KR20040055922A

KR20040055922A - 초기강도가 우수한 성형탄

Info

Publication number: KR20040055922A
Application number: KR1020020082397A
Authority: KR
Inventors: 류진호; 조재억; 박상훈
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2004-06-30
Also published as: KR100526131B1

Abstract

본 발명은 신제철법인 용융환원프로세스의 코렉스나 파이넥스에서 사용하는 야금용 성형탄에 관한 것이다. 이 성형탄은, 미분탄과 상기 미분탄 100중량부에 대하여 생석회:1∼5중량부, 라이신 CMS(Condensed Molasses Solubles)와 당밀의 혼합액:7∼15중량부로 조성되고, 상기 라이신 CMS와 당밀의 혼합액에서 라이신 CMS의 함량은 80%이하이다. 이 성형탄은 실온에서 가압성형할 수 있어 저온 안정성이 우수하고, 대량 취급이 용이할 뿐 아니라, 초기강도가 우수하다.

Description

초기강도가 우수한 성형탄{Formed coal having superior initial strength}

본 발명은 신제철법인 용융환원프로세스의 코렉스공정이나 파이넥스공정에서 사용하는 야금용 성형탄에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미분탄의 수분과 생석회의 발열반응으로 미분탄의 건조공정을 생략하면서 용융환원제철공정에 사용하기 위해 라이신(lysine) CMS와 당밀의 혼합용액을 결합제로 사용하는 성형탄에 관한 것이다.

신 제철공법인 용융환원제철의 파이넥스(FINEX)공정 또는 코렉스(COREX)공정에서는 코크스(coke)가 아닌 석탄을 용융로의 투입연료로 사용하므로 연료 사용 면에서 많은 장점을 가진 것으로 알려져 있다. 연료로 사용되는 석탄이 약 8mm이하의 미분탄의 경우 용융로 내에서 충분히 연소되지 못하고 집진기에 포집되며, 과다할 경우 공정내에서 불균형을 초래하여 조업에 문제를 일으키므로 제철공정상 미분탄의 사용은 제한된다. 하지만 대부분의 제철용 석탄의 상당량이 약 8mm이하의 미분으로 구성되어 있다.

미분탄은 용융환원공정에서 사용에 제한이 되므로, PCI(Pulverized CoalInjection)용이나 코크스용 탄으로 전용되고 있으나 코렉스용 석탄의 성질이 규정되어 있기 때문에 사용되지 못한 미분탄을 다른 용도로 전용하는 데에는 한계가 있다. 따라서, 미분탄을 적절한 방법으로 괴상화시켜 성형탄을 제조하는 기술의 개발이 필요하다.

미분탄을 성형탄으로 만들어 코크스 제조용으로 사용하는 기술이 일본 공개특허공보 평7-97576호(공개일 1995. 4. 11)에 제시되어 있다. 이 기술은 석탄타르와 피치(pitch) 등의 결합제를 연화온도(약 150 ℃)이상으로 가열하여 용융시킨 다음에 이를 미분탄에 일정량 첨가하여 충분히 혼합한 다음에 가압성형하여 용융상태의 결합제가 성형후 연화온도 이하로 냉각되는 것에 의해 성형탄을 제조하는 기술이다. 피치 결합제의 냉각에 의해 석탄입자를 강고하게 결합시키므로 성형탄은 이송취급에 대하여 충분한 기기적 강도를 나타낸다. 그러나, 결합제를 연화온도 이상으로 가열하기 때문에 대규모 가열설비가 필요하고 이때 유해가스가 발생하여 작업환경 악화와 그 방지를 위한 막대한 경비가 소요된다는 단점이 있다. 그리고, 이 성형탄을 용융환원제철공정에서 사용하는 경우에는 매일 수백톤 이상의 성형탄이 요구되므로 성형탄을 옥외에 야적하게 된다. 따라서, 하절기에는 태양열에 의해 야적장의 온도가 40~60℃까지 상승하게 되며, 이러한 온도는 피치 결합제의 연화온도 부근으로 성형탄에 사용된 피치 점결제 등이 다시 연화되어 성형탄에 서로 들러 붙어서 기기력에 의한 대량 취급이 어렵게 된다.

한편, 미분탄에는 다량의 수분이 함유되어 있기 때문에 실온에서 미분탄을 가압 성형하여 성형탄을 제조하게 되면 과도한 수분함량으로 인하여 성형탄의 냉간강도가 약해지는 문제가 있다. 이로 인하여 성형탄을 제조하는 과정에서 회수율이 낮아지게 되므로, 수분제거를 위한 추가적인 건조공정이 필요하게 되어 생산성이 저하하게 되고 비용이 상승하게 된다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 미분탄의 수분과 생석회의 발열반응으로 미분탄의 건조공정을 생략하면서 실온에서 점성을 유지할 수 있는 라이신 CMS와 당밀의 혼합용액을 결합제로 사용하여 건조공정이나 가열공정 없이도 저온안정성이 우수하고 초기강도가 우수하며 대량취급이 용이한 성형탄을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 성형탄은, 미분탄과 상기 미분탄 100중량부에 대하여 생석회:1∼5중량부, 라이신 CMS(Condensed Molasses Solubles)와 당밀의 혼합액:7∼15중량부로 조성되고, 상기 라인신 CMS와 당밀의 혼합액에서 라인신 CMS의 함량은 80%이하이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 미분탄의 수분을 건조하지 않고 괴상화시키면서도 용융환원제철공정에 적용될 수 있는 높은 강도를 확보하기 위한 방안을 찾던 중에, 수분이 함유된 미분탄과 생석회(CaO)는 다음과 같은 화학반응으로 인하여 소석회(Ca(OH)2)로 전환되면서 강력한 발열반응으로 인해 미분탄의 수분이 제거되는 것을 확인하였다.

[반응식 1]

CaO + H2O → Ca(OH)₂

그리고, 미분탄과 생석회와 함께 결합제로서는 실온에서 점성을 유지할 수 있는 라이신 CMS와 당밀의 혼합용액을 사용하면 성형탄의 강도를 확보하여 용융환원공정에서 사용할 수 있다는 것을 확인하였다.

이러한 관점에서 출발한 본 발명의 성형탄은,

① 미분탄 100중량부에 ② 생석회:1∼5중량부, ③ 라이신 CMS와 당밀의 혼합액:7∼15중량부로 조성되는 것이다.

① 미분탄

본 발명에서 미분탄은 코렉스공정에서 입도규정상 사용되지 못하는 석탄을 원료로 하는데, 통상적으로 코렉스공정에서 약 8mm이상의 석탄을 사용하는 것이 권장되므로 그 이하의 미분탄을 사용한다. 바람직하게는 미분탄을 파쇄하여 약 4mm이하로 사용하는 것이다. 미분탄의 입도가 4mm 보다 커지게 되면 성형시 가해지는 압력이그 만큼 커지기 때문에 성형탄에 균열을 일으켜 성형탄의 강도를 떨어뜨릴 가능성이 있다. 보다 바람직하게는 약 1mm이하의 미분탄을 약 50%이상 사용하는 것이 좋다.

본 발명에서는 미분탄에 수분이 함유되어도 건조공정을 거치지 않고 바로 사용할 수 있는데, 미분탄의 수분함량은 생석회의 배합량과 관계가 있다. 본 발명에서 생석회와의 배합량을 고려할 때 미분탄은 수분함량이 약 6∼12% 정도 일 때가 가장 좋다. 미분탄의 수분함량이 너무 적을 때에는 생석회와의 화학반응이 충분히 일어나지 못하여 성형탄의 강도가 저하되며, 수분함량이 너무 많아도 성형이 잘 안되고 강도가 떨어져 성형탄의 품질확보가 어렵다.

② 생석회

본 발명에서 생석회는 미분탄의 수분을 제거하여 성형탄의 강도를 증진시킨다. 생석회(CaO)는 미분탄에 포함된 수분과 상기 반응식 1과 같은 반응에 의해 소석회로 전환되면서 강렬한 발열반응을 일으켜 미분탄의 수분을 제거하는 역할을 한다. 생석회는 입도가 작을수록 비표면적이 넓어 미분탄 중의 수분과 반응하여 소석회로의 전환이 유리하다. 따라서, 입도가 작을수록 유리하며, 바람직하게는 약 1mm이하의 생석회를 사용하는 것이 바람직하다. 약 0.3mm이하의 입도가 무게비로 50%이상의 생석회를 사용할 때 성형탄의 강도확보 차원에서 가장 좋다. 입도가 1mm 보다 크고 0.3mm이하의 입도분포가 50% 미만의 경우에는 미분탄중의 수분과 충분한 화학반응을 일으키지 못하게 되어 미반응 생석회가 성형후에도 성형탄 내부에 잔존할 가능성이 있다. 성형탄내의 미반응 생석회는 공기중의 수분 등과 접촉하여 화학반응을 일으켜 성형탄의 강도를 다소 저하시킨다.

본 발명의 생석회는 미분탄 100중량부에 대해 1-5중량부 첨가하는 것이 바람직하다. 생석회의 첨가량이 1중량부 미만의 경우에는 생석회의 양이 너무 적어 수분을 충분히 제거하는 역할을 수행하지 못하는 경우가 발생하고, 생석회의 첨가량이 5중량부를 초과하는 경우에는 성형탄의 물성이 떨어지는 경우가 발생되기 때문이다.

③ 라이신 CMS와 당밀의 혼합용액

본 발명에서 결합제로는 대량 취급이 곤란한 석탄타르나 피치 등의 고체 물질을 사용하지 않는 대신 실온에서 점성을 유지하여 대량 취급이 용이한 라이신 CMS(Condensed Molassesc Solubles)와 당밀을 이용한다.

라이신 CMS(Condensed Molassesc Solubles)는 라이신(lysine)의 생산중 회수공정에서 발생하는 농축된 질소 공급원으로 가축사료 및 비료(비료분야에서는 질소액비 라고도 함)의 원료로 사용하고 있다. 아래 표 1에는 라이신 CMS의 성분의 일례가 제시되어 있다.

성분명	조단백	조섬유	조회분	수분
성분량	43%이상	1%이하	6%이하	35%이하

라이신 CMS와 당밀의 혼합액은 생석회와 칼슘당산염 결합(Calcium saccharate bond)을 형성하여 성형탄의 강도를 증진시킨다. 라이신 CMS와 당밀의 혼합액에서 라이신 CMS는 80%이하로 하는 것이 바람직하다. 라이신 CMS의 양이 80%를 초과하는 경우에는 바인더 특성을 나타내는 당 성분이 적어서 성형탄의 강도가 다소 저하될 수 있다.

라이신 CMS와 당밀의 혼합용액에서 고형분 함량은 60~80중량%일 때 성형탄의 강도확보측면에서 가장 바람직하다. 혼합용액에서 고형분 함량이 60중량% 미만의 경우에는 바인더 특성을 나타내는 당 성분이 적고, 수분의 함량이 높아서 성형탄의 강도가 다소 저하될 수 있으며, 고형분 함량이 80중량%를 초과하는 경우에는 혼합 용액의 점도가 높아서 균일 혼합에 다소 어려움이 있다.

라이신 CMS와 당밀의 혼합용액의 배합량은 미분탄 100중량부에 대하여 7∼15중량부 사용하는 것이 바람직하다. 혼합용액의 배합량이 7중량부 미만에서는 미분탄 중에 결합제가 충분하지 못하여 성형탄의 강도에 문제가 생길 수 있으며, 첨가량이 15중량부를 초과하는 경우에는 미분탄과의 혼합시에 부착 등의 장애를 일으킬 수가 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

3.4mm이하의 미분탄(수분함량:6~12%)에 수분 함량을 조절하기 위한 생석회를 먼저 균일하게 혼합한 후에, 결합제로서 라이신 CMS(한국 바스프사의 제품 이용)와 당밀의 혼합 용액을 균일하게 혼합한 후 실온에서 성형기(Briquetter Roll Press)를 사용하여 가압하고 직경 63.5mm, 폭 25.4mm 그리고 두께 19.1mm의 베개 모양의 성형탄을 제조하였다. 하기 표 2는 본 발명의 실시예와 이를 비교하기 위한 비교예를 나타낸 것이다.

실험예	3.4mm 이하의 미분탄(중량부)	첨가제	라이신 CMS와 당밀의 혼합용액
실험예	3.4mm 이하의 미분탄(중량부)	종 류	사용량(중량부)	라이신 CMS의함량(%)	사용량(중량부)
발명예1	100	생석회	3	50	10
발명예2	100	생석회	3	50	8
발명예3	100	생석회	3	30	8
비교예1	100	-	-	50	8
비교예2	100	탄산칼슘	3	50	8
비교예3	100	생석회	1	50	8
비교예4	100	생석회	3	90	8

상기 표 2의 발명예1은 미분탄 100중량부에 대하여 3중량부의 생석회를 균일하게 혼합한 후에, 결합제로 라이신 CMS 50%와 당밀 50%인 혼합용액을 10중량부 혼합하여 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조한 것이다.

발명예2는 결합제로 라이신 CMS 50%와 당밀 50%인 혼합용액을 8중량부 혼합하여 발명예 1과 같은 방법으로 성형탄을 제조한 것이고, 발명예3은 결합제로 라이신 CMS 30%와 당밀 70%인 혼합용액을 8중량부 혼합하여 발명예 1과 같은 방법으로 성형탄을 제조한 것이다.

그리고, 비교예1은 미분탄 100중량부에 대하여 8중량부의 라이신 CMS 50%와 당밀 50%인 혼합용액을 결합제로 첨가하였다.

비교예2는 미분탄 100중량부에 대하여 3중량부의 탄산칼슘(CaCO₃)를 균일하게 혼합한 후에, 8중량부의 라이신 CMS 50%와 당밀 50%인 혼합용액을 결합제로 사용하여 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조하였다.

비교예 3은 미분탄 100중량부에 대하여 1중량부의 생석회를 균일하게 혼합한 후에, 8중량부의 라이신 CMS와 당밀 혼합용액을 결합제로 혼합하여 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조하였다.

비교예 4는 미분탄 100중량부에 대하여 3중량부의 생석회를 균일하게 혼합한 후에, 8중량부의 라이신 CMS 90%와 당밀 10%인 혼합용액을 결합제로 사용하여 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조하였다.

성형탄은 제조된 즉시 낙하강도와 분 발생율을 측정하였다.

낙하강도는 성형탄 약 2Kg을 5M높이에서 철판 위에 4회 자유낙하로 떨어뜨린 후에 10mm 이상 크기의 성형탄 잔존율을 하기 식(1)과 같이 평가하였고, 분 발생율은 6.3mm 이하 크기의 성형탄 비율을 하기식(2)와 같이 평가하였다.

하기 표 3은 상기 표 2의 각 발명예와 비교예에 따라 제조된 성형탄의 낙하강도를 평가한 이다.

실험예	낙하강도(%)	분 발생율(%)
발명예1	89.2	7.1
발명예2	88.4	9.3
발명예3	91.4	5.7
비교예1	13.3	72.3
비교예2	27.5	60.8
비교예3	68.9	23.2
비교예4	61.5	24.4

상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예 1-3의 낙하강도는 80%이상, 분 발생율은 10%이하로 우수한 초기강도를 가진 성형탄이 제조되었다. 이에 반해, 본 발명의 범위를 만족하지 못하는 비교예 1-4의 경우는 상기한 발명예의 경우에 비하여 낙하강도가 떨어지고 분 발생율이 높아져서 성형탄의 초기강도가 낮음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 신 제철공법인 파이넥스(FINEX) 및 코렉스(COREX)공정에서 요구하는 최적강도를 확보할 수 있는 성형탄을 제공할 수 있으며, 이에 따라 신제철공법인 파이넥스(FINEX) 및 코렉스(COREX)공정의 경쟁력을 향상시키는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims

미분탄과 상기 미분탄 100중량부에 대하여 생석회:1∼5중량부, 라이신 CMS(Condensed Molasses Solubles)와 당밀의 혼합액:7∼15중량부로 조성되고, 상기 라이신 CMS와 당밀의 혼합액에서 라이신 CMS의 함량은 80%이하인 것을 포함하여 이루어지는 초기강도가 우수한 성형탄.
제 1항에 있어서, 상기 라이신 CMS와 당밀의 혼합액은 고형분 함량이 60~80중량%인 것을 특징으로 하는 초기강도가 우수한 성형탄.
제 1항에 있어서, 상기 성형탄은 낙하강도가 80%이상이고, 분발생율이 10%이하로 용융환원제철공정에 적용되는 것을 특징으로 하는 초기강도가 우수한 성형탄.