KR20010088596A - 다기능 고속회전 스톤밀 분쇄기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맷돌의 분쇄에 의한 분체를 제조하거나, 다양한 종류의 분체를 혼합하며, 제조된 금속 분체를 구형의 형태로 제조하며, 습식 또는 건식으로 미분체를 제조하기 위한 다기능성 스톤밀 장치의 제작방법에 관한 것이다.

본 발명은 햄머, 롤러, 및 볼밀의 원리와는 다른 우리나라 재래의 맷돌과 같은 작용을 하는 것을 기본 원리로 하였다. 즉 중앙의 공급구에서 이송된 분쇄용 재료를 맷돌의 회전에 의한 압착 및 마찰에 의하여 분쇄가 되어 파쇄된 재료가 밖으로 배출되도록 하는 것이다. 또한 기존의 디스크 밀(Disk Mill)과 달리 마찰과 전단력(Shearing Force)에 의하여 주로 재료를 자르는 역할을 수행할 뿐만 아니라 금속입자를 구형의 입자로 생성될 수 있도록 하였으며, 분쇄된 입자가 원심력에 의하여 바로 배출이 발생하지 않도록 여러 단계의 원주형의 구루브(Groove)를 주어 금속입자의 경우 구형이 되도록 하였다. 입자가 이 구루브에서 회전판과 함께 회전하면서 말림작용(Rolling and Welding) 및 혼합(Mixing)작용을 통하여 입자의 분쇄와 더불어 말림작용(Spherical Shape) 및 혼합하도록 하여 기존의 장치와는 전혀 다른 작용을 하도록 하여 금속복합재료 제조가 가능하도록 하였다. 불활성 분위기에 의해 금속 마그네슘분말 제조도 가능하다. 또한 회전판의 회전속도가 기존의 약 500 rpm보다 수배가 큰 1500∼ rpm 이상으로 하고, 직경이 약 200mm 정도의 회전판을 활용할 경우 1 ton/hr 용량의 생산량을 갖도록 하였다.

Description

다기능 고속회전 스톤밀 분쇄기{High Speed Rotating Stone Mill with the Multi-function}

분체는 각종 산업에서 활용되고 있는 원천적인 재료로 매우 광범위하게 쓰여지고 있다. 이를 제조하는 기술 또한 여러 형태의 제조 장치를 통하여 이루어지고 있으며, 미세한 입자에서부터 비교적 큰 입자에 이르기까지 입도에 따라 여러 가지 종류의 장치가 활용되고 있다. 분체를 이용하는 대표적인 산업을 살펴보면 반도체, 도자기, 철강, 시멘트, 도료 등 거의 모든 산업에서 이용되고 있으며, 양질의 분체 생산이 제품의 완성도에 매우 중대한 영향을 미치고 있다.

현재 활용되고 있는 분체 제조장치의 기본 원리는 주로 충돌작용, 마찰, 및 압착에 의한 방법이며, 충돌작용으로서 가장 대표적인 장치로는 젯트 밀(Jet Mill)이 여기에 속하고 볼 밀(Ball Mill)은 충돌과 마찰을 동시에 활용하는 분체 제조장치라 할 수 있다. 이 밖에도 햄머(Hammer)에 의한 분체를 제조하는 장치가 시판되고 있다. 젯트 밀은 고속의 공기에 입자를 실어 입자간에 서로 충돌시켜 분쇄하도록 하는 장치로 미세한 입자를 분쇄할 수 있는 장점을 가지고 있는 반면에 고속의 에어를 분출하여 입자를 충돌시키는데 매우 큰 소음이 발생하여 철저한 방음이 요구되는 단점을 가지고 있다. 생산성에서는 입자의 재질에 따라 큰 차이를 보이나 주로 700 kg/h이하의 생산속도를 나타내며, 연성이 좋은 물질보다는 세라믹과 같은 재질에서 우수한 성능을 발휘하는 제한적인 용도로 활용되고 있다. 이와 더불어 대중적으로 활용되고 있는 분쇄장치로 볼 밀이 사용되고 있다. 이는 드럼(Drum or Jar)속에 특수강 또는 세라믹으로 제작된 구슬의 직경이 10 ∼ 20mm인 서로 다른 크기로 담겨져 있어 분쇄하고자 하는 물질을 넣고 회전을 주어 볼과 볼이 마찰을 일으키면서 볼의 낙하에 의한 충돌로 물질을 분쇄하도록 하는 장치이다. 볼 밀은 주로 미 분쇄하는데 널리 사용되고 있으며 다량의 물질이 한꺼번에 생산하는 일괄제조(Batch Process)를 하여 생산하는 방식이다. 처리 용량은 드럼의 크기에 의하여 대용량을 제조할 수 있는 장치로 현재 대량생산에 필요한 장치로 많이 사용되고 있다. 그러나 볼 밀은 볼과 볼이 충돌할 때 발생되는 소음이 매우 심하며, 볼의 마모정도가 매우 심하여 지속적인 유지가 요구되기 때문에 비용에서 많은 부담을 주고 있는 실정이다.

이 밖에도 햄머 밀(Hammer Mill)은 회전하는 햄머에 의하여 분쇄하도록 하는 장치로서 필요한 크기로 분쇄되도록 메쉬(Mesh)가 부착되어 있어 소정의 입도로 분쇄된 입자를 메쉬에 의하여 배출되고 큰 입자는 계속적으로 분쇄되도록 하는 반 연속식(Semi-continuous Process)이다. 햄머 밀은 주로 소규모의 실험실용으로 주로 사용되고 있으며, 미세한 입도의 조절이 가능하나 시간이 많이 요구되며, 햄머에 의한 소음발생이 매우 심하다.

또 다른 형태의 분쇄 장치로는 두 개의 기어나 드럼을 이용하여 압착하여 분쇄하는 장치로 소음은 적으나 분쇄속도가 느리기 때문에 생산성이 다소 떨어지는 단점을 가지고 있다. 입도의 크기는 약 1mm 정도의 크기로 분쇄되는 중 분쇄로 주로 이용되고 있다.

본 발명은 상기에서 언급된 햄머, 롤러, 및 볼의 원리와는 다른 우리나라 재래의 맷돌과 같은 작용을 하는 것을 기본 원리로 하였다("급냉 알루미늄합금 박편을 이용한 급냉 알루미늄합금 분말제조 방법", 조성석 외, 특허0300567). 즉 중앙의 공급구에서 이송된 분쇄용 재료를 맷돌의 회전에 의한 압착 및 마찰에 의하여 분쇄가 되어 파쇄된 재료가 밖으로 배출되도록 하는 것이다. 그러나 기존의 디스크 밀(Disk Mill)과 다른 점은 디스크 밀은 마찰과 전단력(Shearing Force)에 의하여 주로 재료를 자르는 역할을 수행하고 있다. 그러나 본 발명은 상기의 역할뿐만 아니라 금속입자가 침상형구조의 입자에서 구형의 입자로 생성될 수 있도록 미세 분쇄된 입자가 원심력에 의하여 바로 배출이 발생하지 않도록 여러 단계의 원주형 구루브(Groove)를 주었다[도 3a, 3b 참조]. 입자가 이 구루브에서 회전판과 함께 회전하면서 말림작용 및 혼합(Mixing)작용을 하여 입자의 분쇄와 더불어 말림작용(Roll Shape) 및 혼합을 하도록하여 기존의 장치와는 전혀 다른 작용을 하도록 하였다. 또한 회전판의 회전속도가 기존의 약 500 rpm보다 수배가 큰 1500∼ rpm 이상으로 하고 직경이 100 ∼1000mm 정도의 회전판을 활용할 경우 1 ton/hr 용량의 생산량을 갖도록 하였다. 상기의 운전 특성을 갖는 본 발명의 적용 가능범위를 요약하면 다음과 같다.

1) 금속 플레이크(Metal Flake) 분쇄기능

2) 금속-세라믹 복합분말의 제조 및 혼합기능

3) 세라믹재료의 분쇄기능

4) 분쇄입도 직경이 최소 30 ㎛의 분쇄기능

5) 분쇄가능 원 재료의 크기는 30 mm 이하에서 분쇄

6) 구형의 금속분말 제조

7) 건식 또는 습식 분쇄기능

본 발명은 분쇄(Milling), 혼합(Mixing), 입자의 구형화(Spheroidization) 및 습식과 건식(Wet or Dry Process)의 기능이 동시에 이룰 수 있으며, 연속식(Continuous Process)에 의한 중간 입도에서 미세 입도까지 다양한 입도의 조절이 가능한 다기능 분쇄장치에 관한 것이다.

본 발명은 중앙 상부에서 소재를 공급할 수 있는 홉파(Hopper)가 있고 그 아래쪽에 분쇄기능을 하는 맷돌인 상판과 하판이 위치하고 있으며, 이때 발생되는 열을 냉각시켜주기 위하여 냉각수를 공급하도록 하였다[도1 참조]. 또한 본 장치에는 산화성 금속의 분쇄를 가능할 수 있도록 불활성 기체의 공급선이 중간 부위에 위치하고 있어 거의 모든 종류의 금속 및 비금속성 물질에 이용할 수 있도록 하였다.

본 발명에서 이루고자하는 장치의 기능 및 특징을 살펴보면 다음과 같다.

1) 금속 플레이크(Metal Flake) 분쇄기능; 본 장치는 알루미늄이나 기타 금속성 플레이크를 맷돌과 같은 압착 및 파여진 삼각(원추) 구루부에 의한 전단력으로 손쉽게 분쇄할 수 있도록 하였다[도 1, 2, 3 참조].

2) 금속-세라믹 복합분말의 제조 및 혼합기능; 본 장치는 다른 분쇄기에는 불가능한 서로 다른 금속 대 금속 또는 금속 대 비 금속, 비금속 대 비금속 물질이 혼합할 수 있도록 하는 원주형 구루부를 가지고 있다. 또한 혼합시간은 회전판의 속도에 비례하기 때문에 혼합시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있어 경제적효과를 획득할 수 있다.

3) 세라믹재료의 분쇄기능; 삼각, 역삼각, 원주형 구루부 및 최종 평면부에 의해 모든 종류의 세라믹재료의 분쇄를 가능하도록 하였다.

4) 분쇄입도의 직경이 최소 30 ㎛까지의 분쇄기능; 맷돌의 상판과 하판의 정밀조절이 가능하여 미세 입도의 분쇄가 회전속도에 비례하여 연속식으로 순식간에 대량생산이 가능하다.

5) 분쇄가능 초기 재료의 크기는 30 mm 까지 가능; 중앙의 공급장치에서 1차 주입구의 크기 및 분쇄가 가능한 날을 만들어 최대 30mm 크기의 원재료를 공급 분쇄할 수 있도록 하였다[도3c 참조].

6) 구형의 금속분말 제조; 다른 분쇄기에서는 찾아 볼 수 없는 구형의 금속이 생성되도록 하여 침상이나 플레이크형 원 소재를 손쉽게 다양한 기능의 소재로변경 활용할 수 있도록 하였다[도3 참조].

7) 건식 또는 습식 분쇄 적용기능; 용도에 따라 건식 또는 습식의 형태에서 요구되는 입도의 입자 분쇄 및 혼합이 이루어지도록 하였다. 특히 본 발명에 요구되는 입도의 입자 분쇄 및 혼합이 이루어지도록 하였다. 특히 본 발명에서 습식방식이 기존의 방식과 다른 점은 다음과 같다. 여기서 기존 방식의 습식이라 함은 미 분쇄한 파우더와 물을 홉합한 후 이를 분쇄하는 방식을 취하는 것이 가장 일반적이다. 이는 미 분쇄된 파우더가 물과 잘 혼합되지 않기 때문에 전처리에서 많은 시간과 노동력이 요구된다. 본 장치는 미 분쇄된 파우더와 물을 따로 공급하더라도 자체의 혼합기능에 의하여 연속식으로 대 용량의 생산이 가능하도록 하는 특징을 가지고 있다.

이 밖에도 기존의 분쇄기는 소음이 많아서 작업환경에 많은 문제점을 야기하고 있으나 본 발명은 소음이 매우 적은 특징을 가지고 있다

도 1은 스톤밀의 전체 개략도

도 2는 맷돌 상판의 구조도

도 3은 맷돌 하판의 구조도

도 4는 말림작용후 침상형이 구형으로 변경된 모양

도 1은 장치의 전체적인 구성을 보여주고 있다. 중앙 상부에서 소재를 공급할 수 있는 홉파(Hopper)(1)가 있고, 중앙에는 초기 큰 입자를 1차 파쇄하여 맷돌로 분산 공급할 수 있는 나선형 구루부 및 칼날(2)이 달린 원통형 봉이 있고, 그 아래쪽에 분쇄기능을 하는 맷돌인 상판(4)과 하판(5)이 위치하고 있으며, 이때 발생되는 열을 냉각시켜주기 위하여 냉각수(3, 6, 9, 8, 10, 11, 12)를 공급하도록 하였다. 또한 본 장치에는 산화성 금속의 분쇄를 가능할 수 있도록 불활성 기체의 공급선(7)이 중간 부위에 위치하고 있어 거의 모든 종류의 금속 및 비 금속성 물질에 이용할 수 있도록 하였다. 분쇄된 입자는 원심력에 의하여 수집통으로 배출할 수 있도록 받침(13)을 만들었고, 맷돌의 상·하판의 간격을 조절할 수 있도록 스크루식 조절핸들과 잠김(14)을 할 수 도록 만들었다. 맷돌의 회전운동은 모터(15)에 의하여 구동되도록 하였다.

도 2는 고정상판 맷돌로 중앙의 공급용 홉파에서 공급된 소재가 공급되는 공급구(18)가 있으며, 이를 통과한 소재는 양쪽 날개모양의 홈(16)으로 이송 되어간다. 여기에 모인 소재는 1차 분쇄가 되어 원심력에 의하여 반경방향으로 이송이 진행된다. 이 후 분쇄된 소재는 반경 방향으로 파여진 삼각형(원추)과 역 삼각형(역 원추) 구루브(17)를 번갈아 만들어 소재가 분쇄되면서 다시 혼합하는 기능을 하도록 하였으며 이송되면서 2차 분쇄작용을 하게된다. 파여진 구루부의 깊이는 5mm ∼ 0.1mm가 되도록 중심이 깊고 반경 방향의 밖으로 진행할수록 얕게하여 분쇄가 점진적으로 미 분쇄가 되도록 하였다.

도 3에서 하부 맷돌로 공급된 소재는 원심력에 의하여 원주방향(Radial Direction)으로 파여진 구루브(19)를 통하여 진행되면서 분쇄는 압착 및 전단력에 의하여 파쇄작용을 하고, 또한 압착에 의한 구형 입자를 생성시키고, 분쇄된 입자가 일정한 크기의 입도를 갖도록 조절해주는 역할을 할 수 있도록 중간에 삼각형(원추) 구조의 구루부가 없는 민자의 일정한 폭(10 ∼ 30mm)을 갖는 환형(20)이 형성되어 있다. 이러한 구조가 입도 크기 및 구형 입자의 말림을 보다 확실히 할 수 있도록 분쇄할 소재에 따라서 2 ∼ 3곳에 만들 수 있다. 환형의 중간에는 상판 맷돌과 같이 삼각형 형상의 구루부(19)를 만들어 전단에 의한 파쇄 및 이송, 혼합이발생할 수 있도록 하였다. 이때 구루부의 형상과 각도는 5°∼ 30°로 상부 맷돌의 각과 서로 역 대칭각을 갖도록 하여[도 1의 (4) 참조] 초기 원 재료의 입도가 큰 물질도 쉽게 분쇄가 되도록 하였다. 최종 입도를 정밀하게 조절할 수 있도록 맷돌의 상·하판 가장자리에 평평한 면을 만들어(21) 상·하판의 간극에 따라 요구되는 입도가 조절되도록 하였다.

도3c에서 중앙에는 소재의 공급 및 분산이 용이하도록 나선형의의 구루부(Groove)가(22) 파여져 있으며 상부에는 대형입자를 작게 파쇄할 수 있도록 칼날을 달아 놓았다(23). 맷돌의 상·하판의 직경은 100 ∼ 1000mm, 폭은 100 ∼ 600mm이고 소재는 분쇄코자하는 종류에 따라 비교적 제작 및 값이 저렴한 냉간가공공구강과 열간가공공구강을 이용할 수있으며, 고 강도를 요구하는 소재에는 지르코니아, 텅스텐 등의 초경합급 소재로 만들 수 있다.

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Claims (4)

1. 맷돌의 하판의 중앙에 위치한 재료의 등분배 및 1차 분쇄의 역할을 할 수 있도록 나선형 구조의 구루부 및 칼날 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 하
2. 공급된 소재가 원심력에 의하여 반경방향으로 골고루 배분되도록 공급소재의 일시 저장 장소인 대칭구조의 날개 홈 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 상판형 구조[도 2참조]
3. 공급된 소재가 전단력에 의하여 원활히 분쇄됨과 동시에 맷돌의 상·하판에 삼각(원추)형의 칼날이 서로 엇갈리게 만들어 분쇄된 입자가 구루부를 따라 원심력에 의하여 이송되면서 다시 혼합되도록 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 맷돌 상·하판 구조[도 2, 3 참조].
4. 금속 소재의 구형 입도를 형성하기 위하여 금속을 압축전단작용에 의해 말리면서 용접되는(Rolling and Welding) 역할을 하도록 맷돌의 회전체인 하판에 칼날의 구루부가 없는 민자형 환형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 분쇄용 하판[도 3 참조].