KR100407801B1 - 고분자 바인더를 이용한 성형탄 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 바인더를 이용하여 성형탄을 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고분자 바인더를 이용한 성형탄 제조방법은 성형탄 내에 포함된 고분자 수지의 함량이 미분탄의 중량 100에 대하여 0.3∼3 중량부가 되도록, 입도가 8 mm 이하인 미분탄과 유리전이온도가 -20∼40℃인 고분자 에멀젼 용액을 실온에서 혼합하여 혼합물을 만드는 단계; 및 상기 혼합물을 80℃ 이상의 온도에서 가압 성형하는 단계를 포함하여 이루어지고, 대량 취급이 용이한 액상의 고분자 바인더를 사용하기 때문에 경비가 대폭적으로 절감되는 효과가 있으며, 또한 초기강도가 우수하고 대량으로 이송취급하기가 용이한 성형탄을 제공하는 효과가 있다.

Description

고분자 바인더를 이용한 성형탄 제조방법{METHOD FOR BRIQUETTING USING POLYMER BINDER}

본 발명은 고분자 바인더를 이용한 성형탄 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코렉스 공정에 사용하기 위해 고분자 에멀젼(emulsion) 용액을 사용하여 80℃ 이상의 온도에서 미분탄을 괴성화시킴으로써 초기강도가 우수한 성형탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

선철 제조기술은 원료 및 연료의 수급상황과 환경오염에 대한 규제강화에 부응하도록 개발되어 온 추세이며, 그 결과 선철 제조공정의 주류를 이루고 있는 고로법의 단점을 보완하기 위해 환원용융법이 출현하였다. 환원용융법 중의 하나로서 전세계적으로 각광을 받아온 코렉스(COREX) 공정에서는 연료로서 코크스(coke)가 아닌 일반탄, 즉 석탄을 바로 사용하기 때문에 고로법에서 에너지 다소비 공정이었던 코크스 제조공정을 생략할 수 있어서 원가가 절감되는 등의 장점이 있다. 그러나 연료로 사용되는 석탄 중에서 8 mm 이하의 미분탄은 용융로 내에서 충분히 연소되지 못하고 용융로의 외부로 배출되어 집진기에 포집되며, 8 mm 이하 미분탄의 양이 과다할 경우에는 공정의 불균형을 초래하기 때문에 사용에 제약을 받게 된다.

코렉스 공정용으로 수입되는 석탄의 상당량이 8 mm 이하의 미분으로 구성되어 있으며, 이들은 코렉스 공정에서 사용되지 못하고 미분탄 취입(PCI : pulverized coal injection) 조업용 또는 코크스용 탄으로 전용되고 있으나 이러한 전용에는 한계가 있는 실정이다. 따라서, 8 mm 이하의 미분탄을 적절한 방법으로 괴성화시켜 코렉스 공정에 사용함으로써 코렉스 공정의 경쟁력을 향상시키는 것이 필요하다.

미분탄을 괴성화시키는 종래 기술로는 피치(pitch) 등의 고체 바인더를 사용하여 미분탄을 가압 성형하여 성형탄을 제조하는 방법이 있다. 이 방법에서는 바인더가 물과 같은 낮은 점도를 가지도록 바인더를 가열하여 용융시키고 용융된 바인더를 150℃ 이상의 온도로 유지한 상태에서 미분탄에 바인더를 5-10 중량% 첨가하여 충분히 혼합한 다음, 이들을 혼련기에서 100℃로 숙성시킨 후 가압 성형하여 성형탄을 제조한다. 이 때 피치와 같은 고체 바인더는 용융상태에서는 미분탄에 균일하게 분산되어 혼합될 정도의 점도를 가지고, 성형 후 연화온도 이하로 냉각되면 석탄 입자를 강고하게 결합시킨다.

그러나, 만약 바인더를 물과 같은 낮은 점도가 유지되도록 150℃ 이상으로 가열하고 혼합시에도 그 온도가 유지되도록 보온하지 않으면, 비록 용융된 바인더를 첨가하여도 바인더가 석탄입자에 접촉되면 바로 고화되어 극히 부분적으로 결합을 하여 미분탄 중에 불균일하게 존재하므로 성형탄의 품질이 매우 불안정해진다. 따라서, 피치와 같은 고체 바인더를 사용하기 위해서는 150℃ 이상으로 석탄을 가열시키는 대규모의 가열건조설비가 필요하며, 이로 인해 성형탄을 제조하는데 드는비용이 많은 문제점이 있었다.

또한, 상기한 석탄의 가열건조시 발생하는 유해가스로 인해 작업환경이 악화되고 대기가 오염되며, 이를 방지하기 위해서는 막대한 경비가 지출되므로 성형탄의 가격 경쟁력이 떨어져서 코렉스 공정에 사용되기에는 부적합한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 대량 취급이 용이한 액상의 고분자 에멀젼을 바인더로 사용하여 80℃ 이상의 온도에서 가압 성형함으로써 파손율이 낮고 취급이 용이한 성형탄의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 성형탄 내에 포함된 고분자 수지의 함량이 미분탄의 중량 100에 대하여 0.3∼3 중량부가 되도록, 입도가 8 mm 이하인 미분탄과 유리전이온도가 -20∼40℃인 고분자 에멀젼 용액을 실온에서 혼합하여 혼합물을 만드는 단계; 및 상기 혼합물을 80℃ 이상의 온도에서 가압 성형하는 단계를 포함하여 성형탄을 제조한다.

이 때 상기 고분자 에멀젼 용액은 상기 고분자 수지가 5∼60 중량% 포함된 것을 사용하고, 상기 고분자 에멀젼 용액을 상기 미분탄과 혼합할 때에는 미분탄의 중량 100에 대하여 5∼20 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 고분자 에멀젼 용액은 고분자 수지를 계면활성제, 예를 들면지방산염, 알킬 호박산염, 고급 알코올 황산 에스테르염, 알킬 벤젠 술폰산 소다, 알킬 디페닐 에테르 디술폰산염, 폴리 옥시 에틸렌 알킬 에테르 술폰산 등과 같은 음이온성 계면활성제와 폴리 에틸렌 글리콜 에테르, 폴리 옥시 에틸렌 에스테르 등과 같은 비이온성 계면활성제 중에서 하나 이상을 선택하여 물에 분산시키는 유화중합(emulsion polymerization) 처리에 의해 제조되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 고분자 수지로는 스틸렌, 부타디엔, 스틸렌-부타디엔 고무, 부틸 고무, 네오프렌 고무, 니트릴 고무, 아스팔트, 비닐아세테이트, 염화비닐, 아크릴레이트, 메타아크릴레이트 및 이들의 공중합체로 이루어지는 군 중에서 하나 이상을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 고분자 바인더를 이용한 성형탄 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

코렉스 공정용 석탄으로 사용되기 위해서는 최소한 8 mm 보다는 큰 입도를 가져야 하기 때문에, 본 발명에서는 바인더를 이용하여 8 mm 이하의 미분탄을 가압 성형함으로써 괴성화시켜 성형탄을 제조한다. 성형시 가해지는 압력에 의해 4 mm 이상의 입도를 가진 석탄은 균열을 일으키기는 하지만 이것은 성형탄의 강도에 큰 영향을 미치지는 않는다. 따라서, 본 발명이 적용되는 미분탄은 코렉스 공정에서의 입도관리규격인 8 mm 이하의 것이면 가능하고, 특히 4 mm 이하의 미분탄이면 더욱 바람직하다.

본 발명에서 사용된 바인더는 대량 취급이 곤란한 피치 또는 전분 등의 고체물질이 아니고, 실온에서 액상을 유지하여 대량 취급이 용이한 고분자 에멀젼 용액이다. 이와 같이 액상의 고분자 에멀젼을 바인더로 사용하는 점과 바인더를 종래기술에서와 같이 고온으로 가열하지 않고 실온에서 미분탄과 혼합하는 점은 본 발명의 특징이다.

상기한 고분자 에멀젼 용액은 고분자 수지를 계면활성제, 예를 들면 지방산염, 알킬 호박산염, 고급 알코올 황산 에스테르염, 알킬 벤젠 술폰산 소다, 알킬 디페닐 에테르 디술폰산염, 폴리 옥시 에틸렌 알킬 에테르 술폰산 등과 같은 음이온성 계면활성제와 폴리 에틸렌 글리콜 에테르, 폴리 옥시 에틸렌 에스테르 등과 같은 비이온성 계면활성제 중에서 하나 이상을 선택하여 물에 분산시키는 유화중합(emulsion polymerization) 처리에 의해 제조된 것이다. 이 때 경우에 따라서는 고분자 수지와 상용성이 있는 유기용매와 함께 물에 분산시킬 수도 있다. 성형 건조시 고분자 에멀젼 용액 내의 용매 및 물은 증발되고 고형분인 고분자 수지는 남아서 석탄입자를 강고하게 결합시키기 때문에 일정 강도를 나타내는 성형탄이 제조된다.

이러한 고분자 에멀젼 용액은 유리전이온도가 -20∼40℃의 범위에 속하는 것이 바람직하다. 만약 유리전이온도가 -20℃ 보다 낮으면 성형탄의 강도가 약해지고, 40℃ 보다 높으면 바인더의 수축과 딱딱한 피막 물성에 의해 균열이 발생될 수 있다. 또한, 고분자 에멀젼 용액 내의 고형분인 고분자 수지의 함량은 5∼60 중량%의 범위에 속하는 것이 바람직하다. 고형분의 함량은 고분자 에멀젼 용액의 유동성에 영향을 미치며, 고분자 에멀젼 용액과 미분탄의 용이한 혼합을 위해서는 고분자 에멀젼 용액이 어느 정도의 유동성을 가져야 한다. 고분자 용액 내의 고형분의 함량은 사용하는 고분자 수지의 종류, 유화제 및 용매의 종류에 따라 달라지는데, 만약 고형분의 농도가 5 중량% 미만일 경우 고분자 용액 내 고형분의 양이 부족하여 성형탄이 충분한 성능을 발휘하지 못할 수 있고, 60 중량%를 초과하는 경우에는 고분자 에멀젼 용액의 저장 안정성이 저하되며 미분탄과 혼합시 작업성이 떨어진다.

상기한 고분자 수지로는 스틸렌, 부타디엔, 스틸렌-부타디엔고무, 부틸고무, 네오프렌고무, 니트릴고무, 아스팔트, 비닐아세테이트, 아크릴레이트(예를 들면 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 프로필아크릴레이트, 부틸아크릴레이트 등), 메타아크릴레이트(예를 들면 메틸메타아크릴레이트, 에틸메타아크릴레이트, 프로필메타아크릴레이트, 부틸메타아크릴레이트, 2-에틸헥실메타아크릴레이트 등) 및 이들의 공중합체로 이루어지는 군 중에서 하나 이상을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 그 중에서 특히 스틸렌과 부타디엔의 공중합체(copolymer)는 내충격성이 우수하기 때문에 선호된다.

이러한 고분자 수지를 앞에서 언급한 바와 같이 유화중합 처리를 하여 고분자 에멀젼 용액을 제조하는데, 상기한 방법으로 제조된 고분자 에멀젼 용액 중에서 미분탄의 가압성형시 바인더로서 특히 우수한 특성을 나타내는 것의 일례로는 고형분이 48∼52 중량% 함유되고 유리전이온도가 -20∼40℃인 스틸렌과 부타디엔의 공중합체 에멀젼 용액이 있다. 이 때 스틸렌과 부타디엔의 공중합체 에멀젼 용액의 고형분의 함량은 경제성을 고려하여 미분탄과의 혼합 전에 물을 추가로 첨가하여 10∼40 중량%로 희석시켜 사용하는 것이 좋다.

상기한 바와 같은 고분자 에멀젼 용액을 미분탄과 혼합한 후 80℃ 이상의 온도에서 가압 성형하여 성형탄을 제조한다.

고분자 에멀젼 용액을 미분탄과 혼합할 때에 고분자 에멀젼 용액의 첨가량은 용액 내 고형분의 함량에 따라 조절하는데, 그 이유는 다음과 같다. 즉 성형탄의 제조를 위한 바인더로서 고분자 에멀젼 용액을 사용할 경우에는 제조완료된 성형탄 내에 최종적으로 존재하는 고분자 수지의 양에 영향을 미치는 요소가 미분탄과 혼합하는 고분자 에멀젼 용액의 첨가량 및 고분자 에멀젼 용액 내 고형분의 함량이기 때문이다. 예를 들면 고형분이 20 중량%인 고분자 에멀젼 용액을 미분탄의 중량 100에 대하여 10 중량부 사용하였다면, 최종적으로 성형탄 내에 잔존하는 고분자 수지의 함량은 2 중량부가 되는 것이다. 본 발명에서는 제조완료된 성형탄 내에 포함된 고분자 수지의 함량이 미분탄의 중량 100에 대해 0.3∼3 중량부가 되도록 고분자 에멀젼 용액의 함량을 조절하여 미분탄과 혼합한다. 따라서, 미분탄의 중량 100에 대해 고분자 에멀젼 용액을 5∼20 중량부가 되도록 첨가하여 혼합한다.

이 때 만약 고분자 에멀젼 용액의 첨가량이 미분탄의 중량 100에 대해 5 중량부 미만일 경우에는 미분탄 중에 고분자 에멀젼 용액의 양이 부족하여 미분탄과 혼합시 고분자 수지가 편재하는 장애를 일으켜서 가압성형 후 제조되는 성형탄의 강도가 저하될 수 있으며, 20 중량부를 초과하면 상대적으로 고분자 에멀젼 용액 내의 수분의 함량이 너무 높아져서 가압성형 작업성이 저하되기도 한다.

또한, 앞에서 언급한 바와 같이 건조된 후의 고분자 수지의 함량이 미분탄의 중량 100에 대해 0.3∼3 중량부가 되도록 하는데, 이는 만약 고분자 수지의 함량이 0.3 중량부 미만일 경우에는 바인더의 양이 부족하여 성형탄의 강도가 저하될 수있으며 3 중량부를 초과하는 경우에는 경제적으로 큰 이득이 없기 때문이다.

이와 같이 미분탄과 고분자 에멀젼 용액의 혼합물을 80℃ 이상의 온도에서 가압 성형하면 성형탄 내에 존재하는 수분이 급속히 제거되고, 고분자 에멀젼 용액 내의 고분자 수지가 미분탄을 단단하게 결합시켜 기계적 강도가 우수한 성형탄이 제조된다. 만약, 가압 성형시의 온도가 80℃ 미만일 경우에는 성형탄 내의 수분 제거 효과가 미미하여 성형탄의 초기강도가 낮으며, 수분이 자연 증발하여 성형탄이 충분한 강도를 나타낼 수는 있으나 그 동안 장시간이 소요되기 때문에 미분탄을 대량생산하기 위한 성형작업에는 적용하기 어렵다.

이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 고분자 바인더를 이용한 성형탄 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.

본 발명의 실시예에서는 3.4 mm 이하의 입도를 가지는 미분탄에 바인더로서 스틸렌-부타디엔 공중합체 에멀젼 용액을 실온에서 혼합한 후에, 온도 조절이 가능한 가압 프레스를 이용하여 620 kg/cm²으로 가압하여 직경 35 mm, 두께 20 mm의 원기둥 모양으로 성형탄을 제조하였다.

표 1은 본 발명의 실시예 1∼4의 실험조건을 비교예 1∼6의 실험조건과 함께 나타낸 것이다.

	고분자 에멀젼 용액	혼합물의 성분 (중량부)	성형탄 내의 고분자 수지 (중량부)	성형온도
	유리전이온도	고형분의함량			미분탄	에멀젼 용액	물첨가량
실시예 1	18℃	10 중량%	100	10	-	1	100℃
실시예 2	18℃	10 중량%	100	10	-	1	150℃
실시예 3	18℃	20 중량%	100	10	-	2	100℃
실시예 4	18℃	20 중량%	100	5	-	1	100℃
비교예 1	-	-	100	-	10	-	100℃
비교예 2	18℃	10 중량%	100	10	-	1	20℃
비교예 3	18℃	10 중량%	100	10	-	1	50℃
비교예 4	18℃	10 중량%	100	10	-	1	70℃
비교예 5	102℃	10 중량%	100	10	-	1	100℃
비교예 6	18℃	4 중량%	100	5	-	0.2	100℃

표 1에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예 1∼4에서는 유리전이온도가 18℃이고 에멀젼 용액 내의 고형분의 함량이 10 또는 20 중량%인 스틸렌-부타디엔 공중합체 에멀젼 용액을 바인더로 사용하였다. 성형탄 내의 결과적인 고분자 수지 함량이 1 또는 2 중량부가 되도록, 입도가 3.4 mm 이하인 미분탄의 중량 100에 대해 스틸렌-부타디엔 공중합체 에멀젼 용액을 10 또는 5 중량부 첨가하여 혼합하였고, 혼합물의 가압성형은 100 또는 150℃의 온도에서 수행하여 성형탄을 제조하였다.

이에 반해 상기한 본 발명의 실시예 1∼4에서의 실험조건 중 일부를 변화시키고 그 결과를 알아보기 위해 비교예 1∼6을 수행하였다. 비교예 1에서는 고분자 에멀젼 용액을 사용하지 않고 다만 물만을 미분탄의 중량 100에 대해 10 중량부 첨가하였으며, 비교예 2∼4에서는 각각 20℃, 50℃, 70℃의 온도에서 가압 성형하였다. 한편, 비교예 5에서는 유리전이온도가 102℃인 스틸렌-부타디엔 공중합체 에멀젼 용액을 사용하였으며, 비교예 6에서는 성형탄 내의 결과적인 고분자 수지의 함량이 0.2 중량부가 되도록 에멀젼 용액 내에 고형분이 4 중량% 포함된 스틸렌-부타디엔 에멀젼 용액을 미분탄의 중량 100에 대해 5 중량부 첨가하였다.

상기한 바와 같은 실험조건의 실시예 1∼4 및 비교예 1∼6에 따라 제조된 성형탄의 초기강도를 알아보기 위해 제조완료된 직후 압축강도와 충격강도를 측정하였다. 압축강도는 만능인장시험기의 압축모드에서 3 mm/분의 속도로 압축하였을 때의 최대강도로 측정하였으며, 충격강도는 50 cm의 높이에서 500 g의 충격체를 성형탄에 떨어뜨린 후 9.5 mm 이상의 크기를 가지는 성형탄의 잔존율로써 평가하였으며, 그 잔존율은 다음의 식에 의해 구하였다.

다음의 표 2는 표 1에 나타난 실시예 1∼4 및 비교예 1∼6에 따라 제조된 성형탄의 압축강도와 충격강도를 나타낸 것이다.

	압축강도	충격강도
실시예 1	266 kg	87 %
실시예 2	336 kg	92 %
실시예 3	357 kg	94 %
실시예 4	233 kg	84 %
비교예 1	20 kg	0 %
비교예 2	46 kg	26 %
비교예 3	87 kg	61 %
비교예 4	106 kg	72 %
비교예 5	51 kg	44 %
비교예 6	95 kg	65 %

표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1∼4에 따라 제조된 성형탄은 200 kg 이상의 압축강도와 80 % 이상의 충격강도를 나타내므로, 비교예 1∼6에 비해 초기강도가 훨씬 우수함을 확인할 수 있었다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 대량 취급이 용이한 액상의 고분자 바인더를 이용하기 때문에 고체 바인더를 가열하여 사용하였던 종래 기술에 비해 경비가대폭적으로 절감되는 효과가 있으며, 따라서 본 발명에 따라 제조된 성형탄을 코렉스 공정에 적용하면 코렉스 공정의 경쟁력이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따라 제조된 성형탄은 초기강도가 우수하고, 특히 제조후 야적장에서 방치되거나 코렉스 공정과 같은 대규모 공정에서 작업환경의 온도가 올라갈수록 강도가 더욱 향상되는 효과가 있으며, 따라서 대량으로 이송취급하기가 용이한 효과가 있다.

Claims (5)

1. 고분자 바인더를 이용하여 성형탄을 제조하는 방법에 있어서,

   성형탄 내에 포함된 고분자 수지의 함량이 미분탄의 중량 100에 대하여 0.3∼3 중량부가 되도록, 입도가 8 mm 이하인 미분탄과 유리전이온도가 -20∼40℃인 고분자 에멀젼 용액을 실온에서 혼합하여 혼합물을 만드는 단계; 및

   상기 혼합물을 80℃ 이상의 온도에서 가압 성형하는 단계

   를 포함하는 성형탄의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 에멀젼 용액은 상기 고분자 수지가 5∼60 중량% 포함된 것을 사용하고, 상기 고분자 에멀젼 용액을 상기 미분탄과 혼합할 때에는 미분탄의 중량 100에 대하여 5∼20 중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 성형탄의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기한 고분자 에멀젼 용액은 고분자 수지를 계면활성제와 함께 물에 분산시키는 유화중합(emulsion polymerization) 처리에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 성형탄의 제조방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고분자 수지로는 스틸렌, 부타디엔, 스틸렌-부타디엔 고무, 부틸 고무, 네오프렌 고무, 니트릴 고무, 아스팔트, 비닐아세테이트, 염화비닐, 아크릴레이트, 메타아크릴레이트 및 이들의 공중합체로 이루어지는 군 중에서 하나 이상을 선택하여 사용하는 성형탄의 제조방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고분자 수지로는 스틸렌과 부타디엔의 공중합체를 선택하여, 상기 고분자 에멀젼 용액 내에 상기 스틸렌과 부타디엔의 공중합체가 10-30 중량% 포함된 고분자 에멀젼 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 성형탄의 제조방법.