KR20160002420A - 성형탄 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

성형탄 및 그 제조 방법을 제공한다. 성형탄은 i) 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 ii) 용융가스화로에 연결되고, 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열된다. 성형탄의 제조 방법은 i) 미분탄을 제공하는 단계, ii) 미분탄 100 중량부에 대해 1~5 중량부의 경화제와 5~15 중량부의 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, 그리고 iii) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 미분탄을 제공하는 단계에서, 미분탄은 2wt% 내지 20wt%의 코크스, 및 나머지 탄재를 포함할 수 있다. 성형탄을 제공하는 단계에서, 성형탄의 기공율은 15vol% 내지 19vol%일 수 있다.

Description

성형탄 및 그 제조 방법 {COAL BRIQUETTES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 성형탄 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 코크스를 포함하는 성형탄 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

용융환원제철법에서는 철광석을 환원로와 환원된 철광석을 용융하는 용융가스화로를 사용한다. 용융가스화로에서 철광석을 용융하는 경우, 철광석을 용융할 열원으로서 성형탄을 용융가스화로에 장입한다. 여기서, 환원철은 용융가스화로에서 용융된 후, 용철 및 슬래그로 전환된 후 외부로 배출된다. 용융가스화로에 장입된 성형탄은 석탄충전층을 형성한다. 산소는 용융가스화로에 설치된 풍구를 통하여 취입된 후 석탄충전층을 연소시켜서 연소 가스를 생성한다. 연소가스는 석탄충전층을 통하여 상승하면서 고온의 환원 가스로 전환된다. 고온의 환원가스는 용융가스화로의 외부로 배출되어 환원가스로서 환원로에 공급된다.

성형탄은 역청탄을 사용하여 제조될 수 있다. 석탄 중 역청탄이 차지하는 비율이 매우 낮은 반면에 한국에서는 역청탄이 전혀 생산되지 않는다. 따라서 용철 제조에 필요한 역청탄 전량을 해외에서 수입하여 사용하고 있다. 전세계적으로도 대부분의 역청탄을 호주, 캐나다, 미국 등 일부 국가에서만 생산되고 있으므로, 야금용으로 사용되는 양질의 역청탄은 점차 고갈되면서 수급 불균형이 초래되고 가격이 급변동하고 있다.

코크스를 사용하여 내부에 포함된 휘발분이 잘 방출되면서 그 형상을 용융가스화로내에서 잘 유지할 수 있는 성형탄을 제공하고자 한다. 또한, 전술한 성형탄의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄은 i) 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 ii) 용융가스화로에 연결되고, 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은 i) 미분탄을 제공하는 단계, ii) 미분탄 100 중량부에 대해 1~5 중량부의 경화제와 5~15 중량부의 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, 그리고 iii) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다. 미분탄을 제공하는 단계에서, 미분탄은 2wt% 내지 20wt%의 코크스 및 나머지 탄재를 포함할 수 있다. 성형탄을 제공하는 단계에서, 성형탄의 기공율은 15vol% 내지 19vol%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 기공율은 15.46vol% 내지 18.09vol%일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 기공율은 17.06vol% 내지 18.09vol%일 수 있다.

성형탄을 제공하는 단계에서, 성형탄의 진밀도는 1.5g/cm³ 내지 1.6g/cm³일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 진밀도는 1.51g/cm³ 내지 1.57g/cm³일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 진밀도는 1.56g/cm³ 내지 1.57g/cm³일 수 있다. 코크스의 양은 5wt% 내지 20wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 코크스의 양은 12wt% 내지 18wt%일 수 있다.

미분탄을 제공하는 단계에서, 미분탄은 저품위탄을 더 포함할 수 있고, 저품위탄의 양은 0보다 크고 60wt% 이하일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 저품위탄의 양은 10wt% 내지 40wt%일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 저품위탄의 양은 17wt% 내지 23wt%일 수 있다. 미분탄을 제공하는 단계에서, 코크스의 입도는 0보다 크고 1mm 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄은 i) 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 ii) 용융가스화로에 연결되고, 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열된다. 성형탄은 i) 2wt% 내지 20wt%의 코크스 및 ii) 나머지 탄재를 포함하고, 15vol% 내지 19vol%의 기공율을 가진다. 더욱 바람직하게는, 성형탄은 15.46vol% 내지 18.09vol%의 기공율을 가진다. 더욱 바람직하게는, 기공율은 17.06vol% 내지 18.09vol%일 수 있다.

성형탄의 진밀도는 1.5g/cm³ 내지 1.6g/cm³일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 진밀도는 1.51g/cm³ 내지 1.57g/cm³일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 진밀도는 1.56g/cm³ 내지 1.57g/cm³일 수 있다. 코크스의 양은 2wt% 내지 20wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 코크스의 양은 12wt% 내지 18wt%일 수 있다.

성형탄은 저품위탄을 더 포함할 수 있고, 저품위탄의 양은 0보다 크고 60wt%이하일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 저품위탄의 양은 10wt% 내지 40wt%일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 저품위탄의 양은 17wt% 내지 23wt%일 수 있다. 코크스의 입도는 0보다 크고 1mm 이하일 수 있다.

코크스를 사용하여 용융가스화로에 장입된 성형탄이 돔부에서 분해되지 않도록 할 수 있다. 그리고 저품위탄을 사용하여 성형탄을 제조하므로, 성형탄의 제조 단가를 크게 낮출 수 있다. 또한, 저품위탄과 코크스를 사용하여 성형탄의 겉보기 밀도, 열간강도 및 촤회수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2은 도 1에 따라 제조한 성형탄을 고온 가열하여 얻어진 촤의 형성 과정을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 3은 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치의 개략적인 도면이다.
도 4는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 또다른 용철제조장치의 개략적인 도면이다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 성형탄의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 성형탄의 제조 방법을 다양하게 변형할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 성형탄의 제조 방법은, 미분탄을 제공하는 단계(S10), 미분탄에 경화제와 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(S20), 및 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계(S30)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 성형탄의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.

먼저, 단계(S10)에서는 미분탄을 제공한다. 미분탄은 코크스 및 나머지 탄재를 포함한다. 미분탄에 함유된 휘발분의 양은 20wt% 내지 35wt%이다. 휘발분의 양이 너무 적은 경우, 미분탄으로 제조한 성형탄을 용융가스화로에 장입하여 철광석의 환원에 필요한 충분한 양의 환원가스를 제조할 수 없다. 또한, 휘발분의 양이 너무 많은 경우, 용융가스화로에 장입된 성형탄이 쉽게 분화되어 용융가스화로에 장입된 환원철을 용융하기 위해 필요한 열원을 충분히 확보할 수 없다. 따라서 휘발분의 양을 전술한 범위로 조절한다.

석탄은 다양한 방식으로 분류될 수 있다. 석탄의 분류를 위해 석탄화도라는 기준이 사용될 수 있다. 석탄화도란 지하에서의 시간, 압력, 및 온도 변화에 따라 식물의 휘발분(volatile matter)이 감소하고 고정 탄소(fixed carbon)의 양이 증가하는 과정을 의미한다. 석탄은 석탄화도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다. 즉, 석탄은 그 석탄화도에 따라 탄소분(무수 무회 기준, dry ash free basis)이 약 60% 이하인 이탄, 약 60~70%인 갈탄, 약 70~75%인 아역청탄, 약 75~85%인 역청탄, 약 85~94%인 무연탄으로 구분된다.

한편, 석탄은 점결성 여부에 따라 점결탄과 비점결탄으로 분류될 수도 있다. 점결성을 가진 역청탄은 건류시 석탄입자가 서로 결합하는 특성을 가진다. 점결성은 석탄을 가열하면 350~400℃ 부근에서 열연화성 및 유동 현상을 보이면서 석탄 입자들이 상호 결합하여 열분해 가스 발생에 의해 팽창하며 450~500℃ 부근에서 고화에 의한 수축 현상을 나타내는 것을 의미한다. 점결성은 석탄을 820ㅁ5℃의 최종온도까지 가열하여 석탄의 팽창 특성을 측정하는 석탄-도가니 팽창지수 측정법(KS E ISO 501)에 의해 도가니 팽창지수(free swelling index, FSI)로 평가한다. 도가니 팽창지수가 3 이상인 석탄은 점결탄으로 분류하고, 도가니 팽창지수가 3 미만인 석탄은 비점결탄으로 분류한다.

점결성을 가진 역청탄은 주로 코크스 제조를 위한 야금용으로 사용된다. 한편, 비점결탄은 석탄 입자간에 결합 능력이 없으므로, 코크스 제조를 위해 사용시 코크스 품질이 저하되어 야금용으로 사용되지 못하였다. 그러므로 비점결탄이면서 높은 휘발분 함량을 가진 갈탄, 아역청탄 및 점결성이 없는 역청탄은 주로 발전용으로만 사용되어 왔다. 한편, 비점결탄이면서 높은 고정 탄소와 발열량을 가진 무연탄은 미분탄 취입 공정(pulverized coal injection, PCI)에 주로 사용되었다.

전술한 미분탄은 저품위탄을 더 포함할 수 있다. 저품위탄은 도가니 팽창지수(FSI)가 3 미만인 비점결탄으로서, 높은 휘발분 함량을 가지는 저가탄을 의미한다. 저품위탄은 주로 미분탄으로 분쇄하여 발전용으로 사용하여 왔다. 본 발명의 일 실시예에서는 야금용 석탄으로 사용하지 않는 저가의 저품위탄을 사용할 수 있다.

용융가스화로에 장입되는 성형탄은 용융가스화로의 상부에 위치한 돔부에서 약 1000℃의 고온가스기류와 직접 접촉하여 30℃/min 이상으로 급속 가열된다. 가열 속도가 증가하면 연화대가 고온으로 높아지고 유동도도 빠르게 증가한다. 극단적으로 3℃/min의 저속가열속도에서는 용융되지 않는 비점결탄도 급속가열속도에서는 용융된다. 석탄의 온도에 대한 점도 변화가 크고, 타르 입자가 크면서 가열 속도가 빠른 경우, 타르 방출에 따라 유동도가 변화하며, 산소가 많고 저속가열속도에서 교차 결합이 쉽게 발생한다. 그 결과, 급속 가열에 의해 석탄의 유동성이 증가한다. 따라서 용융이 쉽지 않은 경우에도 급속 가열에 의해 연화 용융이 발생한다.

야금용 코크스는 3℃/min으로 저속 가열하여 제조하므로, 석탄 자체의 유동성이 높아야 양질의 코크스를 제조할 수 있다. 따라서 낮은 점결성과 유동성을 가지는 저가의 저품위탄을 사용하는 경우, 코크스의 품질이 저하된다. 이와는 대조적으로, 성형탄은 용융가스화로에서 급속 가열되므로, 야금용 코크스의 제조시 사용할 수 없었던 저가의 저품위탄을 사용하여 성형탄을 제조할 수 있다. 예를 들면, 저품위탄으로서 발전용탄을 사용할 수 있다.

용융가스화로에 장입되는 성형탄을 형성하는 미분탄은 용융가스화로의 거동을 좌우한다. 따라서 제한된 특성의 미분탄만을 용융가스화로에 사용할 수 있다. 여기서, 미분탄은 냉간 강도, 열간 강도, 고온 분화율, 회분량 및 고정 탄소량 측면에서 다양한 조건을 충족시켜야 한다. 한편, 높은 평균반사율을 가진 품질조절용 석탄을 미분탄에 혼합하여 품질이 양호한 석탄을 제조할 수 있지만, 성형탄 제조 비용이 증가하는 문제점이 있다.

저품위탄의 양은 0 보다 크고 60wt%일 수 있다. 바람직하게는, 저품위탄의 양은 10wt% 내지 40wt% 일 수 있다. 저품위탄의 양이 너무 많은 경우, 제조되는 성형탄의 품질이 저하되므로, 성형탄이 고온에서 잘 분화되고 성형탄 촤강도가 저하되어 용융가스화로의 조업이 불안정해질 수 있다. 따라서 저품위탄의 양을 전술한 범위로 조절한다. 좀더 바람직하게는, 저품위탄의 양은 17wt% 내지 25wt% 일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 저품위탄의 양은 17wt% 내지 23wt% 일 수 있다.

저품위탄의 무수기준 고위발열량은 5,500Kcal/kg 내지 7,000Kcal/kg일 수 있다. 발열량은 단위 질량의 석탄이 완전 연소시에 방출되는 열량을 나타낸다. 발열량은 KS E3707 표준에 의해 측정되며, 무수기준의 고위 발열량(gross calorific value)으로 나타낸다. 야금용으로 주로 사용되는 역청탄 중에서 높은 점결력을 가지는 강점탄은 약 7,500Kcal/kg 이상의 높은 발열량을 가지고, 미점탄은 7,000 Kcal/kg 내지 7,500Kcal/kg의 발열량을 가진다. 야금용 석탄은 7,000kcal/kg 이상의 높은 발열량을 가지지만, 저품위탄은 25wt% 내지 40wt%의 휘발분(무수 기준, dry basis), 0 보다 크고 3 미만인 도가니 팽창지수 및 5,500Kcal/kg 내지 7,000Kcal/kg의 낮은 발열량을 가진다.

저품위탄의 휘발분 함량이 너무 높은 경우, 성형탄을 용융가스화로에 장입시 성형탄에 함유된 휘발분 성분이 급속하게 방출되면서 성형탄이 분화된다. 그 결과, 용융가스화로의 조업이 불안정해질 수 있다. 휘발분 함량이 25% 미만인 석탄 중에서 도가니 팽창지수가 높은 점결탄은 코크스 제조의 야금용으로 주로 사용되는 고가의 고품위탄이다. 반대로, 도가니 팽창지수가 낮은 비점결탄은 미분탄 취입 공정에 주로 사용되는 무연탄으로서 발열량이 높은 석탄이다. 따라서, 저품위탄 중에서 휘발분 함량이 25% 미만이면서 도가니 팽창 지수가 낮고, 발열량도 낮은 석탄은 존재하지 않는다.

도가니 팽창지수가 높은 석탄은 코크스 제조용으로 사용이 가능하기 때문에 고가의 가격으로 거래된다. 만약, 도가니 팽창지수가 높은 석탄을 발전용으로 사용하는 경우, 미분탄이 취입되는 과정에서 온도 상승에 따라 석탄이 팽창해 취입 노즐이 막힌다. 따라서, 취입 도중에 취입 노즐이 막히지 않을 정도로 도가니 팽창지수가 0 보다 크고 3 미만 정도로 낮은 비점결탄만을 발전용이나 미분탄 취입 공정에 사용할 수 있다.

저품위탄의 발열량이 너무 낮은 경우, 성형탄을 용융가스화로에 장입시 환원철을 용융하기 위한 충분한 열량을 확보할 수 없다. 또한, 발열량이 높은 저품위탄을 사용해도 좋지만, 발열량이 높은 비점결탄은 미분탄 취입 공정에 주로 사용되는 무연탄으로서 낮은 휘발분을 가진다. 따라서, 저품위탄 중에서 25% 내지 40%의 휘발분 함량(무수 기준, dry basis)을 가지고, 낮은 도가니 팽창 지수를 가진 비점결탄으로서 발열량도 높은 석탄은 존재하지 않는다. 따라서 저품위탄의 발열량을 전술한 범위로 유지한다.

한편, 미분탄에는 2wt% 내지 20wt%의 코크스를 첨가할 수 있다. 코크스로서 분코크스 또는 코크스 더스트를 사용할 수 있다. 여기서, 분코크스는 코크스 건식 소화(coke dry quench, CDQ)가 완료된 코크스를 스크리닝 파쇄해서 얻는다. 또한, 코크스 건식 소화 설비에서 발생하는 분진을 포집하여 코크스 더스트로서 사용한다. 이 경우, 코크스의 입도는 0보다 크고 1mm 이하일 수 있다. 코크스의 입도가 너무 큰 경우, 성형탄을 제조시 성형탄의 냉간 강도 등의 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서 코크스의 입도를 전술한 범위로 조절한다.

저품위탄은 높은 휘발분 함량을 가지고, 고정탄소의 함량이 역청탄에 비해 적으므로, 용철 제조에 사용할 수 없었다. 이러한 저품위탄을 포함하는 성형탄을 용융가스화로에 사용하는 경우, 성형탄에 의한 환원가스의 발생량은 많지만 상대적으로 촤 생성량은 적어진다. 이 경우, 용융가스화로에 필요한 충분한 양의 촤를 공급하기 위해 좀더 많은 성형탄을 용융가스화로에 투입해야 한다. 환원가스는 잉여 상태이지만 용선 생산톤당 사용되는 석탄의 사용량이 증가하므로, 용철 제조 원가가 상승한다. 따라서 높은 탄소 함량을 가진 코크스를 미분탄에 부분적으로 혼합하여 성형탄에 필요한 고정 탄소의 양을 확보한다.

전술한 바와 같이 코크스를 사용하여 성형탄의 고정 탄소의 양을 증가시킬 수 있고, 코크스에 의해 성형탄에 함유된 휘발분이 성형탄 외부로 잘 빠져나가도록 하는 통로를 제공할 수 있다. 따라서 성형탄이 용융가스화로에 장입되어 고온 가열되는 경우, 성형탄이 촤로 변형되면서 붕괴되지 않고 용융가스화로 하부로 낙하하면서 그 형상을 그대로 유지한다. 그러므로 성형탄은 환원철의 용융에 필요한 열을 충분히 공급하여 용철 제조시의 연료비를 절감할 수 있다.

도 2는 도 1에 따라 제조한 성형탄을 고온 가열하여 얻어진 촤(100)의 형성 과정을 개략적으로 나타낸다. 도 2의 확대원에는 용융가스화로(60)에 장입되어 고온 가열에 의해 형성된 촤(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 촤(100)의 형상은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 촤(100)의 형상을 다양하게 변형할 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 촤(100)에는 통로들(1001)이 형성된다. 즉, 성형탄이 용융가스화로(60)에 장입되는 경우, 돔부(601)의 고온 가스에 의해 가열되면서 성형탄에 함유된 휘발분이 외부로 빠져나가면서 촤(100)가 형성되고 그 내부에 통로들(1001)이 형성된다. 성형탄이 코크스를 포함하므로, 코크스로 인하여 촤(100)에 통로들(1001)이 잘 형성되면서 휘발분이 이를 통하여 외부로 잘 배출된다. 즉, 촤(100)의 전 표면에 걸쳐서 통로들이 형성되는 것이 아니라 코크스가 위치한 부분만 선택적으로 통로들(1001)이 형성되므로, 촤(100)가 잘 붕괴되지 않는다. 그 결과, 촤(100)가 용융가스화로(60)에서 생성되면서 점선 화살표로 도시한 바와 같이 용융가스화로(60)의 하부까지 낙하하여 환원철의 용융에 필요한 열을 충분히 공급할 수 있다.

다시 도 1로 되돌아가면, 단계(S20)에서는 미분탄 100 중량부에 대해 1~5 중량부의 경화제와 5~15 중량부의 바인더를 혼합한 혼합물을 제조한다. 경화제로는 생석회, 소석회, 탄산칼슘, 시멘트, 벤토나이트, 클레이 또는 석회석 등을 사용할 수 있다. 경화제의 양이 너무 적은 경우, 바인더와 경화제의 화합 결합이 충분히 일어나지 않아 성형탄의 강도를 충분하게 확보할 수 없다. 또한, 경화제의 양이 너무 많은 경우, 성형탄내의 애쉬(ash)가 많아져서 용융가스화로내에서 연료로서 충분한 역할을 할 수 없다. 따라서 경화제의 양을 전술한 범위로 조절한다.

바인더로는 당밀, 비튜멘, 아스팔트, 석탄타르, 피치, 전분, 물유리, 플라스틱, 고분자수지 또는 오일 등을 사용할 수 있다. 한편, 바인더의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 강도가 악화될 수 있다. 또한, 바인더의 양이 너무 많은 경우, 미분탄과 바인더의 혼합시에 부착 등의 문제점이 발생한다. 따라서 바인더의 양을 전술한 범위로 조절한다.

한편, 경화제와 바인더는 그 혼합 순서를 임의로 설정할 수 있다. 따라서 경화제를 미분탄과 혼합한 후 여기에 바인더를 혼합하거나 바인더를 미분탄과 혼합한 후 경화제를 여기에 혼합할 수 있다.

마지막으로, 단계(S30)에서는 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공한다. 도 1에는 도시하지 않았지만, 상호 반대 방향으로 회전하는 쌍롤들 사이에 혼합물을 장입하여 포켓 또는 스트립 형태의 성형탄을 제조할 수 있다. 그 결과, 우수한 열간강도 및 냉간강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다.

도 1의 단계(S30)에서 제조한 성형탄의 기공율은 15vol% 내지 19vol%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 기공율은 15.46vol% 내지 18.09vol%일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 성형탄의 기공율은 17.06vol% 내지 18.09vol%일 수 있다. 성형탄의 기공율은 성형탄에 포함된 코크스의 양에 따라 좌우될 수 있다. 즉, 코크스는 휘발분이 거의 제거된 상태이므로, 오픈 포어(open pore)가 발달되어 있다. 따라서 성형탄에 코크스가 많이 포함될수록 성형탄의 기공율은 증가한다.

성형탄의 기공율이 너무 작은 경우, 성형탄을 용융가스화로에 장입시 성형탄으로부터 휘발분이 배출될 수 있는 통로가 형성되기 어려워 성형탄이 환원철의 용융에 필요한 열량을 충분히 공급하지 못한 상태로 바로 분해될 수 있다. 또한, 성형탄의 기공율이 너무 큰 경우, 성형탄의 냉간 강도가 충분히 확보되지 못하여 성형탄이 이송 도중 부서지는 경우가 발생될 수 있다. 따라서 전술한 범위로 성형탄의 기공율을 유지하는 것이 바람직하다.

전술한 성형탄의 기공율은 하기의 수학식 1로 계산할 수 있다. 여기서, 진밀도는 성형탄의 질량을 성형탄 시료에 존재하는 모든 오픈 포어를 제외한 순수한 시료만의 부피를 측정하여 나누어 측정한 값을 의미한다. 또한, 겉보기 밀도는 성형탄의 질량을 성형탄에 포함된 공극을 포함하는 성형탄 자체의 부피로 나눈 값을 의미한다.

[수학식 1]

기공율 = (진밀도-겉보기밀도)/진밀도 x 100

한편, 성형탄의 진밀도(true density)는 1.5g/cm³ 내지 1.6g/cm³일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 성형탄의 진밀도는 1.51g/cm³ 내지 1.57g/cm³일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 성형탄의 진밀도는 1.56g/cm³ 내지 1.57g/cm³일 수 있다. 여기서, 성형탄의 진밀도는 성형탄의 질량을 성형탄 시료에 존재하는 모든 오픈 포어를 제외한 순수한 시료만의 부피를 측정하여 나누어 측정한 값을 의미한다. 성형탄의 진밀도는 성형탄에 포함된 코크스의 양과 비례할 수 있다. 즉, 코크스는 휘발분이 거의 제거된 상태이므로, 오픈 포어가 잘 발달되어 있다. 따라서 성형탄에 코크스가 많이 포함될수록 성형탄의 진밀도가 증가할 수 있다. 성형탄의 진밀도가 너무 큰 경우, 성형탄의 냉간 강도가 저하될 수 있다. 또한, 성형탄의 진밀도가 너무 낮은 경우, 성형탄을 용융가스화로에 장입시 그 내부의 휘발분이 빠져나올 수 있는 통로가 형성되지 않아 성형탄이 바로 분해될 수 있다. 따라서 성형탄의 진밀도를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

도 3은 도 1에서 제조한 성형탄을 사용하는 용철제조장치(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 용철제조장치(200)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 2의 용철제조장치(200)를 다양한 형태로 변형할 수 있다.

도 3의 용철제조장치(200)는 용융가스화로(60) 및 환원로(20)를 포함한다. 이외에 필요에 따라 기타 다른 장치를 포함할 수 있다. 환원로(20)에는 철광석이 장입되어 환원된다. 환원로(20)에 장입되는 철광석은 사전 건조된 후에 환원로(20)를 통과하면서 환원철로 제조된다. 환원로(20)는 충전층형 환원로로서, 용융가스화로로(60)부터 환원가스를 공급받아 그 내부에 충전층을 형성한다.

도 1의 제조 방법으로 제조한 성형탄은 용융가스화로(60)에 장입되므로, 용융가스화로(60)의 내부에는 석탄충전층이 형성된다. 용융가스화로(60)의 상부에는 돔부(601)가 형성된다. 즉, 용융가스화로(60)의 다른 부분에 비해 넓은 공간이 형성되고, 여기에는 고온의 환원가스가 존재한다. 따라서 고온의 환원가스에 의해 돔부(601)에 장입되는 성형탄이 쉽게 분화될 수 있다. 그러나 도 1의 방법으로 제조한 성형탄은 높은 열간 강도를 가지므로, 용융가스화로(60)의 돔부에서 분화되지 않고, 용융가스화로(60)의 하부까지 낙하한다. 성형탄의 열분해 반응에 의해 생성된 촤는 용융가스화로(60)의 하부로 이동하여 풍구(30)를 통해 공급되는 산소와 발열 반응한다. 그 결과, 성형탄은 용융가스화로(60)를 고온으로 유지하는 열원으로서 사용될 수 있다. 한편, 촤가 통기성을 제공하므로, 용융가스화로(60)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 환원로(20)에서 공급된 환원철이 용융가스화로(60)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과할 수 있다.

전술한 성형탄 이외에 괴상 탄재 또는 코크스를 필요에 따라 용융가스화로(60)에 장입할 수도 있다. 용융가스화로(60)의 외벽에는 풍구(30)를 설치하여 산소를 취입한다. 산소는 석탄충전층에 취입되어 연소대를 형성한다. 성형탄은 연소대에서 연소되어 환원가스를 발생시킬 수 있다.

도 4는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치(300)를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 용철제조장치(300)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 4의 용철제조장치(300)를 다양한 형태로 변형할 수 있다. 도 4의 용철제조장치(300)의 구조는 도 2의 용철제조장치(200)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 용철제조장치(300)는 용융가스화로(60), 환원로(22), 환원철 압축장치(40) 및 압축 환원철 저장조(50)를 포함한다. 여기서, 압축 환원철 저장조(50)는 생략할 수 있다.

제조된 성형탄은 용융가스화로(60)에 장입된다. 여기서, 성형탄은 용융가스화로(60)에서 환원가스를 발생시키고 발생된 환원가스는 유동층형 환원로에 공급된다. 분철광석은 유동층을 가진 복수의 환원로들(22)에 공급되고, 용융가스화로(60)로부터 환원로들(22)에 공급된 환원가스에 의해 유동되면서 환원철로 제조된다. 환원철은 환원철 압축장치(40)에 의해 압축된 후 압축 환원철 저장조(50)에 저장된다. 압축된 환원철은 압축 환원철 저장조(50)로부터 용융가스화로(60)에 공급되어 용융가스화로(60)에서 용융된다. 성형탄은 용융가스화로(60)에 공급되어 통기성을 가진 촤로 변하므로, 용융가스화로(60)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 압축된 환원철이 용융가스화로(60)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과하여 양질의 용철을 제조할 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예

평균성상을 가지고 3.4mm 이하의 입도를 가지는 미분탄을 준비하였다. 미분탄은 야금용탄, 저품위탄 및 코크스를 혼합하여 제조하였다. 사용한 야금용탄, 저품위탄 및 코크스의 특성을 하기의 표 1에 나타낸다. 저품위탄은 발전용탄으로서 그 휘발분 함량은 30% 이상이었고, 점결성(free swelling index)은 1이었다. 그리고 코크스로는 CDQ(coke dry quenched) 더스트를 사용하였다.

제조한 미분탄 100 중량부에 대하여 경화제로서 생석회 2.7 중량부를 혼합한 후, 바인더로서 11 중량부의 당밀을 균일하게 혼합해 혼합물을 제조하였다. 혼합물을 롤프레스로 압축하여 64.5mm X 25.4mm X 19.1mm 크기의 베게 형상의 성형탄을 제조하였다. 그리고 성형탄의 무게, 진밀도 및 겉보기 밀도를 측정하였다.

실험예 1

20wt%의 야금용탄 A, 50wt%의 야금용탄 B, 28wt%의 저품위탄 C, 및 2wt%의 코크스 D를 혼합하여 미분탄을 제조하였다.

실험예 2

25wt%의 야금용탄 A, 45wt%의 야금용탄 B, 25wt%의 저품위탄 C, 및 5wt%의 코크스 D를 혼합하여 미분탄을 제조하였다.

실험예 3

20wt%의 야금용탄 A, 50wt%의 야금용탄 B, 22wt%의 저품위탄 C, 및 8wt%의 코크스 D를 혼합하여 미분탄을 제조하였다.

실험예 4

30wt%의 야금용탄 A, 40wt%의 야금용탄 B, 20wt%의 저품위탄 C, 및 10wt%의 코크스 D를 혼합하여 미분탄을 제조하였다.

실험예 5

10wt%의 야금용탄 A, 55wt%의 야금용탄 B, 23wt%의 저품위탄 C, 및 12wt%의 코크스 D를 혼합하여 미분탄을 제조하였다.

실험예 6

30wt%의 야금용탄 A, 35wt%의 야금용탄 B, 20wt%의 저품위탄 C, 및 15wt%의 코크스 D를 혼합하여 미분탄을 제조하였다.

실험예 7

25wt%의 야금용탄 A, 40wt%의 야금용탄 B, 17wt%의 저품위탄 C, 및 18wt%의 코크스 D를 혼합하여 미분탄을 제조하였다.

실험예 8

20wt%의 야금용탄 A, 40wt%의 야금용탄 B, 20wt%의 저품위탄 C, 및 20wt%의 코크스 D를 혼합하여 미분탄을 제조하였다.

성형탄의 물성측정 실험결과

전술한 실험예 1 내지 실험예 8에 따라 제조한 성형탄의 배합단가, 진밀도, 기공률, 낙하강도, 촤회수율 및 열간강도를 하기의 표 2에 나타낸다. 여기서, 성형탄의 배합단가에서 바인더는 계산에 적용하지 않았으며, $/ton으로 야금용탄 A 186.3, 야금용탄 B 139.4, 저품위탄 C 120.3, 첨가제 194.6으로 계산하였다. 진밀도는 Micromeritics Instrument사의 Accupyc 1340 Pycnometer에서 헬륨가스를 사용하여 성형탄 시료에 존재하는 모든 오픈 포어를 제외한 순수한 시료만의 부피를 측정하여 계산하였다. 그리고 성형탄 낙하강도는 성형탄 2kg을 5m 높이에서 4회 자유낙하시킨 후에 +20mm 이상의 입도를 가진 성형탄 비율로부터 구하였다. 또한, 성형탄의 열간강도는 1000℃의 N₂ 분위기에서 1kg의 성형탄을 반응관에 장입한 후에 2rpm으로 15분 및 20rpm으로 30분 회전한 후에 +13mm 이상의 입도를 가지는 촤 비율로부터 구하였다. 또한, 촤회수율은 열간강도 측정에서 얻어진 촤의 무게를 측정시에 장입한 성형탄의 무게로 나눈값으로부터 구하였다.

표 2에 기재한 바와 같이, 실험예 1 내지 실험예 8에 따라 제조한 성형탄의 기공율은 15.46vol% 내지 18.09vol%이라는 것을 알 수 있었다. 이 경우, 성형탄의 냉간강도를 나타내는 낙하강도와 성형탄의 열간강도를 나타내는 고온회전강도에서 비교적 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

촤의 물성측정 실험

비교예 1

30wt%의 야금용탄 A, 45wt%의 야금용탄 B 및 25wt%의 저품위탄 C를 혼합하여 미분탄을 제조하였다. 미분탄에 코크스는 첨가하지 않았다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

비교예 2

30wt%의 야금용탄 A, 50wt%의 야금용탄 B 및 20wt%의 저품위탄 C를 혼합하여 미분탄을 제조하였다. 미분탄에 코크스는 첨가하지 않았다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

촤의 물성측정 실험 결과

전술한 실험예 1 내지 실험예 8, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 성형탄을 1000℃에서 열간강도 평가하여 얻어진 촤의 겉보기 밀도를 측정하였다. 전술한 실험예 1 내지 실험예 8, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 성형탄 촤의 겉보기 밀도 측정 결과를 하기의 표 3에 나타낸다.

여기서, 촤의 겉보기밀도는 Micrometitics Instrument사의 Geopyc 1360에서 DryFlo(20㎛)라는 물질을 사용하여 촤 시료를 넣기 전과 넣은 후를 측정하여, 전과 후의 부피 측정값의 차이를 이용해 측정하였다.

전술한 1 내지 실험예 8, 비교예 1 및 비교예 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 실험예 1 내지 실험예 8에서의 촤의 겉보기 밀도, 열간강도 및 촤회수율이 비교예 1 및 비교예 2의 촤의 겉보기 밀도, 열간강도 및 촤회수율보다 우수하다는 것을 알 수 있었다.

실험예 3 내지 실험예 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 저품위탄을 비교적 적게 사용하는 경우, 우수한 열간 강도를 가지는 촤를 얻을 수 있었다. 더욱 바람직하게는, 실험예 5 내지 실험예 8에서 우수한 열간 강도를 가지는 촤가 얻어졌다.

한편, 실험예 1 내지 실험예 8에서의 촤의 공극 부피는 비교예 1 및 비교예 2의 촤의 공극 부피에 비해 작은 것이 확인되었다. 이는 실험예 1 내지 실험예 8에서 제조한 성형탄에 포함된 코크스로 인하여 성형탄이 촤로 변화하면서 그 내부에 통로가 형성되었고, 성형탄에 포함된 휘발분이 이 통로들을 통하여 외부로 잘 배출되었기 때문인 것으로 추측되었다. 즉, 코크스가 촤에서 특정 통로들을 형성하고, 이러한 특정 통로들을 통해서만 성형탄 내부의 휘발분이 외부로 잘 배출되므로, 촤가 빨리 붕괴되는 현상을 방지할 수가 있어서 용융가스화로에 성형탄을 사용시 환원철의 용융에 필요한 열을 충분히 공급할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 반면에, 코크스를 사용하지 않은 비교예 1 및 비교예 2의 성형탄은 촤에 특정 통로들이 아닌 일반적인 통로들이 형성되고 이로 인해 촤가 잘 분해되어 용융가스화로에 사용시 환원철에 충분한 열량을 공급할 수 없다는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 전술한 촤의 겉보기 밀도는 성형탄의 기공율 및 진밀도와 어느 정도 연관성이 있는 것으로 확인되었다. 즉, 촤의 겉보기 밀도가 성형탄의 기공율 및 진밀도에 어느 정도 영향을 받는 것으로 예측되었다. 코크스는 오픈 포어(open pore)가 발달되어 있으므로, 성형탄에 코크스가 많이 포함될수록 성형탄의 진밀도와 기공율이 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 고온에서 성형탄이 촤로 변하는 경우, 코크스의 오픈 포어를 통하여 성형탄 내부에서 발생된 휘발분이 외부로 잘 배출되었다. 이로 인해 촤의 크기와 겉보기 밀도가 증가하는 경향을 나타내었다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

20, 22. 환원로
30. 풍구
40. 환원철 압축장치
50. 압축 환원철 저장조
60. 용융가스화로
100. 촤
200, 300. 용철제조장치
601. 돔부
1001. 통로

Claims (24)

1. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
   상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
   를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄의 제조 방법으로서,
   미분탄을 제공하는 단계,
   상기 미분탄 100 중량부에 대해 1~5 중량부의 경화제와 5~15 중량부의 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, 및
   상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계
   를 포함하고,
   상기 미분탄을 제공하는 단계에서, 상기 미분탄은 2wt% 내지 20wt%의 코크스 및 나머지 탄재를 포함하고,
   상기 성형탄을 제공하는 단계에서, 상기 성형탄의 기공율은 15vol% 내지 19vol%인 성형탄의 제조 방법.
2. 제1항에서,
   상기 기공율은 15.46vol% 내지 18.09vol%인 성형탄의 제조 방법.
3. 제2항에서,
   상기 기공율은 17.06vol% 내지 18.09vol%인 성형탄의 제조 방법.
4. 제1항에서,
   상기 성형탄을 제공하는 단계에서, 상기 성형탄의 진밀도는 1.5g/cm³ 내지 1.6g/cm³인 성형탄의 제조 방법.
5. 제4항에서,
   상기 성형탄의 진밀도는 1.51g/cm³ 내지 1.57g/cm³인 성형탄의 제조 방법.
6. 제5항에서,
   상기 성형탄의 진밀도는 1.56g/cm³ 내지 1.57g/cm³인 성형탄의 제조 방법.
7. 제1항에서,
   상기 코크스의 양은 5wt% 내지 20wt%인 성형탄의 제조 방법.
8. 제7항에서,
   상기 코크스의 양은 12wt% 내지 18wt%인 성형탄의 제조 방법.
9. 제1항에서,
   상기 미분탄을 제공하는 단계에서, 상기 미분탄은 저품위탄을 더 포함하고,
   상기 저품위탄의 양은 0보다 크고 60wt%인 성형탄의 제조 방법.
10. 제9항에서,
    상기 저품위탄의 양은 10wt% 내지 40wt%인 성형탄의 제조 방법.
11. 제10항에서,
    상기 저품위탄의 양은 17wt% 내지 23wt%인 성형탄의 제조 방법.
12. 제1항에서,
    상기 미분탄을 제공하는 단계에서, 상기 코크스의 입도는 0보다 크고 1mm 이하인 성형탄의 제조 방법.
13. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
    상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
    를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄으로서,
    2wt% 내지 20wt%의 코크스, 및
    나머지 탄재
    를 포함하고,
    상기 성형탄은 15vol% 내지 19vol%의 기공율을 가지는 성형탄.
14. 제13항에서,
    상기 기공율은 15.46vol% 내지 18.09vol%인 성형탄.
15. 제14항에서,
    상기 기공율은 17.06vol% 내지 18.09vol%인 성형탄.
16. 제13항에서,
    상기 성형탄의 진밀도는 1.5g/cm³ 내지 1.6g/cm³인 성형탄.
17. 제16항에서,
    상기 진밀도는 1.51g/cm³ 내지 1.57g/cm³인 성형탄.
18. 제17항에서,
    상기 진밀도는 1.56g/cm³ 내지 1.57g/cm³인 성형탄.
19. 제13항에서,
    상기 코크스의 양은 2wt% 내지 20wt%인 성형탄.
20. 제19항에서,
    상기 코크스의 양은 12wt% 내지 18wt%인 성형탄.
21. 제13항에서,
    상기 성형탄은 저품위탄을 더 포함하고, 상기 저품위탄의 양은 0보다 크고 60wt% 이하인 성형탄의 제조 방법.
22. 제21항에서,
    상기 저품위탄의 양은 10wt% 내지 40wt%인 성형탄의 제조 방법.
23. 제22항에서,
    상기 저품위탄의 양은 17wt% 내지 23wt%인 성형탄의 제조 방법.
24. 제13항에서,
    상기 코크스의 입도는 0보다 크고 1mm 이하인 성형탄.

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