KR20210075976A - 결합제 배합물 - Google Patents

Abstract

하나 이상의 실리케이트 및 가공 조제를 포함하는, 철광석 펠릿을 위한 결합제 배합물, 이러한 결합제 배합물을 포함하는 펠릿 및 기술된 바와 같은 결합제 배합물을 미립자 철광석과 혼합하는 것 및 펠릿을 형성하는 것을 포함하는 철광석 펠릿을 제조하는 방법.

Description

결합제 배합물

본 발명은 철광석 펠릿을 위한 결합제 배합물, 특히 실리케이트를 포함하는 결합제 배합물, 결합제 배합물을 포함하는 철광석 펠릿 및 이것을 제조하는 방법에 관한 것이다.

미립자 철 및 다른 금속 광석으로부터 단광을 제조하는 것은 일반적으로 관련 기술분야에 공지되어 있다. 응집된 단광이 파손되는 것은 통상적인 일이며, 전형적으로 강도를 개선하기 위해 시멘트 또는 점토와 같은 결합제를 사용하여 입자들을 함께 결합시킨다.

이러한 단광은 고로에서 또는 직접환원제철 (DRI)에서 사용된다. 단광은, 단광이 고로 내에서 성공적으로 이송되고 사용될 수 있도록 하기 위해, 충분히 강하도록 설계된다. 단광은 고로를 통해 융해로로 이동되는 동안에 덩어리를 유지할 수 있어야 하는데, 그렇지 않으면 고로 또는 DRI 설비의 성능이 나쁜 영향을 받을 수 있다. 시멘트 또는 점토를 사용하는 것과 관련된 문제는 그로 인해 공정이 끝날 즈음에 생성되는 철 및 슬래그에서 실리카의 양이 증가한다는 것이다.

이러한 단광에 필요한 높은 강도로 인해, 전분 또는 폴리비닐 알콜 (PVA)과 같은 더 비싼 결합제는 그 사용이 제한되었고, 따라서 탁월한 응집, 신속한 경화 및 탁월한 그린 강도(green strength)를 제공할 수 있는, 기존 결합제 배합물에 대한 비용-효과적인 대안을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 이러한 문제의 적어도 일부 측면을 극복하거나 경감시키려는 의도를 갖는다.

따라서, 본 발명의 첫 번째 측면에서는, 하나 이상의 실리케이트 및 가공 조제를 포함하는, 철광석 펠릿을 위한 결합제 배합물이 제공된다. 실리케이트가 존재함으로 인해 응집 및 경화가 용이해지는 것으로 나타났으며, 이는 철광석에서 실리케이트 상대 이온 (예컨대 나트륨)과 철 사이의 이온 교환이 촉진되기 때문이라고 생각된다. 이로 인해 신속한 고화 및 탁월한 그린 강도가 초래되어, 단광의 이송 전에 필요한 경화 시간이 단축되고 고로 내에서의 이동 및 사용 동안의 손실이 저감된다. 실리케이트가 포함됨으로 인해, 펠릿을 고화시키기 위해 가열하는 바람직하지 않은 단계 또는 화학 경화제를 포함시키는 단계를 취할 필요가 없어진다. 가열 단계는 펠릿 형성 공정을 더 복잡하게 만들고 필요한 에너지로 인해 비용이 증가하므로 바람직하지 않고; 화학 경화제는 일반적으로 또한 비싸거나 추가의 가공 단계를 필요로 하므로 (예컨대 이산화탄소 경화가 사용되는 경우에) 그것의 사용을 피하는 것이 유리하다.

전형적으로 실리케이트는 I족 또는 II족 실리케이트, 종종 규산나트륨 또는 규산칼슘을 포함한다. 규산나트륨은 아마도 이온 불안정성으로 인해 특히 유익한 것으로 밝혀졌다. 규산나트륨은 또한 용이하게 입수 가능하며 저렴하다. 사용되는 경우에, 규산나트륨은 2.5 초과 또는 2.8의 Na:Si 비를 가질 수 있는데, 왜냐하면 이러한 비에서 분산을 위한 점도와 신속한 경화 사이의 최적 균형이 달성되기 때문이다. 실리케이트가 배합물의 60 - 98 wt%, 종종 75 - 95 wt%의 범위로 존재하는 경우가 종종 있을 것이다. 이러한 수준에서는 신속한 경화가 관찰되어, 펠릿 형성으로부터 최소의 시간이 경과한 후에 탁월한 그린 강도가 얻어진다.

용어 "펠릿"은 통상적으로 펠릿, 막대, 연필형 슬러그라고 지칭되는 물체를 포함한다는 것을 유념해야 한다. 펠릿은 전형적으로 20mm, 더 전형적으로 16mm 또는 15mm의 최대 평균 직경, 2mm, 특히, 5mm의 최소 평균 직경 또는 10-12mm의 평균 직경을 갖는다. 이러한 물체는 압축된 형태의 물질이라는 공통된 특징을 공유하며 주로 그것의 크기 및 형상에 의해 구별된다.

가공 조제는 폴리사카라이드, 셀룰로스 증점제 및 그의 조합으로부터 선택된 첨가제를 포함할 수 있다. 종종, 폴리사카라이드 및/또는 셀룰로스 증점제는 구아 검, 아라비아 검, 크산탄 검, 전분, 히드록시에틸 셀룰로스, 메틸 셀룰로스, 메틸 히드록시에틸 셀룰로스 및 그의 조합으로부터 선택된다. 이러한 가공 조제는 펠릿을 증점할 뿐만 아니라 안정화시켜 화학적 분화(chemical degradation)를 저감시키고 저장 수명을 개선하는 것으로 밝혀졌다. 추가로, 비-시멘트 기재의 가공 조제를 선택하면, 철 가공 동안에 생성되는 슬래그 증가라는 통상적인 문제가 없어지고, 시멘트 또는 점토 기재의 가공 조제를 첨가할 필요가 없다는 것이 본 발명의 특징이다. 구아 검 및 메틸 히드록시에틸 셀룰로스가 종종 사용되는데, 왜냐하면 이러한 가공 조제는 철광석을 펠릿으로 가공하는 것을 도울 뿐만 아니라 실리케이트만을 함유하는 펠릿에 비해 그린 강도를 추가로 개선하는 것으로 밝혀졌기 때문이다. 구아 검은 천연 물질이기 때문에 철광석 펠릿의 친환경 인증이 우려되는 경우에 사용될 수 있다. 가공 조제는 배합물의 5 - 25 wt% 또는 10 - 20 wt%의 범위로 배합물에 존재할 수 있으며, 압출 가공 시 이러한 수준의 가공 조제는 미립자 물질이 압출기 부품들을 폐색하거나 그것에 달리 침투함으로써 압출기를 정지시키는 것을 방지하는 것으로 밝혀졌다.

세팅제(setting agent)가 또한 존재할 수 있고, 이것은 실리케이트의 중합을 촉진하여 겔화 및 향상된 응집을 유발할 수 있다. 세팅제는 글리세롤 트리아세테이트, 글리시독시프로필트리메톡시실란, 흄드 실리카, 포타슘 메틸실리코네이트 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다. 종종 세팅제는 글리시독시프로필트리메톡시실란을 포함할 것인데, 왜냐하면 이것은 탁월한 접착을 제공하기 때문이다. 세팅제는 결합제 배합물의 0.5 - 1.0 wt%의 범위로 존재할 수 있다.

SLS (소듐 라우릴 술페이트)와 같은 계면활성제가, 예를 들어, 첨가제에 의해 촉진되는 철의 습윤을 개선하기 위해 미량으로 첨가될 수 있다.

방수제가 펠릿의 물질의 내후성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 이것은 미립자 물질과 조합되거나, 예를 들어 분무에 의해, 펠릿의 외부 표면 상의 층으로서 조합될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 스티렌-아크릴레이트 공중합체, 및 역청 에멀젼을 포함한다.

결합제 배합물을 예비-혼합하여, 펠릿 제조 동안에 전체 배합물을 미립자 철광석에 첨가하도록 "미리-혼합된" 결합제 제품을 제공할 수 있다. 또는 결합제 배합물을 현장에서 제조하여, 개별 성분을 곧바로 미립자 철광석에 첨가함으로써 그것들이 서로 혼합되도록 함과 동시에 철광석과도 혼합되도록 할 수 있다. 예를 들어, 가공 조제를 실리케이트보다 먼저 철광석에 첨가하거나, 실리케이트를 가공 조제보다 먼저 첨가할 수 있다. 실리케이트를 가공 조제보다 먼저 첨가하는 경우에, 실리케이트와 철 사이에 강한 결합이 형성되어 경화 속도가 향상된다.

본 발명의 두 번째 측면에서는, 본 발명의 첫 번째 측면에 따른 결합제 배합물을 포함하는 철광석 펠릿이 제공된다. 펠릿은 1 - 10, 종종 2 - 6 wt% 범위의 실리케이트, 및 독립적으로 0.1 - 2 wt% 또는 0.5 - 1.5 wt% 범위의 가공 조제를 포함할 수 있다. 이러한 수준에서, 펠릿은 응집이 잘 되고 (특히 압출 방법을 통해) 가공하기 쉽고 신속한 경화 및 그린 강도를 나타내는 것으로 밝혀졌다.

펠릿은 또한 미립자 철광석을 포함할 것이며, 이것은 전형적으로 4mm 이하, 더 전형적으로 1mm 미만, 또는 500μm 미만 또는 100μm 미만의 직경을 갖는다. 이는 체의 통과 여부에 의해 결정될 수 있다. 전형적으로 적어도 10 중량%의 미립자 물질은 펠릿으로 형성되기 전에 100μm 체를 통과할 수 있다. 더 전형적으로 30μm 또는 20μm의 체 크기가 물질을 체질하는 데 사용된다. 적어도 50%, 80% 또는 100%의 물질이 체를 통과할 수 있다.

전형적으로 철광석은, 예를 들어, 전기 아크로로부터 나온 광미 또는 분진이다. 광석은 자철석 (Fe₃O₄) 및/또는 적철석 (Fe₂O₃)일 수 있다. 철광석은 자연적으로 발생하는 오염 물질을 포함할 수 있다.

미립자 철광석은 50% 미만의 수분 함량, 더 전형적으로 30% 미만 또는 25% 미만의 수분 함량을 가질 수 있다. 전형적으로 수분 함량은 적어도 2 중량% 또는 적어도 5 중량% 또는 10 중량%이다.

본 발명의 세 번째 측면에서는, 본 발명의 첫 번째 측면에 따른 결합제 배합물을 미립자 철광석과 혼합하는 것; 및 펠릿을 형성하는 것을 포함하는 철광석 펠릿을 제조하는 방법이 제공된다. 종종, 펠릿을 압출, 팬 펠릿화 및 단광법으로부터 선택된 방법을 사용하여 형성하며, 상기 모든 방법은 관련 기술분야에 공지되어 있다.

혼합물을 응집시키는 데 전형적으로 트윈-샤프트 배치 혼합물을 사용한다. 전반적으로 펠릿을 형성하는 데 전형적으로 프레스 또는 압출기를 사용한다. 압출 기술, 특히 낮은 수분 함량 압출 기술 (강성 압출 기술이라고도 공지되어 있음)을 사용하는 경우가 가장 흔할 것이다. 압출, 특히 강성 압출 기술에서 결합제 배합물을 사용하면, 압출기의 차단 또는 폐색이 극적으로 저감되어 가공 중단 시간이 최소화되는 것으로 밝혀졌다. 추가로, 혼합물의 압출 가공에 의해 발생한 열은 혼합물을 건조시키고, 철광석에서 실리케이트와 철 사이의 이온 교환은 응집 및 따라서 응결을 용이하게 한다. 이러한 조합은, 최소의 경화 시간을 필요로 하기 때문에 제조 직후에 이송될 준비가 된, 강한 펠릿을 제조할 수 있게 한다.

펠릿은 전형적으로, 예를 들어 소결 없이, 또는 노에 넣어지기 전에 60℃ 초과 또는 40℃ 또는 30℃ 초과로의 가열 없이, 냉간 형성된다.

펠릿의 압축량은, 예를 들어, 미립자 철광석과 결합제 배합물의 혼합물을 필요한 압축량에 따라 더 많거나 더 적은 양의 진공 하에 놓음으로써, 변경될 수 있다. 더 많은 양의 진공에 의해서는 펠릿이 더 많이 압축될 것이다. 대안적으로, 이는 펠릿을 형성하는 데 사용되는 압력의 양에 의해 제어될 수 있다.

철광석 펠릿을 위한 결합제 배합물은 75 - 95 wt% 범위의 규산나트륨; 5 - 25 wt% 범위의, 구아 검 및 메틸 히드록시에틸 셀룰로스 및 그의 조합으로부터 선택된 가공 조제; 및 0.1 또는 0.5 - 1.0 wt% 범위의, 글리시독시프로필트리메톡시실란을 포함하는 세팅제를 포함한다.

결합제 배합물을 포함하는 철광석 펠릿은, 1 - 10 wt% 범위의 규산나트륨 및 0.1 - 2 wt% 범위의 구아 검 및/또는 메틸 히드록시에틸 셀룰로스를 포함한다.

철광석 펠릿을 제조하는 방법은 결합제 배합물을 미립자 철광석과 혼합하는 것; 및 압출을 통해 펠릿을 형성하는 것을 포함한다.

달리 언급되지 않는 한, 기술된 각각의 정수는 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이 임의의 다른 정수와 조합되어 사용될 수 있다. 추가로, 본 발명의 모든 측면은 바람직하게는 그러한 측면과 관련하여 기술된 특징을 "포함하지만", 구체적으로는 그것은 청구범위에 요약된 그러한 특징으로 "이루어질 수 있거나", "본질적으로 이루어질 수 있는" 것으로 여겨진다. 또한, 모든 용어는, 본원에서 구체적으로 정의되지 않는 한, 관련 기술분야에서 통상적으로 이해되는 그것의 의미를 갖도록 의도된다.

추가로, 본 발명이 논의될 때, 상반되게 언급되지 않는 한, 매개변수의 허용 범위의 상한 또는 하한에 대한 대안적인 값에 대한 개시는, 더 작은 대안과 더 큰 대안 사이에 있는, 상기 매개변수의 각각의 중간 값 그 자체도 매개변수의 가능한 값으로서 개시됨을 묵시적으로 언급하는 것으로서 해석되어야 한다.

또한, 달리 언급되지 않는 한, 본 출원에 기재되어 있는 모든 수치는 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명이 보다 용이하게 이해될 수 있도록 하기 위해, 그것은 도 1 및 구체적인 실시예와 관련하여 이하에 상세히 기술될 것이다.

도 1은 실리케이트 함유 펠릿의 그린 강도 (파선)를 비-실리케이트 함유 펠릿의 그린 강도 (점선)와 비교하여 도시한 그래프이다.

철광석 조성

Fe₂O₃과 Fe₃O₄의 조합을 포함하는 철광석을 분석하여 오염 물질을 확인하였다. 결과는 하기와 같다.

샘플 A 및 B의 분석은 머터리얼즈 프로세싱 인스티튜트(Materials Processing Institute)에 의해 수행되었고 C - E는 어드밴스드 메탈러지컬 그룹(Advanced Metallurgical Group)에 의해 수행되었다.

시험된 펠릿 조성물

펠릿 형성

트윈 샤프트 혼합기에서 구아 검을 분말로서 미립자 철광석에 첨가하고 고속으로 혼합하였다. 이어서 규산나트륨을 혼합하면서 첨가하였다. 균질한 혼합물이 형성된 후에, 혼합된 배치를 에드워즈 앤드 존스(Edwards and Jones) 압출기를 사용하여 진공 (-600 내지 -1000 mbar) 하에서 압출하여 조밀하게 응집된 16mm 펠릿을 제공하였다. 펠릿을 시험 전에 30℃에서 24시간 동안 두어 경화시켰다.

시험 방법

시험 펠릿을 압축 강도, 내충격성 및 환원 동안의 소결 분화(sinter degradation)에 대해 비교하였다. 시험을 모두 영국 표준 협회(British Standards Institution) 시험 지침에 따라 완수하였다.

결과는 두 독립적인 실험실 머터리얼즈 프로세싱 인스티튜트 및 어드밴스드 메탈러지컬 그룹에 의해 검증되었다.

또한 펠릿을 2미터 높이에서 낙하시키는 것을 펠릿이 충격을 받아 부서질 때까지 반복하는 것을 포함하는 "낙하 시험"을 완수하였다. 그 결과는 도 1에 나와 있다.

시험 데이터

* 동일한 배합물의 샘플, 표는 세 번 반복한 결과를 보여준다.

반복성을 보장하기 위해 단일 배합물 샘플을 세 번 시험하였다. 모든 경우에 결과는 철광석 펠릿에 대한 업계 기준보다 높았다.

구체적으로는, 철광석 펠릿은 200 kgf 초과의 냉간 파쇄 강도(cold crushing strength), 90% 초과의 텀블러 지수 값, 10 미만의 마모 지수 값, 10 미만의 환원 붕해 지수 값을 갖는 것이 바람직하다.

보는 바와 같이, 모든 시험은 이러한 값을 초과하며, 펠릿은 특히 우수한 압축 그린 강도, 탁월한 마모 특성 및 소결 분화에 대한 내성을 나타낸다.

가공 향상

구아 검이 없는 경우에 압출기의 빈번한 정지 또는 과부하로 인해 가공이 훨씬 더 어려운 것으로 관찰되었다.

실리케이트 함유 펠릿의 강도

도 1은 부서질 때까지 반복적으로 낙하될 때의 실리케이트 함유 펠릿과 비-실리케이트 함유 펠릿을 비교한 것을 보여준다. 시간이 경과함에 따라, 실리케이트 함유 펠릿은 펠릿이 부서지는 데 필요한 낙하 횟수가 현저하게 증가하며, 이는 비-실리케이트 함유 펠릿에 비해 그린 강도가 더 우수하다는 것을 나타낸다. 구체적으로는, 비-실리케이트 함유 펠릿은, 제조 직후 (t = 0)에 2회 낙하를 견뎌 낸 데 비해, 400분 후에는 단지 평균 3회 낙하를 견뎌 낼 것이다. 이와 비교하여, 실리케이트 함유 펠릿은 제조 직후에는 3회를 견뎌 낸 데 비해, 정확히 350분 후에 견뎌 낸 평균 낙하 횟수는 6이다.

본 발명의 방법 및 배합물은 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 그 중 단지 몇 가지만이 상기에 예시되고 기술되었다는 것을 알 것이다.

Claims (14)

1. 하나 이상의 실리케이트 및 가공 조제를 포함하는, 철광석 펠릿을 위한 결합제 배합물.
2. 제1항에 있어서, 실리케이트가 I족 또는 II족 실리케이트를 포함하는 것인 배합물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실리케이트가 규산나트륨을 포함하는 것인 배합물.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 실리케이트가 배합물의 75 - 95 wt%의 범위로 존재하는 것인 배합물.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가공 조제가 폴리사카라이드, 셀룰로스 증점제 및 그의 조합으로부터 선택된 첨가제를 포함하는 것인 배합물.
6. 제5항에 있어서, 폴리사카라이드 및/또는 셀룰로스 증점제가 구아 검, 아라비아 검, 크산탄 검, 전분, 히드록시에틸 셀룰로스, 메틸 셀룰로스, 메틸 히드록시에틸 셀룰로스 및 그의 조합으로부터 선택되는 것인 배합물.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 가공 조제가 배합물의 5 - 25 wt%의 범위로 배합물에 존재하는 것인 배합물.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 세팅제(setting agent)를 추가적으로 포함하는 배합물.
9. 제8항에 있어서, 세팅제가 글리세롤 트리아세테이트, 글리시독시프로필트리메톡시실란, 흄드 실리카, 포타슘 메틸실리코네이트 및 그의 조합으로부터 선택되는 것인 배합물.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 결합제 배합물을 포함하는 철광석 펠릿.
11. 제10항에 있어서, 1 - 10 wt% 범위의 실리케이트를 포함하는 펠릿.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 0.1 - 2 wt% 범위의 가공 조제를 포함하는 펠릿.
13. a. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 결합제 배합물을 미립자 철광석과 혼합하는 것; 및
    b. 펠릿을 형성하는 것
    을 포함하는, 철광석 펠릿을 제조하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 압출, 팬 펠릿화 및 단광법으로부터 선택된 방법을 사용하여 펠릿을 형성하는 것인 방법.

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