상일 수 있다.
상기 흑연 원료 물질은 성형탄 전체 중량에 대하여 2 내지 15 중량%로 포함될 수 있다. 여기서, 흑연 원료 물질의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 열간강도가 저하된다. 또한, 흑연 원료 물질의 양이 너무 큰 경우, 성형탄의 제조 비용이 증가한다. 따라서 흑연 원료 물질의 양을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 성형탄 전체 중량에 대하여 3 내지 8 중량%로 포함될 수 있다. 바인더의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 냉간강도가 저하될 수 있다. 또한 바인더의 양이 너무 많은 경우, 성형탄의 제조비용이 증가된다. 따라서 바인더 양을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 알칼리 (원소) 함량이 (바인더 전체 중량에 대하여) 0.5 중량% 미만일 수 있다. 자세한 설명은 전술한 바와 같다.
상기 바인더는 옥수수, 카사바, 타피오카, 밀, 쌀, 보리, 감자, 고구마, 매니옥 (manioc), 및 사고 (sago)로 이루어진 군 중에서 1종 이상을 원료로 하는 파우더, 알파파우더, 생전분, 알파 전분 및 변성전분으로 이루어진 군 중에서 1종 이상일 수 있다. 자세한 설명은 전술한 바와 같다.
전술한 방법으로 제조된 본 개시 일 구현예의 성형탄은 낙하 강도 지수 (+20㎜)가 88 내지 92%일 수 있다. 상기 성형탄은 열간강도 지수(+13mm)가 37 내지 61%일 수 있다. 상기 성형탄의 촤 강도 지수 (+10mm)는 71 내지 76% 일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 성형탄 제조 장치(100)를 개략적으로 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.
성형탄 제조 장치(100)는 원료탄과 바인더의 혼합물을 가압 성형하여 성형탄을 제조하고, 제조된 성형탄을 용융가스화로(300)에 장입할 수 있다. 성형탄 제조 장치(100)는 원료탄의 수분과 입도를 조절하는 사전처리기(111)를 포함한다. 사전처리기(111)는 원료탄의 수분을 6~8%로 제어하는 건조기와 원료탄의 3mm이하의 입도 분포가 85 중량%이상이 되도록 입도를 제어하는 파쇄기로 구성되어 있다. 원료탄의 수분과 입도를 제어하기 위하여, 원료탄을 먼저 건조한 후에 파쇄할 수도 있고, 또는, 원료탄을 먼저 파쇄한 후에 건조할 수도 있다. 상기 원료탄은 미분탄 일 수 있다.
수분과 입도를 제어한 원료탄 저장빈(113), 흑연 원료 물질 저장빈(115)과 원료탄을 점결시키기 위한 바인더 저장빈(117)과 연결되어, 원료탄, 흑연 원료 물질 및 바인더를 혼합하기 위한 혼합기(121)와, 혼합기(121)에서 혼합된 원료탄, 흑연 원료 물질 및 바인더의 혼합물을 숙성하기 위한 숙성기(123)와, 숙성된 혼합물을 가압 성형하여 성형탄을 제조하는 성형기(125), 성형기(125)와 연결되어 성형탄 제조시에 발생하는 분탄을 선별하는 분탄선별기(127) 및 성형탄을 저장하였다가 용융가스화로(300)에 장입하는 성형탄 저장빈(129)를 포함할 수 있다. 여기에서 혼합기(121)는 내부에 원료탄, 흑연 원료 물질 및 바인더를 수용할 수 있는 공간이 형성되고, 회전 가능하도록 형성된 드럼 믹서일 수 있다. 그리고 숙성기(123)는 내부에 원료탄, 흑연 원료 물질 및 바인더의 혼합물의 온도를 높이기 위하여 숙성기 몸체 내부에 스팀을 공급할 수 있는 스팀공급수단(131)과 혼합물을 교반할 수 있는 교반기를 포함할 수 있다.
그리고, 성형기(125)와 연결되어 성형탄 제조시에 발생하는 분탄을 회수하여 혼합기(121)에 공급하는 리싸이클링장치(140)를 포함할 수 있다. 여기서, 리싸이클링장치(140)는 분탄 선별기(127), 분탄파쇄기(133) 그리고 분탄저장빈(119)을 포함한다. 리싸이클링장치(140)는 이외에 기타 리싸이클링에 필요한 다른 장치도 포함할 수 있다. 리싸이클링장치(140)는 분탄선별기(127)에서 선별한 분탄을 분탄파쇄기(133)에서 3mm이하로 파쇄한 다음에 분탄저장빈(119)에 임시 저장한 후, 다시 혼합기(121)에 공급한다. 성형탄 제조 장치(100)의 구성 및 구조는 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형될 수 있다.
도 3는 도 2의 성형탄 제조장치(100)와 연결되어 성형탄 제조장치(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 충전층형 환원로(220)를 포함한다. 이외에 필요에 따라 기타 다른 장치를 포함할 수 있다. 충전층형 환원로(220)에는 철광석이 장입되어 환원된다. 충전층형 환원로(220)에 장입되는 철광석은 사전 건조된 후에 충전층형 환원로(220)를 통과하면서 환원철로 제조된다. 충전층형 환원로(220)는 충전층형 환원로로서, 용융가스화로로(210)부터 환원가스를 공급받아 그 내부에 충전층을 형성한다.
도 2의 성형탄 제조장치(100)에서 제조한 성형탄은 용융가스화로(210)에 장입되므로, 용융가스화로(210)의 내부에는 석탄충전층이 형성된다. 용융가스화로(210)의 상부에는 돔부(211)가 형성된다. 즉, 용융가스화로(210)의 다른 부분에 비해 넓은 공간이 형성되고, 여기에는 고온의 환원가스가 존재한다. 따라서 고온의 환원가스에 의해 돔부(211)에 장입되는 성형탄은 열분해 반응에 의해 촤가 생성된다. 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, 촤가 통기성을 제공하므로, 용융가스화로(210)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 충전층형 환원로(220)에서 공급된 환원철이 용융가스화로(210)내의 석탄 충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과할 수 있다.
전술한 성형탄 이외에 괴상 탄재 또는 코크스를 필요에 따라 용융가스화로(210)에 장입할 수도 있다. 용융가스화로(210)의 외벽에는 풍구(230)를 설치하여 산소를 취입한다. 산소는 석탄 충전층에 취입되어 연소대를 형성한다. 성형탄은 연소대에서 연소되어 환원가스를 발생시킬 수 있다.
도 4는 도 2의 성형탄 제조장치(100)와 연결되어 성형탄 제조장치(100)에서 제조한 성형탄을 사용한 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(300)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.
도 2의 성형탄 제조장치(100)에서 제조한 성형탄은 용융가스화로(210)에 장입된다. 여기서, 성형탄은 용융가스화로(210)에서 환원가스를 발생시키고 발생된 환원가스는 유동층형 환원로(310)에 공급된다. 분철광석은 유동층을 가진 복수의 환원로들(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(330)에 저장된다. 압축된 환원철은 압축 환원철 저장조(320)로부터 용융가스화로(210)에 성형탄과 함께 장입되어 용융가스화로(210)에서 용융된다. 성형탄은 용융가스화로(210)에 공급되어 통기성을 가진 촤로 변하므로, 용융가스화로(210)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 압축된 환원철이 용융가스화로(210)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과하여 양질의 용철을 제공할 수 있다.
즉, 용융철 제조방법은 본 개시 일 구현예의 성형탄을 제조하는 단계; 환원로에서 철광석을 환원하여 환원철을 제공하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 환원로에서 철광석을 환원하여 환원철을 제공하는 단계;에서 훤원로는 유동층형 환원로 또는 충전층형 환원로일 수 있다.
한편, 본 개시 일 구현예의 성형탄은 바인더로서 당밀이 아닌 전분 성분을 함유한 바인더를 사용하므로, 알칼리 성분을 획기적으로 감소시킬수 있다. 따라서 높은 알칼리 성분을 함유한 당밀에 의해 유동층형 환원로(310) 내의 분산판(미도시) 또는 싸이클론(미도시)에 칼륨 등의 알칼리가 침적되어 막히는 현상을 사전에 차단할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
성형탄의 열간 강도 및 냉간 강도 측정 실험
본 열간 강도 및 냉간 강도 측정의 전체적인 실험방법은 다음과 같다. 3mm이하의 입도를 가지는 미분탄, 흑연 원료 물질로서 폐전극봉 분말, 바인더를 3분간 균일하게 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 제조된 혼합물을 숙성기에 투입하여 숙성기 내부의 온도를 높여서 일정시간 숙성 혼합하였다. 미분탄으로는 강점탄, 미점탄을 혼합하여 사용하였으며, 바인더는 삼양사㈜의 큐원 옥수수전분을 사용하였다. 사용한 폐전극봉 분말의 물성을 하기의 표1에 나타낸다.
평균입경
(mm)		 0.5mm이하
입경 비율 (중량%)		 고정탄소 함량
(중량%)
폐전극봉 분말A 0.07 100 88
폐전극봉 분말D
(실시예)		 0.08 96 87
폐전극봉 분말E
(비교예)		 0.12 90 86
폐전극봉 분말F
(실시예)		 0.07 100 81
폐전극봉 분말G
(비교예)		 약 0.07 100 75
폐전극봉 분말B 0.14 91 47
폐전극봉 분말C 0.91 30 85
그리고 숙성시킨 혼합물을 한 쌍의 롤 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 이 경우, 한 쌍의 롤은 20 kN/㎝의 압력으로 혼합물을 가압하여 64.5mm × 25.4mm × 19.1mm 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.
이하, 각 실험예에서의 미분판, 폐전극봉 분말, 바인더 함량 및 숙성 조건을 서술하겠다.
실시예 1
미분탄 92중량%, 폐전극봉 분말A 3중량%, 옥수수전분 5중량%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 89℃의 온도에서 15분간 처리하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실시예 2
미분탄 90중량%, 폐전극봉 분말A 5중량%, 옥수수전분 5중량%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 82℃의 온도에서 10분간 처리하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실시예 3
미분탄 90중량%, 폐전극봉 분말A 5중량%, 옥수수전분 5중량%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 89℃의 온도에서 15분간 처리하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실시예 4
미분탄 85중량%, 폐전극봉 분말A 10중량%, 옥수수전분 5중량%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 89℃의 온도에서 15분간 처리하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 1
미분탄 95중량%, 옥수수전분 5중량%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 89℃의 온도에서 15분간 처리하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 2
미분탄 90중량%, 폐전극봉 분말A 5중량%, 옥수수전분 5중량%를 3분간 혼합한 다음, 숙성 공정을 생략하고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 3
미분탄 92중량%, 폐전극봉 분말B 3중량%, 옥수수전분 5중량%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 89℃의 온도에서 15분간 처리하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 4
미분탄 92중량%, 폐전극봉 분말C 3중량%, 옥수수전분 5중량%를 3분간 혼합하고, 다시 이를 숙성기에 투입하여 89℃의 온도에서 15분간 처리하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험결과
전술한 실험예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조한 성형탄의 낙하강도지수와 열간강도지수를 측정하였다. 성형탄의 낙하강도지수는 상온에서 용융가스화로로 장입되기 직전까지 수송과 저장과정에서 받을 수 있는 여러 물리적 분화 조건을 기준으로 상온상태의 강도품질을 뜻하며, 성형탄 2kg을 5M높이에서 8회 자유낙하시킨 후에 +20mm이상의 입도의 무게 백분율로 구하였다.
한편, 성형탄의 열간강도지수는 성형탄이 용융가스화로 내에서 분화되는 거동 중 가장 큰 영향을 미치는 급속 가열 시 분화 및 입자간의 마모에 의한 분화를 대표적으로 표준화한 것이다. 1,000℃로 승온되어 유지된 회전하는 반응관에 상온의 성형탄 시료 1kg을 장입한 후, 2rpm의 회전속도로 10분간 반응시킨 후에 20rpm의 회전속도로 30분간 추가 반응시킨다. 이 때, 반응가스는 불활성인 질소를 사용하며, 반응 중의 반응관의 온도는 1,000℃로 유지시킨다. 반응 후 생성된 성형탄 촤(char)의 입도분석을 하여, 총 성형탄 촤의 무게를 기준으로 13mm이상의 무게를 백분율로 표현하여 성형탄의 열간강도지수로 나타내었다.
또한, 성형탄 촤강도지수는 고로에 사용되는 야금용 코크스의 CO2반응후 강도(CSR, Coke Strength after Reaction) 측정용 I형 드럼을 이용하여 평가하였다. 성형탄 촤 200g을 600mm 길이의 I형 드럼에 넣고 분당 20회전 속도로 30분간 600회전한 후 10mm이상의 크기로 남아 있는 촤의 무게를 백분율로 표현하여 성형탄의 촤강도지수로 나타내었다. 즉, 열간강도지수와 촤강도지수가 높게 평가되는 성형탄은 용융가스화로의 돔부에서의 급속 열 충격 및 입자간 마모에 의한 분화가 상대적으로 적게 발생되어, 용융가스화로 충전층 내에서 큰 입자의 촤로 존재할 가능성이 있는 것으로 판단할 수 있을 것이다. 그 결과를 하기의 표 2에 나타낸다.
배합비 (중량%) 성형조건 성형탄 품질
미분탄 폐전극봉 분말 바인더 폐전극봉분말종류 숙성시간
(분)		 낙하강도
지수
(+20㎜,%)		 열간강도
지수
(+13㎜,%)		 촤강도
지수
(+10㎜,%)
실시예 1 92 3 5 A 15 92 37 71
실시예 2 90 5 5 A 10 88 42 73
실시예 3 90 5 5 A 15 91 44 73
실시예 4 85 10 5 A 15 90 61 76
실시예 5 90 5 5 D 15 90 40 72
실시예 6 90 5 5 F 15 91 41 72
비교예 1 95 0 5 - 15 92 23 67
비교예 2 90 5 5 A 0 24 38 70
비교예 3 92 3 5 B 15 91 32 69
비교예 4 92 3 5 C 15 92 29 68
비교예 5 90 5 5 E 15 91 34 68
비교예 6 90 5 5 G 15 91 35 70
표 2에 기재한 바와 같이, 실험예 1 내지 실험예 4에서 폐전극봉 분말A (0.5mm이하 입도 100%, 탄소함량 88%)를 3중량% 내지 10중량%를 사용하여, 숙성기에서 10분 내지 15분 숙성시킨 후에 제조한 성형탄의 경우, 성형탄의 낙하강도지수, 열간강도지수 및 촤강도지수가 우수하게 나타났다. 이와는 대조적으로, 비교예 1에서는 폐전극봉분말을 사용하지 않고 제조한 성형탄의 열간강도지수 및 촤강도지수가 낮은 것을 확인할 수 있었다. 또한 비교예 2에서는 숙성공정을 생략하여 제조한 성형탄의 낙하강도지수가 낮은 것을 확인할 수 있었다. 비교예 3과 비교예 4에 따라 탄소함량이 낮거나 입도가 큰 폐전극봉 분말을 사용하여 제조한 성형탄의 열간강도지수 및 촤강도지수는 실험예 1 내지 실험예 4에 따라 제조한 성형탄의 열간강도지수 및 촤강도지수에 비해 작은 것을 확인할 수 있었다.
성형탄 Ash 제조 조업 실험
실시예 5
전술한 실시예 3에 의해 제조한 성형탄을 파쇄하여 미분으로 만들고, 30ml 자기도가니에 약 7g의 미분화된 성형탄을 넣고, 850℃ Box Furnace에서 10시간 동안 가열하여 연소시켰다. 나머지 실험 과정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
비교예 5
3.4mm이하의 입도를 가지는 미분탄 100중량부에 생석회 2.7중량부와 당밀 11중량부를 균일하게 혼합하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 이 경우, 한 쌍의 롤들은 20 kN/㎝의 압력으로 혼합물을 가압하여 64.5mm × 25.4mm × 19.1mm 크기의 베게 형상의 성형탄을 제조하였다. 이와 같이 제조한 성형탄을 파쇄하여 미분으로 만들고, 30ml 자기도가니에 약 7g의 미분화된 성형탄을 넣고, 850℃ Box Furnace에서 10시간 동안 가열하여 연소시켰다. 나머지 실험 과정은 전술한 실시예 5와 동일하였다.
실험결과
실시예 5 및 비교예 5에 따라 조업시에 남은 회분 성분을 분석하였다. 이 경우, 폐전극봉 분말과 옥수수전분 바인더를 사용한 실시예 5에서는 회분에 함유된 알칼리 중 K2O 함량이 1.3 wt%로 낮았지만, 당밀 바인더를 사용한 비교예 5에서는 K2O 함량이 3.3 wt%로 매우 높았다. 알칼리 함량이 높은 당밀 바인더를 사용하여 성형탄을 제조하여 용융가스화로에 사용하는 경우, 알칼리(K)에 의해 형성된 저융점 화합물(KCl, 융점770℃)이 환원가스에 포함되어 유동층형 환원로 조업에 나쁜 영향을 줄 수 있다는 것을 알 수 있었다.
구분 성형탄 Ash성분 (wt.%)
SiO2 CaO Al2O3 MgO TiO2 Fe2O3 K2O Na2O
실시예 5 50.1 6.5 23.8 1.9 1.1 10.0 1.3 1.4
비교예 5 38.8 27.3 20.2 2.2 1.0 4.6 3.3 0.3
본 발명은 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 성형탄 제조 장치
111 사전처리기
113 원료탄 저장빈
115 폐전극봉 분말 저장빈
117 바인더 저장빈
119 분탄 저장빈
121 혼합기
123 숙성기
125 성형기
127 분탄선별기
129 성형탄 저장빈
131 스팀공급수단
133 분탄파쇄기
140 리싸이클링장치
200, 300 용철제조장치
210 용융가스화로
220 충진층형 환원로
211 돔부
230 풍구
310 유동층형 환원로
320 환원철 압축장치
330 압축 환원철 저장조

Claims (19)

  1. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
    상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
    를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄으로서,
    흑연 원료 물질, 바인더를 포함하고, 잔부는 미분탄이며,
    상기 흑연 원료 물질은 입도분포가 입도 0.5 mm 이하인 입자의 분율이 95 중량% 이상이며,
    상기 흑연 원료 물질의 평균 입도는 0.1mm 이하이고,
    상기 바인더는 성형탄 전체 중량에 대하여 3 내지 8 중량%로 포함되며,
    상기 바인더는 알칼리 원소 함량이 바인더 전체 중량에 대하여 0.5 중량% 미만인, 성형탄.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흑연 원료 물질은 폐전극봉 분말을 포함하는, 성형탄.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 폐전극봉 분말은 폐전극봉 분말 중량에 대하여 고정탄소 함량이 80 중량% 이상인, 성형탄.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흑연 원료 물질은 성형탄 전체 중량에 대하여 2 내지 15 중량%로 포함되는, 성형탄.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미분탄은 입도 분포가 입도 3 mm 이하인 입자의 분율이 85 중량% 이상인, 성형탄.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 옥수수, 카사바, 타피오카, 밀, 쌀, 보리, 감자, 고구마, 매니옥 (manioc), 및 사고 (sago)로 이루어진 군 중에서 1종 이상을 원료로 하는 파우더, 알파파우더, 생전분, 알파 전분 및 변성전분으로 이루어진 군 중에서 1종 이상인, 성형탄.
  9. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
    상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
    를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법으로서,
    미분탄을 제공하는 단계;
    흑연 원료 물질을 제공하는 단계;
    바인더를 제공하는 단계;
    상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 및
    상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 흑연 원료 물질은 입도분포가 입도 0.5 mm 이하인 입자의 분율이 95중량% 이상이고,
    상기 흑연 원료 물질의 평균 입도는 0.1mm 이하이고,
    상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 에서
    상기 바인더의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 3 내지 8 중량%이고,
    상기 바인더는 알칼리 원소 함량이 바인더 전체 중량에 대하여 0.5 중량% 미만인, 성형탄 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 흑연 원료 물질을 제공하는 단계;에서,
    상기 흑연 원료 물질은 폐전극봉 분말을 포함하는, 성형탄 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 폐전극봉 분말은 폐전극봉 분말 중량에 대하여 고정탄소 함량이 80 중량% 이상인, 성형탄 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 에서
    상기 흑연 원료 물질의 함량은 혼합물 전체 중량에 대하여 2 내지 15 중량%인, 성형탄 제조방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 미분탄을 제공하는 단계;에서,
    상기 미분탄은 입도 분포가 입도 3 mm 이하인 입자의 분율이 85 중량% 이상인, 성형탄 제조방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 바인더를 제공하는 단계; 에서
    바인더는 옥수수, 카사바, 타피오카, 밀, 쌀, 보리, 감자, 고구마, 매니옥 (manioc), 및 사고 (sago)로 이루어진 군 중에서 1종 이상을 원료로 하는 파우더, 알파파우더, 생전분, 알파 전분 및 변성전분으로 이루어진 군 중에서 1종 이상인, 성형탄 제조방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 미분탄, 흑연 원료 물질, 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계; 이후에
    상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계를 더 포함할 수 있고,
    상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계;에서, 상기 혼합물의 온도는 60 내지 130 ℃인, 성형탄 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계; 에서,
    숙성시키는 시간은 5 내지 20분인, 성형탄 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 혼합물을 가열하여 숙성시키는 단계; 에서,
    상기 혼합물의 온도를 제어하기 위하여 온도가 110℃ 이상이고 압력이 5 내지 10 bar인 스팀을 사용하는, 성형탄 제조방법.
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