KR930005170B1 - 미 분쇄장치(micromilling device) - Google Patents

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Description

미 분쇄장치(MICROMILLING DEVICE)

제1도는 본 발명의 미분쇄장치로서 제3도의 X-X´방향에서 본 평면도.

제2도는 제1도의 A-A´선을 따라 절취한 횡단면도.

제3도는 본 발명의 선회류형 제트 밀 미분쇄장치의 일부전개 측단면도.

본 발명은 압축공기의 에너지에 의해 고체가 분쇄되는 선회류형 제트 밀(swirl flowtype jet mill)의 개량에 관한 것이다.

구체적으로는 본 발명은 분쇄중의 에너지 소비를 감소시키고 분쇄된 입자의 입도분포가 향상되는 미분쇄장치에 관한 것이다.

선회분쇄실을 구비한 종래의 선회류형 제트 밀(이하 “제트 밀”이라고 약칭함)에서는 압축공기가 분쇄노즐들을 통해서 분쇄실로 주입된다. 고속기류들의 에너지가 고체입자들을 충돌시켜 고체를 분쇄한다. 상기 고속 기류에 의해 발생된 선회류가 입자들을 원심분리시켜 바람직한 분쇄입경을 갖는 입자들을 제공한다. 제트 밀의 장점은 압축공기를 주입해서 단열 팽창효과에 의하여 온도를 저하시키므로 열에 민감한 고체를 분쇄하는 것이 가능하다는 점이다.

또한, 입자들간의 충돌에 의해서, 즉 표면 분쇄에 의해서 주로 분쇄가 되므로, 제트 밀은 미분쇄를 행하는데 적합하다.

그러나, 제트 밀은 몇가지 단점을 갖고 있다. 대량의 압축공기를 사용하므로 대형 압축기가 필요하다. 따라서 제트 밀에 의한 분쇄시 소비되는 에너지량은 대량이며, 기계적 분쇄시 소비되는 양의 약 2∼5배이다. 또한, 입자들간의 충돌이 제트 밀의 주특징이므로 충돌횟수가 많은 입자들로부터 초미세분말이 생기기 쉽고, 충돌횟수가 아주 적은 입자들은 조상분말로서 직접 배출된다. 이로인해 분쇄입도분포가 넓게된다. 좁은 분쇄 입도분포를 얻으려는 시도가 제안된 바 있다. 이 방법에서는 제트 밀을 구비한 분급기와, 재료를 목표 입경보다 큰 입자로 분쇄하는 폐회로 분쇄장치를 결합하여 사용한다. 입자들은 조분말 분급기에 의해 분급되고, 조분말은 분쇄기로 되돌아가서 목표입경으로 분쇄된다. 이 방식에 의하면 입도분포가 상당히 좁게 재료를 분쇄할 수 있다.

그러나, 이러한 방식으로는 분쇄시 소비에너지에 대해서는 개량할 수 없었다. 소비에너지를 저감시키기 위해서, 일본실용신안 공개공보 51-1000374, 51-1000375 및 56-64754호 및 일본특개소 58-143853호 공보에 개시된 분쇄기가 제안되었다. 이들은 단일 충격판에 대해 단일 분쇄노즐을 사용하는 방식을 채용하고 있다. 이 방식에 의하면 분쇄시 소비에너지가 저감된다. 그러나 이러한 방식은 분쇄기를 단독으로 사용하면 분쇄 입도분포가 제트 밀의 경우보다 크게 되는 단점이 있으므로 분급기와 결합 사용하여야 한다. 또한, 상기 방식은 단일노즐을 채용하므로 장치 대형화가 불가능하고 단일노즐을 채용한 대형장치는 효율이 저하되는 단점을 갖는다. 일본특개소 57-84756호 공보에 개시된 분쇄기는 연통파이프들을 갖기 때문에 분쇄노즐이 많은 경우 구조가 복잡해지므로 장치가 비실용적이다.

본 발명은 상기와 같은 관점에서 완성된 것으로, 본 발명의 한 목적은, 분쇄노즐로부터의 주입선에 대향하여 충격부재들을 설치하여, 입자간의 충격과 입자의 상기 충격부재와의 충격에 의한 두 힘을 효과적으로 사용할 수 있는 미분쇄장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 분쇄에너지 효율을 높이는데 있다. 본 발명의 또다른 목적은 분쇄입도 분포가 좁은 분쇄물을 생성하는데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위해서 본 발명에 의하면 다음에 설명하는 바와같이, 분쇄실, 고체입자 스트리임(stream)을 소정경로를 통하여 분쇄실로 주입하는 주입수단 상기 고체입자 스트리임을 충격시키기 위하여 상기 소정경로내의 분쇄실내에 배치된 충격부재수단 상기 주입수단으로부터의 주입된 고체입자 스트림을 고속선회시켜 상기 충격부재 수단으로 타격시키도록 압축공기를 상기 분쇄실내에 분출하는 분쇄노즐을 구비하는 것이 특징인 고체입자 미분쇄장치가 제공된다.

본 발명의 목적, 장점 및 원리는 첨부도면을 참조한 하기 설명으로부터 명백히 이해할 수 있다. 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 설명한다.

도면에는 본 발명의 한 태양에 의한 선회류형 제트 밀로 구성된 미분쇄장치가 도시돼 있다.

이는 고체입자를 분쇄하기 위해 복수의 분쇄노즐(3)을 통해 압축공기를 주입하며 충격부재(2)를 주입된 압축공기가 타격하도록 각 분쇄노즐로부터의 주입방향에 대하여 전방에 배치돼 있다.

제1도는 제3도의 본 발명의 미분쇄장치의 X-X´방향에서 본 평면도이고, 제2도는 제1도의 A-A´선을 따라 절취한 횡단면도이고, 제3도는 본 발명의 미분쇄장치의 일부전개 측단면도이다. 이들 도면에서 1은 미분쇄장치의 주몸체, 2는 충격부재, 3은 분쇄노즐, 4는 압축공기실, 5는 배출관, 6은 선회분쇄실, 7은 충격부재 지지부재, 8 및 9는 2중관 구조로 된 원료주입 수단으로서, 8은 원료공급노즐, 9는 원료호퍼를 나타낸다.

본 발명의 미분쇄장치에서 선회형 제트 밀 주몸체(1)의 선회분쇄실(6) 내측에는 각 분쇄노즐(3)에 대응하여 이 분쇄노즐(3)로부터의 주입선에 대향하여 충격부재(2)가 설치돼 있다. 이러한 구성에 의하여, 통상 사용안되고 소모되는 압축공기 에너지의 효율적 사용이 가능해진다.

상기 각 충격부재(2)가 설치된 위치는 대응하는 분쇄노즐(3)로부터 주입된 제트기류의 중심의 방향을 0°로 가정한 경우, 충격부재의 충격면의 중심이 20°이내의 연직각 원추형 범위내에 있도록 돼 있으며, 상기 충격면의 중심이 상기 주입된 제트기류의 중심과 일직선상에 있는 것, 즉 상기 연직각이 0°인 것이 가장 효과적인 조건이다. 각도가 20° 이상이면, 상기 주입된 제트기류로부터 벗어나는 충격면 비율이 넓어지므로, 상기 충격부재의 효능이 상실된다.

다음은 충격부재까지의 거리를 고려해보면, 충격부재(2)의 충격면의 선단과 분쇄노즐(3)의 선단간의 거리는 포텐샬 코어영역의 5배이하(즉, 노즐내경의 25배 이하)여야 한다. 이 거리는 상기 포텐샬 코어영역의 2∼3배인 것이 좋다. (노즐로부터 주입된 압축공기가 주입시의 실효에너지를 보유하는 영역을 포텐샬 코어영역이라 한다(통상 노즐내경의 5배)).

이 거리를 상기 포텐샬 코어영역보다 5배 크게 하면, 다른 노즐로부터 주입된 압축공기를 방해하고 따라서 입자들을 분급시키는 작용을 하는 선회류를 방해하므로 실제적으로 분쇄효과의 저하를 초래하게 된다.

다음은 상기 충격부재(2)의 형상을 설명하면, 구형, 원기둥형, 타원형 및 원추형 등이 가능하다. 그러나, 구형이 좋다.

상기 설치거리에 관한 설명에서 지적한 동일한 이유로 각 충격부재(2)의 크기는 상기 선회류 및 다른 노즐들로부터 주입된 압축공기가 방해되지 않는 범위내인 것이 좋다.

주입된 제트기류의 중심방향에 수직하는 각 충격부재(2)의 표면적 또는 횡단면적은 그 대응하는 분쇄노즐(3)의 최소 내경부분의 횡단면적의 50배 이하여야 한다.

충격부재(2)의 재료는 내마모성일 경우, 아무런 문제없이 사용할 수 있다. 내마모성 합금류, 내마모 표면 처리된 금속류 및 세라믹스 등이 특히 적합하다. 충격부재(2)의 재료로서 예를 들면, 초경합금, 코발트 베이스 스테라이이트합금(cobalt-based stellite alloys), 니켈 베이스 델로로(Deloro) 합금, 철 베이스 델크롬(Delchrome)합금, 트리스틸 합금, 트리브알로이(Trivalloy) 금속간 화합물 등의 형태의 합금류와 알루미나, 티타니아, 지르코니아 등의 산화물 형태의 세라믹스, 실리콘 카바이드, 크로뮴 카바이드 등의 카바이드류, 실리콘 니트라이드, 티타늄 니트라이드 등의 니트라이드류 및 크로뮴보라이드, 티타늄 보라이드 등의 붕소화물류 등을 들 수 있다.

본 발명의 미분쇄장치를 사용하는 미분쇄 동작의 몇가지 구체적인 실시예를 설명한다.

제1도∼제3도에 도시된 미분쇄장치를 사용했다. 도시된 선회분쇄실(6)의 내경은 420mm, 그의 변부의 높이는 50mm, 그 중심부의 높이는 100mm, 그 중심부의 내경은 138mm였고, 배출관(5)의 높이는 74mm였다. 선회분쇄실(6)의 변부상의 분쇄노즐들(3)은 내경이 5.2mm로서 4개의 라벨(Laval) 노즐로 구성되었으며 이들은 중심방향에 대해 35° 각지게 배치되었다.

제3도에서 볼 수 있는 바와같은 본 발명의 미분쇄장치에 미크론 분리기(호소가와 미크론사제)를 결합시켜 폐회로 시스템을 구성하고, 원료주입수단인 공급노즐(8)로부터 압축공기를 분출시킴으로서 원료호퍼(9) 하부에 부압을 발생시켜 원료호퍼(9)로부터 고체입자인 원료물질을 선회분쇄실(6)로 공급하면서 하기 조건에서 분쇄를 행하였다.

[실시예 1]

충격 부재들

수 4개

설치거리 22mm

형상 원기둥형

크기 16mm(직경)×35mm

재료 SUS 304

분쇄조건

분쇄노즐 4개

분쇄압력 7.6kg/cm²G

공급압력 6.0kg/cm²G

배기가스 유량 11∼12m³/분

2차 공기유량 1.2∼1.5m³/분

상기 원료물질은 햄머 분쇄기(hammer mill)로 분쇄한 전자사진 복사용 토너(중량평균 입경 D₅₀=300∼500μm)를 사용했다. 상기의 조건하에서 분쇄를 행하여 중량평균입경 D₅₀(이하 “D₅₀”이라 약칭함)가 11μm가 되게 하였다. 입경분포를 COUL TER COUNTER TA-II(COAL TAR ELETRONICS 사제)로 측정했다. 그 결과들을 표 1에 나타냈다.

[비교예 1]

선회분쇄실(6)내에 충격부재들(2)을 설치하지 않고 실시예(1)과 동일한 조건에서 D₅₀=11μm가 되도록 분쇄하였다. 그 결과들을 표 1에 나타냈다.

[실시예 2]

충격부재들의 충격면의 중심을 대응 분쇄노즐에 의한 주입중심선과 완전 일치시킨 외에는 실시예 1과 동일한 조건에서 D₅₀=11μm가 되게 분쇄했다.

[실시예 3]

충격부재들의 충격면의 중심을 분쇄노즐의 주입중심방향에서 선회분쇄실의 외측변부측으로 15°수평으로 벗어나게한 외에는 실시예 1과 동일조건하에서 D₅₀=11μm가 되게 분쇄했다.

[실시예 4]

충격부재들의 설치거리(충격부재의 충격면의 선단과 분쇄노즐의 선단간의 거리)를 80mm로 한 외에는 실시예 2와 동일조건에서 D₅₀=11μm가 되게 분쇄했다.

[실시예 5]

충격부재들의 상기 설치거리를 140mm로 한 외에는 실시예 2와 동일조건에서 D₅₀=11μm가 되게 분쇄를 행하였다.

[실시예 6]

상기 충격부재 형상을 구형(직경=16mm)으로 한 외에는 실시예 4와 동일조건에서 D₅₀=11μm가 되게 분쇄를 행하였다.

[실시예 7]

충격부재들의 형상을 사각주(16mm×16mm×30mm)로 하고 이 부재들의 평탄면 부분이 분쇄노즐과 대향하도록 설치한 외에는 실시예 4와 동일조건하에서 D₅₀=11μm가 되게 분쇄를 행하였다.

[실시예 8]

충격부재 형상을 구형(직경=20mm)으로 한 외에는 실시예 4와 동일한 조건에서 D₅₀=11μm가 되게 분쇄를 하였다.

[실시예 9]

충격부재 형상을 구형(직경=37mm)으로 한 외에는 실시예 4와 동일조건하에서 D₅₀=11μm가 되게 분쇄를 행하였다.

상기 실시예들과 비교예들의 결과를 표 1에 나타냈다.

[표 1]

상기 실시예들과 비교예를 비교해서 명백한 바와같이, 제트 밀의 선회분쇄실내의 충격부재들의 설치에 의해 분쇄에너지 소비량을 저감시킬 수 있고, 또한 좁은 입도분포를 갖는 분쇄물을 얻을 수 있다.

실시예 1∼3을 비교해봄으로써 충격부재의 설치 방향각(분쇄노즐 주입중심선으로부터 충격부재의 충격면의 중심에 대한 편이도)의 최적화에 의해서 분쇄에너지 소비량을 더 저감시킬 수 있다. 분쇄노즐(라벨관)로부터의 분산도와 실시예 3의 결과로부터 판단하건데 대응하는 충격부재의 설치방향각이 상기 분쇄노즐의 중심선으로부터 ±10°의 범위내이면(즉, 충격부재의 충격면 중심이 분쇄노즐로부터 주입된 압축공기의 중심방향을 기준으로 해서 20°의 연직각의 원추형 범위내에 있으면) 압축공기의 에너지가 효율적으로 사용될 수 있다. 그 방향각은 0°가 가장 효과적인 조건이다.

실시예 2, 4 및 5를 비교해 봄으로써, 또한 상기 설치거리를 최적화함으로써 분쇄소비에너지를 저감할 수 있음을 알 수 있다. 최적 설치거리는 사용되는 분말에 따라 다르다. 먼저, 분쇄노즐로부터 주입된 압축공기의 에너지가 최대인 포텐샬 코어영역, 입자 도입영역, 가속화 영역 다른 분쇄노즐로부터 주입된 압축공기류에 의한 방해영역 및 선회분산영역에 의한 방해를 고려해볼 때, 상기 설치거리 범위는 상기 포텐샬 코어영역 크기의 5배이하여야 한다.

상기 포텐샬 코어영역은 26mm이다(5×5.2mm : 노즐내경).

상기 설치거리는 0∼130mm이다. 실시예 4, 6, 7을 비교해보면, 또한 충격부재 형상을 최적화함으로써 분쇄에너지 소비를 저감시킬 수 있음을 알 수 있다. 충격부재(2) 형상은 분쇄노즐들로부터 주입된 압축공기류의 혼란을 야기하지 않는 것이 바람직하다.

구형, 타원형, 원기둥형, 돔형, 원추형상이 특히 효율적임을 밝혀냈다.

실시예 8과 9를 비교해보면, 또한 충격부재들의 크기를 최적화함에 의해서도 분쇄 에너지 소비량을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.

분쇄노즐들(3)로부터 주입된 압축공기의 전개도와 충격부재 설치거리 범위가 주어진 경우, 충격부재 크기는 분쇄노즐의 최소 내경부분의 횡단면적의 50배를 넘지않은 범위내인 것이 바람직하다. 실시예 8과 9의 경우에서 분쇄노즐의 최소 내경부분의 횡단면적이 50배는 1061mm²(=1/4×(5.2)²×3.14×50)이었고, 실시예 8에서 충격표면적은 314mm²였고, 실시예 9에서는 1075mm²였다.

[실시예 10]

햄머 분쇄기로(300∼500μm로)(실시예 1∼9에서 사용된 미분쇄기를 사용하여) 분쇄된 자성분말을 함유하는 수지로 구성된 원료물질을, 초경합금(물질 WH40, 히다찌 긴조꾸사제), 파우더 고속 공구강(powder high-speed tool steel)(HAP40, 히다찌 긴조꾸사제), SIALON(HCN10, 히다찌 긴조꾸사제) 및 SUS304를 4개의 분쇄노즐에 각각 대향하는 충격부재의 재료로서 사용하여 실시예 2와 동일한 조건에서 분쇄했다. 상기 원료물질을 20kg/시간으로 공급하면서 4시간 동안 분쇄하였고, 마모에 의한 중량변화(마모도)를 측정했다. 분쇄노즐에 의한 편차를 해소하기 위해서 충격부재들의 위치를 매 1시간마다 바꾸었다.

그 결과들을 표 2에 나타냈다.

[표 2]

주 : 마모도 : (W_i-1-W₁)/W_i-1×100(i=1,2,3,4)

[W는 충격부재 중량(g)이고, i는 시료채취시간(hr)이다]

상기의 결과로부터 명백한 바와같이 SUS304의 내마모성에 비해 초경합금의 내마모성은 96.6배, HAP40은 71.2배, SIALON은 55.4배였으며, 이들 재료들은 모두 양호한 내마모성을 나타내었다.

상기 결과들로부터 명백한 바와같이, 충격부재들을 분쇄노즐로부터의 주입방향에 대향하도록 배치함으로 인하여 본 발명의 미분쇄장치는 소비에너지를 저감시킬 수 있고, 또한 좁은 입도분포를 갖는 분쇄를 행할 수 있다.

또한, 내마모성 재료를 사용함으로써 본 발명에 의해서 내마모성이 강한 분말을 분쇄할 수 있다.

본 발명의 상기 양호한 실시예의 설명은 설명을 위한 것이다. 그러므로, 본 발명은 상기의 특정 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범위내에서 다양한 변형이 가능하다. 즉, 상기의 실시예들은 본 발명의 원리설명을 위한 것이며, 특정 용도에 따른 실제적인 변형적용은 본 기술분야의 숙련자에게 자명하다. 그러므로 본 발명은 특허청구범위 및 그의 균등범위에 의해서 한정된다.

Claims (9)

1. 선회분쇄실(6)과 ; 상기 선회분쇄실에 소정경로를 통해서 고체입자 스트리임을 주입하기 위한 주입수단(8, 9)과, 상기 고체입자 스트리임을 타격하기 위하여 상기 소정경로내의 상기 선회분쇄실내에 설치된 충격부재수단(2)과, 상기 주입수단(8, 9)으로부터 주입된 고체입자 스트림을 고속선회시켜 상기 충격부재수단(2)에 타격시키도록 압축공기를 상기 선회분쇄실(6)내에 분출하는 분쇄노즐(3)을 구비하는 것이 특징인 고체입자 미분쇄장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 선회분쇄실(6)이 일반적으로 원기둥형인 고체입자 미분쇄장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 분쇄노즐(3)이 상기 소정경로가 상기 원기둥형 선회분쇄실을 이등분하는 선으로부터 경사지게 배향된 것이 특징인 고체입자 미분쇄장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 분쇄노즐(3)이, 상기 선회분쇄실 내측으로 돌출되고, 2이상이며, 상기 소정경로 각각이 상기 원기둥형 선회분쇄실을 이등분하는 선으로부터 경사지도록 배향된 것이 특징인 고체입자 미분쇄장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 충격부재수단(2)이, 상기 소정경로를 기준으로 0°와 20° 사이의 각으로 배향된 충격면을 구비한 것이 특징인 고체입자 미분쇄장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 충격부재수단(2)이, 충격면을 구비하고 상기 분쇄노즐(3)에서 상기 충격면까지의 거리를 상기 분쇄노즐의 내경의 25배 이하인 것이 특징인 고체입자 미분쇄장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 충격부재수단(2)이 충격면을 구비하며, 이 충격면의 형상이 구형, 타원형, 원기둥형 및 원추형중에서 선택된 하나의 것이 특징인 고체입자 미분쇄장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 충격부재수단(2)이 충격면을 구비하고, 분쇄노즐(3)의 목부분은 소정의 횡단면적을 갖으며, 상기 소정경로에 수직하는 상기 충격면의 면적이 상기 노즐 목부분의 상기 횡단면적의 50배 이하인 것이 특징인 고체입자 미분쇄장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 충격부재수단(2)이 금속합금, 표면처리된 금속 및 세라믹으로 이루어지는 그룹에서 선택된 재료로 충격면을 구성한 것이 특징인 고체입자 미분쇄장치.