KR20040021234A - 고강도 코크스 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 코크스 제조 방법에 관한 것으로서, 그 목적은 저렴한 방법으로 고강도 코크스를 제조하는 데 있다. 이를 위해 본 발명에서는, 다수 종류의 원료 석탄 분말을 배합하여 배합탄을 만드는 단계; 및 배합탄을 오븐 내에 장입하고 건류시켜 괴상의 코크스로 변화시키는 단계를 포함하는 코크스 제조 방법에 있어서, 배합탄을 만드는 단계에서, 배합탄의 비트리니트 평균반사율이 1.0 %이상이고, 유동도가 2.6-3.3 범위의 값을 가지도록 배합하는 것을 특징으로 한다.

Description

고강도 코크스 제조방법 {Preparation method for the strong coke}

본 발명은 코크스 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도 코크스의 제조를 위한 원료 석탄 배합 기술에 관한 것이다.

고로에 사용되는 야금용 코크스는 철광석을 환원시키는 환원제와 열원공급의 역할을 할 뿐만 아니라, 고로 하부로부터 상부로 흐르는 열풍의 통기성을 유지하는 중요한 역할을 하기 때문에, 가능한 고강도 코크스가 안정적으로 공급되는 것이 고로 조업의 안정과 생산성 증대에 필수적이라고 할 수 있다.

이러한 고강도 코크스를 제조하기 위하여 비트리니트 평균반사율(Rm, 이하 Rm 이라 칭함)이 높고 점결성이 우수한 원료탄을 사용하는 것이 바람직하지만 이러한 원료탄은 자원이 한정되어 가격이 비싸기 때문에, 통상적으로는 코크스 제조원가를 낮추기 위해 점결성이 없거나 미약한 저가의 일반탄을 점결성이 우수한 원료탄과 적정비율로 배합하여 코크스를 제조하고 있다.

그러나, 불명확한 요인에 의하여 코크스 품질이 고로에서 요구하는 품질 이하로 떨어지는 경우가 수시로 발생되고 있으며, 이때는 원가저감 측면보다는 품질안정도모 측면이 강조되기 때문에 고가이긴 하지만 Rm이 높은 석탄인 점결탄을 다량으로 사용하는 원료탄 배합을 할 수밖에 없게 된다.

이러한 조치를 취하는 이유는, 석탄을 건류하는 반응기라고 할 수 있는 코크스 오븐이 매우 거대한 구조물이기 때문에 고강도 코크스 품질 확보에 적합한 온도로의 상승 또는 안정된 온도분포 유지 등을 단시간에 변경하기 어려운 점이 있음에 비하여, 코크스 오븐에 투입되는 배합탄에 점결탄 함량비를 증대하는 배합 변경은 원가부담을 제외하고는 비교적 쉽고 강도 향상에 대한 응답이 빠르게 나타나기 때문이다.

따라서, 여러 종류의 원료탄을 적정비율로 혼합한 배합탄에 의하여 코크스를 제조하는 경우, 코크스 강도 향상을 위한 대응책으로서 Rm이 높은 원료탄 배합비를 증대함에 의하여 배합탄의 Rm을 상승시키는 것이 중요한 배합기술로 인식되어 있으며, 이는 단일탄 또는 배합탄의 Rm이 높을수록 코크스 강도가 상승하는 현상을 적용하는 것이다.

그러나, 배합탄의 점결탄 함량비를 증가에 의하여 배합탄의 Rm을 향상시킨 경우에도 코크스 강도가 예상대로 상승되지 않는 경우가 많이 발생하므로, 배합탄의 Rm 향상만으로는 고강도 코크스를 제조할 수 없는 문제점이 있다.

한편, 한국 특허 제206486호에서는 배합탄에 인조 점결재를 첨가하여 벤젠환의 중합도가 증가하는 코크스 조직 발달에 의해 코크스 강도 향상을 도모하고 있으나, 인조 점결재의 가격이 원료탄에 비해 훨씬 고가이므로 이 방법은 코크스 제조 원가를 상승시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 저렴한 방법으로 고강도 코크스를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 실시예 1 내지 6과 비교예 1 및 2의 각 경우에 대해 유동도와 코크스 강도와의 관계를 도시한 그래프이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 코크스 제조를 위해 원료 석탄을 배합할 때, 배합물의 비트리니트 평균반사율이 1.0 %이상이고, 유동도가 2.6-3.3 범위의 값을 가지도록 배합하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 고강도 코크스 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명자들은 배합탄 내에서 점결탄의 함량비를 증가하여 배합탄의 Rm을 향상시킨 경우에도 코크스 강도가 예상대로 상승되지 않는 원인을 해명하기 위하여 테스트 오븐을 이용한 코크스 제조 실험을 수행하였으며, 그 결과 배합탄의 Rm 증대와 동시에 유동도(LMF)를 상승시키는 것이 코크스 강도 향상에 효과적이라는 것을 도출할 수 있었다. 이에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 코크스 강도를 측정하기 위해서는 일정량, 일예료 10 kg의 코크스를 드럼에 넣고 드럼을 회전시킨 후 전량을 체분하여 일정 크기, 일예로 15 mm 이상 되는 코크스 함량을 백분율로 나타내는데, 이것은 상온에서 코크스의 분화특성을 평가하는 것으로서, 미분으로 분화되는 함량이 작을수록 코크스 강도가 높은 것을 의미한다. 따라서, 드럼 인덱스(drum index: DI)로 표기되는 코크스 냉간 강도는DI 지수가 높을수록 고강도 코크스로 평가된다.

코크스 오븐에서 분말 형태의 배합탄이 건류되어 평균 직경 50 mm 정도의 괴상의 코크스로 전환되는 과정을 보면, 350∼500℃의 온도 영역에서 석탄이 연화 용융된 후, 500℃이상의 온도에서 고화되어 괴상의 코크스로 전환된다. 따라서, 코크스는 석탄을 구성하는 나프탈렌과 같은 방향족 화합물들이 중합되어 거대한 분자로 전환된 것으로 해석할 수 있으며, 코크스 강도는 벤젠환의 중합도가 높을수록 향상되는 상관성을 나타낸다.

또한, 이러한 원료탄의 용융 특성을 평가하는 방법으로는 기슬러 플라스토미터(Gieseler Plastometer)에 의한 방법(ASTM D2639-74)이 있는데, 이 방법에서는 0.5 mm 이하로 미분쇄된 석탄을 실린더형의 용기에 넣고 일정 속도로 승온하면서 교반하며, 이 때 교반기의 회전수를 측정하고, 회전수 최대치의 로그값을 최고유동도(LMF로 표기)라 하고 이를 원료탄의 유동도로 나타내는 것이다. 즉, 원료탄의 LMF 값이 높을수록 유동성이 높은 원료탄으로 분류된다.

한편, 코크스는 다공체이기 때문에, 기공 특성과 기공벽의 두께 및 강도에 의하여 코크스 강도가 결정된다. 기공벽은 탄소를 중심으로 하는 다양한 조직으로 형성되어 있으며, 벤젠환의 결합이 크게 발달할수록 기공벽 강도가 상승되어 최종적으로는 코크스 강도가 향상되는 상관성을 나타낸다.

따라서, 2∼3개의 밴젠환을 기본 구조로 하는 다양한 방향족 화합물들이 결합되어 있는 원료탄의 구조특성과 코크스 오븐에서 건류 중 350∼500℃의 용융 온도 영역에서 진행되는 중합반응 특성에 의하여 코크스 강도는 결정된다.

다시 말하면, 용융상태의 점도가 낮아서 유동성이 높을수록, 벤젠환들의 중합이 촉진되어 더 큰 분자량을 가진 거대 조직으로 성장할 수 있게 된다. 따라서, 배합탄의 유동도 향상은 용융단계에서 코크스 이방성 조직을 개선하는 효과를 부여하기 때문에 최종적으로 얻어지는 코크스 강도가 향상되게 된다.

즉, Rm이 높은 석탄인 점결탄은 이미 벤젠환의 중합도가 어느 정도 높은 상태이기 때문에 고강도 코크스 제조 원료로 적합한 거동을 나타내는 반면에, 용융단계에서 석탄의 유동성을 향상시키는 것은 방향족 화합물이 쉽게 중합되어 거대분자로 성장할 수 있는 조건을 부여하기 때문에 코크스 강도가 향상된다.

그런데, Rm이 높은 원료탄은 대체적으로 유동성이 낮은 특징이 있기 때문에 코크스 강도 향상을 도모하기 위하여 Rm이 높은 원료탄의 배합비를 증대하면 전체 배합탄의 유동도는 감소하게 되므로, 본 발명에서는 여기에 유동도가 높은 원료탄 함량비를 증대하는 배합을 수행하여 Rm과 유동도가 모두 높은 배합탄을 조제한다.

구체적으로는, 배합탄의 Rm을 1.0% 이상으로 높이는 경우에는 배합탄의 유동도를 2.6∼3.3 범위가 되도록 원료탄을 배합조성을 제어함으로써 코크스 강도 향상 효과를 상승시킨다.

즉, 코크스 제조 방법은, 다수 종류의 원료 석탄 분말을 배합하여 배합탄을 만드는 단계; 및 배합탄을 오븐 내에 장입하고 건류시켜 괴상의 코크스로 변화시키는 단계를 포함하여 이루어지는데, 이 때, 배합탄을 만드는 단계에서, 각 원료 석탄이 가지는 Rm 값과 유동도를 모두 고려하여 최종 배합물의 비트리니트 평균반사율이 1.0 %이상이고, 유동도가 2.6-3.3 범위의 값을 가지도록 각 원료 석탄의 종류와 함량을 선택하여 배합하면 된다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

실시예 1 내지 3

점결탄 및 일반탄을 각각 50 중량%가 되도록 배합하되, 최종 배합탄의 Rm 및 유동도가 표 1에 나타낸 바와 같은 값이 되도록, 점결탄 및 일반탄의 종류와 함량을 선택하여 배합한 다음, 테스트 오븐을 이용하여, 배합탄을 장입 밀도 800 kg/ton으로 충진하고 1100℃에서 18시간 건류하여 코크스를 제조하고, 제조된 코크스의 드럼강도(DI)를 측정한 후 그 결과를 표 1에 나타내었다.

	배합탄 구성	배합탄 특성	코크스 강도
	점결탄	일반탄	Rm	유동도	DI150
실시예 1	50	50	1.04	2.67	82.7 %
실시예 2	50	50	1.03	2.85	84.1 %
실시예 3	50	50	1.03	3.01	84.5 %
비교예 1	50	50	1.03	2.50	81.4 %

표 1에 나타난 바와 같이, 배합탄에서 점결탄과 일반탄 조성이 각각 50 중량%인 동일한 조건에서, Rm이 1.03 이고, 유동도가 2.50 인 배합탄으로부터 제조된 코크스의 강도는 81.4 %(비교예 1)이었으나, 배합탄의 유동도를 2.67로 증대한 실시예 1의 경우에는 82.7 %의 강도를 가지는 코크스가 제조되어, 배합탄의 유동성 향상에 의하여 코크스 강도 가 1.7 % 증가하는 효과가 있음을 확인할 수 있었다.

마찬가지로, 실시예 2 및 3에서는 배합탄의 유동도를 각각 2.85 및 3.01로 증대하여 코크스의 강도를 각각 84.1 % 및 84.5 %로 향상시켰다.

실시예 4 내지 6

점결탄 및 일반탄을 각각 80 중량% 및 20 중량%가 되도록 배합하되, 최종 배합탄의 Rm 및 유동도가 표 2에 나타낸 바와 같은 값이 되도록, 점결탄 및 일반탄의 종류와 함량을 선택하여 배합한 다음, 실시예 1과 동일한 방법으로 코크스를 제조한 후 드럼강도를 측정하고 그 결과(DI)를 표 2에 나타내었다.

	배합탄 구성	배합탄 특성	코크스 강도
	점결탄	일반탄	Rm	유동도	DI150
실시예 4	80	20	1.15	2.65	85.1 %
실시예 5	80	20	1.15	2.80	85.5 %
실시예 6	80	20	1.13	3.00	85.9 %
비교예 2	80	20	1.12	2.41	84.2 %

표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3에 비해 점결탄의 함량을 증대하여 Rm을 상승시키면 일반적으로 유동도가 떨어지는데, 비교예 2의 경우 유동도가 2.41 까지 떨어졌으며 결과적으로 코크스 강도가 84.2%를 나타내었다.

반면에, 실시예 4 내지 6에서는 점결탄의 함량 증대로 Rm을 상승시킴과 동시에 유동도 역시 상승시켜 2.7 내지 3.3 범위의 유동도 값을 가지도록 하였으며, 이 경우 코크스 강도가 각각 85.1%, 85.5%, 85.9%로 향상되었다. 이로부터 배합탄 중에 점결탄의 함량을 증대하는 경우, Rm만을 고려하여 상승시키는 것보다 Rm과 유동도를 동시에 고려하여 이 둘을 동시에 상승시키는 것이 코크스의 강도 향상에 훨씬 효과적임을 알 수 있었다.

도 1은 표 1 및 표 2에 나타난 바와 같은 실시예 1 내지 6과 비교예 1 및 2의 각 경우에 대해 유동도와 코크스 강도와의 관계를 도시한 그래프이다. 도 1에 도시된 바와 같이, Rm이 대략 1.03 정도인 실시예 1 내지 3과 비교예 1의 경우(■로 도시)에 비해, Rm이 대략 1.13 정도인 실시예 4 내지 6과 비교예 2의 경우(●로 도시)에서는, 코크스 강도가 향상되었음을 확인할 수 있었다.

또한, 배합탄의 유동도를 증가시키면, 첫째, 점결탄 함량이 높아서 Rm이 높은 경우, 코크스 강도를 보다 더 상승시키게 되며, 둘째, 점결탄 함량이 낮아서 Rm이 낮은 경우에도 Rm이 높은 배합탄으로부터 제조되는 수준의 코크스 강도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 코크스 제조를 위해 각 원료를 배합할 때 Rm 뿐만 아니라 유동도까지 고려하여 Rm 과 유동도 모두를 상승시키도록 각 원료의 종류와 함량을 선택하여 배합함으로써, 코크스의 강도를 증대시키는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 다수 종류의 원료 석탄 분말을 배합하여 배합탄을 만드는 단계; 및

   상기 배합탄을 오븐 내에 장입하고 건류시켜 괴상의 코크스로 변화시키는 단계

   를 포함하는 코크스 제조 방법에 있어서,

   상기 배합탄을 만드는 단계에서, 상기 배합탄의 비트리니트 평균반사율이 1.0 %이상이고, 유동도가 2.6-3.3 범위의 값을 가지도록 배합하는 것을 특징으로 하는 고강도 코크스 제조 방법.