KR100407799B1 - 고분자 수지를 이용한 성형탄 제조 방법 - Google Patents

Abstract

코렉스 공정에서 점결제로 액상의 고분자 에멀젼 용액과 첨가제로 생석회를 사용하기 위해 미분탄을 괴성화시켜 초기 강도가 우수한 성형탄을 제조하는 것에 관한 것으로, 미분탄 100 중량부에 대하여, 미분탄 속의 수분 제거를 위한 첨가제로 생석회를 3 ~ 10 중량부로 첨가하고, 점결제로 유리 전이 온도가 -20 ~ 40℃의 범위인 고분자 에멀젼 용액을 5 ~ 20 중량부를 사용하고, 유동성을 향상시키기 위해 고분자 에멀젼의 분산 농도를 물에 대하여 5 ~ 60 중량%로 하여, 고분자 수지가 0.5 ~ 5 중량부가 되도록 균일하게 혼합한 후 실온에서 미분의 일반탄을 가압 성형하여 제조함으로써, 제조 비용을 절감하고, 저온 안전성이 우수하고, 취급이 용이하며, 가열하지 않고도 초기 강도가 우수한 성형탄을 얻을 수 있다.

Description

고분자 수지를 이용한 성형탄 제조 방법

본 발명은 미분의 일반탄을 괴성화시키는 것에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코렉스 공정에 사용하기 위해 점결제로 액상의 고분자 에멀젼 용액과 첨가제로 생석회를 사용하여 미분탄을 괴성화시키는 초기 강도가 우수한 성형탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

코렉스(COREX) 공정은 코크스(coke)가 아닌 석탄을 바로 연료로 사용하므로 연료 사용 면에서 많은 장점을 가진 것으로 알려져 있으나, 연료로 사용되는 석탄 중에서 8mm 이하의 미분탄은 용융로 내에서 충분히 연소되지 못하고 용융로 외부로 배출되어 집진기에 포집되며, 과다할 경우 공정 내에서 불균형을 초래하여 사용에 제약을 받게 된다. 그리고, 코렉스용으로 수입된 석탄의 상당량이 8mm 이하의 미분으로 구성되어 있어 코렉스 공정에서 사용되지 못하고 PCI(Pulverized Coal Injection)용이나 코크스용 탄으로 전용되고 있다. 그러나, 코렉스용 석탄의 성질이 규정되어 있기 때문에 사용되지 못한 석탄을 상기와 같은 다른 용도로 전용하는 데에는 한계를 가지고 있는 실정이므로 미분탄을 적절한 방법으로 괴성화시켜 코렉스 경쟁력을 향상시키는 것이 중요하다.

이와 같은 단점을 해결하기 위한 종래의 성형탄 제조 방법에서는 점결제로 피치(pitch)와 전분(starch) 등을 사용하여 미분탄을 가압 성형하는 방법이 있다.

상기 방법 중에 점결제로 피치를 사용하여 미분탄을 가압 성형하는 방법은 미분탄에 연화점이 60 ~ 80℃인 피치를 5 ~ 10% 첨가하여 충분히 혼합하고, 이것을 70 ~ 90℃의 온도로 가압 성형하면, 용융 상태로 석탄 중에 균일하게 분산된 피치는 성형 후 연화 온도 이하로 냉각되는 것에 의하여 성형탄을 제조한다.

또 다른 방법으로, 점결제로 전분을 사용하여 전분의 연화점인 100℃ 이상의 온도로 가열하여 피치와 동일한 방법으로 성형탄을 제조한다.

이와 같이 가열에 의하여 용융되고, 성형 후 냉각된 것에 의하여 석탄 입자를 강고하게 결합하는 피치와 전분을 점결제로 사용한 가압 성형탄은 이송 취급시 필요한 충분한 기기적 강도를 나타내고 있으나, 매일 수십 톤 이상의 성형탄 생산을 요구하는 제철소의 코렉스 작업 같은 대규모 공정에서는 원료 야드로부터 불출하고 저장조로부터의 이송 등, 기기력에 의한 대량으로 취급이 매우 어렵다. 또한, 점결제로 피치와 전분을 사용하기 위하여서는 점결제의 연화 온도 이하에서는 전혀 석탄 입자간의 결합력이 생성되지 않기 때문에 점결제의 연화 온도 이상으로 석탄을 가열시키기 위한 대규모 가열 건조 설비가 필요하고, 이때 발생되는 대기 오염으로 작업 환경의 악화와 오염 방지를 위한 막대한 경비가 필요하게 되므로 가격 경쟁력이 떨어져 코렉스 공정에서 사용하기에는 단점을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.

그리고, 괴성화가 필요한 미분탄 내에는 10 ~ 15 중량%의 수분이 함유되어 있기 때문에 실온에서 미분탄을 가압 성형하여 성형탄을 제조하는 경우에 과도한 수분 함량으로 인하여 성형탄의 초기 강도가 약한 문제점이 발생한다. 이로 인하여 성형탄을 제조하는 과정에서 수율이 낮아지게 되며, 이를 극복하기 위하여는 수분 제거를 위한 추가적인 건조 공정이 필요하게 되어 경제적으로 비용 상승의 원인이 된다.

또한, 이러한 미분탄에 첨가하는 점결제의 연화 온도 이상에서 가열하지 않은 경우에는, 예컨대 용융된 점결제를 첨가하여도 점결제는 석탄 입자에 접촉되어 고화되고, 극히 부분적으로 결합을 하여 미분탄 중에 편재하여 균일하게 분산되는 것이 없으므로 성형탄의 품질은 불안정하게 된다.

이와 같은 종래의 방법으로 성형탄을 제조하는 경우, 대량으로 취급이 곤란하고, 연화 온도가 높아 대규모 가열 건조 설비가 필요하는 등의 단점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 미분의 일반탄을 괴성화시키는 데 있어서 연화 온도가 낮은 점결제와 수분 함량 조절을 위한 첨가제를 사용하여 실온에서 가압 성형함으로써, 저온 안정성이 우수하고, 대량 취급이 용이하며, 초기 강도가 우수하고, 제조 비용이 저렴한 성형탄 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 미분탄 100 중량부에 대하여, 미분탄 속의 수분 제거를 위한 첨가제로 생석회를 3 ~ 10 중량부로 첨가하고, 점결제로 유리 전이 온도가 -20 ~ 40℃의 범위인 고분자 에멀젼 용액을 5 ~ 20 중량부를 사용하고, 유동성을 향상시키기 위해 고분자 에멀젼의 분산 농도를 물에 대하여 5 ~ 60 중량%로 하여, 고분자 수지가 0.5 ~ 5 중량부가 되도록 균일하게 혼합한 후 실온에서 미분의 일반탄을 가압 성형하는 것을 특징으로 하는 초기 강도가 우수한 성형탄에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 첨가제로 사용한 생석회(CaO)는 미분탄 속의 수분을 제거하여 초기 강도가 우수한 성형탄을 제조하기 위한 것이다. 생석회는 미분탄 속에 함유되어 있는 수분과 다음과 같은 화학 반응으로 인하여 소석회(Ca(OH)₂)로 전환되면서 강력한 발열 반응이 일어나면서 미분탄 중에 함유되어 있는 수분을 제거한다.

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

상기 생석회의 첨가량은 미분의 일반탄 100 중량부에 대하여 3 ~ 10 중량부이다. 이는, 생석회의 첨가량이 3 중량부 미만인 경우에는 생석회의 양이 너무 적어 충분히 수분을 제거하는 역할을 수행하지 못하는 경우가 발생하고, 첨가량이 10 중량부를 초과하는 경우에는 성형탄의 물성이 떨어지는 경우가 발생되기 때문이다.

그리고, 본 발명에서의 점결제는 대량 취급이 곤란한 피치, 전분 등 40℃ 이상의 연화 온도를 가지는 고체 물질을 사용하지 않고, 실온에서 액상을 유지하여 대량 취급이 용이한 고분자 에멀젼 용액을 사용하였다.

상기 고분자 에멀젼 용액은 유화 중합(emulsion polymerization)에 의하여 제조된 고분자 수지로 유리 전이 온도가 -20 ~ 40℃에 있는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 유리 전이 온도가 -20℃ 미만으로 낮으면 성형탄의 강도가 약하여 물성에 여러 가지 문제가 생길 우려가 크며, 40℃를 초과하는 경우에는 점결제의 수축과 딱딱한 피막 물성에 의하여 균열이 발생될 우려가 크기 때문이다.

여기서, 고분자 에멀젼 용액의 첨가량을 석탄의 가압 성형하는 데 있어서 석탄 100 중량부에 대하여 5 ~ 20 중량부로 한정한다. 왜냐하면, 첨가량이 5 중량부 미만에서는 미분탄 중에 점결제인 고분자 에멀젼 용액이 충분히 있지 못하여 성형탄의 강도에 문제가 생길 수 있으며, 첨가량이 20 중량부를 초과하는 경우에는 미분탄과 혼합시에 부착의 발생 등의 장애를 일으킬 수가 있기 때문이다.

그리고, 상기 고분자 에멀젼 용액을 석탄과 혼합하는 경우에 잘 섞이게 하기 위하여서는 유동성이 필요로 하며 이에 영향을 미치는 요소는 고분자 에멀젼 용액의 분산 농도이다. 여기서 고분자 에멀젼 용액의 분산 농도는 물에 대하여 5 ~ 60 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 고분자 에멀젼 용액의 분산 농도는 사용하는 고분자 수지의 종류, 유화제 및 용매의 종류에 따라 달라지는 데 그 농도가 5 중량% 미만일 경우에는 고분자 에멀젼 용액의 고형분 양이 적음으로 인하여 성형탄이 충분한 성능을 발휘하지 못하는 경우가 발생하고, 60 중량%를 초과하는 경우에는 고분자 에멀젼 용액의 저장 안정성이 저하되며 석탄과 혼합하는 경우에 작업성이 떨어지게 되기 때문이다.

이때, 고분자 수지로 스티렌, 부타디엔, 스티렌-부타디엔 고무, 부틸 고무, 네오프렌 고무, 니트릴 고무, 아스팔트, 비닐 아세테이트, 아크릴레이트 (예를 들면, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트 등), 메타 아크릴레이트 (예를 들면, 메틸 메타 아크릴레이트, 에틸 메타 아크릴레이트, 프로필 메타 아크릴레이트, 부틸 메타 아크릴레이트, 2-에틸 헥실 메타 아크릴레이트 등) 및 이들의 공중합물로 이루어지는 그룹 중 1종 또는 2종 이상을 사용함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 스티렌과 부타디엔의 공중합체(copolymer)가 내충격성이 우수하여 좋다.

본 발명에서는 상기와 같은 고분자 수지를 계면 활성제 등과 같은 유화제와 함께 물에 분산시키거나, 또는 고분자 수지와 상용성이 있는 용매와 함께 물에 분산시키는 유화 중합 처리를 하여 고분자 에멀젼 용액을 제조한다. 이러한 고분자 에멀젼 용액 중에서, 본 발명의 목적인 석탄의 가압 성형을 하는 데 있어서 성형하는 석탄의 점결제로서 좋은 특성을 나타내는 것으로는 스티렌과 부타디엔의 공중합체(분산농도 48 ~ 52 중량%)로서 유리 전이 온도가 -20 ~ 40℃ 범위인 것을 일 예로 들 수 있다.

이하, 실험 데이터를 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

실시예

본 실험에서는 3.4mm 이하의 미분탄에 수분 함량을 조절하기 위한 생석회와 점결제로서 고분자 에멀젼 용액을 혼합하여 실온에서 가압 프레스를 사용하여 620Kg/cm²으로 가압하고 직경 35mm, 두께 20mm의 원기둥 모양의 성형탄을 제조하였다.

하기 표 1은 점결제로 스티렌-부타디엔 공중합체를 사용한 본 발명의 실시예와 이를 비교하기 위한 비교예를 나타낸 것이다.

실험No.	3.4mm 이하의 미분탄(중량부)	생석회 첨가량 (중량부)	물 첨가량(중량부)	스티렌-부타디엔	에멀젼 용액 첨가량(중량부)	스티렌-부타디엔 함량(중량부)
				유리전이온도(℃)			분산농도(중량%)
1	100	5	-	18	10	10	1
2	100	10	-	18	10	10	1
3	100	5	-	18	20	5	1
4	100	10	-	18	20	5	1
5*	100	-	10	-	-	-	-
6*	100	-	-	18	10	10	1
7*	100	-	-	102	10	10	1
8*	100	5	-	18	10	3	0.3

* 비교예

상기 표 1의 시편 1 내지 4는 본 발명의 실시예로서, 생석회의 첨가량은 석탄 100 중량부에 대하여 5 ~ 10 중량부로 하였고, 유리 전이 온도가 18℃인 스티렌-부타디엔 공중합체의 분산 농도는 물에 대해 10 ~ 20 중량부로 하였으며, 스티렌-부타디엔 공중합체 에멀젼 용액을 석탄 100 중량부에 대하여 10 ~ 20 중량부로 첨가여, 고분자 수지인 스티렌-부타디엔 공중합체가 1 중량부가 되도록 균일하게 혼합한 원료 석탄을 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조한 것이다.

그리고, 비교예 5는 석탄 100 중량부에 대하여 물을 10 중량부를 첨가하였고, 비교예 6은 석탄의 수분을 제거하기 위한 첨가제로 생석회를 첨가하지 않고 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조하였다. 또한, 비교예 7은 유리 전이 온도가 102℃인 스티렌-부타디엔 공중합체를 사용하였고, 비교예 8은 스티렌-부타디엔 공중합체 에멀젼 용액을 석탄 100 중량부에 대하여 3 중량부로 첨가하고, 스티렌-부타디엔 공중합체가 석탄 100 중량부에 대하여 0.3 중량부가 되도록 하여 실온에서 가압 성형하여 성형탄을 제조하였다.

성형탄은 제조된 즉시 압축 강도, 충격 강도를 측정하였다.

압축 강도는 만능 인장 시험기의 압축 모드에서 3mm/분의 속도로 압축하였을 때 최대 강도로 측정하였다. 그리고, 충격 강도는 50cm의 높이에서 500g의 충격체를 성형탄 위로 떨어 뜨린 후에 9.5mm 이상 크기의 성형탄의 잔존율을 하기 식과 같이 평가하였다.

하기 표 2는 상기 표 1의 각 실시예에 따라 제조된 성형탄의 압축 강도와 충격 강도를 평가한 것이다.

실험 No.	압축 강도	충격 강도
1	169Kg	82%
2	217Kg	90%
3	177Kg	86%
4	211Kg	93%
5*	20Kg	0%
6*	35Kg	75%
7*	31Kg	55%
8*	58Kg	77%

* 비교예

상기 표 2에 개시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 시편 1 내지 4의 경우에는 압축 강도는 150Kg 이상이고, 충격 강도는 80% 이상의 잔존율로 우수한 초기 강도를 가진 성형탄이 제조된다는 것을 알 수 있다.

그러나, 본 발명의 범위를 만족하지 않는 비교예 5 내지 8은 상기 시편 1 내지 4에 비하여 압축 강도, 충격 강도 모두 떨어져 성형탄의 초기 강도가 낮음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 점결제로 실온에서 액상을 유지하여 대량 취급이 용이한 고분자 에멀젼 용액을 점결제로 사용하여 석탄 입자를 결합함으로써, 제조 비용을 절감하고, 저온 안전성이 우수하고, 취급이 용이하며, 가열하지 않고도 초기 강도가 우수한 성형탄을 제조할 수 있다.

Claims (4)

1. 미분탄을 괴성화시키는 제조 방법에 있어서,

   미분탄 100 중량부에 대하여, 생석회를 3 ~ 10 중량부로 첨가하고, 점결제로 유리 전이 온도가 -20 ~ 40℃의 범위인 고분자 수지가 0.5 ~ 5 중량부가 되도록 균일하게 혼합한 후 실온에서 미분의 일반탄을 가압 성형하는 것을 특징으로 하는 고분자 수지를 이용한 성형탄 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지를 용액 상태로 만들어 고분자 에멀젼 용액을 일반탄 100 중량부에 대하여 5 ~ 20 중량부를 사용하고, 고분자 에멀젼의 분산 농도를 물에 대하여 5 ~ 60 중량%로 하는 것을 특징으로 하는 고분자 수지를 이용한 성형탄 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 스티렌, 부타디엔, 스티렌-부타디엔 고무, 부틸 고무, 네오프렌 고무, 니트릴 고무, 아스팔트, 비닐 아세테이트, 아크릴레이트, 메타 아크릴레이트 및 이들의 공중합체로 이루어지는 그룹 중 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 수지를 이용한 성형탄 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 스티렌과 부타디엔의 공중합체인 것을 특징으로 하는 고분자 수지를 이용한 성형탄 제조 방법.