KR20010075733A - 액체질소 냉각 폐 코크스분진을 이용한 전기전도성모르타르의 연대체제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기전도성 모르타르의 흑연대체제에 관한 것으로, 특히 제철소에서 코크스 제조 공정중에 발생하는 액체질소냉각 폐 코크스 분진을 종래 전기전도성모르타르 제조시 첨가되는 고가의 원료인 천연흑연과 인조흑연을 대체하므로써 보다 저렴한 전기전도성 모르타르를 얻을 수 있으며, 폐기되는 자원을 고부가 가치를 가지는 원료로 재활용하기 위한 전기전도성 모르타르의 흑연대체제에 관한 것이다.

Description

액체질소 냉각 폐 코크스분진을 이용한 전기전도성 모르타르의 연대체제{A substitute for graphite of electro-conduction mortar using wasted liquid N2 quenched coke}

본 발명은 전기전도성 모르타르의 흑연대체제에 관한 것으로, 특히 제철소에서 코크스 제조 공정중에 발생하는 액체질소냉각 폐 코크스 분진을 종래 전기전도성모르타르 제조시 첨가되는 고가의 원료인 천연흑연과 인조흑연을 대체하므로써 보다 저렴한 전기전도성 모르타르를 얻을 수 있으며, 폐기되는 자원을 고부가 가치를 가지는 원료로 재활용하기 위한 전기전도성 모르타르의 흑연대체제에 관한 것이다.

전기전도성 모르타르는 골재의 일부를 흑연으로 사용하므로 일반 모르타르와는 매우 다른 특성을 나타내게 되며, 특히 유동성, 역학적 성질 및 저항 발열특성이 달라 전파찬단효과에 따른 도청 방지용 군사시설물에 적용하고자 최초로 개발된 이후로는 전기전도성 및 발열특성을 필요로 하는 각 분야의 여러 측면으로 활용되고 있고, 최근에는 이를 이용해 피뢰침 접지용으로 제품화되기도 하였다.

이처럼 전기전도성 모르타르의 활용범위는 전기전도성 모르타르가 갖는 특성때문에 다양한 분야에 그 효용가치가 높아지고 있으나, 종래의 전기전도성 모르타르는 모르타르를 구성하는 성분의 일부가 상당히 고가인 흑연을 사용하고, 상기 흑연은 대개 수입하거나 국내의 천연흑연을 사용하므로 일반모르타르와 비교하여 물성 및 가격 측면에서 매우 큰 부담을 가지는 것이므로 이를 범용화 하는데는 상당한 어려움을 갖는 것이다.

따라서 전기전도성 모르타르를 제조함에 있어 수입되는 흑연이나 국내의 천연흑연을 대체할 수 있는 원료의 개발이 매우 시급하다고 할 것이다.

본 발명자는 종래 전기전도성 모르타르에 첨가되는 고가의 수입흑연 및 천연흑연을 대체할 수 있는 원료를 찾기위해 다방면으로 연구하던 중, 현재 제철소에서는 코크스 제조 공정시에 탄화가 종료된 코크스를 물 또는 액체질소(N₂)로 급속 냉각하는 공정을 거치게 되면 폐 코크스 냉각분진이 발생하게 되는데, 상기 폐 코크스 냉각분진은 회분은 적으며, 탄소량은 많고, 탄화가 완벽하게 진행된 흑연질재료일 뿐만 아니라, 특히 평균입도가 12∼300메쉬 정도인 매우 미세한 분말이면서도 비교적 일정한 입도를 가지고 있으므로 별도의 분쇄 및 체질공정이 필요가 없게 되며, 또 폐기되는 자원을 재활용하는 것이므로 환경오염방지와 동시에 엄청난 경제적 부가가치를 창출할 수 있다는 점에 착안하여 상기 폐 코크스 냉각분진을 종래 전기전도성 모르타르의 원료로 사용되는 천연흑연이나 인조흑연의 대체재로 사용하고자 하는 것이다.

본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. 현재 제철소에서는 코크스 제조 공정시에 탄화가 종료된 코크스를 물 또는 액체질소(N₂)로 급속 냉각하는 공정을 거치게 되는데, 이로 인해 폐 코크스 냉각분진이 발생하게 된다. 이때 액체질소를 냉각재로 사용하여 발생하는 분진은 일정한 입도를 가지고, 비교적 크기가 작은 미분이 발생된다.

이때 발생되는 폐 코크스냉각분진 물성 및 입도는 다음과 같다.

이처럼 상기와 같은 폐 코크스냉각분진은 포집하는 장소에 따라 분진포집기(Dust Catcher), 멀티 싸이클론(Multi Cyclone), ECS 분진으로 구분되며, 포집하는 장소에 따라 약간씩 입도가 다르고 각기 특징적 물성을 지닌다. 그러나 이들은 대체적으로 평균입도가 12∼300메쉬 정도인 매우 미세한 분말이며 탄화가 완벽하게 진행된 흑연질재료이므로 이들을 용도에 맞게 적정한 입도로만 분리시키면 흑연대체제의 기능을 할 수 있게 되는 것이다.

이때 폐 코크스냉각분진은 고정 탄소분이 80%이상이며, 회분이10∼15%이고, 건조감량 0.7∼0.9%, 휘발분 0.2∼2.2%, 고정탄소 83∼88%, 충진밀도 0.61∼0.78g/cc, 요오드흡착력 36.2∼43.9g/cc이다.

따라서 본 발명에서는 3종류의 액체질소 냉각 코크스 분진과 국내산 흑연을 이용하여 모르타르 배합비, 용적비(W/C)(%)등을 변화시켜 전기전도성 모르타르를제조한 후 여러 가지 물성을 측정하였으며, 플로우치, 단위용적 중량, 강도특성(압축 및 휨강도), 건조 수축에 의한 간이변화특성과 저항 및 발열특성을 조사하였다.

이하 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

<실시예1>

일반건축용모르타르 배합비는 시멘트와 잔골재의 비율이 1:1과 1:3의 2개 수준이기 때문에, 잔골재는 천연사를 100%사용하는 경우를 기준으로, 모르타르 절대용적에 대한 흑연의 치환율을 국내산 흑연 및 3종류의 폐 코크스냉각분진을 공히 22, 32, 42, 60%의 4개 수준으로 치환하는 총 16개를 실험하였다. 모르타르의 W/C는 흑연치환율이 0%인 기본배합에서 모르타르의 플로우치가 150±10mm가 되도록 배합설계하여 이를 전 배합에 동일하게 적용하는 것으로 하였다.

전기전도성 실험방법으로 모르타르의 혼합반죽은 KS L 5109, 플로우치 KS L 5105, 단위 용적중량 시험은 KS F 2409의 규정에 따라 표준적인 방법으로 실시하였다. 경화상태에서 실험으로 공시체의 제작은 ASTMC 348의 규정에 의거 4×4×16cm의 몰드를 이용하여 제작한 후, 휨강도 시험은 KS F 2407의 「단순보 중앙점 하중점」에 따라 실시하며, 압축강도시험은 KS F 2413건조수축에 의한 길이변화 시험은 KS F 2424등의 각 규정에 따라 실시하였다.

본 실시예에 사용된 재료로 시멘트는 국내산 1종 보통 포틀랜트 시멘트를 사용하였고 물리적 성질은 표3과 같다.

잔골재는 경남 하동 섬진강 산 천연모래를 건축공사 표준시방서의 표준입도범위에 들도록 입도조정하여 사용하며, 흑연은 국내산과 3종류의 액체질소 냉각 코크스 분진을 이용하였고, 이때 국내산 흑연의 경우는 천연흑연을 입도변화에 따른 특성변화를 고려하여 3종류의 액체질소 냉각 코크스 분진의 입도와 동일하게 조정하여 사용하였다.

천연사(모래)와 국내산 흑연의 물리적 성질은 표 4에 나타낸 바와 같고, 본 실시예에 의해 제조된 전기전도성 모르타르의 각 배합비별 흑연치환율 변화에 따른 플로우치 변화특성 결과는 표 5에 나타낸 바와같다.

상기 표에 나타난 바와같이 전기전도성 모르타르의 각 배합비별 흑연치환율 변화에 따른 플로우치 변화특성의 경우, 흑연치환율 O%일 때 즉, 천연 잔골재만을 사용한 경우의 플로우치에 비하여 흑연치환율이 증가할수록 국내산 흑연 및 3종류의 질소냉각 코크스 분진은 공히 현전히 감소하는 것으로 나나탔는데 특히, 국내산천연흑연을 혼합한 경우에서 그 감소경향이 더욱 큰 것으로 나타났다.

국내산 천연흑연의 경우, 천연잔골재에 비하여 불량한 입형이고, 미세한 입자분포로 균일입자성 분포를 띄는 것의 영향과 경도가 낮은 국내산 흑연의 경우, 모르타르 혼합 및 공시체 성형과정에서 미립분으로 파쇄됨으로서 나타난 결과로 분석된다.

각 모르타르 배합비 및 흑연의 종류별 치환율 변화에 따른 단위용적중량 변화 특성의 경우, 전반적으로 국내산 및 3종류의 코크스 분진은 공히 흑연치환율이 증가할수록 단위용적중량은 현저히 감소하는 것으로 나타났는데 특히, 코크스 분진을 치환한 경우에서 단위용적중량은 더욱 작은 것으로 나타났다. 이는 흑연의 비중이 천연 잔골재보다 작은 것과 코크스 분진의 경우, 코크스 제조과정에서 발생되는 분말형태로서 수분과 접촉시 발수특성이 있어 이로 인하여 흑연 내부 및 표면에 부탁된 공극등이 다량의 공기량으로 평가됨에 따라 나타난 결과로 분석된다.

경화상태특성 시험결과는 7일 및 28일 재령에 있어 흑연의 종류 및 배합비별 코크스치환율 변화에 따른 강도특성을 나타낸 것이다. 당연한 결과로 모르타르 배합비가 1:3인 배합으로 갈수록 또한, 흑연의 치환율이 증가함에 따라 압축강도는 현저히 감소하는 것으로 나타났는데, 특히 코크스 분진을 혼합한 경우에서 더욱 낮은 것으로 나타났다. 이는 국내산 흑연의 경우 천연흑연으로 코크스 분진에 비하여 경도가 작아 모르타르 혼합시 미립분이 발생되어 공극에 충전됨으로써 밀실한 내부조직을 형성한 것과 코크스 분진 흑연을 사용한 경우 모르타르의 혼합과정에서 나타난 수분의 발수작용으로 결합력이 약해지는 등의 요인이 복합적으로 작용하여 나타난 결과로 분석된다.

흑연치환율 변화에 따른 휨강도 특성은 당연한 결과로써 압축강도 특성과 유사한 경향으로 나타났는데, 본 실시예에서는 흑연을 혼합한 모르타르의 경우 재령 28일에서 휨강도는 89kg/㎠∼54kg/㎠로서 천연잔골재를 사용한 모르타르의 약 66%정도이고, 압축강도는 약 40%인 것으로 나타났다.

각 모르타르 배합비 및 흑연 치환율별 재령 경과에 따른 건조수축 특성의 경우, 전반적으로 흑연치환율이 증가하고 재령이 경과할수록 건조수축에 의한 길이변화 특성은 크게 나타났다. 특이한 사항으로는, 흑연치환율 42%까지는 흑연의 종류별 구분없이 유사한 건조수축 특성으로 나타났으나 흑연치환율 60%이고, 국내산 흑연을 혼합한 모르타르의 경우에서는 혼합 및 공시체 성형과정시 미립분 다량 발생 등의 영향으로 건조수축률은 가장 큰 것으로 나타났다.

<실시예 2>

전기적 특성으로 전기저항 측정용 공시체는 강도 및 건조수축 특성에 사용한 몰드와 동일한 4×4×16cm의 몰드를 이용하는데, 양단부는 전극으로 사용하기 위하여 동제핀과 판형 납을 정착시킬 수 있도록 한 후, 멀티테스터를 이용하여 전기저항치를 측정하였다.

발열특성 실험은 전원을 병렬로 연결하여 전기를 입력하는데 이때, 사용전력은 (+)로 대전된 이온들이 (-)로 이동하는 것을 방지하기 위하여 교류를 사용하고, 소형 변압기를 설치하여 전압을 실시계획대로 조정할 수 있도록 하였으며, 모르타르의 표면온도 측정은 -200∼+400℃까지 측정 가능한 T(Cu-CuNi)형의 열전대를 공시체의 중앙상부 표면에 고정하여 데이터 로져에 연결한 후 5분 간격으로 120분까지 측정하도록 하였다.

본 실시예에 의해 제조된 전기전도성 모르타르의 전기저항 및 발열특성은 다음과 같다.

상기 표에 나타난 바와같이 7일과 28일 재령에서 흑연치환율 변화에 따른 저항 변화특성은 전반적으로 흑연종류별 구분 없이 공히 흑연치환율이 증가할수록 저항은 현저히 작아지는 것으로 나타났는데 특히, 흑연치환율 24%에서 30%로 증가함에 따라 저항 감소 경향은 매우 큰 것으로 나타났다.

저항특성을 3종류의 코크스 분진과 국내산의 흑연종류별로 구분하여 상호 비교하면 전반적으로 흑연종류별 구분없이 동일치환율일 경우. 저항은 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러나 재령이 경과함에 따라 일부 국내산 흑연을 혼합한 모르타르의 경우가 동일치환율의 액체질소 냉각 코크스 분진을 혼합한 경우보다 저항이 다소한 차이로서 유의할 정도는 아닌 것으로 사료된다.

재령경과에 따른 저항변화특성은 28일 재령이 7일 재령에서 보다 아주 미소하나마 저항은 작아지는 것으로 나타났는데, 이는 재령이 경과함에 따라 시멘트 경화체의 조직이 밀실하여짐에 따라 전도체로 혼합되어진 흑연 입자간 간격이 조밀하여져 나타난 결과로 생각된다.

7일 및 28일 재령에서 흑연 종류 및 치환율에 있어 사용전압별 측정시간 경과에 따른 발열특성은 흑연의 종류별 구분 없이 흑연치환율 및 사용전압이 증가할수록 모르타르의 표면온도는 증가하는 것으로 나타났으며, 미소하나마 7일 재령에서보다 28일 재령에서 다소 높은 것으로 나타났다. 세부적으로는 흑연치환율 21%의 경우 사용전압이 증가함에 따라 매우 낮은 발열특성이 있는 것으로 나타났으나, 흑연치환율 42%와 60%의 경우 각각 사용전압 30V와 10V의 낮은 전압에서도 100℃이상을 상회하는 높은 발열 특성이 있는 것으로 나타났다. 이는 전도체로 혼합되어진 흑연의 치환율이 증가함에 따라 저항이 작아져, 많은량의 전류를 소비할 수 있는 상태로 되어 나타난 결과이다. 사용전압이 크고, 저항이 작을수록 즉 흑연치환율이클수록 발열특성도 큰 것으로 나타났는데 특히 재령이 경과함에 따라 저항은 약간이나마 더 작아지고, 발열특성은 미소하나마 증가하는 것으로 나타났다.

이처럼 실시예 1과 실시예 2에 의해 나타난 결과를 살펴보면 천연상태의 흑연을 원료로 하여 복잡한 공정을 거쳐 제조된 종래의 전기전도성 모르타르와 폐 코크스 냉각분말에 의해 제조된 전기전도성 모르타르를 비교하여 본 결과 양자는 물성에 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다.

따라서 제철소에서 코크스 제조 공정 중 발생하는 폐 코크스 냉각분진이 탄소량이 많고, 비교적 회분은 적으며, 미분상태이면서도 비교적 일정한 입도를 가지고 있으므로 굳이 재분쇄를 하여야 할 필요가 없고, 탄화공정을 거칠 필요가 없으므로 종래의 국내산 천연흑연이나 인조흑연원료를 대체할 수 있는 원료로 매우 적당함을 알 수 있었다.

본 발명은 종래 별다른 용도를 찾지 못하고 거의 폐기하던 폐 코크스냉각분진을 재활용하여 고부가가치를 갖는 전기전도성 모르타르의 고가 원료인 흑연을 대체할 수 있도록 하므로써 저렴한 전기전도성 모르타르를 제조할 수 있으며, 폐기자원을 재활용하고, 종래 천연재료를 대신함으로 인해 자원보호 및 환경보호, 또한 안정적이고 저렴한 원료의 확보가 가능해지며 분말상태이면서 입도가 균일하고 탄화된 상태인 폐 코크스냉각분진을 전기전도성 모르타르의 원료로 사용하게 되므로써 종래 흑연의 탄화 및 냉각, 분쇄 체질 과정을 생략하게 되므로써 엄청난 전기전도성 모르타르의 생산성 향상 및 생산비의 절감과 같은 효과를 가질 수 있는 매우유용한 발명인 것이다.

Claims (2)

1. 제철소에서 코크스 제조 공정 중 코크스 액체질소 냉각시에 발생하는 고정 탄소분이 85∼90%이고, 회분은 10∼11%이며, 입도가 12∼400메쉬인 폐 코크스냉각분진을 전기전도성 모르타르 원료중 흑연의 대체제로 사용하는 것을 특징으로 하는 액체질소 냉각 폐 코크스분진을 이용한 전기전도성 모르타르의 흑연대체제.
2. 제 1항에 있어서 상기 폐 코크스냉각분진은 더스트캐쳐분진, 멀티사이클론분진, ECS분진 중 어느 하나이상으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 액체질소 냉각 폐 코크스분진을 이용한 전기전도성 모르타르의 흑연대체제.