분체 도금용 미분체의 유동층에서 비산 특성

여평모, 김용하, 정원섭*, 정진환**, 김상헌**

부경대학교 화학공학과

부산대학교 금속공학과*

포항제철 기술연구소 광양압연연구팀**

Elutriation Characteristics from a Fluidized Bed of Fine Powders

for Powder Coating

Pyoung-Mo Yeo, Yong-Ha Kim, Won-Sub Chung*, Jin-Hwan Chung**

and Sang-Hyun Kim**

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

Department of Metallurgical Engineering, Pusan National University*

Kwangyang Rolling Products Research Team, POSCO Technical Research Lab.**

서론

미분체는 높은 비표면적 등 매력적인 물성을 갖고 있으며, 유동화 기술은 이와같은 미립체를 유체와 함께 취급할 수 있는 유력 기술중의 하나로 평가받고 있다.  미분체는 Geldart 등1)이 제안한 분체 분류에서 C 그룹에 속하는데 이들은 분체간 부착성이 커 일반적인 유동층에서는 응집체 (agglomerate) 및 cluster의 형성과 함께 channeling과 가스의 by-passing을 쉽게 일으킨다. 따라서 입자의 혼합 등 유동 제어가 어려워지는 문제점을 갖고 있다. 미분체의 유동화는 입경외에 분체의 구성 성분과 표면화학 그리고 유동화 유체의 물성에도 영향을 받게되는데 미분체의 응용에서는 이들의 유동/응집/비산에 대한 요소기술을 확보하여야 한다.

이와같은 미분체를 적정온도로 가열된 도금판 표면에 접촉시킴과 동시에 도금판이 갖고 있는 잠열로 도금판 표면에 융착되게하여 도금층을 형성시키고 급속냉각을 통해 도금층과 도금판의 계면에서 합금층 성장을 억제하여 도금 밀착성을 향상시킬 수 있는 분체 도금이 각광을 받고 있다2). 분체 도금에 있어서 도금부착량을 1 - 500 g/m2의 범위에서 적정하게 유지하면서 표면이 균일한 도금층을 얻는 것이 중요하다.  이를 위해서는 미분체가 서로 응집되지 않으면서 일정 크기와 농도로 도금판 표면에 공급되어야 한다.

이에 본 연구에서는, 미분체의 유동 비산에 대한 기존 기술의 분석에서 미분체와 대립자를 혼합 유동시켜 미분체를 비산 공급하는 기술의 적용 가능성을 타진하고, 미분체의 안정 공급에 대한 혼합 유동층의 적정 조업조건을 도출하고자 한다.

실험

본 실험에서 사용된 상온 비산 유동층 시스템은 크게 유동층 본체와 콤프렛셔 및 유량제어기 그리고 filter로 구성되어 있다. 유동층은 내경 50 mm, 높이 1 m의 아크릴 수지제 원통이다. 분산판에는 내경 1 mm의 구멍이 정사각형 (개구비 = 0.03)으로 배열된 스테인레스 판 (두께 1 mm)을 사용하였다. 유동화 가스에는 공기를 사용하였으며, 콤프렛셔에서 공급된 공기는 oil filter와 silica gel 흡습탑을 통과하고 pressure regulator에서 일정 압력으로 조정되어 유동층으로 도입된다. 유동층내에는 기포의 성장을 억제하고 유동 미분체에 의해 분산판 구멍이 막히는 것을 방지하면서 축 방향으로 균일한 유동상태를 유지하기 위해 분산판 위에 200 mesh의 스테인레스망을 얹었다.

사용된 대립자는 glass beads로 밀도는 2500 kg/m3, 평균 입경은 850, 605, 425, 214, 163 □m의 5 종류이다. 또 미분체는 아연 분말로 97-1, 97-2, # 330, # 550, EF의 5 종류이며 밀도는 7140 kg/m3이다. Microsizer에 의해 측정된 아연 미분체의 종류별 입도분포, 평균입경, 비표면적에서 평균입경은 아연분말 EF, 97-2, # 550, # 330의 순으로 커지며 입도분포에서도 EF에 미분이 가장 많고 # 330에 비교적 큰 입자가 많이 포함되어 있었다.

대립자에 대해 일정비율의 미분체를 1000 ml 비이커에 넣어 흔들어서 혼합한 후 유동층에 장입하였으며, 유동가스의 배출구를 미분체 filter에 연결한 후 일정한 가스유속으로 층내 입자를 유동화시키는 回分式이었다. 이때 계외로 비산 배출되는 미분체를 정해진 시간동안 filter에 포집하고 그 무게를 측정하여 미분체의 비산배출 속도와 비산율 등을 구하였다. 상기 filter에는 Whatmann No. 1001 filter paper를 사용하였으며 filter의 한계하중을 고려하여 3개의 filter를 병렬로 설치하여 아연분말이 각 filter에 분산 포집되도록 하였다.

유동층의 운전조건으로는 대립자에 대한 미분체의 혼합율을  1 - 13 %, 공탑 가스유속을 0.2 - 0.84 Nm/s, 비산 배출 시간을 1 - 9 분, 대립자만의 고정층 높이는 유동층의 직경에 대해 1.6 - 5.6배인 8 - 28 cm로 변화시켜 가면서 측정을 하였다. 상기 실험은 상온에서 행해졌으며, 이와 같은 조업범위에서 계외으로의 대립자의 비산 배출은 없었다.

결과 및 고찰

Fig. 1은 공탑 가스유속을 0.65 - 0.87 Nm/s, 대립자로 사용한 평균 입경 605  □m glass beads의 초기 고정층 높이를 8, 15, 28 cm, 조업시간을 180 sec로 설정하고 대립자에 대한 미분체 (: 아연분말 97-1)의 혼합율을 1 %에서 13 %까지 변화시켰을 때 초기 미분체에 대한 비산 미분체의 적산 무게의 비율을 나타낸 것이다. 대립자에 대한 미분체 (: 아연분말 97-1)의 혼합율이 초기 1 %에서 약 8 %까지 증가시에는 초기 미분체에 대한 비산 미분체의 적산 무게의 비율이 약 10 %에서 약 35 %까지 증가하였다. 그러나 대립자에 대한 미분체 (: 아연분말 97-1)의 혼합율이 8 %이상을 초과하면서부터는 초기 미분체에 대한 비산 미분체의 적산 무게의 비율이 감소하여 대립자에 대한 미분체 (: 아연분말 97-1)의 혼합율이 13 %인 경우 초기 미분체에 대한 비산 미분체의 적산 무게의 비율이 약 25 %까지 감소하는 경향을 보이고 있다. 이와 같은 경향은 대립자의 초기 고정층 높이에 크게 의존하지 않음을 알 수 있다.  대립자에 대한 미분체 (: 아연분말 97-1)의 혼합율이 8 %를 초과하면서 초기 미분체에 대한 비산 미분체의 적산 무게의 비율이 증가하지 못하는 것은 과잉의 미분체가 비산 가능한 미분체 혹은 대립자에 부착되어 마모를 통해 비산되지 못하고 미분체끼리의 응집체 형성에 관련되기 때문으로 보인다. 그와 같은 현상은 대립자에 대한 미분체 (: 아연분말 97-1)의 혼합율이 증가될수록 현저해짐이 관찰되었다.

이는 대립자의 유동층내에 미분체를 연속 공급하면서 배출시키는 경우 미분체의 비산 flux에 해당되는 양 이상으로 미분체를 공급하게 되면 비산되지 못한 과잉의 미분체는 유동층내에서 계속 응집체를 형성하게 되어 장시간 조업시 유동성을 악화시킬 수 있음을 의미한다. 예를 들어 직경 5 cm의 본 유동층 시스템의  실험 범위에서 대립자의 초기 고정층 높이가 15 cm, 공탑 가스유속이 0.72 Nm/s인 경우 대립자에 대한 미분체 (: 아연분말 97-1)의 혼합율이 8 %에서 비산 flux가 약 35 g/m2 sec이므로 연속 조업시 미분체의 적정 공급속도는 약 4 g/min으로 추정된다.

Fig. 2는 미분체로써 아연분말 # 330을 사용하고 대립자의 초기 고정층 높이를 15 cm, 조업시간을 180 sec,  대립자에 대한 미분체 (: 아연분말 # 330)의 혼합율을 6 wt%로 설정하고 대립자로 사용한 glass beads의 평균 입경을 163, 214, 425, 605 그리고 850 □m의 5 종류로 변화시켰을 때 공탑 가스유속과 초기 미분체에 대한 비산 미립자의 적산 무게의 비율 관계를 나타낸 것이다. 본 실험에서의 입경별 공탑 가스유속의 범위는 각 입경별 최소유동화속도의 1.4 - 2.8 배로 하여 층내 유동상태는 동일하게 유지시켰다.  Glass beads의 평균 입경이 163 - 405 □m 범위에서는 입경의 증가에 따라 초기 미분체에 대한 비산 미분체의 적산 무게의 비율이 증가되는데 비해 glass beads의 평균 입경이 405 - 850 □m 범위에서는 반대로 입경의 증가에 따라 초기 미분체에 대한 비산 미분체의 적산 무게의 비율이 감소되고 있다. 즉, 본 실험조건에서 초기 미분체에 대한 비산 미분체의 적산 무게의 비율이 최대가 되는 대립자로써의 glass beads의 평균 입경은 약 405 □m이었으며, 이때 비산율은 최대 46 %까지 상승한다는 것이 밝혀졌다.  또한 일반적으로 약 405 □m을 경계로 미립의 glass beads보다는 대립의 glass beads에서 초기 미분체에 대한 비산 미분체의 적산 무게의 비율이 더 높아짐을 알 수 있다. 이는 대립자의 입경이 작아질수록 비표면적이 높아져 아연분말의 표면 부착율이 높아지고 유동에 의한 마모 비산도 약해지기 때문이다. 또한 어떤 입경이상 (glass beads를 사용한 본 실험조건에서는 약 405 □m)에서는 아연분말의 표면 부착율은 낮아지나 아연분말 상호간의 응집체 형성이 활발해지면서 비산율이 감소되는 것으로 보인다.

참고문헌

1. Geldart, D., N. Harnby and A. C. Wong, Powder Technology, 37, p. 25-37    (1984)

2. S. Paul, "Surface Coatings : Science & Technology", 2nd edition,

John Wiley & Sons, p. 787-887 (1995)