흑연화 기초 - 코크스의 물리적 특성

코크스는 철, 전극봉, 인조흑연 등을 만들 때 사용되는 원료입니다. 이 글은 코크스의 물리적인 특성을 평가하는 항목으로 어떤 요소가 있는지 정리한 글입니다.  

1. 밀도

첫째로 코크스의 밀도입니다.

코크스의 밀도는 온도에 따라 달라지는데, 이러한 현상에는 세 가지 원인이 있습니다.  

• 첫 째, 수소 및 작용기를 포함하는 휘발분이 빠져나가는 현상
• 둘 째, 흑연화가 진행되는 현상. 고형분의 밀도를 증가시키는 방향으로 일어난다.
• 셋 째, 미세한 기공의 닫힘 현상(microporosity).

먼저 첫 번째 요인으로, 코크스는 흑연화가 완벽하게 단계가 아니기 때문에, 다양한 작용기들이 남아있습니다. 이런 작용기들이 고온의 조건에서 휘발되어 날아가는데(약 400~900도), 이 과정에서 코크스의 비어있는 공간이 매워지면서 밀도가 상승합니다.

Density in water as a function of carbonization temperature

두 번째 요인으로, 흑연화는 코크스의 구조가 보다 질서 정연하게 재배치되는 과정입니다. 안정한 구조를 향해 변하는 과정에서 비어있는 공간들이 탄소 층으로 매워지게 되죠. 이 과정에서 질소나, 황, 기타 금속 성분들이 휘발되어 빠져나가기도 합니다. 

흑연화 단계

세 번째 요인으로, 미세한 기공의 닫힘현상(microporosity)입니다. 이 현상은 약 700~800도 이상의 온도에서 일어나는데, 난흑연화성 코크스의 경우 밀도가 오히려 감소한다는 특징이 있습니다. 세공(microporosity)이 물이 침투할 수 없는 구조로 바뀌기 때문이죠.

밀도를 측정할 때는 고온의 물에 코크스를 담그는 형식으로 진행되는데, 이 방법으로 겉보기 밀도(Apparent density)를 측정합니다. 하지만 코크스의 구조가 변하면서 물이 침투할 수 없게 되면 코크스가 공기를 포함하기 때문에 겉보기 밀도가 감소합니다. 이 경우에는 코크스를 분쇄해서 가루형태로 밀도를 측정해 진밀도(Real density)를 구하는 형태로 오차를 줄일 수 있습니다. 

진밀도란?

공극을 포함하지 않은 원석만의 비중을 뜻하며, 원료를 분쇄해 가루형태로 만들어 용액에 담가 측정하는 것이 일반적인 방법이다.

2. 전기 저항

분말 형태의 코크스로부터 얻을 수 있는 특징 중 하나인 전기 저항 값입니다. 괴 형태는 다공성 구조를 띠고, 갈라진 틈이 존재하고, 형태가 균일하지 못하기 때문에 분말 형태로 가공해야 제대로 된 값을 측정할 수 있습니다.

전기 저항 값은 입도 분포와 샘플의 패킹에 따라 측정값이 달라집니다. 입자들 사이의 접촉 저항이 전기 저항 값에 영향을 주기 때문. 그리고 수분도 전기 저항 값에 영향을 주기 때문에, 어떤 저항값이 측정이 되면 이것은 절대적인 값이라기 보단 같은 조건에서 상대적으로 비교 용도로 사용됩니다. 

전기 저항값은 온도가 올라갈 수록 줄어드는 경향을 보입니다. 예를 들어, 600도의 semicoke의 전기저항은 400도의 10분의 1에 해당하고, 200도의 100분의 1에 해당하는데, 심지어 고온의 코크스는 금속 전도체의 특성을 보이기도 합니다. 

3. 열 특성

코크스의 열 특성에는 크게 세 가지가 있습니다.  

• 열팽창 계수
• 열용량
• 열 전도성

- 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)

열팽창 계수란, 단위 부피당 온도에 따른 부피의 팽창률입니다. 석탄의 열팽창 계수는 유기합성소재와 비슷할 만큼 CTE가 높은 편이며, 흑연화 온도가 올라갈수록 줄어드는 경향을 보입니다. 

예를 들어, 500도의 코크스에서 측정된 CTE는 3ⅹ10^-5, 600도는 2ⅹ10^-5, 800도는 10^-5이하의 값을 보입니다. 

- 열용량(Heat capacity)

열용량은 [어떤 물질의 온도를 1˚C 또는 1K 높이는데 필요한 열량]으로, 온도에 비례하는 경향이 있습니다. 그래서 같은 조건의 흑연의 열용량을 바탕으로 코크스의 값을 비교적 정확하게 예측할 수 있습니다. 흑연과 미네랄, 수분 함유량을 통해 계산 가능합니다. 

Mean specific heat of graphite

- 열 전도성(Thermal conductivity)

열 전도성은 소형 카본과는 사실 큰 연관이 없습니다. 왜냐면 열 전도성은 다공성 구조와 크랙에 큰 영향을 받는 편이기 때문에, compact 한 구조를 만들어야 제대로 된 값을 알 수 있기 때문이죠. 그래서 흑연화 온도에 영향을 받는 편입니다. 예를 들어, 꾹꾹 눌러 담은 코크스 분말의 경우 700도에서 1200도로 가열했을 때 약 50% 정도의 열 전도성의 상승을 가져옵니다. 

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코크스의 물리적인 특징은 코크스를 원료로 하는 제품들의 품질을 좌우할 수 있기 때문에 우수한 제품을 생산하기 위해서 자세히 알아둘 필요가 있습니다. 제품의 특성은 당연히 원료의 특성에 영향을 받기 때문이죠. 

각 요인들이 어떻게 영향을 미치는지, 위의 특성 외에도 어떤 요인이 존재하는지 앞으로 더 공부할 예정입니다. 알게 되는대로 업데이트 하겠습니다.