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제목 2단계 스크류의 서징(Surging) 현상 문제 해결
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/01/29 14:37

2단계 스크류의 서징(Surging) 현상 문제 해결

2단계 스크류에서 서징(surging)은 흔히 양쪽 단계가 출력(output)에서 일치하지 않을 때 발생한다. 이에 대한 가장 좋은 해결책은 압출기의 배출단부(discharge end)에 압력조절 밸브를 설치하는 것이다.

압출기의 2단계 스크류에서 온도 설정이나 스크류 속도를 어떻게 해주어도 항상 불안정한 상태를 보이는 경험을 한 적이 있을 것이다. 이런 현상은 양쪽 단계가 폴리머 출력 및 배압에서 일치하지 않을 때 발생한다.

2단계 스크류는 기본적으로 탠덤(tandem)으로, 즉 나란히 협력해 작동해야 하는 두 개의 분리된 스크류다. 첫번째 단계 스크류는 폴리머의 피딩과 용융 그리고 벤트(vent) 영역, 즉 탈기구멍으로 내보내는 일을 한다. 두 번째 단계 스크류는 벤트에서 용융 폴리머를 취해 가압한 후 다이를 통해 밀어낸다. 양쪽 단계의 출력은 서로 균형을 잘 잡아줘야 하며, 그렇지 않으면 압출기 작동 조건을 아무리 조정한다 해도 해결할 수 없는 끊임없는 불안정성을 나타내게 된다.

 

폴리머가 바뀌면 충전길이도 유실된다.

이 같은 상황은 특정 폴리머만을 사용하도록 설계된 2단계 스크류에서 다른 폴리머 원료를 가공했을 때 발생하는 것으로 알려져 있다. 그 결과로 첫 번째 단계에서 체적 출력(volumetric output)이 감소한다. 이렇게 되면 첫 번째 단계 출력량보다 두 번째 단계가 너무 깊게 되는 결과를 만들어 이 때문에 스크류 실린더 내의 충전길이(length of fill)가 변화하게 된다.

헤드 압력을 정확히 추정하여 설계한 새로운 2단계 스크류는 스크류 깊이를 바꾸어 항력 유동(drag flow)과 압력 유동(pressure flow)의 균형을 맞추어 적정한 안정성을 지닌 충전 길이를 얻는 방법으로 충전 길이를 계산할 수 있다. 그러나 가공하는 폴리머를 변경하면, 최적 충전 길이가 유실되어 다시 복구하기 어렵게 될 수 있다.

특정 헤드 압력에서 2단계 스크류의 양쪽 단계 출력이 서로 일치하지 않을 경우, 두 번째 단계 스크류의 충전 길이가 끊임없이 달라질 수 있다. 이것이 바로 서징을 일으키는 원인이 된다. 한 가지 해결책은 압출기의 배출부에 유동조절 밸브를 설치해 서징 사이클이 멈출 때까지 배압을 증가시켜 주는 것이다.

스크류의 두 번째 단계가 안정되려면 압력흐름이 항력흐름에 비해 작은 비율이 되도록 하기 위해 필요한 최소한의 충전길이를 확보해야 한다. 그렇지 않으면 충전길이가 지속적으로 달라져, 출력 변동을 초래한다. 충전길이가 증가하면 두 번째 단계 출력도 증가하고 충전길이가 줄어들면 두 번째 단계 출력도 감소한다.

따라서 특정 헤드 압력에서 2단계 스크류의 양쪽 단계의 출력이 서로 일치하지 않을 경우, 두 번째 단계 스크류의 충전길이가 끊임없이 달라질 수 있다. 이것이 바로 서징을 일으키는 원인이 된다. 전력 대부분이 용융을 위해 첫 번째 단계에서 사용되고 두 번째 단계에서는 훨씬 적은 양의 전력이 용융 전달을 위해 사용되기 때문에, 서징은 전력 사용량 상으로는 잘 눈에 띄지 않는다. 

이러한 상황에서 가장 좋은 해결책은 압출기 배출부에 유동조절 밸브를 설치해 서징 사이클이 멈춰도 채우기가 안정적 상태를 보일 때까지 배압을 증가시켜 주는 것이다.

또 다른 방법으로, 필터 스크린을 추가하거나 브레이커 플레이트(breaker plate)를 보다 촘촘한 것으로 바꾸어 줌으로써 이 문제를 해결할 수도 있다. 하지만, 이 방법은 조절이 쉽지 않고 폴리머 혹은 심지어 부피 밀도(bulk density)가 바뀔 때마다 번번이 새로 장착 해줘야 할 수 있다.

 

재활용 원료 사용은 신중하게 선택

위의 그림은 통상적인 2단계 스크류와 충전길이가 지나치게 짧은 2단계 스크류 그리고 첫 번째 단계의 출력에 관계없이 채우기 길이를 제어할 수 있도록 유동 제어 밸브를 장착한 스크류를 비교해 보여주고 있다.

최근 들어 압출업체들이 2단계 스크류 가공에 전보다 높은 비율의 재활용 원료를 사용하게 되면서 이 문제가 더 빈번하게 발생하고 있다. 재활용 원료의 부피 밀도 감소는 압출기의 고유출력(specific output)을 감소시킨다. 따라서, 리그라인드나 재활용이 거의 없거나 전혀 없었을 때 잘 작동하던 2단계 스크류가 이제는 불안정한 작동을 보일 수 있다. 새 스크류 설계로 이를 해결할 수 있지만, 그렇다 해도 그 다음에 또 어떤 새로운 폴리머나 다른 부피 밀도에 맞추어야 할지 모를 일이기 때문이다.

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