KR100372882B1 - 미세기공이 형성된 분쇄용 세라믹 로울러 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세기공이 형성된 분쇄용 세라믹 로울러 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 화학, 제약, 곡물, 식품 등 산업분야에서 분쇄하는 공정에서 사용되는 롤밀의 로울러 및 그 제조방법에 있어서; 화학조성이 45~70 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 20~40 중량%의 이산화규소(SiO₂), 각각 2.5~3.5 중량%의 산화제Ⅱ철(Fe₂O₃) 및 산화칼슘(CaO), 3~5 중량%의 산화마그네슘(MgO), 1~4 중량%의 산화칼륨(K₂O), 0.1~0.5 중량%의 산화나트륨(Na₂O)을 함유하는 세라믹 원료를 미분쇄하는 단계; 상기 미분쇄된 세라믹 원료에서 이물질을 분리·제거한 다음 톱밥을 혼합하고 반죽하는 단계; 진공토련기 등에 의한 탈기를 거치도록 하는 단계; 고압의 압출성형을 거치면서 종공의 실린더 형태의 로울러를 성형하는 단계; 상기 생성물을 상온에서 3~10일간 1차 건조하는 단계; 상기 단계의 생성물을 30~50℃로 가온하면서 3~7일간 2차 건조하는 단계; 그리고 상기 단계의 생성물을 30~35시간 동안 1500~1600℃까지 서서히 단계적으로 승온시켜 3~4시간 소성한 다음 냉각시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 적절한 경도와 함께 로울러 몸체 전체에 미세다공이 형성되어 적절한 표면조도를 갖게 됨으로써 롤밀의 분쇄기능을 향상시키고 불필요한 동력소모 방지 및 분쇄물의 변질을 예방할 수 있는 효과가 있다.

Description

미세기공이 형성된 분쇄용 세라믹 로울러 및 그 제조방법{Ceramic milling roller having micropore and its manufacturing method}

본 발명은 화학, 제약, 곡물, 식품 등의 산업분야에서 분쇄용으로 사용되고 있는 롤밀의 세라믹 로울러 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 화학원료 및 제품, 제약원료 및 제품, 곡물, 식품 등의 제조 과정에서 분쇄 공정에 사용되는 미세기공이 형성된 분쇄용 세라믹 로울러 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 롤밀은 고형체를 분체로 제조하는 분쇄장치의 일부로서 대향하는 한 쌍의 로울러 사이에 공급되는 물체에 미끄럼 마찰에 의한 압축과 전단력을 작용시켜 입자를 분쇄하는 작용을 수행한다.

도 1을 이용하여 설명하면, 실린더 형태로 미세기공(2)이 형성된 로울러(1)는 그 중심축상의 샤프트(3)와 동심에 위치한 상태로 접착제(4)를 이용하여 고정된다. 샤프트(3)는 스프링 등의 탄성부재(도시 생략)를 개재하여 반경 방향으로 요동 가능하게 장착되고, 모터, 감속기, 기어트레인 등 구동수단(도시 생략)에 연결되어 회전력을 전달받는다.

종래에는 이러한 로울러(1)의 소재로 금속이 주로 사용되는 바, 장기간 사용에 따른 마모에 의해 금속 분말이 유출되기 용이하다. 특히 롤밀이 곡물, 화학품 원료, 약품 원료 등을 미분쇄하는 용도로 사용되는 경우 분쇄과정에서 혼입되는 금속 이물질은 완제품의 품질을 저하시키고 중금속 오염의 문제를 유발한다.

이러한 문제를 개선하기 위해 로울러(1) 소재로써 세라믹 소재를 사용하는 것이 제안되어 사용되고 있다. 세라믹 로울러는 수십년전부터 각종 산업용 로울러로 이용되어 왔고, 미국특허 제4,339,083호에는 세라믹 로울러를 곡물(밀가루) 가공에 적용하였음이 개시되어 있으며 대한민국 특허 제198828호에도 세라믹 로울러를 식품분쇄용에 사용되는 것이 기재되어 있다.

또한 본 발명의 발명자가 출원하여 2000. 6. 5. 공개된 대한민국 특허 공개번호 제31203호에도 식품분쇄용 세라믹 로울러의 제조방법 및 그 로울러가 개시되어 있다. 기타 세라믹 로울러에 관하여 다수 문헌에 개시되어 있으나 금속제 로울러의 중금속 오염문제를 해결하였다는 것이라거나 세라믹제 로울러를 채용한 롤밀의 구성 등에 관한 것이 대부분이다.

본 발명의 발명자가 출원한 상기 특허 공개번호 제31203호는 그 선행기술에서 단점으로 지적되어온 세라믹 로울러의 표면조도를 개선한 것이기는 하나 이산화규소(SiO₂)의 조성비가 너무 높은 반면 산화알루미늄(Al₂O₃)의 조성비는 너무 낮기 때문에 강도는 높으나 연성이 부족하여 분쇄압력이나 외부충격에 취약하여 분쇄작업 중에 파손될 우려가 크다는 것이 문제점으로 지적되어 왔다.

본 발명은 식품·의약품 등을 포함한 각종 분쇄 과정에서 분쇄 작용에 따른 로울러의 파손 우려를 최소화하기 위한 적절한 경도와 연성을 갖게 함은 물론, 분쇄 효율을 높이고 로울러간의 마찰열에 의한 분쇄물의 변질을 예방할 수 있는 미세기공이 형성된 분쇄용 세라믹 로울러 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 롤밀의 로울러를 나타내는 사시도,

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 세라믹 로울러 2 : 미세기공

3 : 사프트 4 : 접착제

본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세기공이 형성된 분쇄용 세라믹 로울러의 제조방법은, 분쇄용 롤밀의 로울러를 세라믹 소재로 제조하는 방법에 있어서, 45~70 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 20~40 중량%의 이산화규소(SiO₂), 각각 2.5~3.5 중량%의 산화제Ⅱ철(Fe₂O₃) 및 산화칼슘(CaO), 3~5 중량%의 산화마그네슘(MgO), 1~4 중량%의 산화칼륨(K₂O), 0.1~0.5 중량%의 산화나트륨(Na₂O)을 함유하도록 원료를 배합하는 단계(ST20); 배합된 세라믹 원료를 미분쇄하는 단계(ST21); 상기 미분쇄된 세라믹 원료에서 이물질을 분리·제거한 다음 미세기공형성제로 톱밥등을 혼합하고 교반하는 단계(ST22); 상기 단계의 생성물이 진공토련기 등에 의한 탈기를 거치도록 하는 단계(ST23); 상기 단계의 생성물이 고압의 압출성형을 거치면서 중공의 실린더 형태인 롤러로 성형되도록 하는 단계(ST24); 상기 단계의 생성물을 상온에서 3~10일 1차 건조하는 단계(ST25); 상기 단계의 생성물을 30~50℃로 가온하면서 3~7일 2차 건조하는 단계(ST26); 그리고 상기 단계의 생성물을 30~35시간 동안 1500~1600℃까지 서서히 단계적으로 승온하고 3~4시간 동안 소성하는 단계(ST27); 소성물을 냉각하는 단계(ST28)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 단계 ST20에서는 산화알루미늄(Al₂O₃)이 45~70 중량%, 이산화규소(SiO₂)가 20~40 중량%, 산화제Ⅱ철(Fe₂O₃) 및 산화칼슘(CaO)이 각각 2.5~3.5 중량%, 산화마그네슘(MgO)이 3~5 중량%, 산화칼륨(K₂O)이 1~4 중량%, 산화나트륨(Na₂O)이 0.1~0.5 중량% 함유하도록 원료를 조정한다. 산화알루미늄(Al₂O₃) 및 이산화규소(SiO₂)는 세라믹 로울러의 주성분으로서 특히 산화알루미늄은 적절한 강도와연성을 부여하기 위한 본 발명의 핵심 조성 성분에 해당한다. 기타 산화칼슘(CaO), 산화칼륨(K₂O), 산화나트륨(Na₂O), 산화제Ⅱ철(Fe₂O₃), 산화마그네슘(MgO) 등의 성분은 소결제이다.

본 발명에서 세라믹 로울러의 조성성분(화학조성) 및 그 조성비가 제조공정 및 그 (로울러)의 물성에 미치는 영향을 보면, 산화알루미늄은 그 함량이 높을수록 장점이 많으나 70 중량%를 초과하게되면 소성시간이 길어지게 되어 동력비가 높아지게 될 뿐만아니라 정제산화알루미늄의 단가도 매우높아 경제성에서 뒤떨어지게 되고 산화규소의 배합비를 상대적으로 낮출수 밖에 없어 응집력이 나빠지게 되며 45 중량% 미만일 경우는 로울러의 강도 및 연성율이 낮아 작업시 분쇄 압력에 취약한 결점이 있다.

산화규소(SiO₂)는 그 함량을 높이면 반제품의 응집력이 좋아져 작업성은 좋아지나 40%를 초과하면 로울러의 물성이 약하여 분쇄작업시 파손의 우려가 높아지게 되고 20 중량% 이하가 되면 응집력이 나빠 사출성형시 반제품의 파손율이 높아질 뿐만 아니라 건조시 균열현상의 발생으로 불량율이 높아지게 된다.

산화마그네슘(MgO)는 소결제로서 그 함량이 3 중량% 미만일 경우는 소결이 완전치 못하여 강도가 약해지고 5 중량%를 초과하는 경우는 소결온도를 낮출수 있고 그 소결시간도 단축시킬수 있으나 뒤틀림 현상이 발생하게 된다.

산화제2철(Fe₂O₃) 및 산화칼슘(CaO)도 소결제로서 그 함량이 3.5 중량%를 초과하게 되면 강도는 좋아지나 변형이 발생하게되고 2.5 중량% 미만이면 갈라짐 현상과 파손율이 높아지게 된다. 산화나트륨(Na₂O)의 함량이 0.5 중량%를 초과하게 되면 변형이오고 0.1 중량미만인 경우는 균열현상과 강도가 약해지는 현상이 발생하게 된다.

공업용 세라믹의 소지는 일상적인 도기를 제조하기 위한 보통소지를 비롯하여, 뮬라이트(mullite) 소지, 알루미나(alumina) 소지, 지르코니아 소지 등 용도에 따라 다양하게 사용되는데, 본 발명의 로울러는 어느 정도의 기계적 강도나 내마모성을 요하지만 보통소지를 사용하여 성형하는 것이 가능하다. 보통소지는 비교적 가격이 저렴하면서 성형성이 우수하여 제조가 용이하고, 어느 정도의 기계적 강도, 내열성, 내화학성을 지니기 때문에 공업용의 용도로서 광범위한 분야에 사용할 수 있는 이점을 갖는다.

본 발명에 적합한 기초원료(소지)의 배합비를 예시하면 20~30 중량%의 점토, 10~20 중량%의 백토, 10~15 중량%의 장석, 5~10 중량%의 활석에 정제 알루미나(Al₂O₃)를 35~45 중량%를 배합하는 것이다. 이는 반입되는 기초원료인 점토, 백토, 장석 및 활석의 화학성분을 분석하여 본 발명에 적합한 조성을 갖도록 그 배합비를 조정하면 된다. 이와같이 목적하는 세라믹 기초원료의 화학 조성단계(ST20)를 마치면 그 다음 공정에 투입된다.

본 발명의 미세기공이 형성된 세라믹 로울러의 제조방법을 이하 구체적으로 설명한다. 본 발명에서 채택하고 있는 원료의 분쇄, 탈기, 성형, 건조, 소성 및 냉각 등의 공정은 공정조건에 미차는 있을수 있으나 일반적인 통상의 요업공정이다.

단계 ST21에서는 상기 ST20단계에서 배합한 기초원료를 분쇄기에 넣고 어느 정도 미세해질 때까지(예컨대 3~44㎛의 입자 분포를 갖도록) 단계적으로 미분쇄한다. 분쇄기로는 죠오크라셔(jaw cruher), 크러싱롤(crushing roll) 등을 사용한다.

단계 ST22에서는 상기 단계 ST21의 미분쇄된 세라믹 원료에서 이물질을 분리·제거한 다음 톱밥 등 미세기공 형성제을 혼합하고 골고루 분산되도록 교반한다. 이때 톱밥 등 미세기공 형성제의 투입량은 5~50부피%가 되도록 한다.

미세기공 형성제로는 톱밥 대신 곡물, 목재, 초목, 겨, 스치로폼, 플라스틱 등의 유기물 또는 기타 수지 등의 분말을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 재료 중 밀도가 낮은 것은 상기 단계 ST22의 혼합 및 교반공정에서 그 혼합비를 높게하고 밀도가 높은 것은 낮게 한다.

단계 ST23에서는 상기 단계 ST22의 생성물이 진공토련기 등에 의한 탈기를 거치도록 한다. 탈기에 앞서 필터프레스를 이용하여 탈수한다. 일반적으로 진공토련기는 진공하에서 탈기 및 원료의 완전한 혼합 기능을 수행한다. 이러한 탈기 과정을 거치면서 원료의 조성, 입자 배열, 함수량 등이 균일해지게 된다.

단계 ST24에서는 상기 단계 ST23의 생성물이 고압의 압출성형을 거치면서 중공의 실린더 형태로 성형되도록 한다. 압출성형에 사용되는 압출기의 용량은 동력 35HP 이상으로 한다. 성형하는 방법으로는 압출성형, 물레성형, 핫프레스성형, 가압성형 등이 있고 성형체의 균일성을 고려하여 적절한 방법을 선정하는데 실린더 구조를 지니는 본 발명의 롤러 제조에서 압출성형을 사용하는 것이 적절하다. 롤러의 적절한 두께는 외경을 7~8″로 하는 경우를 기준으로 할 때 20~45mm 정도가 된다.

본 발명의 단계 ST25에서는 상기 단계 ST24의 생성물을 상온에서 3~10일 동안 1차 건조하고, 단계 ST26에서는 상기 단계 ST25의 생성물을 30~50℃로 가온하면서 3~7일 동안 2차 건조한다. 수분은 단계 ST24에서는 성형성을 향상시키지만 소성에 앞서 건조시켜야 제품의 파괴를 방지할 수 있다. 건조에 있어서 자연건조가 바람직하지만 생산성을 저하시키고, 수분의 급속한 제거는 경제성이 좋은 반면 품질을 열화시킬 수 있기 때문에 본 발명에서는 자연건조와 인공건조를 병행한다.

본 발명의 단계 ST27에서는 상기 단계 ST26의 생성물을 30~35시간 동안 1500~1600℃까지 서서히·단계적으로 승온시키고 3~4시간 소성한다. 1500~1600℃까지 서서히 단계적으로 승온시키는 것은 상기 단계 ST26에서 성형물에 잔류하는 수분이 서서히 증발·이탈되도록 하기 위한 것이고, 또한 톱밥 등에 의한 미세기공이 형성되는 과정에서 소성온도를 급격히 상승시키면 톱밥이 연소되면서 기공이 급격히 팽창하여 로울러가 파손될 우려가 있기 때문이다. 1500~1600℃의 소성을 거치면서 소지가 치밀해지는 반면 미세기공 형성제인 톱밥등은 소거되어 미세한 기공을 형성한다. 미세기공 형성제는 완전히 소거되기 때문에 이에 따른 식품 등이 오염 문제가 발생하지 않는다.

단계 ST28에서의 냉각은 25~35시간 동안 상온에서 냉각시킨다.

본 발명에 따른 롤밀의 로울러를 나타내는 사시도인 도 1을 참조하면, 본 발명의 롤러(1)는 종래와 마찬가지로 그 중심축 상의 샤프트(3)아 동심에 위치한 상태로 접착제(4)를 이용하여 고정된다. 따라서 롤러(1)의 중공부 표면에도 기공(2)이 형성되므로 접착제(4)에 의한 접착력이 향상되어 로울러(1)와 샤프트(3)의 미끄럼방지 효과가 있다.

이와같은 로울러(1)가 설치된 롤밀을 사용하여 분쇄원료를 미분쇄하는 경우 도 1에서 점으로 표시하는 것처럼 로울러(1) 상의 기공(2)은 대상 물질과의 미끄럼저항력을 높이므로 분쇄 작용이 원활해지도록 한다. 미세기공(2)은 로울러(1)의 전체에 균일하게 분포되므로 표면의 마모가 진행되어도 계속 사용하는 것이 가능하다.

(실시예 1)

다음 표 1과 같은 조성이 되도록 기초원료를 배합하고 톱밥을 10부피% 혼합하여 상기 일반적인 통상의 요업공정의 제조방법에 따라 미세기공이 형성된 세라믹 로울러를 제조하였다.

조성성분	조성예 (중량%)
	1	2	3	4	5
Al2O3SiO2MgOFe2O3CaONa2OK2O	35.0051.863.003.003.100.181.28	52.3033.913.502.622.600.361.50	61.2024.603.802.502.500.401.70	48.5037.883.402.602.800.301.50	77.0010.103.002.302.200.501.50
Ig. Loss	2.58	3.21	3.30	2.92	3.40

상기 조성예 1에 따른 로울러는 로울러 표면이 조성예 2~5에 비해 매끄러웠고, 분쇄작업시 파괴율이 40%에 달하였으며 조성예 5에 따른 로울러는 건조 및 사출성형시 균열 현상이 발생하여 불량율이 20%에 달하였다.

따라서 본 발명의 화학조성인 45~70중량%의 산화알루미늄과 20~40중량%의 산화규소의 조성이 가장 적합한 것임을 확인할 수 있었다.

(실시예 2)

상기 실시예 1의 조성예 3의 조성으로 이루어진 조성물을 성형·건조하여 소성온도에 따른 강도를 측정한 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	측정예
	1	2	3	4	5	6	7
성형압력(MGH/cm2)시료두께(m/m)1차 건조 건조온도(℃)건조시간(H)2차 건조 건조온도(℃)건조시간(H)소성 온도(℃)시간(H)압축강도 (kg/cm2)	78030상온48202161280335700	78035상온72301181500338300	78025상온120401201400334600	78040상온168507215803310000	78035상온24050721600337800	78035상온26460481100454500	78045상온36060241300405500
※ 소성시간은 소성온도까지 서서히 단계적으로 승온시키는데 소요시간과 그 소성온도에서 3시간 유지

본 실시예로 알수 있듯이 본 발명의 화학조성을 갖는 세라믹 로울러는 1500℃~1600℃에서 소성하는 경우 높은 강도를 나타내고 있음을 알수 있다. 건조 조건은 소성온도에 비해 강도에 미치는 영향이 훨씬 적음을 알수 있다.

(실시예 3)

상기 실시예 1의 조성예 3의 화학 조성물에 기공형성제로서 톱밥은 혼합하지 아니하고 제조한 로울러(측정예 7)와 톱밥을 혼합하여 제조한 본 발명의 미세기공이 형성된 세라믹 로울러(측정예 1~6)의 작업능률을 아래 표3에 나타내었다.

구분	측정예
	1	2	3	4	5	6	7
톱밥 혼합비율(부피%)	5	10	20	30	40	50	0
분쇄재료량(kg)	8	8	8	8	8	8	8
작업능률	건조료	소요시간(H)	20	11	10	9	7	7	30
		로울러온도(℃)	50	48	48	46	40	40	65
	습재료	소요시간(H)	15	9	8	7	7	6	25
		로울러온도(℃)	40	33	33	31	30	30	55
※ 건 재료는 마른 쌀기준※ 습 재료는 마른 쌀을 2시간 동안 물에 불린 쌀※ 로울러 온도는 1시간 연속 사용후 측정온도

본 실시예에서 확인할 수 있는 바와같이 본 발명에 의한 미세기공 형성제를 혼합(5~50부피%)하여 미세기공을 형성한 로울러(측정예 1~6)가 미세기공형성제를 혼합하지 아니한 로울러(측정예 7)에 비해 동일양의 분쇄작업 소요시간을 훨씬 단축할 수 있었고 로울러의 표면온도도 훨씬 낮음을 알수 있었다.

톱밥의 혼합비율(부피%)에 따른 기공의 평균직경은 10%의 경우 0.3~0.5mm, 20%의 경우 0.5~1mm, 30%의 경우 1.0~1.5mm, 40%의 경우 1.5~2.0mm, 50%의 경우 2.0~2.5mm 정도임을 육안으로 확인 가능하였다.

본 발명에 따른 미세기공이 형성된 분쇄용 세라믹 로울러의 제조방법에 의해 제조된 로울러는 분쇄 작용에 따른 마모를 최소화하기 위한 적절한 경도는 물론 로울러 몸체 전체에 미세기공이 거의 균일하게 형성되어 있어서 표면이 마모되어도 계속 사용이 가능하다. 또한 그 표면의 미세기공으로 인하여 분쇄원료가 미끄러지지 아니하고 두 로울러 사이로 쉽게 빨려들어가게 되어 분쇄 효율이 높을 뿐만 아니라 두 로울러간의 불필요한 공회전이 없어 동력비의 절감과 함께 마찰열 발생을 크게 줄일 수 있고 이에따라 마찰열에 의한 분쇄원료의 변질이나 변화를 예방할 수 있는 효과가 있다. 또 다른 효과는 본 발명의 발명자가 출원하여 2000년 6월 5일 공개된 특허 공개번호 제31203호의 문제점을 개선한 것으로서 이산화규소(SiO₂)의 함량을 크게 낮추고 산화알루미늄의 함량을 높여 적절한 강도와 연성을 갖게 함으로써 분쇄압력이나 외부충격에 의한 파손우려를 크게 줄였다는 것이다.

Claims (3)

1. 원료의 배합, 분쇄, 탈기, 성형, 건조, 소성 및 냉각 공정을 거쳐 분쇄용 세라믹 로울러를 제조하는 방법에 있어서;

   화학조성이 산화알루미늄(Al₂O₃)이 45~70 중량%, 이산화규소(SiO₂)가 20~40 중량%, 산화제이철(Fe₂O₃) 및 산화칼슘(CaO)이 각각 2.5~3.5 중량%, 산화마그네슘(MgO)이 3~5 중량%, 산화칼륨(K₂O)이 1~4 중량%, 산화나트륨(Na₂O)이 0.1~0.5 중량% 함유되도록 세라믹원료를 배합하고 미분쇄한 다음 이물질을 분리·제거한 후 미세기공형성제를 5~50 부피%로 혼합하여 소성하는 것을 특징으로 하는 미세기공이 형성된 분쇄용 세라믹 로울러의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 미세기공형성제가 톱밥, 곡물, 목재, 초목, 겨, 스치로폼, 플라스틱으로 된 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 미세기공이 형성된 분쇄용 세라믹 로울러의 제조방법.
3. 화학조성이 45~70 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 20~40 중량%의 이산환규소(SiO₂), 각각 2.5~3.5 중량%의 산화제이철(Fe₂O₃) 및 산화칼슘(CaO), 3~5 중량%의 산화마그네슘(MgO), 1~4 중량%의 산화칼륨(K₂O), 0.1~0.5 중량%의 산화나트륨(Na₂O)으로 이루어지고, 중공의 실린더형 로울러의 몸체에 미세한 기공이 균일하게 형성된 것을 특징으로 하는 미세기공이 형성된 분쇄용 세라믹 로울러.