KR20130103716A - 복합 산물 및 제조방법 - Google Patents
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Abstract
복합 산물 및 이 복합 산물을 제조하는 방법이 개시된다. 이 복합 산물은 (A) 중합체 물질 결합제(binder)와 금속-보유 물질 또는 (b) 중합체 물질 결합제와 탄소-보유 물질을 포함한다. 상기 방법은 복합 산물의 성분들을 가열 및 혼합하는 단계, 그 후 가열된 혼합물을 최종 산물 형태로 성형하는 단계를 포함하며, 상기 가열 단계는 산물의 성형을 촉진하도록 중합체 물질 결합제의 적어도 일부를 용융시키기에 충분한 것이다.
Description
본 발명은 복합 산물 및 이 산물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 특히 재활용 산물로부터 제조되는 복합 산물에 관한 것이나, 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명은 특히 고온 방법에 사용하기에 적합한 복합 산물에 관한 것이나, 이에 국한되는 것은 아니다.
본원에서 "고온 방법"이란 용어는 작동 온도가 400℃ 초과, 일반적으로 600℃ 이상인 방법을 의미하는 것으로 이해해야 한다.
고온 방법의 예는 제강로와 같은 야금로에서 수행되는 방법이다. 이 방법에서 본 발명의 복합 산물은 금속 보유 단위와 에너지 급원 중 어느 하나 이상을 제공하기 위한 것이다.
고온 방법의 다른 예는 화석 또는 공학적 연료에 의해 발생되는 열을 필요로 하는 시멘트 제조 가마와 같은 가마(kiln) 및 발전소에서 수행되는 방법이다. 이러한 방법에서 본 발명의 복합 산물은 화석 연료의 대체재로서 에너지 급원을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 고온 방법에 사용하기에 적합한 복합 산물에 국한되지 않는다. 예시적으로, 본 발명의 복합 산물은 건축 자재 또는 건물용 보호재 및 내마모재(예컨대, 내마모용 또는 내부식용)로서, 예컨대 목재 산물 및 강철 산물의 대체재로서 사용하기에 적합하다.
본 발명은 (a) 중합체 물질과 금속-보유 물질 또는 (b) 중합체 물질과 탄소-보유 물질 또는 (c) 중합체 물질과 금속-보유 물질 및 탄소-보유 물질을 포함하는 복합 산물에 금속-보유 물질 및/또는 탄소-보유 물질의 입자를 함께 유지시키기 위한 결합제로서 사용되는 중합체 물질의 용도를 기반으로 한다.
또한, 본 발명은 복합 산물의 성분들의 가열과 혼합이 조합되고 이 가열 단계가 산물의 성형을 촉진하기 위해 중합체 물질 결합제의 적어도 일부를 용융시키기에 충분한 것인, 복합 산물의 제조를 기반으로 한다.
본 발명은 (a) 중합체 물질 결합제와 금속-보유 물질 또는 (b) 중합체 물질 결합제와 탄소-보유 물질의 형태인 복합 산물을 제조하는 방법으로서, 복합 산물의 성분들을 가열 및 혼합하는 단계, 그 후 가열된 혼합물을 최종 산물의 형태로 성형하는 단계를 포함하고 상기 가열 단계가 산물의 성형을 촉진하기 위해 중합체 물질 결합제의 적어도 일부를 용융시키기에 충분한 것인 방법을 제공한다.
가열 단계와 혼합 단계는 이전 문단에 설명된 순서대로 또는 그 반대로, 또는 동시에 수행될 수 있다.
본원에 사용된 "금속-보유 물질"이란 용어는 금속 산물을 생산하도록 야금로에서 수행되는 고온 야금법과 같은 고온 방법에서 가공될 수 있는 임의의 물질을 의미하는 것으로 이해한다. 본원에 사용된 "금속"이란 용어는 금속 합금을 포함하는 것으로 이해한다. 제강, 특히 전기아크 제강은 본 출원인에게 특별히 관심이 있는 한가지 야금법이다. 다른 야금법은 예시적으로 염기성 산소 제강법 및 제철법을 포함한다. 본 발명은 고온 야금법에 국한되지 않는다. 금속-보유 물질은 재활용 물질일 수 있다.
중합체 물질 결합제와 금속-함유 물질을 포함하는 복합 산물의 제조 방법은 중합체 물질 결합제 외에 다른 탄소 급원인 물질과 같은 다른 물질을 금속-보유 물질 및 중합체 물질과 혼합하는 것을 포함할 수 있다.
탄소의 다른 급원은 생물자원, 비산회, 고무, 종이, 코크스 미분, 숯 미분, 석탄 미분, 프린터 및 복사기 유래의 토너, 및 임의의 다른 적당한 유기 물질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 토너는 카본 블랙 형태의 탄소 외에, 금속-함유 입자(철 산화물) 및 중합체 물질을 함유한다는 것을 유의한다. 다른 탄소 급원은 재활용 물질일 수 있다. 또 다른 탄소 급원은 미사용(virgin) 물질일 수 있다.
다른 물질은 생석회, 돌로마이트 및 마그네사이트를 포함할 수 있다.
이 방법은 이 방법을 조절하고, 필요한 다공성을 가진 산물을 생산하기 위한 중합체 물질 결합제, 금속-보유 물질 존재하는 경우) 및 탄소-보유 물질 존재하는 경우)을 선택하는 것을 포함할 수 있다. 산물은 비다공성인 것이 바람직한 상황일 수 있다. 또한, 고온 야금 방법과 같이 고온 방법에서 바람직한 화학적 반응은 산물이 일정 다공성 수준을 갖는데 바람직하도록 만들 수 있는 다른 상황이 있을 수 있다. 예를 들어, 화학적 반응은 노 내의 산물 내에서 일어나는 것이 바람직할 수 있는데, 이러한 경우에 휘발된 반응 산물의 탈출을 용이하게 하는 다공성 수준이 바람직할 수 있다.
이 방법은 산물을 통해 금속-보유 물질의 균일한 분산이 이루어지도록 금속-보유 물질과 중합체 물질 결합제를 혼합하는 것을 포함할 수 있다.
이 방법은 산물을 통해 탄소-보유 물질의 균일한 분산이 이루어지도록 탄소-보유 물질과 중합체 물질 결합제를 혼합하는 것을 포함할 수 있다.
이 방법은 중합체 물질 결합제를 완전히 용융시키기에 충분히 높은 온도에서 산물의 성분 혼합물을 가열하는 것을 포함할 수 있다. 이 온도는 중합체 물질 결합제, 혼합물의 다른 성분 및 복합 산물을 성형하는 특정 방법의 요건과 관련해서 임의의 적당한 온도일 수 있다. 예를 들어, 저밀도 폴리에틸렌 형태의 중합체 물질 결합제인 경우, 온도는 일반적으로 150 내지 175℃ 정도이다.
이 방법은 가열 단계 동안 고체로 남아 있도록 금속-보유 물질과 탄소-보유 물질을 선택하는 것을 포함할 수 있다.
이 방법은 이 방법을 조절하고 및 금속-보유 물질 존재하는 경우), 탄소-보유 물질 존재하는 경우), 및 필요한 밀도를 갖는 산물을 생산하기 위한 중합체 물질 결합제를 선택하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산물이 제강 공정의 원료 물질인 경우, 산물은 공정에서 형성되는 용융 금속 저장물에서 산물이 부유하도록 하는 밀도를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
금속-보유 물질 및 탄소-보유 물질은 미립자 형태일 수 있다.
제강 방법에 관련된 특정 예에 따르면, 금속-보유 물질은 철-보유 입자 형태일 수 있다.
철-보유 입자는 미분 형태일 수 있다.
특정 예에 따르면, 철-보유 입자는 제강 플랜트 또는 제철 플랜트 유래의 밀 스케일(mill scale)의 미분 또는 백하우스(baghouse) 분진 또는 다른 부산물 형태일 수 있다.
전기 아크 제강로에서 제강 시에 사용되는 철-보유 입자의 상황에서, "미분"이란 용어는 주 크기가 6mm 미만인 입자를 의미하는 것으로 이해한다.
야금로에서 고온 방법에 사용되는 금속-보유 입자와 같은 더 광범한 상황에서, "미분"이란 용어는 주 크기가 6mm 미만인 입자를 의미하는 것으로 이해한다.
본 발명의 복합 산물에 금속-함유 또는 탄소-함유 물질의 결합제로서 사용되는 중합체 물질의 사용은 야금로에서 수행되는 고온 방법에 대한 복합 산물에 국한되지 않고, 일반적으로 본 발명의 복합 산물을 필요로 하는 고온 방법에까지 확대된다. 이러한 상황에서, 본 발명은 미분에 국한되지 않고 주 크기가 6mm보다 큰 금속-보유 물질 및 탄소-보유 물질에도 확대된다.
중합체 물질 결합제는 임의의 적당한 물질일 수 있다. 중합체 물질 결합제의 중요한 요건은 산물에 특이적인 물질 취급 및 조작 조건 하에 복합 산물의 다른 성분들에 대한 결합제로서 작용할 수 있어야 한다는 것이다. 예시적으로, 특이적인 조건은 외부에서 장기간 동안의 저장을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 특이적인 조건은 산물을 위한 특별한 물질 취급 조건을 포함할 수 있다.
중합체 물질 결합제는 재활용 중합체 물질일 수 있다.
중합체 물질 결합제는 저밀도 폴리에틸렌과 같은 재활용 폴리에틸렌 또는 고밀도 폴리프로필렌 또는 재활용 폴리프로필렌일 수 있다.
탄소-보유 물질은 생물자원, 비산회, 고무, 종이, 코크스 미분, 숯 미분, 석탄 미분, 프린터 및 복사기 유래의 사용된 토너 및 임의의 다른 적당한 유기 물질 형태일 수 있다. 탄소-보유 물질은 재활용 물질일 수 있다. 탄소-보유 물질은 미사용 물질일 수 있다.
이 방법은 최종 산물 형태를 성형하기 위한 임의의 적당한 성형 단계를 포함할 수 있다.
성형 단계는 압출 단계, 주조 단계(예컨대 사출 주조 포함) 및 브리켓화(briquetting) 또는 다른 종류의 프레싱(pressing) 단계 중 어느 하나일 수 있다.
예시적으로, 단계 (c)는 가열된 혼합물을 압출하여 가열된 혼합물을 복합 산물로 성형하는 것을 포함할 수 있다.
압출물은 최종 산물 형태일 수 있다.
대안적으로, 최종 산물 형태로 성형하기 위해 압출물을 절단할 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 단계 (c)는 연속 압출물을 형성시키는 단계 및 그 다음 압출로부터 빠져나오는 압출물을 최종 산물 형태로 절단하는 단계를 포함할 수 있다.
압출물이 압출기에서 연속 "로프(rope)"(횡단면이 작거나 큰 것)로서 빠져나오는 상황에서, 이 방법은 로프를 더 짧은 길이로 절단하는 것을 포함할 수 있고, 이로써 압출물의 더 짧은 길이가 산물을 형성한다.
최종 산물 형태는 임의의 적당한 형태 및 임의의 적당한 크기일 수 있다.
최종 산물 형태의 형태와 크기는 산물이 사용되어야 하는 야금 방법과 야금로를 위한 물질 취급 및 공정 요건들과 관련하여 결정할 수 있다.
산물은 펠릿 형태일 수 있다.
산물은 과립 형태일 수 있다.
산물은 블록(block), 피그(pig), 패티(patty), 플러그(plug) 및 퍽(puck)으로 표현될 수 있는 더 큰 산물 형태일 수 있다.
더 큰 산물은 주 크기가 10cm 이상일 수 있다.
더 큰 산물은 주 크기가 15cm 이상일 수 있다.
더 큰 산물은 1kg 이상일 수 있다.
더 큰 산물은 2kg 이상일 수 있다.
더 큰 산물은 3kg 이상일 수 있다.
더 큰 산물은 10kg 미만일 수 있다.
임의의 주어진 상황에서, 산물의 형태와 크기에 영향을 미치는 인자는 다음과 같은 인자를 포함할 수 있다:
· 산물은 야금 플랜트와 같은 고온 가공 플랜트에서 취급될 수 있고 노의 외부 및/또는 내부에 미분 발생 하에 산물의 더 작은 크기의 산물로의 유의적인 붕괴 없이 플랜트의 야금로와 같은 고온 노에 충전될 수 있기에 충분한 강도 및 인성(toughness)을 보유해야 한다.
· 산물은 필요한 시간 기간 동안 노에서 산물의 조절된 용해를 촉진하기 위해 야금로와 같은 고온 노에서 고온 및 반응성 조건을 견디는 강도와 같은 필요한 기계적 성질을 보유하고 충분히 커야 한다. 고온 방법에 따라, 이 시간 기간은 비교적 짧거나 또는 더 긴 시간 기간일 수 있다. 필요한 용해율은 고온 방법의 화학적 반응 요건과 이 방법의 전체 시간 기간에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 일부 방법에서는 가능한 한 즉시 산물의 연소성 성분을 연소시키는 것이 중요할 수 있다. 다른 상황에서는 본 방법의 전체 작동 기간 동안 산물이 소비되도록 산물이 비교적 느리게 용해되도록 하는 것이 중요할 수 있다.
또한, 본 발명은 금속-보유 물질용 결합제로서 작용하는 중합체 물질과 금속-보유 물질을 함유하는 복합 산물을 제공한다.
이전 문단에 기술된 산물은 중합체 물질 결합제 외에 다른 탄소 급원인 물질과 같은 다른 물질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 탄소 보유 물질용 결합제로서 작용하는 중합체 물질과 탄소-보유 물질을 함유하는 복합 산물을 제공한다.
이전 문단에 기술된 산물은 금속-보유 물질과 같은 다른 물질을 포함할 수 있다.
산물은 중합체 물질의 연속 망구조와 금속-보유 물질 또는 탄소-보유 물질의 균일한 분산을 포함할 수 있다.
산물은 다공성 산물일 수 있다.
산물은 비다공성 산물일 수 있고, 이에 따라 최소한 실질적으로 방수성일 수 있다. 이것은 산물의 임의의 하나 이상의 성분이 저장되거나 또는 수송되는 동안 수분을 흡수하기 쉬운 상황에서 유리한 특징이다. 예를 들어, 이것은 특히 산물이 이 산물의 탄소-보유 물질로서 생물자원을 함유하는 산물인 경우이다.
산물은 중합체 물질의 외부 피복(covering)을 포함할 수 있다.
피복은 산물을 비다공성으로 만들 수 있다.
또한 또는 대안적으로, 피복물은 물질 취급 및 수송 동안 미분의 방출을 최소화하고 산물의 미분을 감쌀 수 있다.
임의의 주어진 상황에서, 중합체 결합제 물질, 금속-보유 물질(존재하는 경우), 탄소-보유 물질(존재하는 경우) 및 다른 물질의 상대적 양은 복합 산물의 결합제 필요조건, 산물의 최종 용도에서 금속-보유 물질의 요건 및 최종 용도에서 산물의 에너지 필요조건과 같은 인자들의 함수일 것이다.
중합체 물질 결합제는 산물의 10wt%보다 많을 수 있다.
중합체 물질 결합제는 산물의 15wt%보다 많을 수 있다.
중합체 물질 결합제는 산물의 50wt% 미만일 수 있다.
중합체 물질 결합제는 산물의 45wt% 미만일 수 있다.
중합체 물질 결합제는 기화 온도가 야금로의 용융조 온도보다 낮을 수 있다.
중합체 물질 결합제는 재활용 중합체 물질일 수 있다.
중합체 물질 결합제는 재활용 폴리에틸렌, 예컨대 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌 또는 재활용 폴리프로필렌일 수 있다.
금속-보유 물질은 철-보유 입자 형태일 수 있다.
철-보유 입자는 미분 형태일 수 있다.
철-보유 입자는 산화철 입자 형태일 수 있다.
철-보유 입자는 밀 스케일의 미분 및/또는 백하우스 분진 또는 제강 플랜트의 다른 부산물 형태일 수 있다.
탄소-보유 물질은 생물자원, 비산회, 고무, 종이, 코크스 미분, 숯 미분, 석탄 미분, 프린터 및 복사기 유래의 사용된 토너 및 임의의 다른 적당한 유기 물질의 입자 형태일 수 있다. 탄소-보유 물질은 재활용 물질일 수 있다. 탄소-보유 물질은 미사용 물질일 수 있다.
산물은 중합체 결합제 물질 및 금속-보유 물질(존재하는 경우) 및 탄소-보유 물질(존재하는 경우)이 각각 재활용 물질인, 전적으로 재활용 물질로부터 제조될 수 있다.
재활용 물질은 임의의 적당한 급원으로부터 수득할 수 있다.
예시적으로, 금속-보유 단위는 밀 스케일의 미분 형태일 수 있고, 중합체 물질 결합제는 재활용 폴리에틸렌 형태이며, 탄소-보유 단위는 코크스 미분 또는 재활용 고무 형태일 수 있다.
산물은 임의의 적당한 크기와 형태일 수 있다. 산물 형태와 크기는 전술한 바와 같은 것일 수 있다.
산물은 고온 방법에 사용하기에 적합할 수 있다.
산물은 발전소 및 가마, 예컨대 시멘트 제조 가마 및 화석 연료에 의해 발생되는 열을 필요로 하는 다른 이용분야에서 화석 연료의 대체 에너지 급원으로서 사용하기에 적합할 수 있다. 에너지 급원으로 사용되는 산물은 "공학적 연료"라고 나타낼 수 있다.
산물은 건축 자재로서 또는 건축 자재용 보호 물질(또는 내마모용 또는 내부식용)로서 또는 채광 소모재의 보호 물질(채광 가공을 위한 채광 소모 부품 또는 채광 추출 장치에서의 내마모성을 위해)로서, 예컨대 목재 산물 및 강철 산물의 대체재로서 사용하기에 적합할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 방법의 원료 물질로서 금속-보유 단위 및 탄소-보유 단위(중합체 물질 결합제)를 함유하는 전술한 복합 산물을 공급하는 것을 포함하는 고온 방법을 제공한다.
고온 방법은 야금로에서 용융 금속(금속 합금, 예컨대 합금철을 포함함)을 생산하는 방법일 수 있다.
본 방법은 강철을 생산하는 방법일 수 있다.
제강 방법은 전기 아크 제강 방법일 수 있다.
제강 방법은 염기성 산소 제강 방법일 수 있다.
본 방법은 철을 생산하는 방법일 수 있다.
본 발명은 연구 개발 프로젝트 과정 동안 밀 스케일 미분 형태의 금속 보유 단위, 더 구체적으로 철-보유 단위 및 전기 아크로 제강 방법에 사용하기 위한 물질 취급, 화학 및 가공 성질 면에서 적합한 재활용 저밀도 폴리에틸렌 형태의 중합체 물질 결합제를 함유하는 복합 산물을 생산하는 것이 가능하다는 출원인의 깨달음을 기반으로 한다. 특히, 본 출원인은 프로젝트 과정에서 중합체 물질이 복합 산물 중의 철-보유 미분에 대한 효과적인 결합제로서 작용하고 에너지 급원을 제공한다는 것을 발견했다.
또한, 본 발명은 프로젝트 과정 동안 코크스 미분 형태의 탄소-보유 단위 및 전기 아크로 제강 방법에 사용하기 위한 물질 취급, 화학 및 가공 성질 면에서 적합한 재활용 저밀도 폴리에틸렌 형태의 중합체 물질 결합제를 함유하는 복합 산물을 생산하는 것이 가능하다는 출원인의 깨달음을 기반으로 한다.
또한, 본 발명은 프로젝트 과정 동안, 전술한 금속-보유 단위 및/또는 탄소-보유 단위와 중합체 물질 결합제의 혼합물을 중합체 물질 결합제의 적어도 일부는 용융되고 혼합물의 다른 성분들은 고체로 남아 있는 온도에서 고온 성형, 예컨대 고온 압출에 의해 고온 성형하는 것이 전기 아크로 제강 방법에 사용하는데 필요한 물질 취급, 화학 및 가공 성질을 가진 복합 산물을 생산하는 효과적인 방법이라는 본 출원인의 깨달음을 기반으로 한다.
또한, 본 발명은 프로젝트 과정 동안 본 발명의 금속-보유 기반 복합 산물 및 탄소 단위 기반 복합 산물이 제강 외에 더 넓은 최종 용도를 갖는다는 출원인의 깨달음을 기반으로 한다. 특히, 본 출원인은 본 발명의 탄소 단위 기반 복합 산물이 발전소 및 가마, 예컨대 시멘트 제조 가마 및 화석이나 공학적 연료에 의해 발생되는 열을 필요로 하는 다른 용도들에서 화석 연료의 대체재로서의 이용성이 있다는 것을 깨달았다.
연구 및 개발 프로젝트는 본 발명에 따른 저밀도 폴리에틸렌 형태의 중합체 물질을 10 내지 45wt% 보유하는 광범위한 산물에 대한 실험실 작업을 포함했다.
포함된 실험실 작업은 전술한 범위의 중합체 물질과 밀 스케일 형태의 금속-보유, 구체적으로 철-보유 물질을 함유하는 복합 산물에 대한 작업을 포함했다. 실험실 작업은 이 산물 중의 산화철을 용융 철로 거의 100% 환원시키는 것을 발견했다.
또한, 실험실 작업은 전술한 범위의 중합체 물질과 코크스 미분 형태의 탄소-보유 물질을 함유하는 복합 산물에 대한 작업을 포함했다.
산물의 한 예는 저밀도 폴리에틸렌 결합제 24wt%, 가공 보조제 1wt%, 코크스 미분 및 다른 탄소-함유 물질 75wt%의 조성을 함유했다.
연구 및 개발 프로젝트는 또한 본 출원인의 전기 아크 제강로에서 본 발명의 산물의 샘플 조성물의 1톤 실험을 포함했다.
본 실험의 샘플 산물은 표준 시판 고온 압출기에서 성공적으로 압출되었다.
이 압출기에서 생산된 연속 "로프"는 3kg 정도의 큰 "패티" 형태로 성형되었다.
샘플 산물은 24wt% 저밀도 폴리에틸렌, 1wt% 가공 보조제, 7wt% 코크스 및 68wt% 밀 스케일의 조성을 포함했다.
| 물질 조성 | |
| 밀 스케일 | 68 |
| 코크스 미분 | 7 |
| 재활용 LDPE | 24 |
| 가공 보조제 | 1 |
| 원소 조성물 | |
| 철(밀 스케일의 Fe ~75wt%) | 51 |
| 탄소(LDPE 중의 C ~85wt%/코크스 중의 C ~85wt% | 26 |
| 산소(밀 스케일의 O ~25wt%) | 17 |
| 수소(중합체 중의 H ~15wt%) | 4 |
1톤의 산물 패티를 전기 아크로의 고온 힐(heel)에 충전했다. 산물의 충전물의 첨가 효과는 카메라 및 화학의 표준 데이터 기록 및 방법 조작 파라미터를 통해 수행했다.
첨가 시의 열 평형은 이하에 제시했다.
| 산물 | 1,000kg = 680kg FeO(510kg Fe) + 240kg LDPE + 70kg 코크스 |
| 열 유입 | 240kg LDPE x 12.9 kWhr/kg = 3,096kWhr |
| 열 유출 | 산화철 환원 = 2kWhr/kg* x 680kg = 1,360kWhr |
| 철 용융 = 510kg x 0.44kWhr/kg = 225 kWhr | |
| 평형 | 3,096 - (1,360 + 225) = +1,511kWhr |
상기 열 평형은 호주 NSW에 있는 본 출원인의 전기 아크 제강 플랜트에서 수득한 데이터와 표준 참조 물질의 이론적 데이터를 기반으로 한 것임을 유의한다.
본 실험에서의 몇 가지 주요 발견은 다음과 같다.
· 산물 패티는 에너지 급원이었다.
· 산물 패티는 자성이었다 - 따라서 패티는 표준 노 고철 마그네트 크레인을 사용하여 취급할 수 있다 - ~500kg/부하량(load).
· 산물 패티는 인성(tough)이었다 - 일반 블록이고 파손되지 않음.
· 산물 패티는 방수성이었다 - 1주 동안 물에 침지 시 인식가능한 중량 증가가 없었다.
· 산물 패티는 배스/슬래그 계면에서 응집했고 노 내에서 반응하기 시작했다.
· 산물 패티는 본래의 상태를 유지했고 일부 패티는 15분이 넘는 기간 동안 견디면서 장기간 동안 조절된 속도로 반응했다.
· 산물 패티는 강한 열 발생을 생산했다.
· 플라스틱 및 고무 대체물에 비해 연기 발생은 매우 적었다.
· 충전물 반응 - 바닥 버켓 1에서 100kg, 200kg 및 300kg/열 첨가 시 인식가능한 변화는 없었다.
본 실험의 결과는 본 발명의 복합 산물을 기반으로 한 중요한 사업 기회를 시사한다.
특히, 본 출원인은 탄소-보유 물질을 함께 유지시키는 중합체 물질 결합제를 기반으로 한 본 발명의 복합 산물이 제강 산업 외에 더 넓은 이용성이 있는 에너지의 중요한 급원일 수 있음을 본 실험으로부터 깨달았고, 이러한 이용성에는 발전소 및 가마, 예컨대 시멘트 제조 가마에서의 화석 연료의 대체물 및 화석 또는 공학적 연료에 의해 발생되는 열을 필요로 하는 다른 이용성을 포함한다.
또한, 본 출원인은 본 발명의 복합 산물이 제강 원료 물질과 충전물 버킷의 에너지 급원을 여러 비율로 전기 아크로에 도입할 수 있게 한다는 것을 실험으로부터 깨달았다. 따라서, 필요조건에 따라 충전물 버킷의 중합체 물질(결합제 및 에너지 급원으로서) 및 철-보유 물질과 다른 제강 원료 물질은 각각 대략 비슷할 수 있다. 따라서, 본 발명의 복합 산물은 원료 물질의 공급에서 제강 방법에 유연성의 기회를 제공하고, 특히 에너지 이용률을 최적화하는 기회를 제공한다.
전기 아크로 및 다른 고온 방법에서 본 발명의 복합 산물의 이용을 촉진할 이점인 샘플 산물 패티의 다른 주요 이점은 산물 패티의 물리적 및 화학적 조성으로 인해 조절되고 계측된 속도의 반응과 열 발생이 수득된다는 점이다. 조절된 속도의 연료 방출은 오프가스 시스템에서보다 노에서의 완전한 연소 및 열 이용률을 초래한다. 따라서, 폭발을 초래하는 오프가스 관 중의 연기 또는 미연소 연료뿐만 아니라 높은 가스관 온도 및 백하우스 트립의 위험이 더 적다. 1톤 실험에서, 샘플 산물 패티(각각 ~3kg)는 노의 고온 힐에 첨가 시 연소하기 위해 10분 보다 더 오래 걸린다는 것을 발견했다. 이것은 핵심 관찰이며 중요한 이점으로서, 충전 후 노에서 연기 및 불꽃이 배출되게 한 후 즉시 너무 빠르게 반응하기보다는 용융 동안 조절된 속도로 고철 충전물 하에서 샘플 산물 패티가 "버너" 처럼 사용될 수 있게 할 것이다. 이에 비해, 함께 결합된 소량의 플라스틱 필름 또는 고무 타이어 조각이 노에 첨가되면, 이것은 반응하여 몇 분 내에 소각되었다. 샘플 산물 패티는 점화하여 장기간 동안 강한 불꽃을 지속하는 것으로 관찰되었다.
실험에 기초하여, 본 출원인은 복합 산물 패티가 전기 아크로의 고철 하에 위치한다면, 산물 패티는 잠재적으로 예열을 제공하고 시간 및 전기에너지 소비 대비 동력을 감소시킬 것이다.
산물 패티의 더 느린 연소 속도는 복합 산물의 복합 성질로 인해 실험에서 조절되었다. 중합체 물질 결합제 또는 충전제 물질(밀 스케일 및 코크스 미분)과 산소의 반응은 결합제에 의해 유발된 낮은 다공성으로 인해 산물 패티의 표면에 제한적이었다. 따라서, 산물 패티에 가스 침투는 매우 적었다. 낮은 다공성은 반응 표면적을 제한시켰고 산물 내에 반응물을 차폐시켰다. 따라서, 산물 내부부터 산물 표면까지 큰 열 구배가 존재하여 반응은 표면 또는 표면 부근에서 일어날 것이다. 또한, 비교적 저온(250 내지 400℃)에서 중합체의 발연 및 점화에 의해 형성된 가스/연기/불꽃 층과 브리켓의 표면에 남아 있는 반응 산물로부터 약간의 단열 효과가 있을 수도 있다. 예를 들어, 이것은 주위 고온 강철 및 슬래그(1500 내지 1750℃)로부터 산물 패티를 단열시키고 산물 패티가 더 오래 지속될 수 있게 할 것이다.
연료는 표면에 노출된 것만 반응할 때 조절된 속도로 방출된다.
산물 패티의 복합 매트릭스 구조는 산화철이 중합체 결합제를 차폐시키고 반응 속도를 조절한다는 것을 의미한다. 충전제 물질이 연소성이 낮은 경우, 산소와 접촉할 수 있는 표면으로 "연료"의 공급 속도는 더 낮아진다. 즉, 산화철(밀 스케일) 산물이 코크스 또는 흑연과 같은 연소성 충전제를 함유하는 브리켓보다 액체 금속 슬래그에서 더 오랫동안 잠재적으로 지속할 수 있는 이유이다. 이와 같은 차폐 효과는 연소 속도가 낮은 다른 충전제 물질(석회, 돌로마이트, 백하우스 분진 등)을 사용하여 달성할 수도 있다.
또한, 산물은 미분 물질을 개별적으로 첨가하는 경우와 비교했을 때에도 반응을 지연시킨다. 예를 들어, 밀 스케일과 코크스 미분은 이들 물질의 높은 표면적으로 인해 액체 강철 배스에 첨가 시 탄소 산소 반응을 통해 빠르게 또는 격렬하게 반응할 수 있다.
이상의 설명에 따르면, 반응 속도는 충전제 및 결합제 물질을 증가시키거나 감소시키는 산물 패티의 조성 변화에 의해 조절할 수 있다. 이것은 많은 건식야금 이용분야 또는 다른 고온 이용분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 이용분야로는 미니블라스트로 또는 대체 제철공정 또는 소각공정 또는 동력발생 공정을 포함한다.
전기 아크 제강 산업에서, 본 실험은 본 발명의 복합 산물이 고철 대체 기회, 제강 플랜트 및다른 산업에서 생산되는 폐기물 및 부산물의 사용, 전기 아크 제강로에 사용하기에 적합하지 않았을 미분 형태의 원료 물질의 사용, 및 열발생 및 다른 반응을 최적화하기 위한 전기 아크로에 충전물의 선택적 층상화 기회를 제공한다는 것을 시사했다. 이 기회들은 환경적 및 재정적 이점으로 해석된다.
본 발명은 제강 이용분야에서 본 발명의 복합 산물의 사용에 대하여 대부분 설명되지만 산물의 다른 최종 용도에도 적용되는 다음과 같은 특징 및 장점이 있다:
· 중합체 물질 결합제는 매우 인성이고 많은 경우에 방수성 산물을 생산하며, 이는 물질 취급 시의 산물 붕괴가 적고 저장 수명이 더 길다는 것을 의미한다.
· 산물이 산물의 미분 및 더 큰 크기의 입자를 캡슐화하는 중합체 물질의 피복을 가질 때 추가 이점이 있다. 중합체 물질에 미분 및 더 큰 크기 입자의 캡슐화는 인지할 정도의 수분 픽업없이 산물을 외부에 저장할 수 있게 한다. 또한, 더 일반적으로, 캡슐화는 임의의 저장 상황에서 산물이 대기에 노출될 때 수분 픽업/수화에 대한 보호를 제공한다. 또한, 중합체 물질에 미분 및 더 큰 크기의 입자의 캡슐화는 산물로부터 화합물의 침출을 방지하거나 적어도 최소화할 수 있다. 예를 들어, 중금속의 침출을 방지하는 본 발명의 복합 산물에서 중금속을 함유하는 전기 아크로 분진의 캡슐화는 산물의 취급, 저장 및 수송에 장점일 수 있다.
· 중합체 물질은 고온 방법에 미분을 운반하는 "깨끗한" 결합제로서 작용한다. 미분은 노에서 소비되고 중합체 물질 결합제는 가스로서 시스템에서 배출된다(예컨대, 저밀도 폴리에틸렌은 115℃에서 용융하고 약 350℃에서 기화한다).
· 중합체 물질 결합제의 탄소 및 수소 성분은 연소/환원 기반 방법에 도움을 줄 수 있다.
· 결합제로서 작용하는 중합체 물질의 사용은 야금로에서의 고온 방법만이 아니라 임의의 적당한 고온 방법에 적용될 수 있다.
· 고온 압출 공정은 두 산물 종류(즉, 한 산물 종류는 금속-보유 물질을 기반으로 한 것이고 다른 산물 종류는 탄소-보유 물질을 기반으로 한 것이다)의 경제적으로 실행가능한 대규모 생산에 적합하다.
· 중합체 물질 결합제의 크기 조절은 압출 공정 동안 용융으로 인해 잠재적으로 덜 엄격하다.
· 결합제로서 재활용 중합체 물질의 사용은 많은 중합체 물질이 쓰레기 매립지로 이송되기 때문에 환경적 이점을 줄 수 있다.
· 고온 압출 기술은 금속 보유 미분 및 탄소 보유 미분을 비롯한 미분의 회수, 수송 및 처리를 필요로 하는 임의의 산업에 잠재적으로 적용가능하다.
· 산물은 철-보유 단위를 함유할 경우 자성이다.
· 전기 아크 제강 방법에서 산물의 사용은 전반적으로 에너지 양성적이었다.
· 전기 아크 제강 방법을 위한 고철 충전물 하에서 산물의 사용은 고철 충전물의 밀착 가열을 용이하게 하고 잠재적으로 열 전달을 향상시키고 효율적인 에너지 사용을 가능하게 한다.
· 고온 압출기의 사용은 압출기에서의 가열로 인해 수분 함량이 더 많은 원료 물질의 사용을 가능하게 한다.
· 본 발명은 미분 형태의 원료 물질을 사용할 수 있게 한다.
전술한 본 발명은 본 발명의 취지와 범위를 벗어남이 없이 많은 변형이 이루어질 수 있다.
Claims (29)
- (a) 중합체 물질 결합제과 금속-보유 물질 또는 (b) 중합체 물질 결합제와 탄소-보유 물질의 형태인 복합 산물을 제조하는 방법으로서, 상기 복합 산물의 성분들을 가열 및 혼합하는 단계, 그 다음 가열된 혼합물을 최종 산물 형태로 성형하는 단계를 포함하고, 상기 가열 단계는 산물의 성형을 용이하게 하기 위해 중합체 물질 결합제의 적어도 일부를 용융시키기에 충분한 것인, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 중합체 물질 결합제와 금속-함유 물질을 함유하는 복합 산물을 제조하는 방법으로서, 중합체 물질 결합제 외에 다른 탄소 급원인 물질과 같은 다른 물질을 금속-보유 물질 및 중합체 물질과 혼합하는 것을 포함하는, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 다른 탄소 급원이 생물자원, 비산회, 고무, 종이, 코크스 미분, 숯 미분, 석탄 미분, 프린터와 복사기 유래의 토너 및 임의의 다른 적당한 유기 물질 중 어느 하나 이상을 포함하는, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 이 방법을 조절하고 필요한 다공성을 가진 산물을 생산하기 위한 중합체 물질 결합제, 금속-보유 물질(존재하는 경우) 및 탄소-보유 물질(존재하는 경우)을 선택하는 것을 포함하는, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 4 항에 있어서, 산물이 비-다공성 산물인, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 산물을 통해 금속-보유 물질이 균일하게 분산되도록 금속-보유 물질과 중합체 물질 결합제를 혼합하는 단계를 포함하는, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 산물을 통해 탄소-보유 물질이 균일하게 분산되도록 탄소-보유 물질과 중합체 물질 결합제를 혼합하는 단계를 포함하는, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 물질 결합제를 완전하게 용융하기에 충분히 높은 온도에서 산물의 성분의 혼합물을 가열하는 단계를 포함하는, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 금속-보유 물질 및 탄소-보유 물질이 가열 단계 동안 고체로서 남아 있도록 금속-보유 물질과 탄소-보유 물질을 선택하는 단계를 포함하는, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 보유 물질은 밀 스케일 미분 또는 백하우스 분진 또는 제강 플랜트 또는 제철 플랜트의 다른 부산물 형태인, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 결합제 물질이 재활용 중합체 물질, 예컨대 저밀도 폴리에틸렌과 같은 재활용 폴리에틸렌, 또는 고밀도 폴리프로필렌 또는 재활용 폴리프로필렌인, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소-보유 물질이 생물자원, 비산회, 고무, 종이, 코크스 미분, 숯 미분, 석탄 미분, 프린터 및 복사기 유래의 사용된 토너 및 임의의 다른 적당한 유기 물질 형태인, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (c)가 가열된 혼합물을 압출시켜 가열된 혼합물을 복합 산물로 성형하는 단계를 포함하는, 복합 산물을 제조하는 방법.
- 금속-보유 물질용 결합제로서 작용하는 중합체 물질과 금속-보유 물질을 포함하는 복합 산물.
- 제 14 항에 있어서, 중합체 물질 결합제 외에 다른 탄소 급원인 물질과 같은 다른 물질을 포함하는 복합 산물.
- 탄소-보유 물질용 결합제로서 작용하는 중합체 물질과 탄소-보유 물질을 포함하는 복합 산물.
- 제 15 항에 있어서, 금속-보유 물질과 같은 다른 물질을 포함하는 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 금속-보유 물질 또는 탄소-보유 물질의 균일한 분산 및 중합체 물질의 연속 망구조를 포함하는 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 비-다공성 산물이고, 따라서 적어도 실질적으로 방수성인 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 물질의 외부 피복(covering)을 포함하는 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 물질이 산물의 10wt% 초과인 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 물질이 산물의 50wt% 미만인 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 물질이 저밀도 폴리에틸렌 또는 고밀도 폴리에틸렌과 같은 재활용 폴리에틸렌 또는 재활용 폴리프로필렌인 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 보유 물질이 밀 스케일 미분 및/또는 백하우스 분진 또는 제강 플랜트 유래의 다른 부산물 형태인 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소-보유 물질이 생물자원, 비산회, 고무, 종이, 코크스 미분, 숯 미분, 석탄 미분, 프린터 및 복사기 유래의 사용된 토너 및 임의의 다른 적당한 유기 물질의 입자 형태인 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 결합제 물질 및 금속-보유 물질(존재하는 경우) 및 탄소-보유 물질(존재하는 경우)이 각각 재활용 물질인, 전적으로 재활용 물질로부터 제조되는 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 펠릿(pellet), 과립(granule), 블록(block), 피그(pig), 패티(patty), 플러그(plug) 또는 퍽(puck) 형태인 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 주 크기가 10cm 이상인 복합 산물.
- 제 14 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 1kg인 복합 산물.
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