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제목 피스톤 방식 용융필터의 압력변동 문제
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/03/29 17:15

피스톤 방식 용융필터의 압력변동 문제

피스톤 방식 필터는 다른 방식의 시스템에 비해 많은 장점을 제공한다. 압력의 변동이 약점으로 간주될 수 있지만, 기계적 측면 및 가공 측면에서 모두 이를 막을 수 있는 여러 가지 방법이 존재한다. 약간의 조정으로도 시스템의 전반적 성능과 효율성에 큰 차이를 만들 수 있다.

 

피스톤 방식 여과 시스템을 선택하는 데는 여러 가지 합당한 이유가 있다. 첫째, 피스톤 방식 필터 시스템은 여과 면적이 넓기 때문에 비용효율적일 뿐 아니라 부드러운 시동이 가능하고 전단율(shear rate)과 차압(differential pressure)을 낮출 수 있다. 그에 따라 가해지는 힘이 낮아져 불순물 입자가 필터 엘리먼트(filter element)를 통과하는 것을 막아주어 좋은 여과 결과를 얻을 수 있다.

피스톤 시스템의 또 다른 장점은 이물질에 의한 손상으로부터 효과적 보호를 들 수 있다. 예를 들어, 베어링 피스톤을 이동 중에 금속 오염물질이 스크린 배리어를 손상시킬 수 없도록 피스톤 캐비티에 충분한 공간이 존재한다.

또 다른 장점은 시스템이 정상 작동할 때 보장하는 연속 유동이 용융수지의 정체 및 폴리머 열화(劣化)를 방지하는 것이다. 다른 방식의 여과 시스템과 달리 피스톤 방식 스크린 체인저는 원료가 유동하지 않고 머물러 열화가 발생하는 데드존(dead zone)이 생기지 않는다.

피스톤 여과 시스템에서 피스톤의 모든 움직임은 압력의 변화를 수반한다.

 

여과 시스템은 특정 가공조건에 매우 구체적으로 맞추어 설계하는 경우가 많다. 고객의 원료나 원료의 특성이 교체되면, 동일하게 좋은 결과를 얻기 위해서는 그에 따른 적절한 조정이 이루어져야 한다. 특정 원료에 대해 좋을 결과를 얻을 수 있는 파라미터가 다른 원료에는 잘 맞지 않을 수 있다.

이는 압력 변동에도 마찬가지로 적용된다. 폴리머 가공 시스템에서 압출 다이 또는 펠렛타이징 시스템에서 일정한 압력은 가장 중요한 파라미터 가운데 하나다. 균일하고 일정한 폴리머 유동만이 균일한 제품을 생산할 수 있다.

피스톤 여과 시스템에서 피스톤의 모든 움직임은 압력 변화를 수반한다. 일반적으로 이것은 문제가 아니며 작은 범위에서는 설정에 의해 제어할 수 있다. 그러나 이러한 압력 변동이 너무 크면, 제품의 품질에 피해가 생길 수 있다. 예를 들어, 필름에 찢김이 생기거나, 시트에 얇은 지점 혹은 불규칙한 모양과 크기의 펠릿 등이 발생할 수 있다.

가공조건에 따라 백플러시 및 벤팅(가스빼기)이 멈출 수 있도록 피스톤 움직임을 설정한 잘 조정된 시스템에서는 이 같은 변동이 최소한으로 유지된다. 그럼에도 불구하고 압력 변동이 발생할 경우에는 어떻게 해야 할까? 주요 가공 변수를 살펴보며 몇 가지 해결책을 검토해보도록 하자.

 

원료(Material)

문제의 해결은 늘 출발점에서부터 시작하는 것이 좋다. 여기서는 원료가 출발점이다. 원료 펠렛이 엉켜있거나 습한 상태인가? 엉켜있는 원료는 계량이 매우 어렵기 때문에 고르지 않은 폴리머 유동이 이미 압출기에서 시작된다. 습기에 젖은 원료는 쉽게 엉킬 수 있을 뿐 아니라, 펠렛의 잔류 수분이 점도 감소 현상을 일으킬 수 있다.

 

누출(Leakage)

두 번째 단계로 장비의 육안 검사를 수행한다. 눈에 띄는 누출이 있는가? 수지 가공 라인은 대개 폴리머의 유동을 원활하고 균일하게 유지하기 위한 밀폐된 시스템이다. 원료가 누출을 통해 밀폐된 시스템 밖으로 새어 나오면 압력 변동이 발생할 수 있다. 누출은 어댑터 볼트를 충분히 조여주지 않아서 발생할 수도 있다. 열 팽창 때문에, 스크린 체인저가 작동 온도 수준까지 가열된 후 나사를 다시 조여줘야 한다.

다른 한편으로는, 나사를 너무 꽉 조여도 문제가 될 수 있다. 시스템에 너무 많은 긴장이 가해지면, 시스템 개별 구성 요소들의 정렬상태에 불량이 발생해 누출이 생길 수 있다.

 

온도(Temperature)

폴리머 가공온도가 너무 높은지 확인한다. 그로 인해 장비와 밀봉 시스템이 제대로 대처하기 어려울 정도의 수준으로 점도가 낮아질 수도 있다. 가공온도를 낮추면 이 문제를 해결할 수 있다. 이러한 맥락에서 온도센서를 확인하는 것도 도움이 될 수 있다. 온도센서가 제대로 작동하지 않으면 미처 인식하지 못하는 사이에 시스템이 과열될 수 있다. 낮은 온도 역시 압력 변동의 원인이 될 수 있다. 주변 여건을 확인하라. 기계의 온도를 낮추는 찬바람이 있는지 살펴보라.

 

센서 시스템(Sensor System)

전체 센서 시스템이 제대로 작동하는지 확인한다. 잘못된 위치에 두었거나 보정(calibration)이 잘못된 압력 센서는 압력이 없는 경우에도 압력 피크를 나타낼 수 있다.

공정(The Process)

원료 쪽에 아무런 문제가 없고, 누출이 감지되지도 않으며, 센서 시스템도 제대로 작동하고 있다면, 이제 더 깊이 들어가 봐야 한다. 효율적인 문제 해결을 위해서는 공정 어느 시점에 문제가 발생하는 지를 아는 것이 중요하다. 스스로 물어봐야 할 첫번째 질문은 공정에 교체 사항이 있었는지 여부다. 예를 들어 다음과 같은 사항들을 확인해야 한다.

· 원료가 달라졌는가?

· 작동 온도가 상승했는가?

· 피스톤이 움직일 때마다 문제가 발생하는가?

· 스크린 교체 문제가 일어나는가?

· 아니면 백플러싱이 진행될 때마다 시스템에 압력 강하가 일어나는가?

· 압출기 또는 기어펌프가 최대 속도에 도달하면 압력 변동이 눈에 띄는가?

항상 압출기 작업자들과 긴밀하게 소통해야 한다. 그들이 관찰한 바는 무엇인가? 시스템에 컨트롤러가 장착되어 있는 경우라면, 압력 추이를 주의 깊게 확인하라. 별도의 컨트롤 시스템이 없는 경우라도 거의 모든 라인에는 압력을 모니터링할 수 있는 센서가 있다. 압출기 또는 펌프가 원료의 유동을 증가시키기 위해 회전 속도를 올리고 있다면, 아마도 어딘에선가 압력이 유실되고 있을 가능성이 있다.

 

스크린 교체(Screen Change)

 피스톤의 어떠한 움직임도 시스템 내의 압력 변화로 이어진다. 스크린 교체가 이루어지는 동안 피스톤은 스크린 교체 포지션으로 이동하고 유동 채널에서 캐비티를 차단한다. 용융수지는 상승한 차압으로 남은 캐비티 또는 캐비티들을 통해 유동한다. 필터 교체 후, 피스톤은 다시 정상 생산 포지션으로 이동하고 캐비티는 폴리머가 가득 차 넘치면서 이른바 가스빼기(벤팅) 과정에 들어간다. 만일 이것이 너무 빨리 일어나 캐비티가 지나치게 빨리 채워지면, 용융 압력이 떨어진다. 피스톤 속도를 줄이기만 해도 이 문제를 해결할 수 있다.

 스크린 교체 후 압력 변동을 방지하기 위해 필터에 캐비티의 충전을 세심하게 진행하는 것은 압출기의 속도가 증가됨으로써 원료 감소를 보정해주지 않는 가공에서는 특히 중요하다. 이것은 또한 점도가 매우 낮은 폴리머의 경우도 그러하다.

 

가스빼기(벤팅 Venting)

 스크린 교체 후 캐비티가 유동 채널로 다시 이동했을 때, 에어가 없어야 한다. 최종제품에 기포가 잡히면, 구멍이 생길 수 있고 그 때문에 라인을 멈춰야 할 수도 있다. 이를 방지하기 위해, 피스톤에는 캐비티 충전 과정에서 에어가 빠져나갈 수 있는 벤팅 홈이 있다. 스크린 교체 후에는 이러한 홈들을 잘 청소해 용융수지 공간이 충분하도록 만들어 줘야 한다.

목표는 용융수지가 모든 벤팅 홈에서 고르게 기포 없이 빠져나오도록 하는 것이다. 모든 원료는 저마다 고유한 최적의 벤팅 시간 및 위치가 있으며, 이를 찾아내기 위해서는 어느 정도의 경험이 필요하다. 점도가 낮은 폴리머를 가공할 때는 세심한 벤팅이 특히 중요하다.

첫번째 벤팅 위치에서 압력 강하가 발생하는지 점검한다. 만일 그렇다면, 캐비티에 용융수지가 너무 빨리 채워지지 않도록 피스톤 속도를 낮추어 준다. 첫번째 벤팅 위치는 가장 중요하다. 이곳의 타이밍을 제대로 설정하면, 그 다음 벤팅 포지션은 그대로 따라오고 라인 성능도 크게 향상될 수 있다.

점도가 낮은 폴리머를 가공할 때는 세심한 벤팅이 특히 중요하다. 압력의 변동은 용융수지를 채워야 하는 캐비티 내에 난류(亂流, turbulence)가 존재한다는 표시다. 용융수지를 빨리 충전해서 생기는 이런 난류는 이른바 ‘샴페인 거품’ 이라고 하는, 캐비티 내에 들어찬 미세한 기포를 일으킬 수도 있다. 이로 인해 최종제품에 불량이 발생할 수 있다. 따라서 부드럽고 세심한 충전이 이루어지도록 조정해 용융수지와 에어 사이에 관계가 유지되도록 함으로써 완벽한 가스빼기를 하는 것이 언제나 이롭다.

환기가 세심하게 이루어지도록 하는 데 시간을 들이는 것이 빨리 그리고 대충 해버리는 환기에 비해 비용을 아낄 수 있다. 최신식 피스톤 여과 시스템은 작업자의 개입이 필요하지 않은 자동벤팅 기능을 제공한다.

 

백플러싱(Backflushing)

 백플러싱을 통해 오염물질을 깨끗하게 청소해주는 시스템에서는 용융수지의 흐름이 반전되면서 압출 방향을 거슬러 스크린을 통해 유동한다. 불순물 입자가 스크린에서 떨어져 나와 캐비티를 통과해 백플러시 파이프를 통해 우회한다. 이렇게 하면 스크린 수명과 전체 공정에 안정성이 향상된다.

그러나 다시 말하지만 원료를 다시 되돌리기 때문에 모든 백플러시 과정은 시스템 내의 압력 변화를 초래한다. 따라서 목표는 스크린 청소 효과를 약화시키지 않으면서 원료의 손실을 최소화하는 것이다.

백플러시 과정이 압력정점을 너무 높게 만들어 최종 제품에 영향을 미치는 경우에는 피스톤 한계를 조정해 원료 손실을 줄여야 한다. 백플러싱 간격을 조금 짧게해도 도움이 될 수 있다. 스크린 막힘이 너무 심해 불순물 입자를 떼어내는 데 용융압력이 많이 필요한 경우는 더 큰 원료 손실이 초래된다. 백플러싱의 목표는 스크린 청소 효과를 극대화하고 원료 손실은 최소화하는 것이다.

백플러시 설정의 세심한 조정은 점도가 매우 낮은 폴리머의 경우 또는 압출기의 속도가 증가해 원료의 감소를 보정해주지 않는 공정에서 특히 중요하다. 불순물 입자가 낮은 속도로 백플러싱 보어를 빠져나갈 수 있도록 백플러싱이 세심하고 부드럽게 이루어지도록 조정하는 것이 언제나 이롭다.

스크린 팩(Screen pack)

 스크린 팩은 여과가 이루어지는 곳이다. 또한 가장 많은 압력 유실이 발생하는 곳이기도 하다. 용융수지의 흐름은 장벽을 통과해야 하므로 스크린 팩 전후의 압력이 달라 차압이 발생하게 된다. 필터링 수준이 미세할수록, 필터 망의 개방 영역이 작을수록 또는 용융수지의 점도가 높을수록, 그에 따른 차압이 커진다.

캐비티에 정확히 들어맞는 고품질 직조와 대칭형 설계의 스크린 팩은 차압을 최소화하고 원활한 공정을 구현하는 데 도움이 될 수 있다. 대칭형 디자인은 스크린 전후의 차압을 고르게 만드는 데 도움이 된다. 고품질의 캐비티에 정확히 맞는 스크린은 여과 영역 전체에서 빈틈없는 폴리머 분포를 보장해준다.

저자: 이 글을 쓴 Oliver Brandt는 20년 동안 플라스틱산업에 종사하고 있다. 그는 현재 Nordson Corp.의 Polymer Processing Systems 사업부에 합류해 펌프 및 여과 기술에 특별히 중점을 둔 공정 엔지니어다. 2018년에는 재활용 마케팅 개발 관리자 직을 맡았다. 또한 그는 University of Paderborn에서 플라스틱 기술 학위를 받았으며 압출기 기술, 폴리머 유변학 및 플라스틱 기계 설계에 중점을 두고 있다. 

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