KR101299383B1 - 코크스 강도 정량화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코크스 강도 정량화 방법에 관한 것으로, 고로의 풍구에 프로브 파이프를 삽입하여 장입물 시료를 채취하는 채취단계와, 상기 채취한 상기 장입물 시료에서 코크스를 분리하는 분리단계와, 상기 장입물 시료에서 분리된 코크스를 CO:CO₂:N₂가 25:25:50의 체적 비율인 가스 분위기의 노에 장입시키고 설정시간 동안 반응시키는 반응단계와, 상기 반응단계 후 상기 코크스의 압축강도를 측정하는 측정단계를 포함한다.
본 발명은 노내 장입물의 하중과 연계하여 코크스의 강도를 해석하는 것이 가능하게 하므로 코크스 품질평가에 대한 새로운 기준을 제시하는 이점이 있다.

Description

코크스 강도 정량화 방법{Quantification method of coke strength}

본 발명은 코크스 강도 정량화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실제 고로 내에서의 코크스 강도를 예측할 수 있는 코크스 강도 정량화 방법에 관한 것이다.

코크스는 고로의 열원으로 사용되는 연료인 동시에 철광석을 환원시키는 환원제의 역할을 한다. 코크스는 석탄을 코크스 오븐 설비에서 가열 건류하여 제조한다.

코크스 제조용 석탄은 건류시에 점결이 잘 이루어질 수 있는 점결성을 가져야 하므로 원료로는 역청탄이 많이 사용된다. 코크스 제조에 이용되는 석탄을 일반적인 연료용과 구분하여 원료탄이라 칭한다.

코크스는 열원과 환원제로서의 역할뿐만 아니라 노내의 통기성을 좋게 하는 역할을 위하여 어느 정도의 품질평가 기준을 만족해야 한다.

이와 관련된 선행기술로는 국내공개특허 2011-0022292호가 있다.

본 발명의 목적은 실제 고로 내에서의 코크스 강도를 예측할 수 있도록 노내 장입물의 하중과 연계하여 코크스 강도를 해석할 수 있는 코크스 강도 정량화 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 고로의 풍구에 프로브 파이프를 삽입하여 장입물 시료를 채취하는 채취단계와, 상기 채취한 상기 장입물 시료에서 코크스를 분리하는 분리단계와, 상기 장입물 시료에서 분리된 코크스를 CO:CO₂:N₂가 25:25:50의 체적 비율인 가스 분위기의 노에 장입시키고 설정시간 동안 반응시키는 반응단계와, 상기 반응단계 후 상기 코크스의 압축강도를 측정하는 측정단계를 포함한다.

상기 반응단계의 설정시간은 6~8시간이다.

상기 반응단계는 상기 장입물 시료에서 분리된 코크스를 입도 분리를 통해 25~30mm 범위만 사용한다.

본 발명은 고로 풍구에서 채취한 장입물 시료로부터 코크스를 분리하고 이 코크스를 고로 내부의 상황과 동일한 가스 분위기에서 반응시킨 후 압축강도를 측정한다. 이는 노내 장입물의 하중과 연계하여 코크스의 강도를 해석하는 것이 가능하게 하므로 코크스 품질평가에 대한 새로운 기준을 제시한다.

이러한 기준을 통해 코크스의 장입량을 조절할 경우 장입물 하중을 견딜 수 있는 코크스층 확보를 가능하고 고로 조업의 안정화를 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 고로의 풍구에서 장입물 시료를 채취하는 과정을 보인 작업상태도.
도 2는 본 발명에 의한 코크스 강도 정량화 방법을 보인 과정도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 코크스 강도 정량화 방법은, 노내 장입물의 하중과 연계하여 코크스의 강도를 해석함으로써 코크스 품질평가에 대한 새로운 기준을 제시하는 방법이다.

코크스 품질평가 기준으로 냉간강도(DI)와 열간강도(CSR)가 있다. 냉간강도와 열간강도는 코크스가 운반 중 또는 노내에서 붕괴되지 않도록 적정한 강도를 유지하기 위해 요구된다.

이러한 코크스의 냉간강도와 열간강도는 노내 상황에 대한 가정만을 두고 있을 뿐, 코크스의 종류에 따라 고로 상부와 하부의 반응율이 다를 뿐만 아니라, 고로 하부의 코크스가 상부 장입물에 의해 받게되는 하중에 대한 영향성을 배재하고 단순히 마모 강도만을 측정하기 때문에 실제 고로 내에서의 코크스 강도를 대표하기 어렵고 코크스 강도에 대한 해석이 난해할 수 있다.

따라서, 실제 고로 내에서의 코크스 강도를 예측할 수 있도록 한 코크스 강도 정량화 방법이 제시된다.

구체적인 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 고로(1)의 풍구(3)에 프로브 파이프(5)를 삽입하여 장입물 시료(7)를 채취하는 채취단계와, 채취한 장입물 시료에서 코크스를 분리하는 분리단계와, 장입물 시료(7)에서 분리된 코크스(C)를 CO:CO₂:N₂가 25:25:50의 체적 비율인 가스 분위기의 노(8)에 장입하고 설정시간 동안 반응시키는 반응단계와, 반응단계 후 코크스의 압축강도를 측정하는 측정단계를 포함한다.

채취단계는 긴 원통형상의 프로브 파이프(probe pipe)(5)를 이용한다. 프로브 파이프(5)는 속이 빈 중공 원통형상으로 선단이 톱니형상으로 되어 고로(1)의 풍구(3)에 프로브 파이프(5)의 삽입을 용이하게 한다. 프로브 파이프(5)는 고로(1)의 풍구(3)에 삽입되는 추진력이 일정하도록 회전을 통해 고로(1)의 풍구(3)에 삽입될 수 있다.

그러면 프로브 파이프(5) 내부에 고로(1)의 풍구(3) 선단에서부터 노심까지 관통한 코크스 층의 장입물 시료(7)가 채취된다.

이러한 채취단계는 프로브 파이프(5)를 고로(1)의 풍구(3)에 삽입한 것과 반대방향 즉, 후방으로 프로브 파이프(5)를 이동시켜 고로(1)의 풍구(3)에서 빼내 고로 내의 장입물 시료(7)의 채취가 완료된다.

분리단계는 채취한 장입물 시료에서 코크스를 분리하는 단계이다. 고로의 풍구에서 채취한 장입물 시료는 90% 이상이 코크스이고 나머지가 용선(Fe)(M)과 슬래그(S)로 이루어진다.

장입물 시료(7)에서 코크스(C)를 분리하기 위해 장입물 시료(7)를 냉각하고 분쇄한다. 다음으로 자력분리기를 이용해 철을 제거하고 슬래그(S)는 손을 이용하여 수작업으로 분리한다. 이때, 슬래그(S)는 장입물 시료(7)에 포함된 양이 미미하므로 수작업으로도 용이하게 분리가능하다.

반응단계는 고로 내부의 상황과 동일하게 CO:CO₂:N₂가 25:25:50 체적 비율인 가스 분위기에서 수행한다. 즉, 장입물 시료에서 분리한 코크스를 CO:CO₂:N₂가 25:25:50의 체적 비율인 가스 분위기의 노에 장입시키고 6~8시간 동안 반응시킨다.

CO:CO₂:N₂가 25:25:50 체적 비율인 가스 분위기는 고로 내부의 샤프트 부위의 분위기이다.

고로 내부는 풍구로부터 취입된 산소가 코크스를 연소하여 CO₂를 생성하고 CO₂가스는 C와 반응하여 CO가스를 생성하며, 이와 같이 생성된 가스는 노내를 상승하면서 FeO가 환원하여 CO₂를 생성하나 이는 코크스층을 통과하면서 탄소손실 반응을 일으켜 CO로 변화한다. 가스가 더욱 상승하면 온도저하에 의해 탄소석출 반응과 간접환원에 의해 CO₂량이 증가하여 CO:CO₂ 체적 비율은 샤프트 부위에서 대략 1 정도로 된다. 그리고, 완전연소의 경우 연소가스의 조성은 대략 N₂:CO=2:1의 체적 비율로 된다.

따라서, 고로 내부의 상황과 동일하게 CO:CO₂:N₂가 25:25:50 체적 비율인 가스 분위기에서 코크스를 반응시킨다.

반응시간 6~8시간은 코크스의 고로 내 반응시간 및 체류시간을 고려한 것이다. 장입물은 일정한 속도를 가지고 하강을 하게 되며 이와 동시에 노내에서 반응을 하게 된다. 코크스는 노 상부에서 일정한 가스화 반응을 거친 후 노하부에 도달하여 연소로 소실될 때까지 잔류하게 된다.

노내 장입물의 하강 속도는 노구 부분에 위치하는 장입물의 레벨(level)을 측정하는 측량(sounding)으로부터 측정이 가능하며, 이러한 측정 결과에 따라 풍구 샘플링 위치까지의 도달시간은 6~8시간으로 규정할 수 있다.

6~8시간은 조업 상황 및 생산량에 의존하게 되고, 생산량이 높아질수록 6시간에 가까워지게 되나, 그 미만으로 단축될 경우 광석 환원 반응속도에 미치지 못하게 되므로 안정적인 조업을 기대할 수 없게 된다. 따라서 노내 상황을 직접 모사하기 위하여 6~8시간의 반응 시간을 설정하는 것이 타당하다.

반응시간이 6시간 미만이면 노내 상황을 직접 모사하기 어렵고, 반응시간이 8시간을 초과하면 코크스의 고로 내 체류시간을 초과하므로 의미가 없다.

반응단계의 코크스(C)는 사전 입도 분리를 통하여 25~30mm 입도범위의 코크스만 사용한다.

실험 결과, 고로 장입전 코크스의 입도는 대략 25~60mm 범위로 분포하고, 고로 내 풍구에서 채취한 코크스의 입도는 대략 10~30mm 범위로 분포한다. 정확한 코크스의 압축강도를 측정하기 위해서는 고로 풍구단에서 입도가 높고 균일한 범위의 코크스를 선택하는 것이 용이하므로 25~30mm 입도범위의 코크스를 사용한다.

입도범위 25mm 미만의 코크스는 장입 후 마모가 많이 발생한 코크스로, 분 발생이 높고 강도가 낮다고 볼 수 있다. 따라서, 고로 내에서 장입물 하중을 견디는 코크스는 대부분이 입도범위 25mm 이상이 되므로 25~30mm 입도범위의 코크스를 고로 내부의 상황과 동일한 가스 분위기에서 반응시킨다.

측정단계는 고로 내부의 상황과 동일한 가스 분위기의 노(8)에서 반응시킨 코크스(C)의 압축강도를 측정하는 단계이다. 코크스(C)의 압축강도 측정은 압축강도 측정기(9)를 이용한다. 압축강도 측정기는 시료에 압력을 가하여 압축강도를 측정하는 시험기이다.

측정단계에서 측정된 코크스(C)의 압축강도는 노내 장입물의 하중과 연계하여 코크스 강도의 해석이 가능하다.

예를 들어, 측정된 압축강도가 기준값 이상이면 고로 조업이 안정적으로 관리되고 있는 것을 판단하고, 측정된 압축강도가 기준값 미만이면 고로 조업이 불안정한 것으로 판단한다.

고로 조업이 불안정한 것으로 판단되면, 코크스 층을 높게 해서 장입물 하중을 견딜 수 있도록 코크스 장입량을 증량시키거나, 품질이 높은 코크스를 장입시켜 장입물 하중을 지지할 수 있도록 하는 등 고로 코크스 품질 범위를 설정할 수 있다.

이러한 코크스 품질평가 기준을 통해 코크스의 장입량 및 품질을 조절할 경우 장입물 하중을 견딜 수 있는 코크스층 확보를 가능하고 고로 조업의 안정화를 확보할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 실험을 통해 설명하기로 한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

1. 고로의 풍구에 프로브 파이프를 삽입하여 장입물 시료를 채취한 후, 냉각 하고 파쇄하여 장입물 시료에 포함된 철과 슬래그를 분리하였다. 철과 슬래그 분리 후 남은 코크스는 입도 분리를 통하여 입도가 25~30mm 범위인 코크스만 분리하였다.

분리된 코크스를 CO:CO₂:N₂가 25:25:50의 체적 비율인 가스 분위기의 노에 장입시키고 6시간동안 반응시킨 후 대표 샘플을 10개 선정하여 압축강도를 측정하였다. 압축강도는 가압하여 압축강도를 측정하는 압축강도 측정기를 사용하였다.

측정된 압축강도를 아래의 표 1에 나타내었다.

구분	압축강도(%)
1	65
2	62
3	61
4	63
5	64
6	62
7	63
8	65
9	67
10	65

[압축강도 기준값:60 이상]

표 1에 의하면, 고로의 풍구에서 코크스를 채취한 후 고로 내부의 상황과 동일한 가스 분위기에서 반응시켜 측정한 압축강도가 기준값인 60 이상이므로 고로 조업이 안정적으로 관리되고 있는 것으로 판단할 수 있다.

또한, 본 분석 결과는 입도 분리를 통해 직접적으로 장입물 하중을 견디는 25~30mm의 코크스만 채취하여 측정한 것이므로 데이터의 신뢰성이 확보된다.

아래의 표 2는 고로 조업 중 월평균 노정 가스(배가스) 성분 조성을 측정하여 나타낸 것이다.

고로 노정 가스 성분	CO	CO2	N2	기타 (H2, H20외)
고로 노정 가스 성분(%)	25.6	22.2	47.6	4.6

표 2에 의하면, 고로 조업시 월평균 노정 가스 성분이 대략 25:25:50 비를 만족한다. 이를 통해 고로 내부의 상황과 동일한 조건에서 실험하기 위해서는 CO:CO₂:N₂가 25:25:50 체적 비율인 가스 분위기에서 코크스를 반응시키는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

1:고로 3:풍구
5:프로브 파이프 7:장입물 시료
8:노 9:압축강도 측정기
M:용선(Fe) S:슬래그
C:코크스

Claims (3)

1. 고로의 풍구에 프로브 파이프를 삽입하여 장입물 시료를 채취하는 채취단계와;
   상기 채취한 상기 장입물 시료에서 코크스를 분리하는 분리단계와;
   상기 장입물 시료에서 분리된 코크스를 CO:CO₂:N₂가 25:25:50의 체적 비율인 가스 분위기의 노에 장입시키고 설정시간 동안 반응시키는 반응단계와;
   상기 반응단계 후 상기 코크스의 압축강도를 측정하는 측정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코크스 강도 정량화 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 반응단계의 설정시간은 6~8시간인 것을 특징으로 하는 코크스 강도 정량화 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 반응단계는
   상기 장입물 시료에서 분리된 코크스를 입도 분리를 통해 25~30mm 범위만 사용하는 것을 특징으로 하는 코크스 강도 정량화 방법.

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