야금용 코크스 강도에 미치는 석탄의 화학조성

최 재 훈, 이 운 재, 배 기 영*

포항산업과학연구원, 에너지/화성연구팀, 포항종합제철 화성부*

Relationship of Chemical Composition of Coal

and Strength of Metallurgical Coke

Jae-Hoon Choi, Woon-Jae Lee and Ki-Young Bae*

Energy/Coal and Chemical Process Research Team, RIST, POSCO*

1. 서  론

고로제철법에 있어 필수적 원료로서 코크스가 사용된다. 현재 코크스 제조용으로 수십 종의 역청탄이 전량 수입되고 있으며, 통상 십여 종의 석탄을 적정비율로 배합하여 야금용 코크스를 제조하고 있다. 역청탄중에도 용융성과 점결성이 우수한 점결탄이 있는 반면, 점결성이 약하거나 거의 없는 비점결탄이 있다 전자는 가격이 비싼 반면, 후자는 저렴하지만 코크스 제조에 적합하지 않은 것이다.  그러므로, 값싼 석탄을 다량 배합함으로써 제조원가를 저감하면서 품질이 우수한 코크스를 제조하고자하는 관점에서 보다 정밀한 석탄 특성 평가 기술은 매우 중요하다고 할 수 있다.

석탄은 주로 탄소와 수소를 기본 성분으로 하는 방향족 탄화수소 화합물들이 다양한 형태로 화학 결합되어 거대한 석탄분자를 구성하고 있다. 코크스 제조용 석탄의 가장 큰 특징은 350∼500℃의 온도영역에서 연화 용융된 후, 500℃이상의 고온에서 고화됨으로써 괴상의 코크스로 전환되는 것이다. 일반적으로 코크스 제조용 석탄의 C/H 원자비 1이상의 값을 가지고 있는 것으로부터 평균 2∼3개의 밴젠환이 기본구조가 되는 것으로 추정되고 있다.

본 연구에서는 코크스 제조용 석탄 평가법으로 사용되고 있는 반사율, 유동성, 점결성 등의 물리적 평가법에 대하여, 석탄을 구성하는 C, H ,O 등의 원소성분의 함량과 코크스 품질 및 물리적 현상을 평가하고자 하였다.

2. 실  험

실험에 사용된 석탄은 17종으로 코크스 제조에 적합한 점결탄 9종, 점결성이 약하거나 없는 비점결탄 7종을 대상으로 하였으며, 이들은 모두 제철소에서 코크스 제조용으로 사용하고 있는 것들이다. 분석시료제조는 40℃에서 감압 건조하여  수분을 제거하였으며 150□m이하로 미분쇄하여 사용하였다. 원소분석은 LECO사제 CHNS-932를 사용하였으며, 석탄의 방향족 및 지방족 수소분포측정에는 피리딘에 용해된 성분을 pyridine-d5 에 다시 용해시켜 핵자기공명 분석기(1H-nmr: 미국 BRUKER사제)로 분석하였다. 한편, 열처리는 전기로에서 불활성 분위기 하에서 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

코크스 강도(Drum Index:DI)는 ASTM 규격에 의하여 코크스 강도를 측정하는 것이며, 일정량의 코크스가 미분으로 분화되는 정도를 백분율로 나타내기 때문에 DI지수가 높을수록 미분 발생량이 작으므로 코크스 강도가 높은 것으로 평가된다. Fig.1은 제철소에서 각 코크스 공장에서 제조된 코크스의 물성 분석 결과를 나타낸 것이다. 석탄의 강도지수(Strength Index: SI) 증가에 따라 DI가 증가되는 경향을 나타내고 있다.  W3AB와 W4AB는 제조된 코크스를 질소가스에 의하여 건식 소화하기 때문에, 물로써 습식 소화하는 다른 코크스 오븐에서 제조된 코크스보다 DI 가 크게 향상되어 있다.

일반적으로 코크스 제조에는 10여종의 석탄이 배합된 배합탄을 사용하고 있으며, 각 석탄의 물성치를 배합비에 가중 평균하여 배합탄의 물성이 도출되며, 각 석탄의 배합비를 조절하여 배합탄 물성이 코크스 안정 범위 안에 포함되도록 제어한다. 이러한 관점에서 Schapiro 등이 제안한 석탄 조직분석법에 의하여 얻어지는 강도지수는 코크스 품질 확보를 위한 주요 배합지수로 사용하는 것이 효과적임을 알 수 있다. 즉, 코크스 품질저하 현상이 발생 시에는 일차적으로 강도지수가 높은 석탄의 배합비를 증대하여 배합탄의 강도지수를 증가시키면 코크스 품질은 향상됨을 의미한다. 이는 제철소에서 사용하고 있는 석탄의 대부분이 미국, 캐나다, 호주 석탄들이기 때문이라고 할 수 있다.1,2) 그러나, 강도지수가 높은 석탄은 비교적 가격이 비싸기 때문에 품질확보를 위하여 이들의 사용량 증대는 제조원가 측면에서 바람직하지 못하다고 할 수 있다.

Fig. 배합탄 강도지수(SI)와 코크스 강도의 상관성

Fig.2는 실험에 사용된 단일 탄의 강도지수와 H/C 원자 비의 상관성을 나타낸 것이다. 양자간에 상관성이 매우 높은 것은 이들이 석탄화도를 평가하는 지수라고 하는 공통성이 있기 때문이다. 다시 말하면, 석탄화도가 높은 석탄일수록 탄소함량이 증가되고 수소함량은 저하되기 때문에 H/C값은 감소하는 경향을 나타내는 반면, 석탄 반사율 측정으로 산출되는 강도지수는 석탄화도 증가에 따라 증가하는 경향이 있기 때문이다.

Fig. 석탄 강도지수와 H/C 원자 비의 상관성

그러나, Fig.3에 나타낸 바와 같이, 코크스 강도와의 상관성을 비교하면, 강도지수의 경우, SI 지수가 증가함에 따라 코크스 강도가 급격히 증가하는 경향을 나타내고 있으나 SI 지수가 4이

상의 경우에는 코크스 강도가 더 이상 증가되지 않는 포화곡선의 형태를 나타내고 있다. 이는 코크스 강도 예측이 SI지수에 크게 의존하는 경우, 강도지수가 높은 석탄이 많이 사용될수록 코크스 강도 예측 정확도가 감소될 수 있음을 의미한다. 한편, 석탄의 C/H 원자비와 코크스 강도의 상관성은 SI 지수의 경우와 유사한 경향을 나타내고 있으나, 석탄화 증가에 따라 포화되는 경향을 나타내지 않기 때문에 코크스 품질을 고려한 석탄 배합 시에 이 지수를 적용하는 것이 SI지수를 사용하는 것보다 효과적임을 의미한다고 할 수 있다.

Fig. 4 는 단일탄의 O/H 원자비 변화에 따른 코크스 강도 변화를 나타낸 것이다.  여기서 CSR(Coke Strength after Reaction)은 반응후 코크스 강도를 나타낸 것으로 고로(용광로)에 투입된 코크스의 분화량을 추정에 사용되며, 이 값이 클수록 품질이 우수한(분화량이 낮은) 코크스로 평가된다. 한편, 코크스의 DI 및 CSR값이 석탄의 O/H 원자비와 높은 상관성을 나타내는 것은 이들의 함량이 코크스 건류과정에서 발생되는 열분해반응 및 중합반응에 크게 영향을 미치고 있음을 의미한다. 즉 용융된 석탄의 유동성을 개선하는 수소함량의 감소 또는 유동성을 저해하는 산소함량이 증가할수록 코크스 강도는 크게 저하됨을 알 수 있다. 특히 고온강도인 CSR의 현저한  감소현상은 석탄의 유동성 저하로 인하여 생성 코크스의 이방성 조직발달을 억제되었기 때문에 나타난 현상으로 해석할 수 있다.3)

Fig.4 석탄의 O/H 원자비와 코크스 강도

4. 결  론

석탄의 원소분석하여 C, H, O의 함량을 산출하고 이 값을 석탄의 용융성과 코크스 강도와의 상관성을 평가한 결과 C/H, O/H 원자비 등의 원소 조성은 석탄의 용융성과 코크스 강도에 매우 밀접한 상관성을 나타내었다 이러한 경향은 건류과정에서 진행되는 석탄의 열분해 및 중합반응에 이들 원소들이 특징적인 역할을 하고 있기 때문이라고 해석할 수 있다. 또한. 비교적 간편한 석탄의 원소분석 결과를 코크스 품질 및 석탄 물성 평가방법에 적용함으로써, 코크스 품질을 유지하면서 비점결탄의 사용량 증대수단으로 사용할 수 있음을 알 수 있었다.

5. 참고문헌

1. N. Schapiro and R. J Gray. J. Institute of Fuel, 234 (1964)

2. N. Schapiro et al " Blast Furnace, Coke Oven, and Raw Materials

Conference", 89 (1961)

3. 朝田 眞吾 등, (일본) R&D 神戶製鋼技報, 41, No.4, pp.3-6 (1991)

Table  실험에 사용된 각종 역청탄의 물성표

물성 산지 탄명		공업분석		유동도	코크스 강도		원소 분석
		Ash	VM	LMF	DI150	CSR	C	H	O	C/H	O/H
미국	CW	7.37	30.32	4.04	82.9	60.9	87.28	5.45	4.47	1.335	0.051
미국	PH	7.63	31.95	3.82	76.9	55.3	85.50	5.33	6.31	1.337	0.074
호주	PD	9.43	20.57	2.53	86.8	73.3	89.04	4.93	3.39	1.505	0.043
호주	SJ	9.36	20.04	2.46	86.8	75.5	88.92	4.78	3.60	1.550	0.047
캐나다	FR	9.30	23.43	1.93	87.8	67.7	88.61	4.94	4.28	1.495	0.054
캐나다	LC	9.58	22.05	2.35	87.9	65.4	89.38	4.76	3.82	1.565	0.050
호주	GG	6.63	33.64	3.49	83.4	63.5	85.09	5.58	6.46	1.271	0.072
캐나다	GP	8.28	26.35	2.52	86.3	68.7	87.44	5.11	5.04	1.426	0.062
중국	PG	10.16	25.67	3.06	86.3	59.1	87.53	5.02	5.20	1.453	0.065
미국	PB	7.01	36.24	3.77	72.0	38.7	85.19	5.61	6.11	1.265	0.068
호주	GT	6.79	32.38	3.42	84.7	60.7	84.43	5.57	7.01	1.263	0.079
중국	DP	8.38	32.71	3.39	81.7	55.0	84.47	5.33	7.87	1.321	0.092
호주	KW	8.44	32.10	1.59	74.9	31.6	82.78	5.14	9.64	1.343	0.117
호주	MW	8.59	34.14	1.57	67.1	36.1	81.98	5.56	10.17	1.229	0.114
호주	NS	8.68	36.21	1.76	71.6	32.6	81.58	5.62	10.14	1.210	0.113
캐나다	FW	11.43	25.51	1.29	86.4	47.8	86.32	5.03	6.50	1.430	0.081
중국	XL	8.5	34.89	1.28	75.0	31.7	81.49	5.41	11.06	1.255	0.128

* LMF: Maximum Fluidity measured by Gieseler Plastometer