KR101703070B1 - 성형탄, 그 제조 방법 및 용철 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

환원철이 장입되는 용융가스화로, 및 용융가스화로에 연결되고, 환원철을 제공하는 환원로를 포함하는 용철제조장치에서 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄 및 그 제조 방법을 제공한다. 성형탄의 제조 방법은 미분탄을 제공하는 단계, 전분 및 산 수용액을 혼합하여 바인더 혼합물을 제조하는 단계, 미분탄 및 바인더 혼합물을 혼합하여 배합탄을 제조하는 단계, 및 배합탄을 성형하여 성형탄을 제조하는 단계를 포함한다.

Description

성형탄, 그 제조 방법 및 용철 제조 방법 {COAL BRIQUETTES, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING MOLTEN IRON}
성형탄, 그 제조 방법 및 용철 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 셀룰로오스 에테르 화합물, 당밀, 경화제의 배합순서를 제어하여 균일한 혼합을 도모하면서 바인더 성능을 향상시킨 성형탄, 그 제조 방법 및 용철 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 미분탄과 바인더를 혼합한 후 압축하여 제조한다. 용철 제조에 사용하기 위해서는 우수한 냉간 강도와 열간 강도를 가진 성형탄을 제조할 필요가 있다. 따라서 당밀 등의 우수한 점도를 가지는 바인더를 사용하여 성형탄을 제조한다.
셀룰로오스 에테르 화합물, 당밀, 경화제의 배합순서를 제어하여 우수한 열간 강도와 냉간 강도를 가지는 성형탄을 제공하고자 한다. 또한, 전술한 성형탄의 제조 방법을 제공하고자 한다. 그리고 전술한 성형탄의 제조 방법을 포함하는 용철제조방법을 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. 성형탄의 제조 방법은, i) 미분탄을 제공하는 단계, ii) 미분탄에 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하여 배합탄을 제공하는 단계, iii) 배합탄에 물을 첨가하여 혼합하는 단계, iv) 물이 첨가된 배합탄에 경화제 및 당밀을 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계, 및 v) 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함한다.
성형탄을 제공하는 단계에서, 상기 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.1 wt% 내지 0.7 wt%, 경화제의 양은 0.5 wt% 내지 3.0 wt% 및 당밀의 양은 3 wt% 내지 12 wt%가 될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.2 wt% 내지 0.5 wt%, 경화제의 양은 1.0 wt% 내지 2.5 wt% 및 당밀의 양은 5 wt% 내지 10 wt%가 될 수 있다.
성형탄을 제공하는 단계에서, 성형탄에 포함된 수분의 양은 3 wt% 내지 13wt%가 될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 성형탄에 포함된 수분의 양은 5wt% 내지 11wt%가 될 수 있다.
성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양에 대한 성형탄에 포함된 수분의 양의 비는 5 내지 40일 수 있다. 또한, 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양에 대한 성형탄에 포함된 수분의 양의 비는 7 내지 20일 수 있다.
배합탄을 제공하는 단계에서, 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 50㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 혼합물을 제공하는 단계에서, 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 미분탄의 평균 입도의 비는 7 내지 30일 수 있다. 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 미분탄의 평균 입도의 비는 10 내지 20일 수 있다.
셀룰로오스 에테르 화합물은 메틸셀룰로오스(MC), 히드록시에틸셀룰로오스(HEC), 히드록시프로필셀룰로오스(HPC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC) 및 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 화합물을 포함할 수 있다.
셀룰로오스 에테르 화합물의 점도는 4,000cps 내지 80,000cps일 수 있다. 경화제는 생석회, 소석회, 탄산칼슘, 석회석, 시멘트, 벤토나이트, 클레이(clay), 실리카, 실리케이트, 돌로마이트, 인산, 황산 또는 산화물을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법은 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계 전에 혼합물을 건조하는 단계를 더 포함하거나, 성형탄을 제공하는 단계 후에 성형탄을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용철 제조 방법은 i) 전술한 방법에 따라 제조한 성형탄을 제공하는 단계, ii) 철광석을 환원로에서 환원한 환원철을 제공하는 단계, 및 iii) 성형탄과 환원철을 용융가스화로에 장입하여 용철을 제공하는 단계를 포함한다. 환원철을 제공하는 단계에서, 환원로는 유동층형 환원로 또는 충전층형 환원로일 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 0.1wt% 내지 0.7wt%의 셀룰로오스 에테르 화합물, 0.5wt% 내지 3.0wt%의 경화제, 3wt% 내지 12wt%의 당밀, 3wt% 내지 13wt%의 수분 및 나머지 미분탄을 포함한다. 좀더 바람직하게는 0.2wt% 내지 0.5wt%의 셀룰로오스 에테르 화합물, 1.0wt% 내지 2.5wt%의 경화제, 5wt% 내지 10wt%의 당밀, 5wt% 내지 11wt%의 수분 및 나머지 미분탄을 포함할 수 있다.
셀룰로오스 에테르 화합물, 당밀, 경화제의 배합순서를 제어하여 성형탄의 열간 강도 및 냉간 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 알칼리 성분이 거의 없는 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합 사용하여 알칼리 함량이 높은 당밀의 사용량을 저감 시킴으로서, 성형탄의 알칼리 성분으로 인하여 환원로에 부착되는 현상을 경감시킬수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형탄의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 용철제조장치의 개략적인 도면이다.
도 3은 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 또 다른 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 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하여 배합탄을 제공하는 단계(S20), 배합탄에 물을 첨가하여 혼합하는 단계(S30), 물이 첨가된 배합탄에 경화제 및 당밀을 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계(S40), 및 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계(S50)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 성형탄의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.
먼저, 단계(S10)에서는 미분탄을 제공한다. 미분탄으로서 역청탄(bituminous coal), 아역청탄(subbituminous coal), 무연탄(anthracite), 코크스 등의 탄소가 함유된 원료를 사용할 수 있다. 미분탄의 입도는 4mm 이하로 조절할 수 있다.
다음으로, 단계(S20)에서는 미분탄에 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하여 배합탄을 제공한다. 즉, 셀룰로오스 에테르 화합물을 미분탄에 첨가한 후 균일하게 혼합되도록 배합탄을 잘 섞어준다.
여기서는 액상이 아닌 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용한다. 바인더 용액을 사용하는 경우, 흐름성을 좋게 하기 위하여 바인더 자체의 점도가 낮은 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC) 용액을 사용할 수 있다. 그러나 점도가 낮은 바인더를 사용하므로, 성형탄의 강도가 저하되는 문제점이 있다. 또한, 용액 형태의 바인더는 층분리로 인하여 바인더 성분을 균일하게 유지하기가 어려우며, 이송시 탱크로리 등 특수 운반차가 필요하여 운송비가 높은 단점을 가진다. 또한, 바인더 용액은 동절기에는 결빙되므로, 저장이 용이하지 않다.
이와는 대조적으로, 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 바인더로 사용하는 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물 자체의 점도가 높으므로, 우수한 강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다. 또한, 셀룰로오스 에테르 화합물을 분말형으로 사용하므로 그 부피를 최소화하여 보관하기가 용이하며, 운송도 간편한 이점이 있다. 나아가 동절기에 결빙 등을 걱정할 필요가 없다. 따라서 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 사용하기에 적합하다.
셀룰로오스 에테르 화합물의 점도는 4,000cps 내지 80,000cps 일 수 있다. 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도는 Brookfield사의 DV-Ⅱ+Pro(spindle HA)를 사용하여 20±0.1℃에서 2중량%의 농도를 갖는 셀룰로오스 에테르 화합물 수용액의 점도를 측정한 값을 의미한다. 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도가 너무 낮은 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물을 포함하는 용액, 예를 들면 수용액의 점도가 너무 낮아서 미분탄에 대한 결합력이 저하된다. 그 결과, 성형탄의 강도가 저하될 수 있다. 한편, 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도가 너무 높은 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물의 분자량이 너무 높아서 수용해성이 저하되므로, 미분탄에 대한 결합력이 충분하지 않다. 따라서 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
셀룰로오스 에테르 화합물은 메틸셀룰로오스(MC), 히드록시에틸셀룰로오스(HEC), 히드록시프로필셀룰로오스(HPC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC) 또는 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC) 등을 포함할 수 있다.
메틸셀룰로오스(MC)는 18 wt% 내지 32wt%의 메틸기 치환도를 가지며, 히드록시에틸셀룰로오스(HEC)는 20 wt% 내지 80wt%의 히드록시에틸기 치환도를 가진다. 그리고 히드록시프로필셀룰로오스(HPC)는 20 wt% 내지 80wt%의 히드록시프로필기 치환도를 가지며, 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC)는 18 wt% 내지 32wt%의 메틸기 치환도 및 2 wt% 내지 14wt%의 히드록시프로필기 치환도를 가진다. 또한, 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC)는 18 wt% 내지 32wt%의 메틸기 치환도 및 2 wt% 내지 14wt%의 히드록시에틸기 치환도를 가질 수 있다. 셀룰로오스 에테르 화합물은 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC)가 포함되지 않을 수 있다.
한편, 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 50㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다. 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도가 너무 작은 경우, 그 제조 공정비가 상승한다. 또한, 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도가 너무 큰 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물의 비표면적이 작아지고, 그 수용해성이 저하되어 이를 이용하여 제조한 성형탄의 강도가 저하될 수 있다. 따라서 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 한편, 좀더 구체적으로, 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 78㎛일 수 있다. 이 경우, 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물의 입도는 0.18mm 이하가 97% 이상일 수 있다.
셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 미분탄의 평균 입도의 비는 7 내지 30일 수 있다. 좀더 구체적으로, 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 미분탄의 평균 입도의 비는 10 내지 20일 수 있다. 평균 입도의 비가 너무 크거나 너무 작은 경우, 셀룰로오스 에테르 화합물이 바인더로서 미분탄내에서 결합 능력을 충분히 발현하지 못할 수 있다. 따라서 평균 입도의 비를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
다음으로, 단계(S30)에서는 배합탄에 물을 첨가하여 혼합한다. 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물이 균일하게 분포된 배합탄에 물을 첨가하는 경우, 미분탄내에 분산된 셀룰로오스 에테르 화합물이 물에 용해된다. 그 결과, 용해된 셀룰로오스 에테르 화합물이 미분탄과의 결합력을 발휘하여 후속 공정에서 제조되는 성형탄의 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 액상 바인더를 미분탄에 바로 혼합하지 않고, 먼저 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 미분탄에 혼합한 혼합물에 물을 혼합하여 각 공정을 분리함으로써 우수한 강도를 가지면서도 공정 비용을 최소화한 성형탄을 제조할 수 있다.
다음으로, 단계(S40)에서는 물이 첨가된 배합탄에 경화제 및 당밀을 혼합하여 혼합물을 제공한다. 구체적으로 경화제 0.5wt% 내지 3.0wt% 및 당밀 3 wt% 내지 12 wt%를 혼합한 혼합물을 제조한다. 경화제로는 생석회, 소석회, 탄산칼슘, 석회석, 시멘트, 벤토나이트, 클레이(clay), 실리카, 실리케이트, 돌로마이트, 인산, 황산 또는 산화물 등을 사용할 수 있다. 경화제의 양이 너무 적은 경우, 바인더와 경화제의 화학 결합이 충분히 일어나지 않아 성형탄의 강도를 충분하게 확보할 수 없다. 또한, 경화제의 양이 너무 많은 경우, 성형탄 내의 애쉬(ash)성분이 많아져서 용융가스화로내에서 연료로서 충분한 역할을 할 수 없다. 따라서 경화제의 양을 전술한 범위로 조절할 수 있다.
당밀의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 강도가 악화 될수 있다. 또한, 당밀의 양이 너무 많은 경우, 혼합물을 성형하는 과정에서 부착등의 문제점이 발생한다. 따라서, 당밀의 양을 전술한 범위로 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로 경화제의 양은 1.0 wt% 내지 2.5 wt%, 당밀의 양은 5 wt% 내지 10 wt%가 될 수 있다.
이 때 혼합물에 포함된 수분의 양은 1 wt% 내지 13wt%가 될 수 있다.
한편, 단계(S30)에서의 물을 투입하여 혼합시킨 이후에, 단계(S40)에서의 경화제 및 당밀을 혼합시키는 순서가 중요하다. 물과의 친화성은 셀룰로오스 에테르 화합물 보다 경화제 및 당밀이 좋다. 본 발명의 일 실시예와 달리 셀룰로오스 에테르 화합물과 경화제 및 당밀을 먼저 혼합한 다음에 물을 투입하게 되면, 친화성이 좋은 경화제 및 당밀에 먼저 수분이 반응하게 되어, 셀룰로오스 에테르 화합물을 완전하게 용해시키지 못하는 경우가 발생할 수 있다.
즉, 단계(S20)에서 미분탄에 균일하게 분산되어 있는 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물에, 단계(S30)에서 액상의 물을 투입하여 미분탄과 혼합된 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물과 접촉시켜 미분탄 속에서 균일하게 잘 용해시킨 다음에, 단계(S40)에서 경화제와 당밀을 균일하게 혼합한 혼합물을 제공하여야 우수한 강도를 가진 성형탄을 제조할 수 있다.
한편, 도 1에는 도시하지 않았지만, 단계(S40) 이후에 혼합물을 건조하는 단계를 추가할 수도 있다. 즉, 미분탄, 분말형 셀룰로오스 에테르 화합물, 물, 경화제 및 당밀을 첨가한 혼합물의 성형성을 조절할 필요가 있는 경우, 혼합물을 건조하여 일부 수분을 제거할 수 있다. 그 결과, 후속 공정에서 성형탄 제조 작업성 및 성형탄의 강도를 크게 향상시킬 수 있다.
마지막으로, 단계(S50)에서는 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공한다. 예를 들면, 한 쌍의 롤러들 사이로 혼합물을 장입하여 압착함으로써 포켓 또는 스트립 형태의 성형탄을 제조할 수 있다. 그 결과, 우수한 열간강도 및 냉간강도를 가지는 성형탄을 제조할 수 있다.
여기서, 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.1wt% 내지 0.7wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.2wt% 내지 0.5wt%일 수 있다. 셀룰로오스 에테르 화합물의 양이 너무 많은 경우, 성형탄 제조 비용이 상승한다. 또한, 셀룰로오스 에테르 화합물의 양이 너무 적은 경우, 충분한 결합력을 발현하지 못하여 성형탄의 강도가 저하된다. 따라서 셀룰로오스 에테르 화합물의 양을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 성형탄에 포함된 경화제의 양은 0.5wt% 내지 3.0wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는 경화제의 양은 1.0wt% 내지 2.5wt%일 수 있다. 경화제의 양이 너무 적은 경우, 바인더와 경화제의 화학 결합이 충분히 일어나지 않아 성형탄의 강도를 충분하게 확보할 수 없다. 또한, 경화제의 양이 너무 많은 경우, 성형탄내의 애쉬(ash)성분이 많아져서 용융가스화로내에서 연료로서 충분한 역할을 할 수 없다. 따라서 경화제의 양을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 성형탄에 포함된 당밀의 양은 3wt% 내지 12wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는 당밀의 양은 5wt% 내지 10wt%일 수 있다 당밀의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 강도가 악화 될 수 있다. 또한, 당밀의 양이 너무 많은 경우, 혼합물을 성형하는 과정에서 부착등의 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 당밀의 양을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 성형탄에 포함된 수분의 양은 3 wt% 내지 13 wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 수분의 양은 5 wt% 내지 11 wt%일 수 있다. 수분의 양이 너무 많은 경우, 혼합물의 성형이 어려운 문제점이 있다. 또한, 수분의 양이 너무 적은 경우, 성형탄의 냉간 강도가 저하될 수 있다. 따라서 수분의 양을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
따라서, 전술한 방법으로 제조된 성형탄은 0.1wt% 내지 0.7wt%의 셀룰로오스 에테르 화합물, 0.5wt% 내지 3.0wt%의 경화제, 3wt% 내지 12wt%의 당밀, 3wt% 내지 13wt%의 수분 및 나머지 미분탄을 포함한다. 좀더 바람직하게는 0.2wt% 내지 0.5wt%의 셀룰로오스 에테르 화합물, 1.0wt% 내지 2.5wt%의 경화제, 5wt% 내지 10wt%의 당밀, 5wt% 내지 11wt%의 수분 및 나머지 미분탄을 포함 할 수 있다.
도 2는 도 1에서 제조한 성형탄을 사용하는 용철제조장치(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 용철제조장치(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 2의 용철제조장치(100)를 다양한 형태로 변형할 수 있다.
도 2의 용철제조장치(100)는 용융가스화로(10) 및 충전층형 환원로(20)를 포함한다. 이외에 필요에 따라 기타 다른 장치를 포함할 수 있다. 충전층형 환원로(20)에는 철광석이 장입되어 환원된다. 충전층형 환원로(20)에 장입되는 철광석은 사전 건조된 후에 충전층형 환원로(20)를 통과하면서 환원철로 제조된다. 충전층형 환원로(20)는 충전층형 환원로로서, 용융가스화로(10)로부터 환원가스를 공급받아 그 내부에 충전층을 형성한다.
도 1의 제조 방법으로 제조한 성형탄은 용융가스화로(10)에 장입되므로, 용융가스화로(10)의 내부에는 석탄충전층이 형성된다. 용융가스화로(10)의 상부에는 돔부(101)가 형성된다. 즉, 용융가스화로(10)의 다른 부분에 비해 넓은 공간이 형성되고, 여기에는 고온의 환원가스가 존재한다. 따라서 고온의 환원가스에 의해 돔부(101)에 장입되는 성형탄은 열분해 반응에 의해 촤로 변환된다. 성형탄의 열분해 반응에 의해 생성된 촤는 용융가스화로(10)의 하부로 이동하여 풍구(30)를 통해 공급되는 산소와 발열 반응한다. 그 결과, 성형탄은 용융가스화로(10)를 고온으로 유지하는 열원으로서 사용될 수 있다. 한편, 촤가 통기성을 제공하므로, 용융가스화로(10)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 충전층형 환원로(20)에서 공급된 환원철이 용융가스화로(10)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과할 수 있다.
전술한 성형탄 이외에 괴상 탄재 또는 코크스를 필요에 따라 용융가스화로(10)에 장입할 수도 있다. 용융가스화로(10)의 외벽에는 풍구(30)를 설치하여 산소를 취입한다. 산소는 석탄충전층에 취입되어 연소대를 형성한다. 성형탄은 연소대에서 연소되어 환원가스를 발생시킬 수 있다.
도 3은 도 1에서 제조한 성형탄을 사용한 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 3의 용철제조장치(200)를 다양한 형태로 변형할 수 있다. 도 3의 용철제조장치(200)의 구조는 도 2의 용철제조장치(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 용철제조장치(200)는 용융가스화로(10), 유동층형 환원로(22), 환원철 압축장치(40) 및 압축 환원철 저장조(50)를 포함한다. 여기서, 압축 환원철 저장조(50)는 생략할 수 있다.
제조된 성형탄은 용융가스화로(10)에 장입된다. 여기서, 성형탄은 용융가스화로(10)에서 환원가스를 발생시키고 발생된 환원가스는 유동층형 환원로(22)에 공급된다. 분철광석은 유동층을 가진 복수의 환원로들(22)에 공급되고, 용융가스화로(10)로부터 유동층형 환원로(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(10)에 성형탄과 함께 장입되어 용융가스화로(10)에서 용융된다. 성형탄은 용융가스화로(10)에 공급되어 통기성을 가진 촤로 변하므로, 용융가스화로(10)의 하부에서 발생한 다량의 가스와 압축된 환원철이 용융가스화로(10)내의 석탄충전층을 좀더 쉽고 균일하게 통과하여 양질의 용철을 제공할 수 있다.
한편, 성형탄에는 알칼리 성분이 거의 없는 셀룰로오스 에테르 화합물을 당밀과 함께 혼합 바인더로 사용하므로, 알칼리 성분을 감소시킬 수 있다. 따라서 높은 알칼리 성분을 함유한 당밀에 의해 유동층형 환원로(22) 내의 분산판(미도시) 또는 싸이클론(미도시)에 칼륨 등의 알칼리가 침적되어 막히는 현상을 완화 시킬 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
3.4mm이하의 미분탄과 0.2mm 이하의 셀룰로오스 에테르 화합물 분말, 물, 경화제로서 생석회, 당밀을 순서에 따라 혼합해 혼합물을 제조하였다. 미분탄으로는 강점탄, 미점탄 및 분코크스를 혼합하여 사용하였고, 셀룰로오스 에테르 화합물은 삼성정밀화학㈜의 히드록시프로필메틸셀룰로오스 (HPMC, 메셀로스® 제품을 사용하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이로 장입하여 성형탄을 제조하였다. 이 경우, 한 쌍의 롤들은 20kN/㎝의 압력으로 혼합물을 가압하여 64.5mm x 25.4mm x 19.1mm 크기의 베게 형상의 성형탄을 제조하였다. 나머지 성형탄의 상세한 제조 공정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
실험예 1
수분 함량 7.6%, 평균 입도가 1.1mm 인 100중량부의 미분탄과 평균 입도 78㎛, 점도가 28,000cps인 0.3 중량부의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 3 중량부의 물을 첨가하여 다시 혼합하였다. 다음, 1.89 중량부의 생석회를 혼합한 후 7 중량부의 당밀을 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
실험예 2
수분 함량 7.5%, 평균 입도가 1.1mm 인 100중량부의 미분탄과 평균 입도 78㎛, 점도가 28,000cps인 0.5 중량부의 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 5 중량부의 물을 첨가하여 다시 혼합하였다. 다음, 1.35 중량부의 생석회를 혼합한 후 5 중량부의 당밀을 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 1
수분 함량 7.6%, 평균 입도가 1.1mm 인 100중량부의 미분탄과 평균 입도 78㎛, 점도가 28,000cps인 0.3 중량부의 HPMC 분말 및 1.89 중량부의 생석회를 혼합하였다. 다음, 3중량부의 물 및 7중량부의 당밀을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 2
수분 함량 7.7%, 평균 입도가 1.1mm 인 100중량부의 미분탄과 평균 입도 78㎛, 점도가 28,000cps인 0.5 중량부의 HPMC 분말 및 1.35 중량부의 생석회를 혼합하였다. 다음, 5중량부의 물 및 5중량부의 당밀을 첨가하여 다시 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 3
수분 함량 7.5%, 평균 입도가 1.1mm 인 100중량부의 미분탄과 평균 입도 78㎛, 점도가 28,000cps인 0.3 중량부의 HPMC 분말, 3중량부의 물, 1.89 중량부의 생석회 및 7중량부의 당밀을 동시에 첨가하여 혼합해 혼합물을 제조하였다. 그리고 혼합물을 한 쌍의 롤들 사이에 장입하여 성형탄을 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험결과
전술한 실험예 1 내지 실험예 2, 비교예 1 내지 비교예 3에 따라 제조한 성형탄의 낙하 강도와 압축하중을 측정하였다. 성형탄의 낙하 강도는 성형탄 2kg을 5M높이에서 4회 자유낙하시킨 후에 +20mm이상의 입도를 가진 성형탄 비율로부터 구하였다. 또한, 성형탄의 압축하중은 50mm/min의 속도로 압축하였을 때의 최대 하중으로 측정하였으며, 20개 성형탄 시료의 평균값으로 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.
실험예 배합양 (중량부) 성형탄
미분탄 HPMC 수분 생석회 당밀 수분(%) 낙하
강도(%)		 압축하중
(Kgf)
실험예 1 100 0.3 3 1.89 7 9.4 89 32
실험예 2 100 0.5 5 1.50 6 10.2 83 31
비교예 1 100 0.3 3 1.89 7 9.4 64 26
비교예 2 100 0.5 5 1.35 5 10.6 43 17
비교예 3 100 0.3 3 1.89 7 9.6 62 27
표 1에 기재한 바와 같이, 실험예 1 내지 실험예 2에서 미분탄과 HPMC 분말을 먼저 혼합한 후 물을 첨가하여 다시 혼합한 다음에, 생석회와 당밀을 순차적으로 혼합하여 성형탄을 제조하는 경우, 성형탄의 낙하강도 및 압축하중이 우수하게 나타났다. 이와는 대조적으로, 비교예 1 내지 비교예 3에 따라 제조한 성형탄의 낙하강도 및 압축하중은 실험예 1 내지 실험예 2에 따라 제조한 성형탄의 낙하강도 및 압축하중에 비해 훨씬 작은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 셀룰로오스 에테르 화합물, 당밀, 경화제의 배합순서를 제어하여 균일한 혼합을 도모하여 성형탄을 제조하는 것이 낙하강도 및 압축하중 측면에서 훨씬 우수한 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10. 용융가스화로
20. 충전층형 환원로
22. 유동층형 환원로
30. 풍구
40. 환원철 압축장치
50. 압축 환원철 저장조
100, 200. 용철제조장치
101. 돔부

Claims (18)

  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 미분탄에 분말형의 셀룰로오스 에테르 화합물을 혼합하여 배합탄을 제공하는 단계,
    상기 배합탄에 물을 첨가하여 혼합하는 단계,
    상기 물이 첨가된 배합탄에 경화제 및 당밀을 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계, 및
    상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 성형탄을 제공하는 단계에서, 상기 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.1 wt% 내지 0.7 wt%, 상기 경화제의 양은 0.5 wt% 내지 3.0 wt% 및 상기 당밀의 양은 3 wt% 내지 12 wt%이고,
    상기 셀룰로오스 에테르 화합물은 메틸셀룰로오스(MC), 히드록시에틸셀룰로오스(HEC), 히드록시프로필셀룰로오스(HPC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC) 및 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 화합물을 포함하는 성형탄의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 양은 0.2 wt% 내지 0.5 wt%, 상기 경화제의 양은 1.0 wt% 내지 2.5 wt% 및 상기 당밀의 양은 5 wt% 내지 10 wt% 인 성형탄의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 성형탄을 제공하는 단계에서, 상기 성형탄에 포함된 수분의 양은 3 wt% 내지 13wt%인 성형탄의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 성형탄에 포함된 수분의 양은 5wt% 내지 11wt%인 성형탄의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양에 대한 상기 성형탄에 포함된 수분의 양의 비는 5 내지 40인 성형탄의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 성형탄에 포함된 셀룰로오스 에테르 화합물의 양에 대한 상기 성형탄에 포함된 수분의 양의 비는 7 내지 20인 성형탄의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배합탄을 제공하는 단계에서, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도는 50㎛ 내지 100㎛인 성형탄의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배합탄을 제공하는 단계에서, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 상기 미분탄의 평균 입도의 비는 7 내지 30인 성형탄의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배합탄을 제공하는 단계에서, 상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 평균 입도에 대한 상기 미분탄의 평균 입도의 비는 10 내지 20인 성형탄의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 에테르 화합물의 점도는 4,000cps 내지 80,000cps인 성형탄의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 경화제는 생석회, 소석회, 탄산칼슘, 석회석, 시멘트, 벤토나이트, 클레이(clay), 실리카, 실리케이트, 돌로마이트, 인산, 황산 또는 산화물인 성형탄의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계 전에 상기 혼합물을 건조하는 단계를 더 포함하는 성형탄의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 성형하여 성형탄을 제공하는 단계 후에 상기 성형탄을 건조하는 단계를 더 포함하는 성형탄의 제조 방법.
  15. 제1항에 따라 제조한 성형탄을 제공하는 단계,
    철광석을 환원로에서 환원한 환원철을 제공하는 단계, 및
    상기 성형탄과 상기 환원철을 용융가스화로에 장입하여 용철을 제공하는 단계
    를 포함하는 용철 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 환원철을 제공하는 단계에서, 상기 환원로는 유동층형 환원로 또는 충전층형 환원로인 용철 제조 방법.
  17. 환원철이 장입되는 용융가스화로, 및
    상기 용융가스화로에 연결되고, 상기 환원철을 제공하는 환원로
    를 포함하는 용철제조장치에서 상기 용융가스화로의 돔부에 장입되어 급속 가열되는 성형탄으로서,
    0.1wt% 내지 0.7wt%의 셀룰로오스 에테르 화합물, 0.5wt% 내지 3.0wt%의 경화제, 3wt% 내지 12wt%의 당밀, 3wt% 내지 13wt%의 수분 및 나머지 미분탄을 포함하고,
    상기 셀룰로오스 에테르 화합물은 메틸셀룰로오스(MC), 히드록시에틸셀룰로오스(HEC), 히드록시프로필셀룰로오스(HPC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC) 및 히드록시에틸메틸셀룰로오스(HEMC)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 화합물을 포함하는 성형탄.
  18. 제17항에 있어서,
    0.2wt% 내지 0.5wt%의 셀룰로오스 에테르 화합물, 1.0wt% 내지 2.5wt%의 경화제, 5wt% 내지 10wt%의 당밀, 5wt% 내지 11wt%의 수분 및 나머지 미분탄을 포함하는 성형탄.


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