KR100239240B1 - 압축성 유체를 이용한 미분체 분쇄장치 및 분쇄방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미분체를 분쇄하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 압축된 공기 및 원료를 분쇄기 본체 내에 공급하고 노즐을 통과하면서 발생되는 초음속의 속도에 의해 서로 부딪히면서 분쇄되도록 함에 있어서, 원료를 분쇄기 본체내로 공급시키기 전에 동시에 투입되는 원료와 압축공기를 분배판에 의해 각 노즐로 정량 분배하는 과정에서 상기 분배판과의 충돌에 의해 1차 분쇄되는 원료정량 분배 및 예비분쇄기를 구성하고, 원료정량분배 및 예비분쇄기로부터의 원료 유입로와 압축된 공기를 함께 유입되도록 분기 형성된 노즐은 분사에 의한 난류(亂流) 및 와류(渦流)를 억제하기 위해 그 분사측이 분쇄기 본체 중앙으로 향하면서 엇갈리게 다수 설치하되, 분쇄기 본체 중앙은 배치된 노즐에 의해 분쇄영역을 형성하여 됨을 특징으로 하고, 또한 본 발명은 압축기 공기를 일정한 경로를 통해 노즐과 원료 정량분배 및 예비분쇄기로 주입시키는 단계; 상기 원료정량분배 및 예비분쇄기로 공급된 원료를 1차 분쇄하여 노즐로 이송시키는 단계; 상기 노즐로 이송된 혼합분체가 일정속도로 가속되어 초음속의 속도로 분쇄기 본체의 중앙으로 분출되는 단계; 노즐에 의해 분출된 가속된 미분체가 분쇄영역에서 서로 부딪치어 분쇄되는 단계; 분쇄된 미분체를 제품 및 조분으로 분급하여 제품은 배출되고, 조분은 재분쇄시키도록 순환시키도록 하는 단계로 제어되는 특징을 갖는다.

Description

압축성 유체를 이용한 미분체 분쇄장치 및 분쇄방법

본 발명은 압축성 유체를 이용한 미분체의 분쇄장치 및 분쇄방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입도를 미세하게하여 분말의 물리적·화학적 기능을 높여 분말 특성의 고부가가치화를 가져올 수 있는 실리카, 중질탄산칼슘, 슬래그 등과 같은 화학성분 또는 색도의 오염이 없는 미분체를 필요로 하는 분야에 있어서 압축성유체를 이용하여 미분체를 분쇄하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 압축성 유체를 이용하여 미분체를 분쇄하는 방법에는 미분체가 분쇄된는 원리에 따라 다음과 같은 방법이 있다.

1) 기류 선회형

2) 기류 충돌형

3) 충돌판 충돌형

상기 기류 선회형은 미국 특허 NO. 3491953, NO. 4582264, NO. 4502641, NO. 4056233 에 나타난 바와 같이 제트(jet)기류가 선회류 및 순환류를 형성하며 기류층 내에 입자를 흡입시켜 분쇄하는 방식으로, 분쇄노즐에서 토출된 제트 기류에 의해 상호충돌 및 상호 마찰에 의해 분쇄가 발생된다.

기류 선회형인 한 예로 도 4 에 나타난 바와 같은(미국특허 NO.405623 3)원료호퍼(18)에 공급된 입자는 원료 공급용 공기 유입부(17)로 공급되는 압축공기에 의해 원료공급부(21)를 통해 분쇄기 본체로 공급된다. 분쇄에 사용되는 압축공기는 압축공기 유입부(24)를 통해 주입되어 제트 노즐(20)을 거치면서 가속되어 분쇄기 본체내에서 상호충돌 및 상호마찰에 의하여 분쇄된다.

분쇄된 입자중 미분은 제품 배출구(23)를 통하여 배출되며, 조분은 원심력에 의해 다시 벽면으로 이동하면서 재분쇄된다.

이 특허의 문제점은 첫째, 발생되는 제트 기류에 비해 상대적으로 입자속도가 느려 분쇄성능이 저하되며, 둘째, 본쇄기 본체에 의한 중량 혼합비(입자질량/공기질량)가 낮아져 많은 압축공기가 사용되어 에너지 소비향이 커진다. 또한 셋째로는 분쇄기 본체 내에서의 반복된 충돌에 의한 분쇄로 체류시간이 커져 연속적인 공정에서 많은 양의 분쇄를 할 수 없다.

기류 충돌형은 미국 특허 NO.4832268, NO.3643845에 나타난 바와 같이 고체상과 기체상이 혼합된 제트 기류가 서로 교차되는 지점에서 충돌하여 분쇄되는 방법이다.

상기 기류 충돌형의 한 예(미국특허 NO.3643875)로 고체 입자를 액체중에 혼입하여 혼합물을 만들고, 이를 가열하여 고체와 증기상의 혼합물로 만들어 노즐내에 투입하여 마주보는 노즐에서 발생되는 기류의 충돌에 의해 본체가 분쇄된다.

이 특허의 문제점은 첫째, 입자가 슬러리 상태로 노즐내부에 유입됨으로써 입자에 충분한 속도에너지를 줄 수 없다는 점이다. 둘째, 마주보는 노즐에서 발생하는 상호 기류간의 충돌 분쇄 방식으로는 상호 입자간 충돌 확률이 낮아 많은 양의 제품을 얻을 수 없으며, 미처 분쇄되지 않은 입자의 양이 많아져 분급기의 순환율(투입원료의 양/제품의 양)이 높아져 상대적으로 많은 전력을 필요로 한다. 셋째, 노즐로 분배되는 원료가 균일한 비율로 정량 분배되는 장치가 없으므로 분배비율이 다를 경우 노즐 및 분쇄기 본체의 마모, 이로 인한 생성물의 오염이 심각해진다.

충돌판 충돌형은 압축성 유체를 이용한 미분체의 분쇄에 있어서 가장 높은 분쇄효율을 나타내는 방식으로 충돌판으로 사용되는 재질인 세라믹의 발달과 더불어 최근 주목받고 있다.

충돌판 충돌형은 미국 특허 NO.4664319, NO.4792098 에 나타난 바와 같이 입자를 노즐에 의해 가속시켜 충돌판에 충돌시켜 입자를 분쇄하는 방법이다.

충돌판 충돌형의 한 예로 도 5 에 도시된 바와 같이 원료호퍼(28)에서 공급된 입자는 원료 공급용 공기 유입부(28)로 공급되는 압축공기에 의해 원료 혼합부(27)를 거쳐 입자 가속용 노즐(26)을 통해 가속되어 충돌판(29)에 충돌하여 분쇄된다. 이 분쇄된 입자들은 2차공기 공급부(30)에 의하여 2차공기 가속노즐(31)에 의해 가속되어 기류충돌분쇄 및 분급기 본체(32)로 유입되어 2차 분쇄 및 분급된다.

이 특허의 문제점은 첫째, 노즐내에 투입되기 전의 입자의 속도가 거의 없기 때문에 입자 가속용 노즐(26)만으로 입자에 충분한 가속력을 부여할 수 없고, 둘째, 노즐내에 공급되는 압력과 충돌판 부위의 압력의 차에 의하여 결정되는 입자속도는 밀도가 큰(2.5g/㎠ 이상) 입자의 경우, 충돌판이 고정되어 있어 충돌판 부위의 압력이 상대적으로 높아 입자속도가 낮아짐으로서 분쇄 효율이 감소되며, 셋째, 생산량 증대시 분쇄기 본체의 장치크기가 커지며, 입자 가속용 노즐(26)수의 증가에 따라 충돌판(29)의 갯수도 증가하여 입자에 의한 마모 발생시 수리, 보수가 용이하지 않다.

분쇄되는 모든 원료 물질은 단일 크기의 입자가 아닌 정규 분포에 따르는 입도분포를 가진다. 이러한 다양한 입도를 갖는 입자들은 각기 그 입자가 갖는 질량 및 속도에 의해 분쇄를 위한 충격력이 결정된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서 그 목적은 모든 입자에 최대 가속력을 부여하기 위하여 기류충돌시 발생되는 난류 및 와류발생을 최대한 억제하여 에너지 손실을 막고 압축성 유체시 에너지를 충돌 에너지로 최대한 전환하는 구조를 형성시켜 분쇄효과를 극대화하며, 분쇄기 본체의 장치크기의 증가없이 생산량을 증대시킴과 아울러 분쇄장치의 단위면적당 생산량을 최대로하여 소용되는 전력과 제품 단가의 절감을 이루도록 하는 압축성 유체를 이용한 미분쇄장치 및 분쇄방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명은, 압축된 공기 및 원료를 분쇄기 본체 내에 공급하고 노즐을 통과하면서 발생되는 초음속의 속도에 의해 서로 부딪히면서 분쇄되도록 함에 있어서, 원료의 분쇄기 본체내로 공급시키기 전에 동시에 투입되는 원료와 압축공기를 분배판에 의해 각 노즐로 정량 분배하는 과정에서 상기 분배판과의 충돌에 의해 1차 분쇄되는 원료정량분배 및 예비분쇄기를 구성하고, 원료정량분배 및 예비분쇄기로부터의 원료유입로와 압축된 공기를 함께 유입되도록 분기 형성된 노즐은 분사에 의한 난류(亂流) 및 와류(渦流)를 억제하기 위해 그 분사측이 분쇄기 본체 중앙으로 향하면서 엇갈리게 다수 설치하되, 분쇄기 본체 중앙은 배치된 노즐에 의해 분쇄영역을 형성하여 된 특징을 갖는다.

또한, 본 발명은 압축된 공기 및 원료를 분쇄기 본체 내에 공급하고 노즐을 통과하면서 발생되는 초음속의 속도에 의해 서로 부딪히면서 분쇄되도록 함에 있어서, 압축된 공기를 일정한 경로를 통해 노즐과 원료정량분배 및 예비분쇄기로 주입시키는 단계; 상기 원료정량분배 및 예비분쇄기로 공급된 원료를 분배판에 의해 1차분쇄함과 동시에 정량 분배되어 노즐로 이송시키는 단계; 상기 노즐로 이송된 혼합분체가 일정속도로 가속되어 초음속의 속도로 분쇄기 본체의 중앙으로 분출되는 단계; 노즐에 의해 분출된 가속된 미분체가 분쇄영역에서 서로 부딪치어 분쇄되는 단계; 분쇄된 미분체를 제품 및 조분으로 분급하여 제품은 배출되고, 조분은 재분쇄시키도록 순환시키도록 하는 단계로 제어되는 특징을 갖는다.

제1도는 본 발명에 따른 미분체 분쇄방법의 공정 흐름을 도시한 개략도.

제2도는 본 발명에 따른 미분체 분쇄장치를 도시한 개략도.

제3도는 본 발명에 따른 원료정량분배 및 예비분쇄기의 구성을 도시한 측단면도 및 그 횡단면도.

제4도는 종래 기술(미국 특허 NO. 4056233)인 기류 선회형 분쇄장치의 개략도.

제5도는 종래 기술(미국 특허 NO. 4792098)인 충돌판 분쇄장치의 개략도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 공기 압축기(compressor) 2 : 공기 건조기

3 : 필터 4 : 노즐

4a : 압축공기 유입부 4b : 원료 유입부

4c : 원료 혼합부 4d : 입자 가속부

5 : 분쇄영역 7 : 분쇄기 본체

8 : 원료정량분배 및 예비분쇄기 8a : 분배판

9 : 원료호퍼 10 : 분급기

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 미분체 분쇄방법의 공정흐름을 도시한 개략도이고, 도 2 는 본 발명에 따른 미분체 분쇄장치를 도시한 개략도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 원료정량분배 및 예비분쇄기의 구성을 도시한 측단면도 및 그 횡단면도이다.

본 발명의 압축성 유체를 이용한 미분체 분쇄장치를 도 1 및 도 2 에서 설명하면, 미분체가 분쇄되는 분쇄기 본체(7)는 스테인레스 스틸로 제작되어 있으며, 본체의 내벽은 미분체에 의한 마모를 방지하기 위하여 세라믹 코팅처리가 되어 있다. 또한, 분쇄기 본체(7)의 중앙부에서 분쇄영역이 형성되며, 충돌판은 세라믹 라이너가 부착되어 분쇄물에 의한 오염을 방지한다.

노즐(4)은 분쇄기 본체(7)에 90°각도로 4개가 설치되어 있으며, 노즐(4)의 배치되는 분쇄영역(5)에서의 난류 및 와류의 발생을 최대한 억제하기 위해 대향방향에서 약간 벗어난 구조로 설치되어 있다. 상기 노즐(4)은 압축된 공기가 유입되는 압축공기 유입부(4a)와, 상기 압축공기 유입부(4a)와 근접되게 분기형성되고 원료를 유입시키도록 하는 원료 유입부(4b), 원료와 압축공기가 서로 만나 혼합되는 원료 혼합부(4c) 및 혼합된 분체가 일정 가속력으로 분출되도록 분출단의 직경을 차별있게 형성한 입자 가속부(4d)로 구성된다.

상기 노즐(4)의 입자 가속부(4d)를 통과하면서 입자의 가속력은 최대가 되어 분쇄영역(5)에서 입자끼리의 충돌에 의해 분쇄된다.

보다 상세하게는 분쇄물의 입자크기 및 밀도에 따라 난류 및 와류의 발생이 분쇄에 미치는 영향정도가 달라질 수 있다. 입자의 크기가 크고 밀도가 큰 입자의 경우 난류 및 와류의 영향에 의한 분쇄(입자간 와류에 의한 마찰분쇄)는 거의 발생하지 않으므로 분쇄기 본체(7)에서 대향 노즐(4)의 배치를 거의 90°에 가깝게 배치하여야 하며, 입자의 크기가 작고 밀도가 작은 입자의 경우는 난류 및 와류에 의한 분쇄영향이 매우 크므로 대향 노즐(4)의 배치를 중심선에서 약간 벗어나게 설치하는 것이 바람직하다.

한편, 원료호퍼(9)로 공급된 원료는 상대적으로 큰 입자를 가지므로 이들 1차적으로 분쇄시키고 노즐(4)의 원료 유입부(4b)로 유입시키기 위해 입자에 가속력을 부여하는 원료정량분배 및 예비분쇄기(8)을 구성한다.

압축성 유체에 의해 입자를 가속시키기 위한 분쇄기구의 가장 큰 단점은 투입되는 입자의 크기가 예비분쇄기에 의해 상당히 작아져야 한다는 점이다. 또한, 본 발명에 의한 입자간의 상호 충돌에 의한 상대속도를 극대화하기 위해서는 각 노즐(4)의 원료유입부(4b)로 공급되는 시료의 농도가 균일해야 하며, 이를 위해 정량 분배기능이 매우 중요하다. 따라서, 투입되는 원료를 원료정량분배 및 예비분쇄기(8)를 거치지 않고 직접 분쇄기로 투입하게 되면 각각의 노즐(4)로 투입되는 시료의 농도가 불균일하여 입자간 상대속도의 편차가 커서 분쇄영역이 편중됨으로 인한 장치의 마모를 초래하게 된다. 원료의 정량분배 기능은 도 3 에 도시된 바와 같이 분배판(8a)의 충돌을 위해 4분배되며 이러한 분배작용을 위한 분배판(8a)으로의 충돌시 예비분쇄가 이루어지게 된다.

예비분쇄기능의 중요한 또 하나의 이유는 보통의 분쇄기구에 있어서 조분쇄시 소요되는 에너지와 미분쇄시 소요되는 에너지의 비는 입자크기가 감소함에 따라 지수함수적으로 급격히 증가한다. 따라서, 초기 원료분배를 위해 소요되는 에너지를 원료정량분배를 위해 사용함과 동시에 예비분쇄기능을 수행함으로써 노즐의 원료 유입부(4b)로 투입되는 입자의 크기를 감소시켜 초기 입자의 속도를 크게 유지하여 미분쇄시 소요되는 에너지를 크게 감소할 수 있다.

이러한 상기 원료정량분배 및 예비분쇄기(8)는 4개의 노즐(4)의 각 원료 유입부(4b)로 균등하게 공급되도록 라인구성되어 있다.

이렇게 구성된 본 발명은, 공기 압축기(1)에 의해 압축된 공기가 공기 건조기(2) 및 필터(3)를 통해 노즐(4) 및 원료정량분배 및 예비분쇄기(8)로 주입되며, 노즐(4)를 통과하면서 원료 및 압축공기는 초음속의 속도로 가속되어 압축성 유체의 에너지가 입자의 전단력으로 전환하여 분쇄되며, 분쇄된 원료는 고효율 분급기(10)에서 분급되어 제품 및 조분으로 분리된다. 조분은 별도의 라인을 통해 다시 호퍼(9)로 공급되어 재분쇄하는 순환과정으로 거치게 되는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작동을 설명한다.

공기 압축기(1)에 의해 압축된 공기는 공기 건조기(2)와 필터(3)을 거쳐 노즐(4) 및 원료정량분배 및 예비분쇄기(8)로 주입되고, 이와 동시에 압축공기에 의해 발생된 강한 흡입력에 의해 원료호퍼(9)로 투입되는 원료가 원료정량분배 및 예비분쇄기(8)로 투입되면서 분배판(8a)에 의해 부딪혀 1차 분쇄되고 4분배되어 연결된 각 노즐(4)로 투입된다.

이 때, 노즐(4)로 공급되는 압력은 6∼10㎏f/㎠(게이지 압력)이다. 노즐(4)로의 압축공기 유입부(4a)로 유입된 압축공기에 의해 원료 유입부(4b)에서 강한 흡입력이 발생하게 된다.

투입된 원료는 원료 혼합부(4c)에서 압축공기와 혼합되고, 입자 가속부(4d)를 거치면서 일정 속도로 가속되며 노즐(4)의 분출단을 지나면서 초음속의 속도로 노즐 외부로 분출된다.

노즐(4)에 의해 가속된 입자는 분쇄기 본체(7)의 중앙에 위치한 분쇄영역(5)에서 분쇄된다. 분쇄기 본체(7)에서 분쇄된 입자는 고효율 분급기(10)에서 분급되어 제품 및 조분으로 분리되며, 조분은 별도의 라인을 통해 다시 호퍼(9)로 공급되어 재분쇄된다.

이상에서와 같은 본 발명은 적용하게 되면, 분체의 모든 입자에 최대 가속력이 부여되기 때문에 기류충돌시 발생되는 난류 및 와류 발생을 최대한 억제하여 에너지 손실을 막을수 있을 뿐만 아니라 압축공기의 에너지를 충돌에너지로 전화하는 구조를 형성시켜 분쇄효과를 극대화하고, 분쇄기 본체의 장치크기의 증가없이 생산량을 증대시키며, 분쇄장치의 단위면적당 생산량을 최대로하여 제품의 단가를 낮출수 있는 효과가 발생된다.

Claims (3)

1. 압축된 공기 및 원료를 분쇄기 본체 내에 공급하고 노즐을 통과하면서 발생되는 초음속의 속도에 의해 서로 부딪히면서 분쇄되도록 함에 있어서, 원료를 분쇄기 본체내로 공급시키기 전에 동시에 투입되는 원료와 압축공기를 분배판에 의해 각 노즐로 정량 분배하는 과정에서 상기 분배판과의 충돌에 의해 1차 분쇄되는 원료정량분배 및 예비분쇄기를 구성하고, 원료정량분배 및 예비분쇄기로부터의 원료 유입로와 압축된 공기를 함께 유입되도록 분기 형성된 노즐은 분사에 의한 난류(亂流) 및 와류(渦流)를 억제하기 위해 그 분사측이 분쇄기 본체 중앙으로 향하면서 엇갈리게 다수 설치하되, 분쇄기 본체 중앙은 배치된 노즐에 의해 분쇄영역을 형성하여 됨을 특징으로 하는 압축성 유체를 이용한 미분쇄장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 분쇄영역은 분쇄물의 특징에 따라 난류 및 와류발생정도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 압축성 유체를 이용한 미분쇄장치.
3. 압축된 공기 및 원료를 분쇄기 본체 내에 공급하고 노즐을 통과하면서 발생되는 초음속의 속도에 의해 서로 부딪히면서 분쇄되도록 함에 있어서, 압축공기를 일정한 경로를 통해 노즐과 원료정량분배 및 예비분쇄기로 주입시키는 단계; 상기 원료정량분배 및 예비분쇄기로 공급된 원료를 분배판에 의해 1차 분쇄함과 동시에 정량 분배되어 노즐로 이송시키는 단계; 상기 노즐로 이송된 혼합분체가 일정속도로 가속되어 초음속의 속도로 분쇄기 본체의 중앙으로 분출되는 단계; 노즐에 의해 분출된 가속된 미분체가 분쇄영역에서 서로 부딪치면서 분쇄되는 단계; 분쇄된 미분체를 제품 및 조분으로 분급하여 제품은 배출되고, 조분은 재분쇄시키도록 순환시키도록 하는 단계로 제어되는 압축성 유체를 이용한 분쇄방법.

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