KR102467182B1 - 코크스 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배합시 원료탄의 일부를 성형하여 코크스 강도를 향상시키는 코크스 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 코크스 제조방법은 고로용 코크스를 제조하는 방법으로서, 서로 다른 종류의 원료탄을 배합하여 배합탄을 준비하는 단계와; 상기 배합탄 중 일부를 성형하여 성형탄을 준비하는 단계와; 상기 배합탄 중 성형하지 않은 배합탄에 상기 성형탄을 혼합하여 혼합탄을 준비하는 단계와; 상기 혼합탄을 코크스 오븐에 장입하는 단계와; 코크스 오븐에 장입된 혼합탄을 건류시키는 단계를 포함한다.

Description

코크스 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING COKE}

본 발명은 코크스 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배합시 원료탄의 일부를 성형하여 코크스 강도를 향상시키는 코크스 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 제철공장에서는 용선을 고로법에 의하여 생산하고 있다. 고로에서의 용선 생산을 위해서는 소결광과 코크스(Coke)를 준비하게 되는데, 고로에서의 조업안정과 생산성 증대 측면에서 강도가 높은 코크스를 선호하고 있으며, 코크스 오븐(Coke Oven)에서도 강도가 높은 코크스의 제조에 집중하고 있는 실정이다. 특히 최근에는 고로의 대형화에 따라 고로 내 코크스의 체류시간이 증가되어 기존에 유지해왔던 것보다 강도가 높은 코크스의 필요성이 증가하고 있다.

일반적으로 코크스 품질은 배합탄의 배합지수와 상관관계를 가진다. 가장 상관관계가 높은 배합지수로는 유동성 지수인 LMF(Maximum Fluidity의 Log값)와 석탄화도 지수인 Rm(석탄 조직중 비트리나이트 조직의 Max. Reflectance값)이 있으며, 이 두 배합지수가 높을수록 석탄의 품질이 우수하며 가격이 높다.

코크스 강도를 향상시키기 위해 코크스 강도가 높은 고품위의 원료탄를 사용하게 되면 원료비가 상승하기 때문에 경제적이면서 코크스 강도를 향상시킬 수 있도록 고품위의 원료탄과 저품위의 원료탄을 적절히 배합하여 원하는 수준의 코크스 강도를 구현시키는 배합기술이 요구된다. 따라서 배합기술이란 품질이 낮은 석탄을 적절하게 혼합하여 제조된 코크스의 품질을 높이는 방법이며, 이 외에도 코크스의 품질을 향상시키기 위한 전처리, 건류 및 소화방법 및 첨가제 활용기술 등 다양한 방법들이 개발되어 활용되고 있다.

이 중에서 석탄 전처리 공정인 성형을 통해 탄화실 내 장입밀도를 증가시킴으로써 코크스 강도를 향상시키는 방법이 있다. 성형 공정은 탄종과 무관하게 석탄의 장입밀도만 향상시키는 기술이지만, 탄종에 따라 성형에 따른 효과가 상이할 수 있다.

따라서 본 발명은 코크스 강도를 향상시키는 방법으로 석탄을 일정한 압력에서 성형하는 방법을 제시하고, 그 중에서 특정 석탄에 따른 코크스 강도 향상에 큰 효과가 있는 탄종을 찾아 기존의 저가탄 사용비를 유지하고 조업 관리기준을 준수하면서 경제적인 코크스 품질 향상을 위한 배합 방법을 도출하고자 한다.

일본공개특허 2015-199791 (2015. 11. 12)

본 발명은 원료탄의 배합시 원료탄의 일부만을 성형한 다음 미분 형태의 원료탄과 혼합하여 코크스 제조설비에 구비된 일반적인 원료탄 장입장치를 그대로 사용하면서도 코크스의 제조 원가를 절감하면서 코크스의 강도를 향상시키는 코크스 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 코크스 제조방법은 고로용 코크스를 제조하는 방법으로서, 서로 다른 종류의 원료탄을 배합하여 배합탄을 준비하는 단계와; 상기 배합탄 중 일부를 성형하여 성형탄을 준비하는 단계와; 상기 배합탄 중 성형하지 않은 배합탄에 상기 성형탄을 혼합하여 혼합탄을 준비하는 단계와; 상기 혼합탄을 코크스 오븐에 장입하는 단계와; 코크스 오븐에 장입된 혼합탄을 건류시키는 단계를 포함한다.

상기 배합탄을 준비하는 단계에서, 상기 배합탄의 LMF는 3.465 이상이고, Rm은 0.7525 이상인 것이 바람직하다.

여기서, LMF은 유동성 지수로서 Maximum Fluidity의 Log값이고, Rm은 석탄화도 지수로서 석탄 조직 중 비트리나이트 조직의 Max. Reflectance값임.

상기 배합탄을 준비하는 단계에서, 배합탄은 LMF가 3.465 이하이고, Rm은 0.7525 이상인 제 1 원료탄과 LMF는 3.465 이상이고, Rm은 0.7525 이하인 제 2 원료탄을 배합하여 이루어지는 것이 바람직하다.

특히, 상기 배합탄을 준비하는 단계에서, 상기 제 1 원료탄의 Rm은 0.803 이상이고, 상기 제 2 원료탄의 LMF는 4.54 이상인 것이 바람직하다.

상기 혼합탄을 준비하는 단계에서, 상기 혼합탄 중 상기 성형탄의 중량 비율은 20% 이상인 것이 바람직하다.

상기 혼합탄을 코크스 오븐에 장입하는 단계는 코크스 오븐의 장입장치를 그대로 이용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 종래에 코크스 강도 저하를 야기하는 저품위의 탄종을 이용하면서 배합탄의 배합기준을 개선하고 배합탄의 일부를 성형함으로써 코크스 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 배합탄의 일부만을 성형하여 사용함에 따라 기존 코크스 제조공정에서 관리하고 있는 조업기준 범위안에서 저품위의 탄종을 사용하면서도 고품질의 코크스를 제조할 수 있기 때문에 코크스 제조 공정의 경쟁력 향상 및 용선 제조 원가의 저감이 기대된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 코크스 제조방법을 보여주는 순서도이다.

이하, 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.

먼저, 일반적으로 코크스를 제조할 때 사용되는 방법은 탄화실에서 균일한 혼합 및 장입 밀도의 향상이 이루어지도록 원료탄을 파쇄한 다음 원료탄의 입도 및 배합비율을 조절하여 배합탄을 준비하고, 준비된 배합탄을 탄화로 위에 설치된 장입차에서부터 중력으로 탄화실에 장입한 후 고온으로 산소없는 상태로 건류를 하여 코크스를 제조한다.

하지만, 저품위 석탄의 경우에는 일반적인 조업조건으로 제조할 경우에는 제조된 코크스의 강도가 감소하기 때문에 상부에서 중력으로 석탄을 분출하여 탄화실에 장입하는 일반적인 방법 대신에 장입되는 석탄의 밀도를 증가시키기 위해 성형 틀에서 절구나 스템프(Stamp)로 석탄을 성형하여 탄화실에 장입한다. 이러한 방법으로 제조된 코크스는 일반적인 방법에 비해 탄화실에 장입되는 석탄의 밀도가 증가하기 때문에 제조되는 코크스 품질이 향상된다. 하지만, 장입하는 방법 자체가 다르기 때문에 신규설비 도입 및 운용비 등 기존 방법에 비해 비용이 많이 소요되기 때문에 장입되는 석탄 전체를 성형하는 방법 대신에 배합되는 석탄 일부만 성형 틀에서 성형하여 일반적인 코크스 제조 설비를 활용하는 방법을 제안하였다.

이에 따라 본 발명의 주요 기술사상은 야금용 코크스 제조시 사용되는 배합탄 중 특정 석탄을 배합하면서 배합탄 중 일부를 성형하여 코크스를 제조하는 방법이다.

석탄은 다양한 종류가 있으며, 탄종에 따라 유동성, 석탄화도, 휘발분 함량, 구성되는 조직 함량 등 서로 다른 물성을 가지고 있기 때문에 탄종에 따라 성형에 따른 코크스 강도에 기여하는 정도가 다르다. 따라서 특정 배합에서 코크스 강도 향상이 상이할 수 있고, 석탄 성형 효과를 최대로 할 수 있는 배합 기술을 적용하여 코크스를 제조하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 코크스 제조방법을 보여주는 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 코크스 제조방법은 종래의 코크스 제조 설비 및 그 조업조건을 그대로 이용하여 고로용 코크스를 제조하는 방법으로서, 서로 다른 종류의 원료탄을 배합하여 배합탄을 준비하는 단계와; 상기 배합탄 중 일부를 성형하여 성형탄을 준비하는 단계와; 상기 배합탄 중 성형하지 않은 배합탄에 상기 성형탄을 혼합하여 혼합탄을 준비하는 단계와; 상기 혼합탄을 코크스 오븐에 장입하는 단계와; 코크스 오븐에 장입된 혼합탄을 건류시키는 단계를 포함한다.

배합탄을 준비하는 단계는 서로 다른 종류의 원료탄을 적정 비유로 배합하여 원하는 수준의 품질을 갖는 배합탄을 배합하는 단계로서, 본 실시예에서 목표로 하는 배합탄의 LMF는 3.465 이상이고, Rm은 0.7525 이상인 것이 바람직하다. 여기서, LMF은 유동성 지수로서 Maximum Fluidity의 Log값이고, Rm은 석탄화도 지수로서 석탄 조직 중 비트리나이트 조직의 Max. Reflectance값을 의미한다.

유동성 지수인 LMF와 석탄화도 지수인 Rm은 석탄의 품질의 나타내는 물성값으로서 이러한 물성값을 원하는 수준으로 맞추기 위하여 본 실시예에서는 LMF가 3.465 이하이고, Rm은 0.7525 이상인 제 1 원료탄과 LMF는 3.465 이상이고, Rm은 0.7525 이하인 제 2 원료탄을 배합하여 배합탄을 준비한다. 이때 바람직하게는 제 1 원료탄의 Rm은 0.803 이상이고, 제 2 원료탄의 LMF는 4.54 이상인 것이 좋다.

이렇게 제 1 원료탄과 제 2 원료탄의 LMF와 Rm의 수치를 한정하는 이유는 추후에 비교예와 실시예를 토대로 설명하도록 한다.

성형탄을 준비하는 단계는 배합탄의 일부를 성형하여 브리켓화 하는 것으로서, 성형방법은 다양한 방법으로 구현될 수 있을 것이다. 예를 들어 성형 틀에 배합탄을 공급하면서 절구나 스템프(Stamp)로 석탄을 찍어서 성형하거나 성형공간이 형성된 한 쌍의 롤러 사이로 배합탄을 공급하여 성형공간의 형상에 대응되는 성형탄을 성형할 수 있을 것이다.

혼합탄을 준비하는 단계는 배합탄 중 성형하지 않은 배합탄과 성형이 완료된 성형탄을 혼합하여 성형탄과 배합탄이 혼합된 혼합탄을 준비하는 단계이다.

이때 성형탄의 비율은 중량 비율로 혼합탄 전체 중 20% 이상인 것이 바람직하다. 바람직하게는 성형탄의 비율은 중량 비율로 혼합탄 전체 중 20% 이상이면서 50% 이하인 것이 바람직하다. 그 이유는 성형탄의 비율이 20% 미만인 경우에는 성형탄의 혼합에 따른 강도 향상의 효과를 기대할 수 없고, 50%를 초과하는 경우에는 성형탄의 비율이 높아져 일반적인 코크스 장입장치로는 혼합탄의 장입이 원활하게 이루어지지 않아 새로운 장입장치를 마련해야 하는 문제가 있기 때문이다.

혼합탄을 코크스 오븐에 장입하는 단계는 준비된 혼합탄을 일반적인 코크스 제조설비에 구비된 코크스 장입장치를 그대로 사용하여 코크스 오븐의 탄화실에 장입한다.

혼합탄을 건류시키는 단계는 코크스 오븐의 탄화실에 장입된 혼합탄을 산소가 없는 상태의 고온 분위기에서 건류시키는 단계이다.

상기 혼합탄을 코크스 오븐에 장입하는 단계 및 혼합탄을 건류시키는 단계는 일반적인 코크스 오븐에서의 코크스를 제조하는 조업 관리 기준을 그대로 적용하면서 이루어진다.

다음으로 본 발명의 실시예에 따른 코크스 제조방법의 장점을 알아보기 위한 시험을 실시하고 그 결과를 토대로 배합탄의 LMF와 Rm에 대한 수치를 한정하는 이유를 설명하도록 한다.

다만, 실제 코크스 오븐에서의 시험이 용이하지 않기 때문에 30kg까지 장입할 수 있는 시험로를 활용하였으며 방법은 다음과 같다.

코크스 제조용 배합탄은 조업 조건과 최대한 유사하게 적용하기 위해 3mm 이하 입도가 85%가 되도록 하여 배합비에 따라 충분히 혼합한 뒤, 건조 베이스로 750kg/m³의 일정한 장입밀도를 갖도록 수분함량이 8%가 되도록 만든 후 성형비율에 따라 일정량을 한 쌍의 성형 롤에서 장입하여 성형한 뒤 성형하지 않은 배합탄과 손으로 고르게 혼합한 뒤 충전하였다.

성형 롤은 20KN/cm의 선압으로 가동되며, 64.5mm X 25.4mm X 19.1mm 크기의 베게 형태로 이루어진 수많은 롤컵(Roll cup)으로 구성된 원통으로 이루어져 있다.

코크스 시험로는 상업용 코크스 오븐과 같은 방식으로 양쪽 벽으로부터 열전달이 일어나도록 히터를 설치하였다. 650℃로 가열된 시험로 내에 배합탄을 장입한 후, 가열벽 온도를 1080℃로 2℃/min의 가열속도로 승온하며, 오븐 중심온도가 1000℃에 도달하면 2시간을 유지한 후 압출하며, 압출된 적열 코크스는 질소 분위기의 소화설비에서 소화 냉간하였다.

한편, 코크스 강도를 알아보기 위한 냉간강도(DI) 측정방법과 열간강도(CSR) 측정방법은 다음과 같다.

냉각된 괴형상의 코크스 시료를 입도별로 적정비율이 되도록 혼합한 뒤 10kg을 평량하여 드럼 테이터(Drum tester)에 넣고, 150회 회전시킨다. 시료를 회수한 뒤 15mm이상 체분하고 중량비를 측정하여 아래의 [식 1]과 같이 냉간강도(DI)를 구하였다.

[식 1]

냉간강도(DI) = (15mm상 무게/시료무게) X 100

그리고, 체분된 시료를 반응성 시료 조제 시스템에 붓고, 스크린(19mm~21mm을 통해 200g 평량하고 반응로에 투입하여 고온상(1100℃)에서 120분간 CO₂와 반응 시키고 냉각 후 시료의 감량을 측정한다. 측정된 시료를 I형 강도기에서 600 회전후 10mm상의 중량을 구하여 반응 후 중량에 대한 백분율로 계산하여 아래의 [식 2]와 같이 열간강도(CSR)을 구하였다.

[식 2]

열간강도(CSR) = (10mm상 무게/시료무게) X 100

다음으로, [표 1]에서 제시한 바와 같이, 공업/원소분석 결과 큰 차이가 없지만 석탄 조직 특성에 따라 유동도 지수(LMF)가 4 이상으로 상대적으로 높은 유동성을 가지는 M 석탄(제 1 원료탄)과, 상대적으로 비트리나이트 석탄조직의 최대 반사율(Rm)이 0.77 정도로 상대적으로 높은 R 석탄(제 2 원료탄)을 베이스탄인 X 석탄과 각각 1:1로 배합하여 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1 및 실시예 2를 배합하였다. 이때 원활한 배합을 위하여 원료탄의 양 대비 0.3% 수준의 오일을 함께 혼합하여 배합탄을 배합하였다.

그리고 비교예 1 및 비교예 2는 배합된 배합탄을 그대로 실제 코크스 오븐과 동일하게 코크스 시험로에 중력을 이용해서 상부로 장입하였고, 실시예 1 및 실시예 2는 균일하게 혼합된 배합탄의 20%를 성형 롤 장비를 사용하여 성형한 다음 나머지 80%의 배합탄과 혼합시킨 혼합탄을 코크스 시험로에 중력을 이용해서 상부로 장입하였다. 장입 완료 후 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1 및 실시예 2를 통상의 코크스 제조 조업 관리 기준에 따라 코크스를 제조한 다음 냉간강도(DI)와 열간강도(CSR)를 측정하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

탄 종	공업분석			원소분석			석탄 물성분석
	Ash	FC	VM	C	H	N	LMF	Rm
X 석탄	10.11	55.10	32.69	81.56	4.97	1.47	2.39	0.803
M 석탄	8.58	51.50	38.11	84.92	4.73	1.58	4.54	0.702
R 석탄	8.60	55.29	34.49	86.51	5.16	2.33	3.86	0.773

구분		비교예 1	실시예 1	비교예 2	실시예 2
Base(%)	X 석탄	50	50	50	50
R/M 배합비(%)	R 석탄	50	50	0	0
	M 석탄	0	0	50	50
성형비(%)		0	20	0	20
오일(%)		0.3	0.3	0.3	0.3
배합지수	LMF	3.125		3.465
	Rm	0.788		0.7525
코크스 강도	DI	66.88	67.28	71.00	74.36
	CSR	27.55	27.30	26.72	35.55

표 2에서 알 수 있듯이 R 석탄이 50% 배합되어 제조된 비교예 1 및 실시예 1의 경우에는 20% 성형시 DI는 0.4 증가하였으며, CSR는 0.25 감소함을 알 수 있었다. 하지만 R 석탄 대신 M 석탄을 50% 배합한 비교예 2 및 실시예 2의 경우에는 DI는 3.36, CSR는 8.83 증가하였다.

또한, 비교예 1 및 비교예 2와 같이 성형하지 않고 기존과 동일하게 파쇄된 배합탄으로만 코크스를 제조하였을 경우에 X 석탄에 R 석탄을 배합하는 것에 비하여 M 석탄을 배합하게 되면 DI는 4.12 높은 코크스를 얻을 수 있지만, 오히려 CSR은 0.83 낮은 코크스가 제조되었다.

하지만, 배합탄의 20%를 성형한 실시예 2의 경우에는 DI와 CSR이 모두 증가하여 M 석탄을 배합하는 것이 R 석탄과 배합하였을 때보다 DI 뿐만 아니라 CSR도 높은 코크스를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.

상기의 시험 결과와 같이 배합탄의 일부 성형 후 혼합을 통하여 코크스의 강도를 향상시킬 수 있음을 보여주었으며, 기존의 장입밀도 증가에 따른 코크스 강도 향상과 다르게 탄종에 따라서 석탄 성형 효과가 상이함을 알 수 있었다. 그 예로 R석탄을 배합에 사용하였을 때는 코크스 강도 향상 효과가 거의 없으며, M 석탄은 성형함으로써 코크스 강도향상이 크게 발현되는 것을 알 수 있었다. 또한, 기존에는 코크스 강도가 열위하여 배합시 배제되었던 석탄도 성형을 통해 코크스 강도가 향상될 수 있음을 보여주었다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (6)

1. 고로용 코크스를 제조하는 방법으로서,
   서로 다른 종류의 원료탄을 배합하여 배합탄을 준비하는 단계와;
   상기 배합탄 중 일부를 성형하여 성형탄을 준비하는 단계와;
   상기 배합탄 중 성형하지 않은 배합탄에 상기 성형탄을 혼합하여 혼합탄을 준비하는 단계와;
   상기 혼합탄을 코크스 오븐에 장입하는 단계와;
   코크스 오븐에 장입된 혼합탄을 건류시키는 단계를 포함하고,
   상기 배합탄을 준비하는 단계에서,
   상기 배합탄의 LMF는 3.465 이상이고, Rm은 0.7525 이상인 것을 특징으로 하는 코크스 제조방법.
   여기서, LMF은 유동성 지수로서 Maximum Fluidity의 Log값이고, Rm은 석탄화도 지수로서 석탄 조직 중 비트리나이트 조직의 Max. Reflectance값임.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 배합탄을 준비하는 단계에서,
   배합탄은 LMF가 3.465 이하이고, Rm은 0.7525 이상인 제 1 원료탄과 LMF는 3.465 이상이고, Rm은 0.7525 이하인 제 2 원료탄을 배합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코크스 제조방법.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 배합탄을 준비하는 단계에서,
   상기 제 1 원료탄의 Rm은 0.803 이상이고, 상기 제 2 원료탄의 LMF는 4.54 이상인 것을 특징으로 하는 코크스 제조방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 혼합탄을 준비하는 단계에서,
   상기 혼합탄 중 상기 성형탄의 중량 비율은 20% 이상인 것을 특징으로 하는 코크스 제조방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 혼합탄을 코크스 오븐에 장입하는 단계는 코크스 오븐의 장입장치를 그대로 이용하는 것을 특징으로 하는 코크스 제조방법.
   

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