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제목 피드 스로트(Feed Throat) 및 스크류의 냉각에서 물이 얼마나 필요할까?
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/11/14 23:32

이 문제는 작업자에게 정확한 지침을 제공해주기 위해 나와 있는 제대로 된 문서가 거의 또는 전혀 없기 때문에 압출 현장에서 가장 난처한 문제 가운데 하나다. 이와 관련된 시행착오 과정에 대해 간략히 살펴보도록 하자.


압출기에 대해 가장 이해가 부족한 부분 중 하나는 물을 이용한 피드 스로트와 스크류의 냉각이다. 많은 작업자가 압출기 내부 마찰력의 섬세한 균형을 이해하지 못할 뿐 아니라 냉각수 흐름에서 사소한 변화가 공정 결과물에 어떤 영향을 끼칠 수 있는지 이해하지 못한다.

많은 경우 작업자들은 단순히 더 많은(또는 더 차가운) 물을 사용하면 용융수지 온도를 낮추는 데 도움이 된다고 생각한다. 따라서 약간의 냉각수가 좋다면, 냉각수를 많이 쓰면 더 좋을 것이라고 생각한다. 하지만 이는 진실과 거리가 멀다.

고형 수지의 이송과 관련된 기본 원리는 다음과 같다. 즉, 피드 스로트 벽의 폴리머 마찰이 높고, 스크류 상의 폴리머 마찰이 낮을수록 이송 속도가 좋다. 따라서, 고형물 이송 영역에서 폴리머는 배럴에 달라붙어야 하고, 최적의 이송 속도를 위해 스크류 상에서 미끄러져 나아가야 한다. 별도의 피드 스로트가 장착된 압출기에서 폴리머 입자는 배럴로 들어가기 전에 피드 스로트를 통과하게 된다는 사실을 잊지 말아야 한다.

결과적으로, 원료의 이송 속도는 폴리머가 공급부 개구로 투입되면서 생기는 마찰력과 표면적 차이에 따라 거의 즉시 결정된다. 그루브 배럴 압출기를 사용하는 경우가 아닌 한, 배럴 벽에서 마찰 항력 개선을 위해 사용할 수 있는 유일한 조정 가능 항목은 피드 스로트의 온도다.

거의 예외 없이, 피드 스로트의 온도를 올려주면 폴리머 접촉 면적이 증가해 배럴 벽에서 폴리머의 마찰 항력이 증가하게 된다. 이것이 귀사가 지금까지 해왔던 관행과 상충된다면 사출성형기는 피딩이 잘 되어, 피드 스로트가 없거나 스크류를 냉각시킬 옵션을 제공하지 않는 경우도 있다는 사실을 기억해야 한다.

마찬가지로, 피드 포트(feed port)가 배럴에 직접 연결되는 압출기처럼 별도의 피드 스로트가 없는 압출기는 별도의 피드 스로트가 있으면서 같은 스크류를 사용하고 있는 압출기보다 20~30% 속도가 더 빠른 경우가 많다는 점은 흥미롭다. 피드 스로트 온도를 가능한 높게 설정하면 이송 속도가 가장 좋다고 결론을 내리는 것이 합리적일 것이다.

이 시나리오에서 스크류를 멈추면 폴리머가 피드 스로트에서 녹을 수도 있다. 이는 전도성이 높은 강철로 만들어지는 배럴로부터 열이 다시 되돌아 나오기 때문이다. 중요한 요점은 가능한 최대한 빠른 이송 속도를 만들어내면서도 피드 스로트에서 원료가 녹지 않도록 하기 위한 피드 스로트의 최적 온도는 시행착오를 거쳐 결정할 수밖에 없다.

펠렛의 크기 및 형상은 말할 것도 없고 피드 스로트의 다양한 구조적 형상 및 설계 때문에 구체적인 특정 폴리머에 대해서도 일반적으로 통용되는 적합한 온도가 있을 수 없다. 따라서 수백 가지의 배럴 온도 프로파일이 나와 있지만, 이 가운데 어떤 것도 적정 피드 스로트 온도를 제시하고 있는 경우는 없고, 이 때문에 작업자가 활용할 수 있는 가이드라인이 사실상 전혀 없다.

그리고, 재생재의 경우는 상황이 더욱 까다롭다. 재생재 원료는 이송을 최적화할 수 있는 온도가 약간 달라질 수 있기 때문이다. 다행히도, 보어(bore)가 매끄러운 압출기는 일반적으로 스크류의 고형원료 이송영역 표면에서보다 배럴 벽 표면에서 폴리머와 접촉면적이 2배 이상 크다.

따라서 용융점이나 연화점이 매우 낮은 폴리머를 제외하고는, 폴리머가 스크류의 냉각없이 스크류를 따라 이동하도록 하기 위해 스크류보다 배럴에 더 많은 마찰이 발생되도록 열을 사용하는 것이 크게 문제되는 것은 아니다. 대부분의 압출 스크류는 중공 보어 옵션을 사용할 수 있도록 생산되지만, 스크류 냉각이 필요한 경우는 드물다.

피드 개구부에 인접한 피드 스로트의 외부 표면을 약 125~130F(51~55℃)를, 손으로 만졌을 때 매우 따뜻할 정도로 설정하고 공정을 시작하는 것이 좋다. 피드 스로트에 온도 표시기가 장착된 압출기가 거의 없기 때문에, 접촉식 고온계가 있는 경우가 아니라면 만져서 온도를 느껴보고 조절해 가장 적합한 온도로 정해야 한다. 130F는 누군가가 몇 초 이상 손으로 잡고 있으면 불편함을 느끼게 되는 정도의 온도다.

최적의 피드 스로트 온도를 찾으려면 산출량 또는 안정성 개선이 뚜렷이 나타나지 않을 때까지 냉각수 흐름을 조절해 온도를 조금씩 증가시켜 나가다, 바로 이전의 설정으로 되돌아가면 된다. 피드 스로트 직후의 다음 비행에서와 마찬가지로 비행 회전으로 인해 신속하게 제거되므로 피드 스로트 벽 약간의 용융에 대해 너무 걱정할 필요가 없다.

그것이 용융점보다 훨씬 높은 온도로 가열된 배럴에 직접 결합되기 때문에, 공급 스로트는 자연적으로 공급 개구부에서 배럴 플랜지까지 온도 구배가 증가한다. 많은 경우, 피드 스로트의 배출부 말단 온도는 냉각수로 냉각시킨다고 해도 폴리머의 용융점 또는 연화점과 비슷하거나 심지어 그보다 높기까지 하다.

조절작업은 최적 온도를 찾는 열쇠이며 이상적인 온도를 찾기까지 며칠이 걸릴 수 있다. 예를 들어, 용융점이 매우 높은 폴리머인 PEEK을 가공할 때는 피드 스로트의 온도가 약 200F(93℃)일 때 최상의 산출량과 안정성을 얻을 수 있다. PE의 경우에 피드 스로트의 적정온도는 보통 130F(55℃)에 가깝다. 반면 스크류는 피드 스로트와는 반대되는 조건 하에서 최적의 이송 효과를 낸다.

고형원료의 이송 및 안정성을 극대화하려면 고형원료가 스크류 상에서 최대한 자유롭게 미끄러져 나갈 수 있어야 한다. 온도를 내리면 거의 모든 폴리머가 강철(스크류)에 대한 마찰 감소를 보인다. 따라서 적어도 이송 구간에는 스크류 내부에 수냉을 적용하는 것이 논리적으로 보인다.

그러나 필요한 경우라 해도 스크류에 냉각수 기능을 넣기 전에 고려해야 할 몇 가지 단점이 있다. 스크류를 냉각하면 전력 소비량이 늘어나고, 용융에 걸리는 시간이 길어지고 온도 변화가 생긴다. 더 심각한 문제가 있을 수 있는데, 냉각수를 압출기 셧다운 후 그대로 방치하면 스크류의 루트 부분에 굳어진 폴리머층이 형성돼, 다음 가동 시 추가 가열 시간이 필요하게 되고, 퍼징의 효과를 크게 감소시킬 뿐 아니라 심지어 스크류 표면에 응축이 생길 수도 있다.

이 때문에 장비를 셧다운 해놓았을 때 녹이 발생할 수 있고 많은 경우 스크류는 거의 전체 길이를 관통하는 보어가 뚫려 있기 때문에 이 같은 효과들을 더 먼 거리까지 크게 확대시킨다.

경성 PVC와 같이 가공온도 상에서 매우 빠르게 분해가 일어나는 폴리머는 스크류 전체를 관통하는 보어가 필요하고, 특수 배관을 사용해 스크류 끝만 실제로 냉각되도록 해야 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 피드 스로트와 스크류 표면 영역 사이의 큰 온도 차이 및 스크류와 접촉하는 차가운 폴리머의 냉각 효과로 인해 스크류 냉각이 거의 필요하지 않다.

피드 스로트나 스크류에는 온도조절기가 없다. 하지만 이것이 최적의 작동에 정확한 온도 제어가 필요치 않다는 의미는 아니다. 가공하는 폴리머에 알맞은 온도로 한 번만 설정해주면 산출량이 최고 30%까지 증가하는 것으로 나타났다(일반적으로는 5~10% 개선).

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19127   배리어 스크류라고 다 같은 것은 아니다 플라스틱코리아