(Classification)각종 분급의 조작법과 그 조건 최적화

트리플에이머신(주) 이시도 카츠노리

 

처음으로

　농축 조작을 실시한 후 건조하고, 건조 분체로부터 입경이 갖추어진 분체 제품을 꺼내는 공정을 건식 분급 조작이라고 하며, 슬러리 그대로 입도를 맞추는 공정을 습식 분급 조작이라고 한다.일반적으로 습식 분급은 건식에 비해 분산성이 뛰어나 응집에 의한 분급 성능 열화를 잘 받지 않는다고 여겨진다. 원심분리장치를 이용하는 것으로 서브미크론 분급도 가능하지만, 액중에서 원심분리 로터를 고속 회전시키고 있으므로 베어링의 손상·유지관리의 문제가 지적되고 있다. 원심방식 이외에는 수평이나 수직 방향으로 액체를 흘려 분체의 침강 속도와의 차이에 의해 필요한 입자 크기의 분체를 추출하는 장치(수체 분급 장치)가 있는데, 서브미크론 분급을 실시하려면 침강 속도가 느리기 때문에 장치가 대형화하는 것이 난점이다. 최근 전장을 인가한 직립통상습식방식의 수체분급장치(연속식 중력이용수형 오버플로방식)를 이용하여 유지보수가 뛰어난 연속습식 서브미크론 분급을 소형 장치로 실현한 것이 요시다 등에 의해 보고되었다. 한편, 농축 건조한 벌크를 분산하고, 분체를 1차 입자 상태로 해서 입도 조정하는 조작을 건식 분급이라고 부른다. 건식 분산에는 해머 밀 등의 해쇄기를 사용하는 방법이나, 인라인 라운드 시브(회전식 체) 등으로 공기 수송중 체를 치면서 해쇄하는 방법 등이 공장에서 자주 이용되고 있다. 분체가 미크론 영역에서 서브미크론 영역으로 들어갔을 때 분산하기 어려워져, 응집 입자의 조분으로의 유입으로 분급 성능이 떨어지는 문제를 해결하는 고성능 건식분급기가 많은 기기 제조업체로부터 발표되고 있으므로, 이번에 필자도 많이 취급해 온 이 건식분급 기술을 중심으로 해설한다.

 

1.     분급에 대한 개론

서브미크론 입자 제조라고 할 경우에는 분쇄기에 대해서는 1μm 이하의 입자를 가능한 한 많으며, 단시간에 에너지 비용이 들지 않도록 제조하는 기술이 요구된다.또, 분급기에 대해서는 분쇄 후에도 잔류하는 수μm 이상의 대형 입자를 정확하게 수율 좋게 제거한다는 엄격한 조건이 요구된다.미분체의 입경을 조정하기 위해서는 분쇄 공정과 함께 분급 공정이 중요하다.고성능의 분쇄기와 고성능의 분급기를 조합하는 폐회로 분쇄 분쇄 분급 시스템에 의해 조분을 클린하게 컷 한 고효율 시스템을 만들기 위해서도, 분급기의 선정은 매우 중요하다.방사성 물질이 분쇄시 미분 영역에 비교적 많이 모이는 케이스에서는 분쇄시에 미분을 가능한 한 발생하지 않도록 분쇄하거나, 미분을 발생하기 어려운 분쇄기를 선택하는 대책을 실시한 후, 분급기를 사용해 목표 입자 크기의 제품을 꺼내는(미분을 제거하는) 것이 필요하다.이 때, 고효율 분급기를 사용하면, 제거하는 미분을 최저 레벨로 억제할 수 있어 수율 증가·능력 향상으로 연결된다.

　미분을 제거하려면 분급을 실시하면 되며, 여기에는 건식·습식 분급기에 의한 분급, 원심분리기에 의한 습식분리, 수계의 매체에서 입자 표면의 미분을 씻어 제거하는 방법, 고압가스를 입자에 내뿜는 방법 등이 보고되고 있는데, 비교적 취급이 용이하며, 많은 종류가 보고된 분급기에 대해 앞으로 소개한다.

 

1.1 각종 분급기의 종류와 선정

　분체의 입자를 맞추는 것을 목적으로, 입경으로 분체를 나누는 조작을 입도 분급이라고 한다. 이 입도분급의 조작은 체분과 유체분급으로 크게 나눌 수 있으며, 또한 유체분급은 건식분급과 습식분급으로 분류할 수 있다.이 건식분급은 기류중입자의 역학적 거동의 차이를 이용하여 입경에 의해 입자를 나누는 조작으로, 현재는 공업적인 미립자분급의 주류가 되고 있다. 일반적으로 건식 분급은 특수한 환경을 제외하고, 공기류를 이용해 실시하므로 풍력 분급이라고 부르며, 그 장치를 공기 분급기라고 부르고 있다.공기 분급기를 원리적으로 분류하면, 중력 분급기, 관성 분급기, 원심 분급기로 크게 나눌 수 있다. 중력분급기는 중력장에 있어서의 입자의 낙하 속도 혹은 낙하 위치의 차이에 의해 분급하는 장치로, 비교적 거친 입자의 대량 처리가 가능하지만 정밀 분급에는 적합하지 않다. 관성분급기는 기류의 방향을 급격히 변화시켜 입자의 관성력을 이용하여 분급하는 장치로, 이것도 비교적 대용량에 적합하지만 정밀분급에 부적합하다고 여겨지고 있었다. 그러나 최근에는 서브미크론 분급도 가능해진 코안다 효과를 이용한 미분용 다단형 분급기도 판매되고 있다. 원심분급기는 자유와형과 강제와형이 있으며 자유와형은 구조가 비교적 간단하여 5~50μm에서의 분급에 적합하다고 알려져 있다. 또, 제트밀과의 궁합이 좋은 분급기도 개발·판매되고 있다.강제 소용돌이형은 구조가 비교적 복잡하고 동력비도 늘어나는 결점이 있지만, 미분 영역(1μm 전후)까지 분급이 가능하여 정밀 분급에 적합하다는 것을 필자가 이전에 보고했다.

최근 새로운 분급기가 발표되어 분급기의 종류는 많이 보고되고 있는데, 대표적인 것을 이하의 표 1에 정리하였다

 

 

 

최근에는 특히 마이크론 오더의 미분을 목표로 하는 분급기의 개발이 매우 활발하며, 뛰어난 기종이 많이 시장에 등장하고 있다.그리고, 현재 서브미크론역으로 분급의 미세화를 전개중의 단계이다.이하에 각종 건식분급기를 설명한다(그림 1에 대표적인 분급기의 구조를 나타낸다).

　(1) 체

　일반적으로는 공업생산 수준에서는 100μm 이상의 분급에 적합하다고 알려져 있지만, 납땜가루 등의 금속구상분의 37-44μm 컷 정도까지라면 분급기 동등 이상의 성능을 발휘하는 것으로 알려져 있다.체에 대해서는 다음 항에서 자세하게 설명한다.

　(2) 중력분급

　입자의 낙하 속도의 차이에 따라 나누는 것으로, 건식에서는 정밀분급에는 적합하지 않다고 되어 있다.그러나 습식에서는 큰 생산량은 기대할 수 없으나 직립통상습식분급기(수체분급장치)를 사용하여 0.1μm 단위로 구형 입자를 갖추는 정밀기술도 있다.이 기술은 예를 들어 3μm 지름의 입자만을 회수하여 액정용 스페이서재로서 널리 사용되는 폴리머나 실리카 제조에 이용되고 있다.또, 절의 처음에도 언급했지만, 전압을 인가함으로써 서브미크론 연속 분급 가능한 소형 장치도 발표되었다.

　(3) 관성 분급

　입자의 관성력을 이용하여 분급하는 것으로, 일반적으로는 입자가 거친(10~50μm) 부분에서의 분급에 적합하다고 예전에는 말해졌으나, 최근 분체를 연구하여 마이크론 오더의 고성능 분급이 가능하다는 실적, 납품 예가 많이 보고되고 있다.회전로터식에서는 어느 정도 발생해 버리는 굵은 가루의 침입이, 특히 미크론 오더의 분급시에 관성분급에서는 적다고 하는 큰 이점이 있다.이 강점은 플라스틱, 분체도료, 토너 등의 가벼운 분체일 때 두드러지지만, 금속분과 같은 무거운 분체나 침상물질에서도 조분의 미분에 대한 침투가 적은 것은 괄목할 만한 점이다 (대표 예: 엘보젯, K형 분급기, 배리어블 임팩터). 또, 관성 분급과 원심 분급 사이에 위치할 수 있는 룰버 설계를 야연구한 서브미크론 분급도 대응가능한 분산분급기도 등장하였다(대표 예: 마이크로 스핀, 에어로 파인 크래시파이어).

 

(4) 원심분급

크게 나누어 사이클론으로 대표되는 자유 소용돌이형과 회전 부분을 가지는 강제 소용돌이형 2종류가 있다.어느쪽이나 원심력과 공기의 항력의 균형으로 분급하는 것이지만, 자유 소용돌이형은 자유 소용돌이이며, 강제 소용돌이형은 로터 등의 회전체로 원심력을 얻는다.자유 소용돌이형은 일반적으로 5~50μm의 분급에 적합하지만 정밀 분급에는 적합하지 않다고 한다. 그러나, 제트 분쇄기와 직결하기 쉬우므로 그것에 의한 성능 향상이 전체 성능을 끌어올리는 케이스도 많이 보고되고 있다. 그 중에서도 토너와 같은 가벼운 분체는 제트밀 직후에 분급하며, 조분을 기내에서 되돌리는 구조를 가진 자유와식 분급기가 딸린 제트 분쇄기는 강제 소용돌이형의 그것과 동등하거나 그 이상의 결과가 보고되어 주목할 만하다 (자유 소용돌이형의 대표 예: 디스퍼전 세퍼레이터, 마이크로 플렉스). 강제 소용돌이형은 구조가 복잡하고 동력도 걸리지만, 전자에 비해 분급점이 있다(자유와형). 100μm까지), 반복 분급에 의한 정밀 분급이 가능하다고 한다 (강제 소용돌이형 대표 예: 터보플렉스, 슈퍼 세퍼레이터). 특히 강제 소용돌이 속의 분급실 회전형은 서브미크론 분급 데이터도 발표되었다(분급실 회전형의 대표적인 예: 터보클레시파이어, 도너셀렉).

 

 

1.2분급기를 선정함에 있어 고려해야 할 사항

　관성분급기의 엘보제트는 코안다 효과를 이용한 장치로, 이 장치의 큰 특징은 매우 간단한 구조(로터 없음)로 동시에 다단분급이 가능하고 동시에 스케일 업이 용이한 것이다. 엘보제트는 기계식 분쇄기(터보밀)와 연결하는 것으로, 미분의 발생을 억제하면서, 조분도 클린 컷 할 수 있다고 하는, 일견 모순되는 요구를 1대의 분급기로 달성할 수 있는 시스템이다. 이 특징은 특히 토너, 분체도료로 위력을 발휘한다. 또한 일반적으로 가벼운 입자에 원심력이 가해지기 어려운 분체(실리카겔, 미분 실리카 등)의 미분 분급에도 뛰어난 특성을 발휘한다고 알려져 있다. 자유 소용돌이형 원심 분급기의 디스퍼전 세퍼레이터는, 미분 컷용의 마이크로 스핀과 같이 자유 소용돌이형의 분급기로, 충돌판식 제트 분쇄기와 직결해 분쇄에 이용하는 압축 공기를 효율적으로 이용할 수 있는 것과 회전체등의 가동 부분이 없는 특징을 살려 토너의 분급기로서 옛부터 넓게 이용되고 있어 현재도 많은 토너 메이커등에서 이용되고 있다.

 

마이크로컷도 자유 소용돌이형 분급기로, 분급점의 조정을 주로 가이드 벤의 각도 변경에 의해 실시하고, 분급장에서의 공기의 정류를 위해 벽면을 회전시키고 있는 것이 특징이다. 도나셀렉은 강제 소용돌이형 분급기로, 압축 공기를 이용해 분산 상태로 원료 분체를 공급하고 있는 것과 고속 회전 로터를 내장하고 있는 것이 특징이다. 터보플렉스, TSP, TTSP도 이와 같이 강제 소용돌이형의 분급기이지만, TTSP에서는 2개의 로터를 이용하는 등 고성능 분급에 대응하고 있어, 특히 토너 분야에서 최근 자주 이용되게 되었다. 터보크라시파이어도 강제 소용돌이형 원심분급기로, 기내에 공급 분체의 분산 기구를 가지고 있다는 점과, 분급장의 공기 정류 기구를 가지고 있는 것이 특징으로, 서브미크론 반성의 미분 분급이 가능하다. 슈퍼 세퍼레이터도 강제 소용돌이형으로 전신인 마이크론 세퍼레이터의 개량형이다.제트에어에 의한 분산기나, 반복 분급 기구를 가지고 있는 것이 특징이다. 이상, 최근의 신소재 등의 원료 분체의 사이즈 컨트롤용으로서 진보의 현저한 대표적인 공기 분급기에 대해 설명했는데, 이들 공기 분급기를 선정함에 있어 고려해야 하는 항목을 다음에 열거한다.

○ 성능면: 처리량, 분급점 및 분급범위와 분급효율 등, 그 안정성, 재현성이 뛰어난 것이 중요하다.

○  조작면: 분급경 조정법, 원격조작, 클리닝의 용이성 등이 포인트가 된다.

○  운전 비용: 소비 동력비와 소모 부품등의 유지 보수비를 억제할 필요가 있다.

○  설비 비용: 공기분급기 본체뿐만 아니라, 공기원, 집진기 등 주변기기를 포함한 플랜트 세트로 비교 검토할 필요가 있다.

○  안전성: 발화성, 폭발성 분체는 공기 대신에 불활성 가스를 사용한다.

○  오염: 이물 혼입을 꺼리는 고순도 분급은 접분부에 내마모 재료를 사용하는 것 외에 클린 룸 내에서의 작업이 필요하다.

 

　공기 분급기에서는 취급하는 입자 지름이 작아질수록 분급경도 작아지고, 분급은 곤란해진다. 종합적으로 판단하여 적절한 공기분급기를 선정할 필요가 있다.

 

1.3 서브미크론 분급의 스케일업상의 문제점

　(1) 미분 영역에서의 분산

　서브미크론 고정밀도 분급은 향후 세라믹스를 중심으로 한 분야에서 매우 중요한 기술이 될 것으로 예상된다. 서브미크론 영역의 분급에서 최대의 문제가 되는 것이 응집 입자의 분산이다.세라믹스 원료 1um 언더의 입자 비율이 30%를 넘는 즈음부터 급격히 응집성이 강해진다. 이 때문에 분급기도 내부에 분산기구를 갖는 것이 좋다고 여겨지고 있는데, 서브미크론 영역이 되면 더욱 강력한 분산수단의 부가가 요망된다. 이 보조 분산 방법으로서 물리적 수법과 화학적 수법을 들 수 있다. 전자의 예로서 고속 에어 방식(오리피스형, 링 노즐형)이 있는데, 모두 고속류에 의한 이젝터 효과를 이용해 분체를 흡입하여 고속 유중에서 강제 분산시키는 방식이다. 이 밖에 고속 임펠러를 이용해 분산하는 방법도 있다. 후자의 예로서 가장 많이 이용되고 있는 것은 분급 전에 분산조제를 첨가하는 기법이다. 이러한 방법을 사용해도, 스케일 업시에, 분체의 분급부 통과 면적의 증가 이상으로 통과 면적 당의 공급 능력을 늘리면, 소형기와 같은 분산성을 얻는 것은 어려워져, 분급 성능에 영향을 미칩니다.이는 일반적으로 원심식 분급기에서 제기되고 있는 문제이다.

　(2) 오염

　미세한 입도를 가진 분체를 얻기 위해서 분쇄기·분급기를 사용하면 장치로부터의 불순물(주로 마찰에 의한)이 오염으로서 제품에 혼입된다. 파인 세라믹에서는, 특히, 이 혼입을 최대한 억제할 필요가 있어, 어려운 것은 ppm 오더가 문제가 된다. 이들 미량의 오염을 막기 위해서 접분부의 마모 부분에 세라믹 소결체를 이용하거나 내마모 코팅(예: 세라믹 용사, 우레탄 라이닝)을 실시하기도 했다. 그러나, 이러한 방법은 만능이 아니고, 취급하는 분체의 종류, 입도 등에 의해 적합 또는 부적합하다. 또, 오염 방지는 일반적으로 내마모보다 상위의 개념으로서 파악된다. 오염 방지는 장치 내에서 분체와 접촉하는 모든 부분에 대책이 필요하지만, 내마모는 마모도가 높은 부분에 대한 대책만으로 좋은 경우가 많다. 오염 방지는 소형기일수록 기내를 통과하는 분체 단위 중량당 접하는 벽면이 넓어지기 때문에 오염이 현저하게 나타나는 경우가 많다. 스케일 업 시에는 우선, 소형기로 만전의 대책을 세운 다음, 대형기로 스케일 업 할 필요가 있다.

 

2. 분급기 스케일 업

스케일 업 시에 일어나기 쉬운 문제와 그 대책에 대해 설명한다. 소형기로 시험을 했더니 거의 사양이 만족할 수 있었으므로, 대형기에 스케일 업 해 실라인을 짠 바, 기대한 성능을 얻을 수 없었다고 하는 트러블은 자주 듣는다. 분급기에서는 일반적으로 스케일 업 하는데 있어서는 분리 성능을 다소 할인해서 생각할 필요가 있다. 그 정도는 분체의 종류 혹은 분급점에 따라 다양하며, 각 메이커의 경험치에 의지하는 곳이 많다.거기서 스케일 업 오차를 생기게 된다. 이러한 트러블을 피하기 위해 실라인에 설치하려고 하는 기종으로, 단시간이라도 좋으니까 한 번은 운전을 하고 성능을 확인하는 것이 바람직하다. 수십 t/hr라는 대용량의 기종으로는 무리일지 모르지만, 가능한 한 목적사양에 가까운 기종으로 체크해 두는 것이 중요하다.

　스케일 업 시에 고려해야 하는 것으로서 분급기의 종류에 따라 약간 생각이 다르다.

 

2.1 강제 소용돌이형 원심분급기의 경우

　(1) 혼합비의 차이

　분급기의 스케일 업은 통상의 경우, 혼합비를 일정값으로서 실시한다. 그러나, 실례를 조사해 보면, 소형 시험기는 비교적 저혼합비로 운전되고 있는 것이 많다. 이를테면 강제 소용돌이형 분급기의 예로 말하면 터보크라시파이어 카탈로그에서 가장 소형기이다. TC-15형(피드량 10kg/hr 이하)과 대형기 TC-100형(피드량 4,000kg/hr 정도)에서는 혼합비를 비교하면 0.05 kg/m3과 0.5 kg/m3로, 대형기는 소형기의 약 10배의 혼합비가 되고 있다.이것은, 원래 소형기는 피드량이 절대 조건이 아니고, 분급 정도의 면을 주로 하고 있기 때문이라고 생각할 수 있다.

　(2) 입자의 분산 및 공기의 정류 차이

　회전하는 로터 내에서는 소형기 쪽이 분체가 통과하는 부분의 갭이 작은 등 입자의 분산이 효과적인 조건이 갖추어져 있어 분급 실내에서의 공기 정류를 실시하기 쉬운 등 분급 성능 향상의 조건을 갖추기 쉽다.

 

2.2 자유 소용돌이형 원심분급기의 경우

　대표적인 예인 일본 뉴매틱 공업의 DS(디스퍼전 세퍼레이터)의 경우, 치수 상사형의 스케일 업이 되고 있으며, 세세한 부분은 기류 속도를 맞추어 가장 큰 요소로서는 분포기 내부의 고기 혼합비를 일정하게 유지하는 것이 중요한 점이라고 한다. 이기종의 구체적인 스케일 업의 예는, 뒤에 기술하는 하이브리드화에 대한 고찰의 부분에서 제트밀과의 관련에서 언급한다. 이 회사의 마이크로 스핀에서의 마이크론 오더 분급에서의 스케일 업 예로, 금속가루의 분급 예로, 톱 사이즈 3.89μm, 평균 지름 1.72μm의 미분이 공급 속도 20kg/hr=>50kg/hr의 스케일 업(치수 상사형의 스케일 업)으로 실현된 예가 최근 보고되고 있다.이 예에서는 미분수율(12.5 → 26.6%)나 개선됐다.

 

2.3 관성분급기의 경우

2.3.1 분급 원리

　관성 분급기의 대표인 엘보 제트 분급기를 예로 설명한다. 엘보제트는 0.5~50μm의 미분을 대상으로 한 건식 정밀 분급기이다. 관성력을 이용한 분급기로서는 일철광업㈜/㈜마츠보사에 의해 가장 빨리 공업화된 분급기이지만, '분류는 그 한쪽 편에만 벽면을 놓으면 그 벽면을 따라 흐른다'는 물리 현상(코안다 효과)을 이용하고 있는 것이 특징이다. 즉, 원료 공급 노즐에서 분출된 분류는 코언더 블록을 따라 급격히 흐름의 방향을 바꾼다. 분류중의 원료 입자의 비행 궤적은, 각 입자가 가지는 관성(입경에 의존)과 기류로부터 받는 유체 저항에 의해서 정해지며, 미세한 입자는 기류와 함께 코언더블록 근방을 흐르고, 보다 거친 입자는 그 관성에 의해 분급 기류를 횡단하듯이 해서 멀리까지 비행한다. 분급장에는 상방으로부터 하방 에어류가 형성되어 있어, 하류 측에 임의로 선단 위치를 변경할 수 있는 분급 에지를 설치함으로써 소망의 입도별로 분급하는 것이 가능해진다.

 

2.3.2 구조 및 분급 흐름

　엘보제트 분급기 본체는 그림 1에 나타내는 대로, 2장의 측판으로 원료 공급 노즐, 코언더 블록, 분급 엣지 등의 부품을 끼워 넣은 구조로 되어 있다. 원료 송풍구(기폭) 양쪽에는 경계층의 영향을 배제하기 위한 공간을 설치하였다. 분급 에지의 위치는 외부보다 간단하게 조정할 수 있지만, 옵션으로서 에지 위치를 자동 검지·원격 조작하는 것도 가능하다.또, 본체 측판에는 소형기에서 대형기까지 사이트 유리가 설치되어 운전중의 입자의 흐름을 육안으로 확인할 수 있게 되어 있다.

또, 분급기 본체의 2 차원(정면) 치수는 소형기로부터 대형기까지 완전히 동일(패키지형 소형기 LABO/PURO를 제외한다)하며, 처리 능력에 따라 기폭만이 다른 구조로 되어 있다. 분급 정밀도를 지배하는 흐름의 패턴에 차이가 없기 때문에, 소형기로부터 대형기까지 완전히 같은 분급 성능이 발휘되어 생산기의 스케일 업을 설계대로 실현할 수 있는 것이 이 기계의 큰 특징이다(그림 2). 피드레이트(=분체 농도)가 낮을수록 높은 분급 정밀도를 얻을 수 있지만 실제로는 어떤 피드레이트까지는 거의 같은 분급 정밀도가 유지되고 어떤 점을 넘으면 서서히 분급 정밀도가 저하하거나 물리적으로 공급 불능이 되는 경우가 많다.

 

 

또, 관성력 분급 방식 엘보제트만의 특징으로서 조분 및 미분을 동시에 자를 수 있다(동시 3산물분급, 플로우를 그림3에 나타낸다). 미분 또는 조분만 1점 컷 하는 경우는 한쪽의 에지를 닫으면 가능해진다. 본체 내부에 구동 부분이 없기 때문에 청소 및 내마모 처리가 간단하다. 분급 에지의 위치와 풍량을 바꾸는 것만으로 분급점을 결정할 수 있어 분급 포인트 직전에 원료 분체가 1차 입자까지 분산되어 있으면 서브미크론 분급도 가능하다. 한 점에서 분급하는 이 관성력 분급방식의 가장 큰 특징은 굵은 가루의 미분에의 날아드는 것이 적다는 것이다. 정류중에 분체가 정렬해서 운반되므로 침상 분체에서도 정밀한 분급이 가능하다.원심력의 힘보다 바람의 힘의 영향을 받기 쉬운 진비중이 비교적 가벼운 분체(토너, 분체도료, 푹신푹신한 실리카, 폴리머, 그래파이트 등)에서 현저하게 이 기계의 특징이 발휘된다.

 

3.     하이브리드화에 대한 고찰

서브미크론의 미세한 입자를 효율적으로 제조하기 위해서, 통상은 분쇄·분급 시스템을 이용하는 것이 많다. 건식분쇄기에서는 평균 입경 0.8~1μm 정도가 한계이며, 그 후 분급기에서 0.3~0.5μm의 서브미크론 입자를 얻을 수 있다고 되어 있다. 이에 반해 습식법에서는 건조 시에 발생하는 응집 입자의 해쇄 혹은 제거하는 것이 포인트가 되며, 이 용도에는 제트밀이 많이 이용된다. 또, 제트밀과 분급기의 커플링 시스템에 의해, 재응집하기 전에 분급할 수 있어 효율이 좋은 서브미크론 미분 제조가 가능해진다. 폐회로 분쇄 분쇄분급 시스템의 흐름 예를 그림 4에 나타낸다.

 

최근 많은 공업에서 분체의 미분화 경향은 진행되고 있어 서브미크론의 영역까지 주목받게 되었다.건식으로 취급되는 분체의 요구는 높고, 또 대규모 수처리 설비를 필요로 하지 않는 간편함으로부터 건식에 의한 서브 마이크론 오더의 분쇄기의 출현이 강하게 열망되고 있다. 게다가 초미분을 대량으로 연속으로 효율적으로 제조할 수 있는 분쇄기는, 특히, 시멘트, 파인 세라믹스, 탄산칼슘, 탤크, 금속분, 유리분 등의 업계에서 요구가 높아지고 있다.

　서브미크론 분쇄에 있어서 중요한 것은 분쇄된 미분만을 효율적으로 꺼내, 조분은 분쇄부로 몇 번이라도 돌아가 분쇄될 때까지 계에서 나오지 못하게 하는 것이 포인트가 된다. 이것을 실현하기 위해서 일반적으로는 폐회로에서 분쇄기와 분급기를 연속시켜, 분쇄 직후의 제품을 분급기에 투입하고, 분급 후의 조분을 분쇄기에 되돌리는 경우가 많다.폐회로 분쇄분급으로, 분쇄기와 분급기를 사용하면 각각 단독으로 사용하는 것보다도 보다 효율화를 도모할 수 있다고 하며, 토너나 세라믹의 분쇄에서는 실제로 많이 사용되고 있는 방법이다.

 

3.1 하이브리드 시스템의 기종과 선정

　종래부터 견형밀에는 분쇄와 분급이 하나로 정리된 기종이 있었지만, 10μm보다 거친 곳에서 사용되는 경우가 많았다. 최근 10μm 이하의 미분쇄를 목적으로 많은 하이브리드 시스템이 소개되고 있다. 우선 다루고 싶은 것은, 일본 뉴매틱 공업(주)의 IDS 분쇄기(분급기 첨부 충격식 제트밀)이다. 제트밀에 분급기를 폐회로에서 조분급 조분을 연속적으로 경로 밖으로부터 되돌리는 폐회로 분쇄 분쇄 분급 시스템은 그 밖에도 있지만, 그것을 기내에서 연속해서 실시할 수 있도록 한 것이 IDS이다. 또, 유동층식 카운터 제트밀을 최초로 소개한 독일 Hosokawa-Alpine사제 AFG/TFG형 외에도 독일 NETZSCH-CONDUX Mahltechnik사제 CGS형, 미국 CCE Technologies사제 Fluid Bed Jet Mill등이 소개되고 있다. 한편, 견형 롤밀에 분급기를 도킹한 형태도 간이 분급기를 사용한 내부순환식인 것은 오래 전부터 있었지만, 분급 후의 조분을 분쇄기 내부에서 되돌리지 않고 경로 밖으로 한 번 내보낸 후 분쇄부로 되돌리는 방식은 제품으로서 배출되어야 하는 분쇄 미분과 분쇄기에 다시 되돌려야 하는 분체를 분리하기 쉽기 때문에 기존 방식과 비교해 성능면에서의 향상이 보고되고 있다. 그 대표적인 예로서 이시카와지마 하리마 중공업(주)(IHI)과 닛신엔지니어링(주)의 공동개발에 의해 소개된 슈퍼 하이브리드 밀을 들 수 있다.이 분쇄기는 종래 비교적 거친 영역에서 분쇄 효율이 좋은 장치인 수형 롤러밀과 미분 영역에서 효율적으로 분급 가능한 분급기를 커플링시킨 고효율 분쇄기이다.

 

3.2 IDS 분급 분쇄기의 구조 및 스케일 업

　그림 5는 이 장치의 개요를 나타낸 것이다. 본 분급기는 가동부분이 없는 고성능 분급기 DS 분급기와 충격식 제트 분쇄기Ⅰ밀을 조합한 분쇄기이다. 공급 분산실에 공급된 분급 원료 가루는 이 실내의 선회 기류에 의해 분산되어, 실 하부의 링 모양 슬릿부로부터 분급실의 선회 기류 중에 낙하한다. 분급실에서는 주변 루버부보다 균등하게 유입되는 2차 공기류에 의해 반자유 소용돌이가 형성되고 있다. 분급 원료 가루는 조분과 징분으로 분급 실내에서 원심력에 의해 분리되며, 징분은 중앙부에서 배기와 함께 배출된다. 한편 조분은 분급실의 주변부로부터 외부로 배출되어 제트밀부로 돌아간다. 1차 공기는 원료 공급 노즐로부터 압축 공기와 함께 분급실 주변의 안내 날개를 통해서 분급실내에 흡인되어 이상적인 반자유 소용돌이를 분급실내에 형성한다.회전 부분이 없으므로 유지 보수 혹은 안전성 또한 뛰어나다

 

 

　서브미크론의 분급으로 가기 위해서는 입자의 브라운 운동에 의한 단위 시간당 확산 변위가 침강 속도보다 커져 대기 중에 쉽게 부유 분산이 일어날 것으로 생각되므로, 이 벽을 극복해야 한다.DS 분급기에 의한 건식기류 분급만으로 제품의 목적을 달성하는 경우는 적고, 미크론 혹은 서브 미크론의 미분을 제조하는 분쇄기와 커플링 하는 것으로, 상승효과가 생겨 초미분급 분쇄가 가능해진다.목적으로 하는 입도나 용도에 따라 최적인 프로세스를 선택하는 것으로 장치의 성능을 최대한으로 끌어낼 수 있다.

 

　DS(디스퍼전 세퍼레이터)의 경우, 치수 상사형의 스케일 업을 하고 있어, 세세한 곳은 기류 속도를 맞추어 분급기 내부의 고기 혼합비를 일정하게 유지하고 있지만, 그 밖에 IDS에서는 제트밀과 조합하고 있으므로, 조분의 리사이클량도 일정하게 유지할 필요가 있다.

 

3.3 슈퍼 하이브리드 밀 기술 컨셉

　특히 미분(10μm이하의 영역) 건식분급의 기술적인 포인트는 분급기의 설계면에서는 분급장의 유체(공기) 흐름의 정류화나 분급 조분의 재분급 기구 등을 들 수 있다. 그러나 건식 미분급에서는 분체의 분급, 즉 분급기에 공급된 분체가 분급장에서 분급작용을 받는 단계에서 얼마나 단입자화되어 있는가가 분급 성능 향상에 있어서 중요한 사항이 된다.이 때문에, 각종 분산성 향상의 노력이 이루어져 왔다.

　예를 들어 분급기 앞에서 분급분체에 분급조제를 첨가하여 분산성을 높이는 노력도 그 하나이다. 이는 분급분체로서 유리질 고로슬래그를 이용하여 분급 전에 DEG(디에틸렌글리콜), 에탄올, 트리에탄올아민 등을 첨가 혼합함으로써 분체의 분산성을 개선하여 좋은 분급 성능을 얻을 수 있음이 보고되었다.

　한편 물리적인 해쇄에 의해 분산을 하는 방법도 많이 보고되고 있다 .이 경우는 분급기 전에 분산 장치를 설치하게 된다. 분산 장치의 종류로는 고속 회전 임펠러에 의한 기계 방식 분산기나 고속 공기류에 의한 에어 방식 분산기가 있다. 여기에서는 에어 방식 분산기에 의한 분산 성능과 분급 성능에 미치는 영향에 대해 간단히 소개한다. 평균 입경 1μm의 미분 알루미나를 고속 에어류로 분산시키면 외관 에어 유속이 250m/sec 이상이 되면 거의 완전 분산 상황을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 분체는 다르지만 중질탄산칼슘에서는 분급기 전에 분산장치를 설치함으로써 특히 미분 부분의 분급 성능이 개선되고 있음이 보고되고 있다.

　분급기는 단독으로 운전될 뿐만 아니라 분쇄기와 커플링으로 이용되는 경우가 많다.이 경우 분쇄기는 거친 입자를 분쇄하는 역할 외에 응집입자의 해쇄 역할도 동시에 담당하는 경우가 많다.즉, 분쇄기에 의해 단입자화된 미분은 분급기에서 보다 효율적으로 분급이 가능하다는 것이다.분급기 단체의 시험에서 얻은 제품 수율은 볼밀 등의 분쇄기 뒤에 설치되어 시스템으로서 운전되면 5% 정도 향상하는 것 같다(중질 탄산칼슘 등의 예). 이 생각을 더욱 추진하여 분쇄 직후에 매우 단시간 내에, 분해된 미립자가 재응집하기 전에 분급하면, 더욱 효율이 올라, 보다 미분 영역에서의 분급이 가능하게 될 것으로 상정된다.슈퍼 하이브리드 밀은, 기본적으로는 이 생각을 구현한 것이다.

 

결언

지금까지 기술한 바와 같이 IDS나 슈퍼 하이브리드 밀과 같이 고성능 분급기와 초미분쇄기의 직접 커플링 방식을 취하면 분쇄분은 분쇄 직후의 분산성이 좋은 상태로 분급기에 공급되며, 분급 후의 조분은 분리되어 기계 밖에서 분쇄부로 되돌려지는 등 효율적으로 미분을 생성하는 특징을 가지며, 또 서브미크론 영역 분급에 대한 기대를 높여야 하지만, 향후에는 분쇄가 필요한 과제가 있다.예를 들어 분해나 분쇄 후의 공기 유량과 분급용 공기 유량과의 매칭 문제가 있다.분쇄기·분쇄기 및 분급기는 각각 최적의 성능을 내기 위한 공기 유량이 있어, 양자가 만족할 수 있는 해쇄기·분쇄기 및 분급기의 형식 혹은 운전 조건을 요구할 필요가 있다.이 문제에 대처하기 위해서 매칭용의 공기 제어를 실시하지 않으면 안 되는 케이스가 있다.또, 분쇄의 한계에 가까운 영역에서의 논의이기 때문에, 스케일 업에 수반하는 팩터의 확인등도 중요한 과제이며, 각사에서, 향후보다 정확한 수치로서 검증해 나갈 필요가 있다.

　분급기를 개발·설계하는 경우, 필요한 분체 유량이 설정되어 거기에 필요한 공기 유량(분체 농도로 규정되기도 한다)을 예측한 후에 분급부의 구체적인 설계에 들어가는 것이 통상이다.거기서 분급부의 대표 치수와 분체 농도의 관계를 알 필요가 있다.관성 분급에서는, 스케일 업이 이론대로 가능한 모델도 있다.강제 소용돌이형 원심분급기에서는 기존의 설계에서는 분체 농도를 일정하게 하여 스케일 업을 하는 설계가 이루어지는 경우가 많았지만, 소형에서 대형 모든 장치의 성능을 비교 실험해 대형이 될수록 분급 정밀도가 약간 떨어지지만, 큰 분급기일수록 분체 농도를 높일 수 있는 결과도 보고되고 있다.

　분급 정밀도가 떨어지는 약점을 극복하는 하나의 방법이 분쇄기와 분급기의 직접 커플링으로 자유 소용돌이형, 강제 소용돌이형 모두 큰 효과가 인정되고 있다. 종래에는 시험 에러로 커플링의 최적 조건을 찾아내었지만, 최근에는, 시뮬레이션의 수법을 도입해 최적화 설계의 스피드가 빨라진 것으로, 장치의 개발 기간 단축으로 연결되어 있다.이하에 분급 장치를 선정할 때의 포인트를 조목별로 정리했다.

①     원료에 따라 적합한 분급기가 있다.가벼운 분체는 원심력의 영향을 받기 어렵기 때문에 관성력 분급기가 원심력 분급기보다 일반적으로 분급 정밀도가 높다.무거운 분체는 반대의 경향이 있다.강제 소용돌이형 원심력 분급기는 일반적으로 부착성이 높은 분체의 부착을 억제하는 사용법이 가능.

②     분쇄기와의 조합으로 분급기의 성능이 결정되는 경우가 있으므로 단독 성능만으로 판단해서는 안 된다.제트밀/분급기의 경우, 풍량의 밸런스가 중요하므로 같은 메이커의 기계를 선정하는 것이 좋다.기계식 분쇄기/분급기의 경우, 다른 메이커의 편성도 가능하지만, 생산 라인으로서의 전체 성능을 생각하면, 가능한 한 같은 메이커의 기계에 갖추고 싶다.

③      분급기 선정 시에 주의할 것은 목적 입도(10μm 이하, 50μm 이상인 경우), 분급기 전(내) 분산 방법(응집 입자의 해쇄), 분체 부착성(접분부의 재질, 표면 거칠기, 부착 방지 기능~기류식, 기계 쓰기 등), 분체 입자 형상(침상, 인편상 등), 스케일 업, 마모성.

 

마지막으로

　습식 매체 교반형 분쇄기나 습식 제트밀(고압 플런저 펌프 내장)은 현재로서는 가장 서브미크론 분쇄가 가능한 분쇄기나 해쇄기이다.습식 매체 교반형 분쇄기에서는 매체 사이즈가 작아지고 있으며, 15μm 직경의 비즈도 시장에 나와 있다.오염을 막기 위해서 스크린리스나 매체를 제품 중에 혼입시키지 않는 기술이 최근 소개되고 있는데, 성능 향상과 개발을 계속해 가는 것이 매우 중요하다.또, 서브미크론 분쇄를 목적으로 건식으로 폐회로 분쇄분급을 실시했을 경우, 분산성 확보가 중요하다.1~1.5μm 톱 사이즈의 미분을 제품으로 할 경우, 분쇄·분급 모두 분산성 확보가 어려워 소형기에서는 실현할 수 있어도 대형기에서는 어렵다.서브미크론 분급의 스케일 업은 해결해야 할 과제가 많아, 향후의 개발이 기대되는 분야이다.또한 분급의 한계를 알아두는 것은 중요하며, 목적 입도폭에 주의할 것(경험상 3배로 충분히 좁다. 3-9μm, 10-30μm 등). 분급은 확률일 것(톱사이즈를 논의할 때 아무래도 굵은 가루가 튀어오르는 경우가 있으므로 입도로 통상 100%는 99.9999% 정도이며, 완벽한 100%는 아닐 것) 등에 주의한다. 굵은 가루의 침입을 어느 레벨까지 억제할 필요가 있는지를 판별하는 것이 분급기 선정 시에 중요하다.

 

오염 방지 면에서는 건식 제트 분쇄기가 우수하여 최근에는 서브미크론 분쇄가 가능한 제트밀도 시장에 나오고 있다.건식분쇄기에서 서브미크론 레벨까지 개발이 진행되고 있는 것은 서브미크론에도 대응하는 분급 기술의 향상이 크게 공헌하고 있다고 말할 수 있다.또, 10μm 이하의 미분 영역에서의 정밀 분급의 요구가 최근 높아지고 있으므로, 미크론 오더에 있어서의 체기술과 분급기술의 절차탁마에 의해 향후의, 건식·습식, 분쇄·분급 기술의 새로운 향상에 기대하고 싶다.분급장치는 단독으로는 원료분체로부터 필요한 입도만을 추출하기 위한 입도 조정 목적으로 사용되지만, 분쇄기와 능숙하게 조합함으로써 분쇄기의 성능도 향상할 수 있는 매우 중요한 요소 기술임을 마지막으로 다시 한 번 명기해 두고 싶다.