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제목 압출기가 보이는 증상을 통한 장비의 진단
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/12/04 08:40

 

 

필름 압출장비의 상태를 항시 주의 깊게 관찰함으로써 문제가 생산에 영향을 미치기 시작하기에 앞서 문제를 파악해낼 수 있다. 압출시스템에 발생하는 마모는 점진적으로 진행되므로 사태가 크게 심각해지기 전에는 제대로 관찰하기 어려운 경우가 많다.

 

압출기의 마모는 폴리에틸렌 필름 생산공정에 심각한 문제를 초래해 산출 속도 감소 및 비용 증가 등과 같은 결과를 초래할 수 있다. 마모로 인해 나타나는 문제에는 스루풋 감소, 용융수지온도 제어 불량, 믹싱 불량, 겔 발생, 에너지 사용 증가 등이 있다.

 

많은 경우 압출시스템에 발생하는 마모는 점진적으로 진행되므로 사태가 크게 심각해지기 전에는 제대로 관찰하기 어려운 경우가 많다. 현장작업자들이 압출기 마모의 시작과 언제 스크류를 교체하는 것이 좋을지 등을 결정하기 위해 모니터링해야 하는 특정 증상들이 있다. 이 칼럼에서는 압출기 스크류 마모로 인한 공정상의 변화를 나타내주는 주요 공정제어 항목 및 데이터에 대해 살펴보고자 한다.

 

 

 

 

표준화된 방법의 확립·기준선(baseline)

 

압출기의 마모 정도를 확인하기 위해 공정제어시스템을 활용하는 데 있어 가장 중요한 한 가지는 표준화된 방법과 원료배합을 사용해 기준 선을 확립하는 것이다. 이 기준선은 압출라인을 새로 설치해 그 효율성이 최상의 상태에 있을 때 확립하는 것이 이상적이다. 하지만 현실적으로 공정 기준선은 압출기 사용기간 중 어떤 시점 에서도 만들어도 된다.

 

압출기 성능의 기준선 확립과정은 상당히 간단하다. 시스템의 적절한 기준선 확립방법에 관해서는 많은 칼럼이나 자료가 나와 있다. 압출시스템의 기준선 설정에 관한 논의에서 자주 간과 되고 있는 하나는 표준화된 원료배합이 필요하다는 점이다. 시스템 기준선을 설정할 때는 데이터 산출시 모든 변수를 최소화해야 한다.

 

이를 위한 한 가지 방법은 데이터 산출시마다 동일한 원료배합을 사용하는 것이다. 배합은 간단할수록 좋고, 변수를 최소화하기 위해서 가급적 혼합원료를 사용하지 않는 것이 좋다.

 

하지만 기준선 데이터 확립을 위해 사용될 표준 원료배합에 혼합원료를 사용하고자 한다면, 가능한 범위 내에서 원료혼합을 매번 정확히 같은 비율과 방식으로 수행해야 한다.

 

이제 표준 원료배합 내용을 확정했으면 공정을 표준화할 차례다. 이를 위해서 원하는 생산목표를 가장 잘 나타내주는 조건의 조합을 찾아내는 것이 필요하다. 대개 이 생산목표는 경영진에서 정해 놓은 생산가치 등을 기반으로 정해지는 것이 보통이다.

 

표준화된 원료배합과 공정조건을 사용해 이제 기준선 데이터를 산출한다. 공정이 안정적 상태에 도달하고 균일한 압출물을 생산하게 될 때까지 충분한 시간을 줘야 한다.

 

데이터에는 헤드압력, 용융수지온도(용융수지 중앙에 프로브, 즉 탐침을 충분히 잠기도록 해 측정), 모터 부하, 모터 분당 회전수(RPM), 비속도(lb/[hr rpm]), 결빙선(frost-line) 높이, 압출기 히터출력, 필름 품질 등이 포함돼야 한다.

 

이에 더해, 이 조건들에서 필름 특성을 측정한 뒤 시간이 지나면서 필름의 품질 또는 성능이 떨어지는 것을 관찰하면 압출기가 안고 있는 문제를 잘 나타내준다.

 

 

마모의 징후: 무엇을 찾아야 하는가

 

장비 성능의 기준선을 확립한 뒤에는 이와 동일한 데이터 조합을 일정한 빈도로 내어볼 것을 권한다. 스크류 마모는 장기간에 걸쳐 발생하므로 무언가 치명적인 고장이 없는 한 마모의 진행 양은 매우 적은 것이 보통이라는 점을 기억하는 것이 중요하다. 가공조건과 수지 또는 원료배합 등에 따라서 마모가 늘어날 수도 있고, 스크류 수명이 크게 단축될 수도 있다.

 

압출기를 너무 빠른 속도로 가동하면 모터에 손상을 줄 수 있을 뿐 아니라 압출기에 발생하는 전단 때문에 스크류 수명이 단축될 수 있다. 용융수지온도가 아주 높고, 산성 코폴리머 또는 탈크 혹은 탄화칼슘 같은 거친 원료가 다량 함유된 원료배합이 합쳐지면 이는 최악의 상황으로써 스크류 수명을 크게 단축시키는 결과를 낳는다.

 

그렇다면 장비에 문제가 있을 수도 있다는 것을 제어시스템을 활용해 알 방법은 무엇일까? 일단 기준선 데이터를 확인한 후에는 압출시스템을 무작위로 검사해 기준선에서 벗어나는 점이 있는지 수시로 확인해야 한다. 압출기에 무언가 변화가 발생했음을 말해주는 가장 일반적이고 분명한 징후는 특정 목표치의 생산속도를 달성하는 데 기준선과 다른 스크류 스피드가 필요한 경우이다.

 

스크류가 마모되어 감에 따라 비속도가 감소하거나 증가해 동일한 목표 생산속도를 달성하는 데 더 높거나 낮은 압출기 RPM이 필요하게 된다. 비속도의 증가 자체는 나쁜 일이 아닐 수 있지만, 스크류가 마모되면 효율성이 감소돼 같은 생산속도를 얻는 데 더 높은 스크류 RPM이 필요하게 된다.

 

이 같은 현상은 블로운 필름 공정에서 특히 두드러지는데, 이는 토출부 압력이 상대적으로 높기 때문이다. 이와 더불어, 시스템의 효율성이 떨어져 스크류 스피드를 높여야 하면 시스템의 에너지 소비 또한 높아지게 된다.

 

흔히 간과되는 또 한 가지 징후는 압출기 히터의 출력이다. 기준선 데이터를 확립하는 과정에서 압출기 구역마다 히터 출력을 확인해 기록해둔다. 히터의 출력은 대개 제어판에 출력 퍼센트 또는 전체 전류도출량(amperage draw) 으로 표시된다.

 

스크류 마모가 진행되면 스크류 플라이트와 압출기 배럴 벽 사이의 간극이 늘어나 전단열 발생이 줄어들게 된다. 이렇게 되면 기계적으로 가열해주는 히터 장치가 압출기 각 구간의 목표 온도를 유지하기 위해 더욱 많은 에너지를 제공해야 하는 상황에 놓인다.

 

그 결과로 시간이 지나면서 히터의 출력이 점차로 증가하는 것을 보게 된다. 이는 마모가 진행되고 있음을 나타내 주는 징후다. 압출기 구간 중 이 같은 상황에 가장 큰 영향을 받는 구간은 압축구간에서 스크류 끝 부분까지로, 특히 계량구간 내 믹싱장치가 있는 부위가 심한 영향 아래 놓이게 된다.

 

필름 성능은 압출성능을 나타내주는 핵심 지표로서 모니터링하고 기록해 두고, 압출기 마모를 확인하는 데 사용할 수 있다. 비속도의 증가가 나쁜 것은 아니라고 앞서 언급한 바 있다. 하지만 언제나 그렇지만은 않다. 비속도 상승으로 인해 나타날 수 있는 문제로 전단가 열이 심해지면서 초래되는 수지 열화를 들 수 있다.

 

스크류가 마모되면 전단이 감소해 설정온도 유지를 위해 압출기 히터는 더 많은 에너지를 만들어내게 된다. 전단가열로 인한 열화의 결과로 필름에 지속적으로 발생하는 겔을 이르는 백그라운드 겔(background gel)의 발생이 늘어날 수 있다. 시스템에 용융 안 된 겔이 늘어나는 것은 믹싱장치의 효율성이 떨어져 나타나는 결과일수 있다. 믹싱 불량의 또 다른 증상은 용융수지온도의 큰 변동 또는 필름 이상으로 나타나는 믹싱 불량이 있을 수 있다.

 

용융수지온도 변동을 측정하는 좋은 방법은 길이를 조절할 수 있는 열전대를 사용하는 것이다. 이송라인 파이프 온도를 압출물 온도와 비슷한 수준을 맞춰 놓고, 열전대 길이를 용융수지 바깥으로 나오도록 최대한 짧게 해놓고 작업을 시작한다. 이 지점에서 온도를 확인한 다음, 용융수지 안으로 열전대를 한 차례 늘려 밀어 넣고 가만히 둔다. 온도 측정이 안정적 상태에 다다를 때까지 기다렸다가 온도를 확인하고, 다시 이 과정을 반복한다.

 

이 과정을 열전대가 최대한 확장되는 지점까지 계속한다. 그리고 여기서 얻은 데이터를 살펴 용융수지 내 여러 부위마다 온도 변동량을 확인한다. 만일 10℉(-12℃)미만의 변동이라면 용융수지의 균일화 상태가 우수한 것이다. 데이터로 본 온도 변동이 20℉ (-6.6℃)가 넘으면 용융수지의 균일화가 제대로 이뤄지지 않은 것이다.

 

스크류 교체가 필요한 시점은?

 

기준선 데이터를 확보해 압출기의 성능 시간을 두고 관찰한 뒤에는 목표 최적 성능 범위를 정하는 것이 중요하다. 시스템 마모가 최적 성능 계측기준을 벗어나는 결과를 초래하는 상황이 라면 그 시점이 바로 압출기 스크류의 교체를 고려해야 하는 때다.

 

최적 성능 계측기준은 압출기 산출량/에너지 사용량의 균형을 의미할 수 있다. 목표로 삼고 있는 생산속도를 여전히 유지할 수 있으나, 스크류 마모 때문에 스크류 작동 스피드가 너무 높고 이전 보다 많은 에너지를 사용하고 있다면 압출기 효율을 올리기 위해 스크류를 교체하는 것이 좋을 수도 있다.

 

그다음 단계는 스크류를 빼내서 마모의 양을 확인하기 위해 공차를 측정하는 것이 다. 경험으로 보자면 플라이트와 배럴의 간극이 원래 수준에서 4배 이상 증가하면 교체를 고려해야 할 시점이다. 예를 들어, 통상적인 플라이트 간극은 지름의 1/1000이다. 따라서 6인치 스크류는 0.006인치의 간극이 적합하다.

 

위에서 설명한 성능 계측기준 공정에서 스크류를 빼서 측정했을 때 간극이 0.024인치라면 스크류 교체가 필요 하다. 필름 압출장비의 상태를 항시 주의 깊게 관찰함으로써 문제가 생산에 영향을 미치기 시작하기에 앞서 문제를 파악해낼 수 있다.

 

표준 원료배합 및 표준 공정조건을 통해 기준선이 되는 데이터 조합을 확보하는 것이 잠재적인 문제를 찾아내기 위해 압출기 성능을 장시간에 걸쳐 모니터링하는 데 있어 필수적이다. 데이터를 확보하는 것과 별도로 시간에 따른 필름 품질의 저하 또한 주의 깊게 관찰해야 한다.

 

이는 압출시스템의 문제 발생을 알려주는 핵심징후 가운데 하나이기 때문이다. 마지막으로, 스크류 교체시점을 결정할 목표 측정기준을 정하고 측정된 공차가 이 기준을 넘어서면 곧바로 스크류를 교체하는 것이 효율성을 향상하고 비용을 줄이는 길이다.

 

필자는 아주 최근에 고분자량고밀도 폴리에틸렌(HMWPE)을 가공하는 스무스보어(smoothbore) 압출기에서 산출량의 주기적 급등현상이 지속적으로 나타나는 문제를 처리한 적이 있다.

 

HMWPE의 미끄러운 성질 때문에 피딩 속도가 기대보다 낮아지고, 이것이 계량구간의 불완전 충전으로 이어 지는 경우가 종종 일어난다. 산출량 급등은 스크린 체인저를 활용해 헤드압력을 몇백 파운드 올려줌으로써 해결할 수 있었다.

  

유용한 팁 하나: 용융펌프를 사용해 흡입압력을 올리려면 산출량의 주기적 급등 현상을 없애고자 할 때는 펌프의 토출압력보다 충분히 낮은 상태를 유지해 주도록 해야 한다. 이렇게 함으로써 폴리머가 용융펌프 베어링 사이로 끊김 없이 잘 흘러 들어가 윤활작용이 원활하게 되면서 장비의 파손을 막아준다.

  

저자 소개

 

웨스 홉슨(Wes Hobson)은 텍사스주 프리포트에 소재한 다우 케미컬의 성능 플라스틱 기술 서비스 및 개발 그룹의 선임 엔지니어다. 그는 캐스트와 블로운 필름 및 시트압출에 22 년간의 경험을 갖고있다. Hobson은 스트레치 필름에 초점을 맞춘 다우의 산업 및 소비자 패키징 그룹의 애플리케이션 개발 선두주 자로 그는 미시건 주립대학의 포장과학 (Packaging Science) 분야의 석사 학위를 소지했으며 ISTA 및 플라스틱 엔지니어 협회(Society of Plastics Engineers) 의 회원이다. 연락처 : 979-238-1610; jhobson@dow.com; dow.com.

 

Mike Rutkowske는 다우 케미컬(Dow Chemical)의 선임 기술자로 폴리머 연구 및 기술 개발 분야에서 13 년의 경력을 갖고 있다. 그는 대부분의 시간을 소형 및 대형 포장장비(취입 필름, 2 축 압출, 압출코팅 등)를 가공에 시간을 보냈 다. 그는 특허소유자로 제조공정 및 장비를 최적화하는데 상당한 경험을 가지고 있다. 현재 휴스턴대학(University of Houston)에서 기계공학기술 학사 학위를 취득 중이며 TAPPI 회원이다. 연락처 : mrutkowske@dow.co

 

  

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