KR101667237B1 - 수직형 밀 롤러 - Google Patents

Abstract

수직형 롤러 밀에 사용되는 분쇄 롤러(10)에 있어서, 파쇄면인 롤러 외주면(12)을, 미분쇄가 주로 행해지는 주파쇄면(12A, 22A, 32A)과, 주파쇄면(12A, 22A, 32A) 이외의 파쇄면인 원료 이송면(12B, 12C, 22B, 32B)으로 구분되는 동시에, 주파쇄면(12A)을 평활면으로 하고, 원료 이송면(12B, 12C, 22B, 32B)을, 롤러 둘레 방향에 대해 직각 또는 45°초월의 각도로 경사진 슬릿 홈(11B), 또는 롤러 둘레 방향에 대해 45°이하의 각도로 경사진 스크류 홈(11A, 21A, 31)이 형성된 면으로 하는 것이다. 상기 구성에 의해, 원료 종류에 관계없이 고효율의 미분쇄를 행할 수 있고, 또한 밀 롤러의 사용 수명도 연장시킬 수 있다.

Description

수직형 밀 롤러{VERTICAL MILL ROLL}

본 발명은 수직형 롤러 밀에 사용되는 수직형 밀 롤러에 관한 것이며, 석탄이나 석유 코크스의 미분쇄, 석회석과 같은 분쇄 미분이 롤러 표면에 부착되기 쉬운 원료의 분쇄 등에 적합한 만능 수직형 밀 롤러에 관한 것이다.

발전용 보일러로서는, 아직 석탄이나 석유 코크스를 연료로 하는 것이 많이 사용되고 있다. 그것은 연료 비용이 저렴한 점, 발전량의 조절이 용이한 점 등이 이유이며, 발전도상국인 중국 등에서는 물론, 우리나라에서도 발전량의 상당 부분을 석탄, 석유 코크스에 의존하고 있다. 그러나, 석탄, 석유 코크스에는 이산화탄소의 배출량이 많다고 하는 큰 결점이 있다.

일본은 세계를 향하여 1990년도의 이산화탄소의 배출량의 25%를 2020년도까지 삭감한다고 공약하였다. 이 공약은, 달성하기 위해서는 국민, 산업계가 큰 책무를 부담해야 하는 매우 곤란한 수치이지만, 공약한 이상에는 그 목표를 향하여 매진해야 한다. 이를 위해서는 발전용 보일러에서 사용되는 석탄, 석유 코크스로부터의 이산화탄소의 발생량을 억제하는 것도 매우 중요한 대책이 된다.

즉, 발전용 연료로서의 석탄이나 석유 코크스의 사용은 이산화탄소의 배출량이 매우 많은 점에서, 이산화탄소의 배출에 관해서는 모든 악의 근원과 같은 평가를 받고 있다. 그러나, 화석 연료 중에서도 석탄에 관해서, 이 사용을 즉시 정지하는 것은 자원이 없는 우리나라에 있어서 불가능하다. 적어도 원자력 발전이나 청정한 대체 에너지가 준비될 때까지는 그 경제성이나 편리성, 매장량이 풍부하여 고갈되기 어려운 점에서 사용을 중지할 수는 없다.

따라서, 이들 화석 연료로부터 배출되는 이산화탄소량을 얼마나 적게 제어할 수 있는가가 금후의 기술적 중요 과제이며, 이 과제 해결을 위해 새로운 기술 개발이 행해지는 것이 매우 중요한 테마가 된다. 그리고, 그 일환으로서 고려할만한 것이, 보일러에 공급하는 석탄, 석유 코크스의 분쇄 단계에서의 미분화, 이것에 의한 이산화탄소 발생량의 저감이다. 물론, 1대의 분쇄 밀로 달성하는 삭감 효과는 미미하기는 하지만, 전세계를 보면 사용 대수는 셀 수 없을 정도로 많이 있으며, 이것을 종합하면 막대한 이산화탄소 배출량의 삭감에 공헌하는 것이 가능하다. 선진국, 특히 기술입국인 우리나라에 있어서는, 분쇄 밀에서의 미분화에 솔선하여 착수하는 것이 사명이고, 책무라고 생각된다.

본 발명자는 일찍부터 이러한 것에 주목하여 분쇄 밀에서의 미분화 대책에 착수하여, 큰 성과도 올리고 있다. 대표적인 기술은 특허문헌 1 및 2에 기재된 롤러 파쇄면 형상의 개량, 특히 슬릿 롤러의 개발이다. 슬릿 롤러는 분쇄 롤러의 파쇄면인 외주면에 중심선 방향(롤러 둘레 방향에 직각인 방향)의 슬릿 홈을 둘레 방향으로 소정 간격으로 형성한 것이다. 그 사용에 의해, 수직형 롤러 밀의 분야에서는 기존 밀에 비해, 분쇄물의 바이트(biting)성을 개선하여, 미분화율의 향상을 달성하였다.

즉, 화력 발전소의 경우, 석탄 분쇄 입도는 현재 200메쉬 통과, 75%가 평균적이지만, 이 분쇄 입도를 더욱 작게 하여, 200메쉬 통과, 75% 초과의 미분을 종래 밀에 비해 다량으로 채취할 수 있도록 함으로써, 보일러에서의 연소 효율을 향상시키고, 결과적으로 완전 연소를 가능하게 하여, 이산화탄소의 배출량의 감소에 공헌하는 것에 성공하였다.

또한, 제철소의 용광로에서 선철이 생산되는데, 철광석을 환원, 용해하기 위해서 다량의 코크스 환원 가스가 생성 사용되지만, 코크스는 고가의 점결탄으로부터 생산되기 때문에 매우 고가이며, 그 사용량을 저감시키기 위해서 용광로 송풍구로부터 염가의 미분탄을 취입(吹入)하여 코크스 소비량을 감소시켜 선철 생산 비용을 저감시키고 있다.

본 발명자가 개발한 슬릿 롤러는 용광로 미분탄 취입 설비에도 다수 채용되고 있어 비용 저감에 크게 공헌하고 있다. 모 제철소에 있어서는, 그 비용 저감 효과는 연간 6억엔 내지 7억엔에 이르고 있다고 한다. 200메쉬를 포함하는 200메쉬 이하의 미분의 생산량이 종래 밀에 비해 약 20% 이상 증가함으로써 용광로 연소 효율이 상승하고, 더 한층 코크스 소비량의 저감에 공헌한다. 코크스 소비량의 저감은, 바꾸어 말하면 코크스 생산 시에 발생하는 이산화탄소를 삭감하는 것으로도 이어지고, 그 삭감에 대해 큰 공헌을 한다.

발전용 보일러에서의 석탄 분쇄기로서는 수직형 롤러 밀이 많이 사용되고 있다. 수직형 롤러 밀은 수평 회전하는 1개의 구동 테이블과, 그 회전 중심선을 포위하도록 구동 테이블 위에 배치된 복수개의 분쇄 롤러에 의해 구성되어 있고, 밀 중앙으로부터 테이블 중심부 위로 공급된 석탄이 원심력에 의해 외방으로 반송되고, 롤러와 테이블 사이에 바이트됨으로써, 석탄을 차례 차례로 분쇄해 간다. 분쇄된 석탄은 반송 기류에 의해 상방으로 기류 반송되어 분급기에 의해 분급되고, 필요로 하는 입도의 석탄이 포착되어 후단으로 반송되고, 그것보다 큰 입도의 석탄은 다시 밀 내부로 반송된다.

석탄 분쇄용 수직형 롤러 밀은, 분쇄 롤러의 형상이 사다리뿔꼴 형태로, 회전 테이블 상면의 환상 파쇄부가 수평면인 로쉐 밀 타입과, 분쇄 롤러의 외주면이 회전 방향에 직각인 면 내에서 외주측으로 볼록한 방향으로 만곡하고, 회전 테이블의 상면에 그 분쇄 롤러의 외주면이 끼워 맞춰지는 단면 궁형(弧狀)의 환상 홈이 형성된 타이어형 타입으로 대별된다. 타이어형 분쇄 롤러는 또한 그 최대 직경(D)과 타이어 파쇄면의 회전 방향에 직각인 면에서의 곡률 반경(R)의 비율이 4.3 이상인 볼록형 타이어, 4.3 미만인 편평형 타이어로 2분된다. 시판되고 있는 타이어형 롤러의 D/R를 본 발명자가 조사한 결과, 전자의 볼록형 타이어의 평균적인 D/R는 4.5 내지 5.0이며, 후자의 편평형 타이어의 평균적인 D/R는 3.8 내지 4.1의 범위에 있었기 때문에, 양자의 분기점으로서 D/R=4.3은 타당하다.

슬릿 롤러와는 별도로, 본 발명자는 스크류 롤러의 연구도 계속하고 있다. 스크류 롤러란, 롤러 둘레 방향에 대해 경사진 복수의 스크류 홈(나선홈)을 롤러 외주면에 병렬적으로 형성한 것이다(특허문헌 3, 4). 롤러 축과 평행한 방향(롤러 둘레 방향에 직각인 방향)의 슬릿 홈은, 원료의 바이트 성능은 우수하지만, 외부로 비산시키는 능력이 현저하게 높다. 한편, 롤러 축과 직각인 방향(롤러 둘레 방향)의 원주 홈에서는 분쇄 원료의 바이트 성능이 얻어지지 않는다. 이들에 대해, 슬릿 홈을 스크류상으로 하고, 분쇄 원료를 테이블 중심측으로 되긁어 모으는 방향으로 형성한다면, 롤러와 테이블 사이에 형성되는 분쇄 공간에서 분쇄 원료의 삽입량이 증가하여, 동일한 롤러 클리어런스의 경우에도 롤러와의 접촉 마찰력이 증대되어, 화력 발전소에서의 저부하 조업 시에 밀 진동이 효과적으로 방지되는 것을 기대할 수 있다.

그러나, 수직형 분쇄 롤러의 분쇄면 전면에 바이트성을 향상시키는 슬릿 홈을 형성한 분쇄 롤러에도, 분쇄 원료의 이송성이 우수한 스크류 홈을 형성한 분쇄 롤러에도 공통되는 과제가 존재하는 것이 본 발명자에 의한 오랜 세월의 경험, 실험 연구 등으로부터 판명되고 있다.

즉, 슬릿 홈이 형성된 롤러의 경우도 스크류 홈이 형성된 롤러의 경우도, 고경도를 갖는 분쇄 원료에 관해서는, 극도의 마모 발생에 의해, 그것이 갖는 우수한 부가 가치의 유효 이용을 100% 발휘할 수 없는 상황이 생기고, 그 해결 방법을 본 발명자는 계속해서 모색하고 있었다. 이것만 해결할 수 있으면 슬릿 홈이 형성된 분쇄 롤러, 스크류 홈이 형성된 분쇄 롤러는 어떠한 분쇄 재료, 즉 발화성 재료를 제외하고, 고경도 재료, 고수분 함유 재료, 부착, 응착성 재료의 모든 재료에 대해서도, 그 분쇄성의 진가를 유감없이 발휘할 수 있는 성능을 가진 수직형 밀 롤러의 완성형을 달성할 수 있는 것이다.

그래서, 본 발명자는 기본으로 되돌아가서 기존의 분쇄 롤러가 달성하고 있는 참된 기능, 작용을 해명하고, 근본적으로 새로운 파쇄면을 개발하기로 하였다. 이를 위해, 본 발명자는 우선 슬릿 홈이 형성된 롤러 및 스크류 홈이 형성된 롤러에 공통되는 문제점을 구명하였다. 그 결과, 롤러 둘레 방향 및 롤러 축 방향에 관한 다음의 2가지 문제점을 떠올랐다.

제 1 문제점은 분쇄 롤러 파쇄면의 롤러 둘레 방향(회전 방향)에 있어서의 마모 형태에 관한 문제이다. 상세한 것은 이하와 같다. 단단한 재료를 분쇄하는 경우에 슬릿 홈이 조기 마모를 일으키기 쉬운 큰 결점이 발생하였다. 즉, 종래에는 롤러 파쇄면 전체에 슬릿 홈을 형성하고 있었다. 이러한 분쇄 롤러에 있어서, 부드러운 원료를 분쇄한 경우에는, 슬릿 홈을 형성하는 연질 리브의 마모가 서서히 진행되어 슬릿 홈이 형성되기 시작하고, 연질 리브간에 개재하는 내마모 경화 금속이 톱니바퀴상으로 나타난다. 그러나, 분쇄 원료가 부드럽기 때문에, 나타난 경화 금속의 엣지는 마모를 받지 않고 거의 직각을 유지하고, 그 결과, 우수한 바이트성과 내마모성을 나타내어 장기간에 걸쳐 이들의 효과나 수명을 유지하여 만족스러운 사용 결과를 제공한다. 이와 같이 부드러운 원료를 분쇄하는 경우에는, 슬릿 홈이나 스크류 홈을 롤러 파쇄면의 전면에 형성해도, 그 효과를 유감없이 발휘할 수 있었다.

예를 들면 HGI가 45 이상을 갖는 석탄 분쇄의 경우나 용광로 슬래그의 슬래그 분쇄에 있어서는, 생산성의 향상과 장수명화에 현저한 효과를 유감없이 발휘할 수 있었다.

그것에 반해, 매우 단단한 분쇄 원료를 분쇄하는 경우, 슬릿 홈을 형성하는 부드러운 리브는 조기에 마모를 일으켜 짧은 기간에 내마모 금속이 톱니바퀴상으로 나타나고, 그 내마모성 금속의 코너부는 단단한 원료를 효율적으로 분쇄하여 분쇄 효율을 향상시키는 반면, 단단한 원료에 의해 극단적인 마모를 받아서 예각인 톱니바퀴 형상이 조기에 산 형상으로 변화되어 가고, 점차 분쇄 효율이 소실되는 동시에, 극단적인 마모를 발생시켜 단기간에 교환을 강요하는 현상이 발생하였다. 그 마모 속도는 기존의 원주 감기 패딩 롤러에 비해 극단적으로 짧다.

예를 들면 시멘트 공장에서 사용되는 시멘트 원료 분쇄 롤러의 경우에는, 단위 시간당 생산량은 약 20% 이상 향상되었지만, 수명은 기존의 패딩 롤러의 수명에 비해 절반 이하가 되었다. 또한 매우 고경도의 규석이나 세라믹스, 풍화되지 않은 용광로 슬래그, 애쉬를 다량으로 함유하고 있는 저품위탄 등을 분쇄하는 경우에도 마모 속도가 극단적으로 증대되었다.

이러한 현상으로부터, 본 발명자는 슬릿 홈이 형성된 롤러나 스크류 홈이 형성된 롤러의 사용 수명은 채용한 내마모성 금속의 내마모성에만 의존하는 것이 아니고, 분쇄하는 분쇄면의 형상에도 크게 의존하고 있다고 판단하였다. 어떤 일례로서 수치 해석을 행한 결과, 동일한 내마모성을 갖는 경화 금속에 관해서, 타이어형 롤러로 원주 감기 패딩된 평활 파쇄면의 경우에 비해, 슬릿 홈이 형성된 롤러에 있어서의 톱니바퀴 형상의 엣지부가 받는 면압은 약 3배로 상승하는 것이 판명되었다.

일반적으로, 마모는 그 마모면이 받는 면압의 거듭제곱에 비례한다고 여겨지고 있기 때문에, 엣지가 받는 마모는 평활면에 비해 면압의 2 내지 4배 이상의 마모를 받는 것이 추측된다. 따라서, 단단한 분쇄 원료를 분쇄하는 경우에 있어서도 슬릿 홈의 고효율 분쇄가 발휘되고, 게다가 동일 내마모성 금속을 사용한 경우에도 평활 파쇄면과 동정도의 수명을 확보할 수 있는 새로운 파쇄면을 개발할 필요성이 급선무이다.

제 2 문제점은 분쇄 롤러 파쇄면의 롤러 축 방향에 있어서의 마모 형태에 관한 문제이다. 즉, 분쇄 롤러의 마모 형상을 상세하게 관찰하면, 분쇄 효율이 저하되어 교환되는 단계에서 사다리꼴형 롤러 파쇄면에 관해서는, 대직경측에 깊은 마모 홈이 발생하고, 소직경측은 그다지 마모가 발생하지 않은 형상을 나타내었다. 타이어형 롤러로 곡률이 작은 볼록형 롤러(D/R=5)에서는, 사다리꼴형 롤러와 동일하게, 주로 대직경측에 최대 마모가 발생하는 경향을 나타내고, 타이어형 롤러로 곡률이 큰 편평형 롤러(D/R=4)에 관해서는, 소직경측에서 보다 최대 마모를 발생하는 경향을 나타내었다.

최대 마모를 발생하는 파쇄부는 전체 롤러 파쇄면 중에서 가장 분쇄에 기여하고 있는 부분이며, 분쇄 일량이 최대인 영역이며, 이 영역에서 미분쇄가 주로 행해지고 있다고 판단할 수 있다. 그 이외의 파쇄면은 당연히 미분의 분쇄도 행하고 있지만, 마모가 적은 점에서 오히려 미분쇄를 행하는 것이 아니라, 회전 테이블의 중앙에 공급된 분쇄 원료를 원심력과 함께 주파쇄면으로 보내는 역할을 하는 이송면인 것으로 상정되었다. 이 이송 파쇄면은 처음에 원료를 바이트하는 부분이며, 큰 입도를 갖는 원료를 부수는 작용이 큰 목적이기도 하지만, 이 이송 파쇄면에서의 원료 이송성을 어떠한 수단으로 촉진시키면, 미분의 분쇄성은 훨씬 향상시킬 수 있을 것으로 추측되었다. 슬릿 홈을 개발한 단계에서는 주로 바이트성에만 중점을 두고 있었지만, 석회석과 같은 부착성 물질의 분쇄에 있어서, 롤러에 부착을 발생시키지 않고 유효 분쇄하는 방법에 효과가 있는 스크류 홈을 개발한 이후, 파쇄면에 있어서의 원료 이송성의 중대성을 깨닫게 되었다.

이론적으로 롤러 파쇄면은 주로 미분쇄를 행하는 영역인 주파쇄면과, 원료를 주파쇄면으로 보내는 영역인 이송면의 2개의 파쇄면으로 구성되어 있는 것으로 생각되었다. 개개의 파쇄면마다 역할 분담을 보다 명확히 함으로써, 어떠한 종류의 원료라도 주파쇄면으로 원료를 안정적으로 확실하게 이송할 수 있다. 이것은 분쇄에 필요로 하는 쓸데 없는 에너지의 낭비를 감소시켜 분쇄 조업을 보다 효율적으로 행할 수 있는 파쇄면의 설계를 가능하게 하고, 주파쇄면의 마모 대책도 되는 것을, 과거부터 현재에 이르는 오랜 세월의 경험과 시행 착오에 기초하여 인식할 수 있었다.

이와 같이, 파쇄면의 중요한 역할의 하나는 원료의 이송성이다. 현재의 평활면 롤러에 있어서는, 실제로, 그 역할을 하고 있지 않은 것이 판명되었다. 단단한 분쇄 원료나 수분이 많은 분쇄 원료를 분쇄하는 경우, 파쇄면이 평활면인 점에서, 바이트성과 이송성이 떨어지고, 롤러가 슬립을 발생시켜 분쇄기 자체에 큰 진동을 발생시켜 조업을 곤란하게 하고, 그 결과, 미분의 생산량이 저하된다. 롤러의 슬립이나 진동을 억제하기 위해, 롤러에 대해 과대한 면압을 부가하면, 밀의 축 전류가 증가하여 큰 전력 로스를 발생시킨다.

일본 특허공보 제1618574호 일본 특허공보 제2863768호 일본 실용신안공개 공보 제(소)63-111939호 국제공개 WO2009/157335호 명세서

본 발명의 목적은 분쇄 롤러 파쇄면의 둘레 방향 및 축 방향에서의 문제를 함께 해결하고, 우수한 분쇄 능력을 장기간 유지할 수 있는 고성능이며 경제성이 우수한 수직형 밀 롤러를 제공하는 것에 있다.

이론적으로 고찰하여, 미분의 생산성에 가장 중요한 역할을 하는 분쇄면은 주파쇄면이다. 미분의 분쇄 작용을 보다 효과적으로 하기 위해서는 주파쇄면에 슬릿 홈이나 스크류 홈 등의 여분의 홈이 존재하지 않는 편이, 유효 파쇄 면적을 증가시킴으로써 미분의 분쇄 효율이 향상되는 것은 자명하다. 주파쇄면을 평활면으로 바꿀 수 있으면, 당연히 톱니바퀴 형상의 경화 금속 엣지에 가혹한 마모를 받는 특이 현상이 소실되어 평활면과 동일하게 장수명화가 성취되어, 미분 생산량의 증가를 가미하면 일거양득이 된다. 이것이야말로 완전한 해결 방법을 제공하는 첫걸음이다.

그러나, 주파쇄면을 평활면으로 변화시킨 것만으로는 미분의 분쇄량의 향상 효과를 얻을 수 없다. 주파쇄면에 대해 연속적으로 분쇄 원료가 안정 공급되지 않으면, 미분의 생산성을 향상시키는 것이 곤란해진다. 따라서, 주파쇄면 이외의 파쇄면의 보완 작용이 필요해지고, 그 작용으로서 어떠한 종류의 원료라도 확실하게 주파쇄면으로 보내는 이송성이 그 보완 작용으로서 요구되는 것이다.

분쇄면으로 다량의 원료가 보내지면, 당연히 롤러와 테이블간에 형성되는 파쇄실에 있어서 원료층 두께가 두꺼워지고, 원료끼리의 마쇄 작용이 현저해져 미분의 생산성은 향상된다. 롤러에 대한 부하 면압이 일정한 경우, 바이트량이 증가하면 층 두께가 증가하고, 그 결과, 일량이 증가하기 때문에 밀의 축전류(軸電流)는 증가하지만, 미분의 분쇄량도 증가하기 때문에, 얻고자 하는 입도의 미분 채취량으로 사용 전력량을 나누어 얻어지는 전력원 단위로 비교하면 분모가 크게 커지면 커질수록, 전력원 단위가 저하되어 에너지 절약에 공헌하게 된다. 롤러 파쇄 면적과 전력 소비량의 상관성에 관해서 말하자면, 롤러의 표면적이 증가하면, 마찰 저항이 증가하게 되어, 전력량도 증가하는 경향이 있기 때문에, 주파쇄면은 100%의 평활면이 필요하기 때문에 접촉 면적은 감소시킬 수 없지만, 이송면은 분쇄를 주로서 행하지 않기 때문에 홈을 형성하여 접촉 면적을 감소시키는 것이 가능하다.

수직형 롤러 밀에 있어서, 분쇄 롤러는 하나의 파쇄면에서 주로 미분을 분쇄하는 주파쇄면과, 원료 이송면의 2개의 역할로 분담하여 생각하면, 롤러의 분쇄 기능을 매우 이해하기 쉬워진다. 일례로서, 사다리꼴형 롤러에 관해서 고찰한다. 미분의 분쇄를 주로 행하는 주파쇄면은 대직경측에 위치하고 있고, 소직경측은 어디까지나 원료를 대직경측으로 이송하는 파쇄면으로서 명백하게 분쇄 영역을 2개로 나누어 설명할 수 있다. 본래, 분쇄 작용은 이와 같이 명백하게 나누어 행해지고 있는 것이 아니다. 수직형 롤러 밀에 관해서, 분쇄 원료는 밀 중앙으로부터 공급되고, 테이블 회전에 의한 원심력으로 테이블 외방으로 보내지고, 그 동안에 있어서 조립(粗粒)의 원료가 롤러와 테이블 사이의 틈에 바이트되어 테이블 외방으로 이행해 감에 따라, 조립에서 미립으로 분쇄가 단계적으로 진행되는 것이다. 당연히 소직경측에 있어서도 미분쇄는 행해지고 있지만, 그 빈도가 대직경측에서 매우 높고, 소직경측에서는 조립의 바이트가 주로 행해져, 서서히 미립으로 분쇄되면서 대직경측으로 이송되어, 주분쇄 영역에 있어서 미분의 분쇄가 주로 행해지고 있는 것이다. 그 증거로서, 가장 분쇄 작용이 격심한 대직경측의 파쇄면이 극단적인 마모 영역을 나타내고 있고, 소직경측은 그다지 마모의 진행이 나타나지 않는 것이 현실이다.

이러한 사실, 검증으로부터, 본 발명자는 하나의 롤러 파쇄면 중에 미분의 분쇄를 주로 행하는 주파쇄면과, 원료를 주파쇄면으로 확실하고 안정적으로 보내는 원료 이송면이 서로 공존하여, 어느 한쪽이 결여되어도 유효한 분쇄 효과가 얻어지지 않는 것을 이론적으로, 또한 경험적으로 도출하였다.

또한, 부착성이 적은 원료 분쇄에 있어서는, 바이트성을 향상시키는 롤러축과 평행하거나 45도까지의 각도를 갖는 슬릿 홈이 유효하고, 부착성이 현저한 원료 분쇄에 있어서는, 롤러로의 부착을 감소시켜 이송성을 향상시키는 45도 이상 85도까지의 각도를 갖는 스크류 홈이 유효하고, 2종류의 홈을 포함시킴으로써, 모든 분쇄 원료에 대한 분쇄성의 향상이 확립되는 것을 분쇄 실험에 의해 실증하였다.

본 발명의 수직형 밀 롤러는 이러한 지견을 기초로 하여 개발된 획기적인 분쇄 롤러로서, 수직형 롤러 밀에 사용되는 분쇄 롤러에 있어서, 롤러 파쇄면이 미분쇄를 주로 행하는 주파쇄면과 원료 이송면으로 이루어지고, 주파쇄면은 평활면이 되고, 원료 이송면에는 롤러 둘레 방향에 대해 직각 또는 45°초과한 각도로 경사진 슬릿 홈, 또는 롤러 둘레 방향에 대해 45°이하의 각도로 경사진 스크류 홈이 형성된 하이브리드 파쇄면 구조의 수직형 롤러 밀용 분쇄 롤러이다.

분쇄 롤러의 파쇄면의 기능으로부터 판단하여, 주파쇄면에 관해서는 평활면으로 구성하여 미분의 분쇄량을 향상시키고, 또한 마모를 감소시킨다. 주파쇄면 이외의 파쇄면에 관해서는, 분쇄 원료에 부착성이 적은 경우, 그 파쇄면에 바이트성을 향상시키는 롤러 둘레 방향에 대해 대각도의 슬릿 홈이나, 또는 이송성을 향상시키는 롤러 둘레 방향에 가까운 각도의 스크류 홈을 형성한다. 분쇄 원료가 부착성 물질인 경우에는, 롤러 축에 대해 45도 이상 85도 이하(롤러 둘레 방향에 대해 5도 이상 45도 이하)의 각도로 경사지는 스크류 홈을 한정적으로 형성한다. 그 이유는, 홈 각도가 롤러 축과 평행하거나 또는 45도 미만인 각도에서는, 바이트성이 발휘되어 롤러 표면에 부착이나 전착(轉着)을 발생시켜 분쇄 조업을 곤란하게 하기 때문에, 바이트성이 적고 이송성을 발휘하는 홈 각도가 바람직하고, 구체적으로는 45도와 85도 사이, 특히 그 평균 각도인 60 내지 70도가 스크류 홈 각도로서 바람직하다.

실제로 주파쇄면을 평활면으로 형성하는 방법으로서, 사다리꼴형 롤러에서는 파쇄면이 롤러 축 방향에서 평탄하기 때문에, 주파쇄면과 이송면을 명확하게 구분하여 작성할 수 있지만, 타이어형 롤러에서는 타이어의 R이 큰 편평형 롤러의 주파쇄면은 소직경측에 존재하고, 타이어형 롤러로 타이어의 R이 작은 볼록형 롤러에서는, 타이어 중앙측(대직경측)에 주파쇄면이 존재하는 경향이 있다. 그러나, 타이어형 롤러에 관해서는, 주파쇄면이 롤러 축 방향으로 만곡한 만곡면 내에 존재하고 있기 때문에, 그 주파쇄면을 평탄면으로 공작하는 것이 사다리꼴형 롤러에 비해 곤란해진다.

따라서, 타이어형 롤러의 경우에는, 주파쇄면에 상당하는 영역에는 슬릿 홈의 깊이를 다른 부분보다 얕게 함으로써, 그 얕아진 홈에 분쇄 원료가 충전되어 평활면이 형성되도록, 홈 면적 자체도 유효 파쇄 면적에 가산하여 설계하거나, 또는 전파쇄면에 미리 슬릿 홈을 형성해 둔 후, 주파쇄면의 영역에 상당하는 부분의 슬릿 홈을 용접 패딩으로 메워 평활면을 형성하는 방법이 있다. 이 수법은 모든 형상의 분쇄 롤러에도 적용할 수 있다.

본 발명의 수직형 밀 롤러는 세계적으로 보아도 신규한 분쇄 이론에 기초하여, 가장 마모를 받는 주파쇄면을 평활면으로 함으로써, 슬릿 홈 특유의 극단적인 마모 발생을 회피할 수 있고, 적어도 평활면이 받는 마모와 동일 수준으로 개선할 수 있는 점과, 또한 유효 파쇄 면적을 100%로 할 수 있는 점에서, 미분의 생산량의 향상에도 공헌할 수 있다.

분쇄기의 전력 소비량에 관해서는, 파쇄면의 기능 분담에 의해, 원료 이송면의 표면적을 감소시켜 평활면 롤러에 비해 접촉 면적을 감소시킴으로써 쓸데없이 소비하고 있었던 전력을 감소시키는 것이 가능하다.

파쇄면 형상에 관해서, 오랜 세월, 연구를 계속해 온 본 발명자에게 있어서, 슬릿 홈과 스크류 홈의 2형태를 포함시킨 포괄적인 파쇄면 기술의 완성형을 확립하는 것은 하나의 최종 목표이며, 이 중에서도 특히 스크류 홈의 작용 효과를 보다 한층 높임으로써, 실용계에서는 볼 수 없을 정도의 더욱 우수한 작용 효과를 초래하는 파쇄면 형상의 완성형을 개발하는 데 성공하였다. 그 결과가 상기의 획기적인 파쇄면 형태이다.

도 1은 본 발명의 수직형 밀 롤러를 사다리꼴형 롤러에 관해서 종래 롤러와 비교하여 도시한 정면도이고, (a)는 종래 롤러를 도시하고, (b)는 본 발명 롤러를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 수직형 밀 롤러를 다른 사다리꼴형 롤러에 관해서 종래 롤러와 비교하여 도시한 정면도이고, (a)는 종래 롤러를 도시하고, (b)는 본 발명 롤러를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 수직형 밀 롤러를 타이어 볼록형 롤러에 관해서 종래 롤러와 비교하여 도시한 정면도이고, (a)는 종래 롤러를 도시하고, (b)는 본 발명 롤러를 도시한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 수직형 밀 롤러를 다른 타이어 볼록형 롤러에 관해서 종래 롤러와 비교하여 도시한 정면도이고, (a)는 종래 롤러를 도시하고, (b)는 본 발명 롤러를 도시한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 수직형 밀 롤러를 타이어 편평형 롤러에 관해서 종래 롤러와 비교하여 도시한 정면도이고, (a)는 종래 롤러를 도시하고, (b)는 본 발명 롤러를 도시한다.
도 6은 실험용 소형 분쇄기의 구성도이다.
도 7은 테이블 홈 형상을 도시하는 종단 측면도이다.

이하에 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.

도 1 내지 도 5에 도시한 수직형 밀 롤러는 모두 수직형 밀 롤러에 사용되는 분쇄 롤러이다.

도 1에 도시한 수직형 밀 롤러는 로쉐 밀이라고 칭해지는 수직형 밀 롤러에 사용되는 사다리꼴형 롤러(10)이다. 도 1(a)에 도시한 사다리꼴형 롤러(10)는 종래 롤러이며, 외주면(12) 전체에 복수개의 스크류 홈(11A)이 롤러 축 방향으로 등간격으로 형성되어 있다. 스크류 홈(11A)의 경사 방향은 회전에 따라 분쇄 원료를 외주측으로 적극적으로 이송하는 원료 배출 방향이며, 그 경사 각도는 여기에서는 롤러 축에 대한 경사 각도(θ)로 나타내어 67.5°, 롤러 둘레 방향에 대한 경사 각도에서는 22.5°로 되어 있다.

한편, 도 1(b)에 도시한 사다리꼴형 롤러(10)는 외주면(12)이 대직경측의 주파쇄면(12A)과, 원료 이송면으로 대별된 본 발명 롤러이다. 주파쇄면(12A)은 표면이 평활하다. 원료 이송면에는 복수개의 스크류 홈(11A)이 롤러 축 방향으로 등간격으로 형성되어 있다. 스크류 홈(11A)의 경사 방향은 회전에 따라 분쇄 원료를 외주측에 적극적으로 이송하여 주파쇄면(12A)으로 보내는 원료 배출 방향이며, 그 경사 각도는 여기에서는 롤러 축에 대한 경사 각도(θ)로 나타내어 67.5°, 롤러 둘레 방향에 대한 경사 각도에서는 22.5°로 되어 있다.

즉, 여기에 있어서의 사다리꼴형 롤러(10)의 외주면(12)은 대직경측의 평활한 주파쇄면(12A)과, 소직경측에서 원료 배출 방향의 스크류 홈(11A)이 형성된 원료 이송면(12B)으로 이루어지는 것이다.

주파쇄면(12A)이란 여기에서는 롤러 외주면(12)의 최대 마모량의 2/3 이상의 마모를 일으키는 영역이라고 정의하고 있고, 주파쇄면(12A)의 롤러의 축 방향 길이, 즉 주파쇄면(12A)의 가로 폭은 사다리꼴형 롤러에서는 통상적으로는 롤러 전체 폭의 약 30 내지 40%가 된다.

도 2에 도시한 수직형 밀 롤러는, 도 1에 도시한 수직형 밀 롤러와 같이, 로쉐 밀이라고 칭해지는 수직형 밀 롤러에 사용되는 사다리꼴형 롤러(10)이다. 도 2(a)에 도시한 사다리꼴형 롤러(10)는 종래 롤러이며, 외주면의 전체에 복수개의 롤러 둘레 방향에 직각인 슬릿 홈(11B)이 롤러 둘레 방향으로 등간격으로 형성되어 있다. 이것에 대해, 도 2(b)에 도시한 사다리꼴형 롤러(10)는 외주면(12)이 대직경측의 주파쇄면(12A)과, 그 이외의 부분, 즉 복수개의 롤러 둘레 방향에 직각인 슬릿 홈(11B)이 롤러 둘레 방향으로 등간격으로 형성된 원료 바이트면(12C)으로 대별되어 있다.

도 3에 도시한 수직형 밀 롤러는 타이어형 롤러로 곡률이 작은 볼록형 롤러(20)(D/R=5)이다. 도 3(a)에 도시한 타이어 볼록형 롤러(20)는 종래 롤러이며, 외주면(22)의 전체에 복수개의 스크류 홈(21A)이 롤러 축 방향으로 등간격으로 형성되어 있다. 스크류 홈(21A)의 경사 방향은 회전에 따라 분쇄 원료를 외주측으로 적극적으로 이송하는 원료 배출 방향이며, 그 경사 각도는 여기에서는 롤러 축에 대한 경사 각도(θ)로 나타내어 45°, 롤러 둘레 방향에 대한 경사 각도에서도 45°로 되어 있다.

한편, 도 3(b)에 도시한 타이어 볼록형 롤러(20)는 외주면(22)이 대직경측, 즉 중앙부의 평활한 주파쇄면(22A)과, 원료 배출 방향의 스크류 홈(21A)이 롤러 축 방향으로 등간격으로 형성된 양측(소직경측)의 원료 이송면(22B, 22B)으로 이루어지는 본 발명 롤러이다. 스크류 홈(21A)의 경사 각도는 여기에서는 롤러 축에 대한 경사 각도(θ)로 나타내어 45°, 롤러 둘레 방향에 대한 경사 각도에서도 45°로 되어 있다.

도 4에 도시한 수직형 밀 롤러는, 도 3에 도시한 수직형 밀 롤러와 같이, 타이어 볼록형 롤러(20)(D/R=5)이다. 도 4(a)에 도시한 사다리꼴형 롤러(10)는 종래 롤러이며, 외주면(22)의 전체에, 도 4에 도시한 수직형 밀 롤러와는 반대로, 원료 되긁어 모으기 방향의 슬릿 홈(21B)이 롤러 둘레 방향으로 등간격으로 형성되어 있다. 이것에 대해, 도 4(b)에 도시한 타이어 볼록형 롤러(20)는 외주면(22)이 중앙부의 평활한 주파쇄면(22A)과, 원료 되긁어 모으기 방향의 슬릿 홈(21B)이 롤러 둘레 방향으로 등간격으로 형성된 양측(소직경측)의 원료 이송면(22B, 22B)으로 이루어지는 본 발명 롤러이다. 스크류 홈(21A)의 경사 각도는 여기에서는 롤러 축에 대한 경사 각도(θ)로 나타내어 45°, 롤러 둘레 방향에 대한 경사 각도에서도 45°로 되어 있다.

도 5에 도시한 수직형 밀 롤러는 타이어형 롤러로 곡률이 큰 편평형 롤러(30)(D/R=4)이다. 도 5(a)에 도시한 타이어 편평형 롤러(30)는 종래 롤러이며, 외주면(32)의 전체에 복수개의 스크류 홈(31A)이 롤러 축 방향으로 등간격으로 형성되어 있다. 스크류 홈(31A)의 경사 방향은 회전에 따라 분쇄 원료를 중심측으로 되긁어 모으는 방향이며, 그 경사 각도는 여기에서는 롤러 축에 대한 경사 각도(θ)로 나타내어 67.5°, 롤러 둘레 방향에 대한 경사 각도에서는 22.5°로 되어 있다.

한편, 도 5(b)에 도시한 타이어 편평형 롤러(30)는 외주면(32)이 소직경측, 즉 양 측부의 평활한 주파쇄면(32A, 32A)과, 원료 되긁어 모으기 방향의 스크류 홈(31)이 롤러 축 방향으로 등간격으로 형성된 중앙부의 원료 이송면(32B)으로 이루어지는 본 발명 롤러이다. 스크류 홈(31)의 경사 각도는 여기에서는 롤러 축에 대한 경사 각도(θ)로 나타내어 67.5°, 롤러 둘레 방향에 대한 경사 각도에서는 22.5°로 되어 있다.

도 3 내지 도 5에 도시한 타이어형 롤러의 특징은 좌우 반전하여 2회 사용할 수 있는 것이다. 특히, 도 5에 도시한 타이어 편평형 롤러(30)는, 측방 소직경쪽에서 분쇄가 행해지기 때문에, 좌우 반전 2회 사용이 일반적이다. 개개의 사용에서는, 한쪽의 주파쇄면(32A)과, 원료 이송면(32B)의 일부(32B')에서 파쇄가 행해진다. 한쪽의 주파쇄면(32A)의 가로 폭은 통상적으로는 롤러 전체 폭의 15 내지 20%이고, 합계로는 사다리꼴형 롤러와 동일한 롤러 전체 폭의 약 30 내지 40%가 된다.

이것에 대해, 도 3 및 도 4에 도시한 타이어 볼록형 롤러(20)는, 중앙 대직경쪽에서 분쇄가 행해지기 때문에, 반전할 수 없는 경우가 많다. 즉, 개개의 사용에서는, 오로지 주파쇄면(22A)과 한쪽의 원료 이송면(22B)에서 파쇄가 행해지고, 반전 사용의 경우, 주파쇄면(22A)이 오버랩되어, 이 부분의 마모가 극단적으로 진행되기 때문에, 반전 사용이 곤란해지는 것이다. 여기에 있어서의 주파쇄면(22A)의 가로 폭은 다른 롤러와 동일하게 통상적으로는 롤러 전체 폭의 약 30 내지 40%가 된다.

실시예

〔실험 장치〕

본 발명의 유효성을 조사하기 위해서, 수직형 롤러 밀의 일종인 사다리꼴형 롤러를 갖는 로쉐 밀과 유사한 실험용 소형 분쇄기를 제작하였다. 이 분쇄기는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 베이스 부재인 수평 회전 테이블(1)의 외주부 표면에 분쇄 롤러(2)가 대향되는 구조로 하였다. 분쇄 롤러(2)는 원뿔사다리꼴 형상의 수직형 롤러이며, 대직경측을 외주측으로 향하고, 소직경측을 중심측으로 향하여, 테이블(1)과의 대항면이 수평이 되도록 경사 배치되어 있다. 실험기이기 때문에 롤러 개수는 1개로 하였다.

이 분쇄 롤러(2)의 외주면에는 복수의 스크류 홈(7)이 형성되어 있다. 복수의 스크류 홈(7)은 회전에 따라 분쇄 원료를 회전 중심부에서 외주측으로 배출하고, 회전 테이블(1)과 분쇄 롤러(2)로 형성되는 분쇄실로 보낸다.

회전 테이블(1)에 있어서는, 분쇄 롤러(2)와 대향하는 외주부가 환상의 파쇄부(3)가 되고, 환상의 파쇄부(3)는 시험기이기 때문에, 테이블 본체(4)에 대해 탈착 가능하게 하였다. 파쇄부(3)로서는, 표면이 평활한 것, 표면에 테이블 회전 방향과 직각이 되는 슬릿 홈, 또는 석회석을 보내는 방향에 대한 직각 홈의 엣지가 60도 예각을 유지하는 각도를 형성한 홈(일본 공개특허공보 제2009-142809호)의 탈착 가능한 호환 테이블을 준비하였다. 파쇄부(3)와의 클리어런스를 임의로 조절할 수 있도록, 분쇄 롤러(2)는 그 지지 기구(5)에 대해 회전 자유 자재 또한 승강 자유 자재로 장착되어 있다. 분쇄 원료에 소정의 가압력을 부가하기 위해서, 분쇄 롤러(2)는 스프링에 의해, 파쇄부(3)로 가압되는 방향으로 가압되어 있다.

회전 테이블(1)의 회전에 의해, 회전 테이블(1)과 분쇄 롤러(2)는 상대적인 선회 운동을 행한다. 본 실험에서는 롤러 자체가 갖는 분쇄 성능을 확인하기 위해서, 분쇄된 원료의 에어에 의한 분급 장치를 설치하고 있지 않다. 따라서, 분쇄된 원료는 롤러가 갖는 배출 능력과 테이블 회전의 원심력에 의해 회전 테이블 내부로부터 외부로 배출되기 때문에 회전 테이블의 외측에 배출 석회석을 완전히 포집할 수 있는 포집용 용기(8)를 설비하였다.

로쉐 밀 소형 시험기는 그 테이블(4)을 분리함으로써 타이어형 테이블도 장착할 수 있도록 설계하였다. 당연히 지지 기구(5)에 장착되어 있는 분쇄 롤러도 타이어형 분쇄 롤러로 교환할 수 있도록 하였다. 1대의 시험기에 의해 모든 롤러, 테이블의 시험이 가능하도록 설계하였다. 시험기의 더욱 상세한 것은 나중에 설명한다.

〔분쇄 원료〕

분쇄 롤러의 파쇄면을 주파쇄면과 원료 이송면의 2개로 나누어 생각한 분쇄 롤러를 실제로 사용한 경우, 미분의 분쇄량이 종래의 슬릿 홈이나 스크류 홈을 파쇄면 전체에 형성한 경우에 비해 증가하는지 여부에 관해서, 소형 분쇄 시험기를 사용하여 해명하였다. 그 확인 실험에 사용하는 분쇄 원료로서는

1) 부착성, 응착성이 큰 석회석

2) 부착성, 응착성이 석회석에 비해 적은 석탄

의 2종류를 선택하였다.

〔석회석의 분쇄 실험〕

석회석을 분쇄하는 경우에는, 석회석이 롤러 표면에 부착, 전착하는 것을 방지하기 위해서 스크류 홈을 형성하기로 하였다. 스크류 홈은 롤러 축에 대해 45도 이상 85도 이하의 각도 범위 중에서 그 중간인 67.5도를 선택하였다. 45도까지의 슬릿 홈을 석회석의 분쇄에 사용하면, 슬릿 홈은 원료를 그러올리는 능력이 우수하고, 그 결과 롤러 표면에 석회석의 부착, 전착을 발생시켜 분쇄 조업을 곤란하게 하는 것이 이미 판명되고 있기 때문에, 45도 이상의 각도를 갖는 스크류 홈을 형성하기로 하였다. 특히, 45도 이상의 스크류 홈은 원료를 그러올리는 성능이 감소되어, 원료를 보내는 이송성이 우수하고, 그 각도가 커짐에 따라서 이송성이 보다 향상되어, 석회석의 롤러 표면으로의 전착, 부착을 감소시키는 성질이 있다. 특히, 기울기 구배가 큰 67.5도가 가장 우수한 경사 각도로 상정되었다.

실험에 채용한 롤러 형상은 도 1에 도시한 사다리꼴형 롤러와, 도 5에 도시한 타이어 편평형 타이어 롤러(D/R=4)의 2종류를 선택하였다. 홈에 관해서는, 롤러 파쇄면 전면에 스크류 홈이 형성된 경우〔도 1(a), 도 5(a)〕와, 주파쇄면이 평활면이고 나머지 부분에 스크류 홈이 형성된 경우 〔도 1(b), 도 5(b)〕를 선택하였다. 각 롤러에 관해서, 200메쉬 이하의 미분 분쇄량과 본 분쇄 시험기의 소비 전력량의 차이를 측정하고, 전력원 단위를 비교함으로써 양 파쇄면의 유효성을 비교하였다.

본 비교 시험에 채용한 회전 테이블의 슬릿 홈 형상을 도 6 및 도 7에 도시하였다. 본 홈 형상은 일본 공개특허공보 제2009-142809호에 의해 제시한 석회석 분쇄에 적합한 테이블 파쇄면 형상의 하나이다. 사다리꼴형 롤러와 타이어 편평형 롤러의 치수, 분쇄 조건을 이하에 집약하였다.

롤러 치수:

사다리꼴형 롤러 대직경: 200mm, 소직경: 170mm, 폭 57mm

타이어 편평형 롤러(D/R=4) 대직경: 200mm, 타이어 R: 50mm, 폭 74mm

테이블 외경:

사다리꼴형 롤러용 외경: 410mm, 내경: 280mm,

타이어 편평형 롤러용 외경: 420mm, 내경: 220mm, 홈 R: 60mm

주속도: 30RPM(좌측 방향 회전)

롤러 가압: 23.5kg

롤러와 테이블의 클리어런스: 0mm

시험 시간: 30분간

석회석 공급량: +/-1500g/30분간

석회석 공급 방법: 연속 공급 스크류 피더 방식

온도, 습도: 12 내지 18℃, 60 내지 89%

시험에 사용한 석회석

입자 직경: 1 내지 3mm

입도 분포(30분간 건조 후의 측정값)

10메쉬 이상 46.0g

16메쉬 이상 44.0g

30메쉬 이상 9.0g

60메쉬 이상 Tr

P 0.5g

상기 실험용 분쇄기에 있어서, 테이블 외주로의 석회석 배출량, 테이블내 석회석 잔량, 및 200메쉬 통과, -235메쉬 미만의 입자가 전분쇄량에 차지하는 중량 비율을 조사하였다. 본 실험에서는 편의상, 분쇄 롤러 1개만으로 분쇄하고 있으며, 실기(實機)에서는 2 내지 4개의 롤러가 사용되고, 미분을 포집하기 위한 분급 장치가 설치되어 있기 때문에, 실기에서 얻어지는 미분 분쇄량과는 상이한 수치를 나타내지만, 동일 시험기를 사용하기 때문에, 얻어지는 경향은 신빙성이 높은 것이 된다.

입도 측정에서는, 30분간의 분쇄 시험 종료 후, 테이블로부터 포집기(8)로 배출된 전량의 석회석을 정확하게 긁어 모으고, 또한 테이블 내에 잔존한 석회석도 마찬가지로 정확하게 포집하였다. 각각 포집한 석회석의 중량을 측정한 후, 포집한 석회석의 임의의 개소로부터 입도 측정용으로서 3시료를 채취하였다. 입도 측정 결과는 정확성을 확보하기 위해서 3 자료의 평균값을 채용하였다.

소형 분쇄 시험기의 소비 전력을 측정하였다. 사용한 전력 측정기는 히오키덴키 가부시키가이샤 제조의 「클램프 온 파워 하이테스터 3168」이다. 소비 전력량은 1초 단위로 측정된 수치의 평균값이며, 본 실험에서는 30분간의 평균값이 측정되었다. 본 소형 실험용 분쇄기는 3상 220V이고 소비 전력은 750W/H이다. 소비 전력량을 측정한 이유는 다음과 같다. 석회석을 스크류 피더로 밀에 공급하고 있지만, 종종 폐색을 발생시켜 정량 절출(切出)에 변량(變量)을 발생시켰다. 공급량에 차이가 있으면, 200메쉬 이하의 미분 분쇄량의 단순한 비교에서는 정확을 기할 수 없기 때문에, 각 시험 분쇄에서의 소비 전력량을 측정하고, 그때 얻어진 200메쉬 이하의 미분 분쇄량으로 나눈 전력원 단위로 비교함으로써, 정확성을 유지하였다.

분쇄 시험 시간인 30분내에 200메쉬 이하의 전분쇄량을 측정하는 동시에, 그 분쇄에 필요로 한 소비 전력량(Wh)을 측정하고, 측정된 소비 전력량을 200메쉬 이하의 전분쇄량으로 나눈 수치를 전력원 단위로 하여, 롤러와 테이블의 파쇄면의 여러 가지 조합에 관해서 구하고, 비교하였다.

〔비교 시험 결과〕

분쇄 롤러가 사다리꼴형 롤러인 경우의 결과를 표 1에 기재한다.

시험 번호 (1)은 파쇄면 전체에 67.5도 배출 방향의 스크류 홈을 형성한 도 1(a)의 롤러(유효 파쇄 면적 85%)와, 직각 슬릿 기울기 60도 예각 엣지 홈이 형성된 테이블의 조합이다. 시험 번호 (2)는 대직경측의 주파쇄면을 평활면으로 하고, 소직경측의 다른 파쇄면에만 스크류 홈을 형성한 도 1(b)의 롤러(유효 파쇄 면적 89%)를 사용한 것 이외에는 시험 번호 (1)과 동일하다. 시험 롤러의 전체 폭 57mm 중, 주파쇄면으로서의 평활면의 폭은 20mm(전체 폭의 약 35%)로 설정하였다. 나머지 부분은 스크류 홈으로 하였다. 이 양자의 200메쉬 이하량, 및 전력원 단위를 비교하였다.

표 1은 사다리꼴형 롤러의 전파쇄면에 스크류 홈을 형성한 경우(1)와, 주파쇄면이 평활면이며, 그 이외의 파쇄면이 스크류 홈인 경우(2)의 200메쉬 이하량 및 전력원 단위의 비교(롤러 가압력은 23.5kg 일정)이다.

(1)에서는 석회석 투입량이 (2)에 비해 많아졌기 때문인지, 소비 유효 전력량이 어느 정도 증가 경향을 나타내었다. 그러나, 200메쉬 이하의 미분 분쇄량은 약간이기는 하지만, (2)쪽이 증가하였다. 따라서, 전력원 단위로 비교하면 (2)쪽이 (1)에 비해 약 7% 에너지 절약을 달성하였다. 극단적인 차이는 없지만, (2)의 롤러 파쇄면을 주분쇄부와 이송부의 2종류로 나누어 제작하는 편이 파쇄면 전체에 스크류 홈을 형성하는 경우에 비해 200메쉬 이하의 미분 분쇄량은 향상되고, 전력원 단위가 저하되는 경향이 있는 것이 판명되었다.

분쇄 롤러가 타이어 편평형 롤러(D/R=4)인 경우의 결과를 표 2에 기재한다. 편평형 롤러를 선택한 이유는 다음과 같다. 본 롤러의 주파쇄면은 소직경측에 존재하고, 동일 테이블 회전 속도로 비교하면, 볼록형 롤러에 비해 시간당 분쇄량이 적어, 미분의 분쇄량도 적어진다. 따라서, 미분의 분쇄량이 적은 상황하에서 차이가 생긴다면, 본 발명의 신빙성이 높아질 것으로 생각하였다. 또한, 소직경측이 주파쇄면이 되는 점에서, 파쇄면의 형성이 용이했던 것도 선택한 이유 중 하나이다.

시험 번호 (1)은 전파쇄면에 스크류 홈을 67.5도의 각도로 되긁어 모으기 방향으로 장착한 도 5(a)의 롤러(유효 파쇄 면적 81%)와, 직각 슬릿 사선 예각 홈을 갖는 테이블의 조합이다. 시험 번호(2)는 양측의 소직경면에 동일한 폭의 평활면을 형성하고, 그 내측에 67.5도의 되긁어 모으기 방향의 스크류 홈을 형성한 도 5(b)의 롤러(유효 파쇄 면적 92%)를 사용한 것 이외에는, 시험 번호(1)과 동일한 조합이다. 시험 번호(2)에 있어서는, 롤러 전체 폭 74mm 중, 주파쇄면으로서의 평활면은 25mm폭(12.5mm 폭+12.5mm 폭으로, 전체 폭의 약 34%)으로 설정하였다.

표 2는 타이어 편평형 롤러(D/R=4)의 파쇄면 전체에 67.5도의 스크류 홈을 형성한 경우와, 동 롤러의 주파쇄면인 평활면을 소직경측의 좌우에 배치하고, 중앙에 67.5도의 스크류 홈을 형성한 경우의 200메쉬 이하량 및 전력원 단위의 비교이다. 스크류 홈은 원료를 테이블 내측으로 되긁어 모으는 방향으로 형성되어 있다.

시험 번호(1)의 파쇄면 전체에 스크류 홈을 형성한 경우에 비해, 시험 번호(2)의 주파쇄면을 평활면으로 하는 편이 분쇄량에서 약 12% 향상되고, 전력원 단위에서 약 15% 저감시킬 수 있었다. 사다리꼴형 롤러에 비해 타이어 편평형 롤러쪽이 미분의 분쇄량과 전력원 단위 모두 우수한 결과를 나타내었다. 그 이유로서는 다음과 같은 것을 생각할 수 있다.

사다리꼴형 롤러에서는 분쇄는 테이블면과의 면간 분쇄가 되고, 석회석과 같이 부착성, 응착성이 높은 원료에서는 롤러면이나 테이블면으로의 부착이 보다 촉진되어, 롤러와 테이블간에 형성되는 틈이 감소되어 미분의 생산량이 감소되고, 그 결과, 파쇄면 형상의 차이가 미분의 분쇄량의 차이로서 명확하게 나타나지 않았다. 그것에 대해, 선분쇄이며 분쇄 원료가 빠져나가는 것이 양호한 타이어형 롤러는 사다리꼴형 롤러에 비해 부착이 적어, 파쇄면의 차이가 미분쇄량의 차이로서 나타났다. 부착이나 응착을 일으키기 쉬운 석회석 분쇄에 관해서, 사다리꼴형 롤러 및 타이어형 편평 롤러 모두 주파쇄면을 평활면으로 하면, 미분의 분쇄량은 약간이기는 하지만 증가가 확인되고, 또한 사다리꼴형 롤러에서 약 7%, 타이어형 편평 롤러에서 약 15%의 전력원 단위의 저감 효과가 확인되었다.

수직형 롤러 밀로 석회석을 분쇄하는 경우, 200메쉬 이하의 미분의 분쇄량을 향상시키는 것은 매우 곤란하다. 그 이유는 다음과 같다. 석회석이 분쇄 롤러에 부착, 응착되기 쉽고, 그 결과, 분쇄에 필요한 롤러와 테이블간의 틈이 작아져, 틈으로의 바이트량을 저하시켜 미분의 분쇄량이 향상되기 어려워진다. 또한 석회석은 미분이 될수록 재응착하기 쉬워, 입자가 커지고, 미세해지기 어렵다. 이러한 부착성 물질에 관해서도, 주파쇄면이 평활면이 되면, 미분의 분쇄량이 증가한 것은 특필할만 하며, 부착성이 적은 원료라면 보다 미분의 채취량이 폭발적으로 증가하는 것을 기대할 수 있었다.

〔석탄의 분쇄 실험〕

사다리꼴형 롤러, 타이어 볼록형 롤러(D/R=5), 타이어 편평형 롤러(D/R=4)의 3종류에 관해서, 석회석과 같이 석탄의 분쇄 실험을 행하였다. 분쇄 조건을 이하에 요약하였다.

사용한 석탄: 제철소 원료탄

입도 범위-G-: 7mm×7mm≥G≥0.5mm×0.5mm

초기 입도 분포:

20메쉬 이상 40g

60메쉬 이상 34g

120메쉬 이상 3g

200메쉬 이상 13g

235메쉬 이상 2g

P 9g

수분량 5%

롤러 클리어런스: 0mm

롤러 면압: 23.5Kg

테이블 회전 속도: 60RPM

석탄 공급량: 2,530 내지 2,850g/30분간

석탄 공급 방법: 스크류 피더 연속 공급 방식

시험 온도 및 습도: 18 내지 34℃, 62 내지 78%

사다리꼴형 롤러와 타이어 편평형 롤러의 치수는 석회석의 항에서 설명했기 때문에 여기서는 생략하였다. 타이어 볼록형 분쇄 롤러(D/R=5)의 치수 상세만을 이하에 나타낸다.

롤러 치수(D/R=5)

타이어 대직경: 200mm

타이어 R: 40mm

타이어 폭: 66mm

회전 테이블 치수

외경: 410mm

내경: 230mm

홈 R: 50mm

사다리꼴형 롤러에 있어서의 파쇄면의 차이에 의한 200메시 언더량 및 전력원 단위의 비교(롤러 가압력은 23.5kg 일정)를 표 3에 기재한다. 사다리꼴형 롤러와 조합되는 테이블은 모두 평활면 테이블이다.

시험 번호 1. 평활면 롤러

시험 번호 2. 원료를 배출하는 방향의 67.5도 스크류 홈을 파쇄면 전체에 형성〔도 1(a)〕

시험 번호 3. 주파쇄면은 평활면, 나머지는 67.5도 원료 배출 방향 스크류 홈을 형성〔도 1(b)〕

시험 번호 4. 직각 슬릿 홈을 전파쇄면에 형성〔도 2(a)〕

시험 번호 5. 주파쇄면은 평활면, 나머지는 직각 슬릿 홈을 형성〔도 2(b)〕

타이어 볼록형 롤러(D/R=5)에서의 파쇄면의 차이에 의한 200메쉬 이하량 및 전력원 단위의 비교(롤러 가압력은 23.5kg 일정)를 표 4에 기재한다. 타이어 볼록형 롤러와 조합되는 테이블은 모두 평활면 테이블이다. 타이어 볼록형 롤러의 롤러 전체 폭 66mm 중, 주파쇄면으로서의 평활면은 23mm폭(전체 폭의 35%)으로 설정하였다.

시험 번호 1. 평활면 롤러

시험 번호 2. 원료를 배출하는 방향의 기울기 45도 홈을 파쇄면 전체에 형성〔도 3(a)〕

시험 번호 3. 중앙의 주파쇄면을 평활면으로 하고, 나머지에 배출 방향의 기울기 45도 홈을 형성〔도 3(b)〕

시험 번호 4. 중앙의 주파쇄면을 평활면으로 하고, 나머지에 되긁어 모으기 방향의 기울기 45도 홈 형성〔도 4(b)〕

타이어 편평형(D/R=4)에서의 파쇄면의 차이에 의한 200메쉬 이하량 및 전력원 단위의 비교(롤러 가압력은 23.5kg 일정)를 표 5에 기재한다. 타이어 편평형 롤러와 조합되는 테이블은 모두 평활면 테이블이다.

시험 번호 1. 평활면 롤러

시험 번호 2. 원료를 되긁어 모으는 방향의 67.5도 스크류 홈을 파쇄면 전면에 형성〔도 5(a)〕

시험 번호 3. 양측 소직경측의 주파쇄면을 평활면, 나머지의 중앙 파쇄면에 원료를 되긁어 모으는 방향의 67.5도 스크류 홈을 형성〔도 5(b)〕

석탄 분쇄에 관해서도, 사다리꼴형 롤러, 타이어 볼록형, 타이어 편평형의 3종류의 롤러 모두 주파쇄면을 평활면으로 함으로써, 200메쉬 이하의 미분 분쇄량이 현저하게 증가하였다. 분쇄에 필요로 하는 에너지량을 나타내는 전력원 단위도 주파쇄면을 평활면으로 함으로써 최소값을 나타내었다. 주파쇄면을 평활면으로 하면, 나머지 파쇄면에 원료를 긁어 넣는 직각 슬릿 홈이나 45도 기울기 슬릿 홈, 원료의 이송성이 우수한 67.5도 스크류 홈 중 어느 것을 채용해도 효과가 현저하게 확인되었다. 특필할 만한 것은, 사다리꼴형 롤러에서 직각 슬릿 홈을 형성한 경우에 있어서도, 미분의 분쇄량은 67.5도의 스크류 홈의 경우와 동정도이었다.

사다리꼴형 롤러에 관해서, 67.5도의 이송성이 우수한 스크류 홈과, 바이트성이 우수한 직각 슬릿 홈의 효과의 차이를 검토하였다. 사다리꼴형 롤러로 통상의 평활면의 롤러와, 원료를 배출하는 방향으로 67.5도의 스크류 홈을 형성한 롤러의 미분의 분쇄량을 비교하면, 약 20% 증가하였다. 이 미분의 분쇄량의 증가는 67.5도의 스크류 홈의 다소의 바이트성과 주된 기능인 원료 이송 성능에 의해 초래되었다. 롤러의 주파쇄면을 평활면으로 한 경우에는, 미분의 분쇄량의 증가는 약9% 향상되었다. 즉, 주평활면은 약 9%의 증가에 공헌하였다.

사다리꼴형 롤러에 있어서, 통상의 평활면 롤러와, 롤러 축에 평행한 직각 슬릿 홈을 파쇄면 전체에 형성한 롤러의 미분의 분쇄량을 비교하면 약 21% 증가하였다. 이 미분의 분쇄량의 증가는 직각 슬릿 홈의 바이트 성능에 의해 초래되었다. 롤러의 주파쇄면을 평활면으로 한 경우에는, 미분의 분쇄량의 증가는 약 7% 향상되었다. 즉, 주평활면은 약 7%의 증가에 공헌하였다. 전자보다 2% 저하된 것은 스크류 홈에 비해 직각 슬릿쪽이 이송성이 떨어지기 때문이라고 추측된다.

결론으로서, 사다리꼴형 롤러에 관해서는, 바이트 성능이 우수한 직각 슬릿 홈과 원료의 이송성이 우수한 67.5도 스크류 홈 중 어느 쪽을 채용해도 동정도의 미분 분쇄량이 얻어지는 것이 판명되었다. 따라서, 분쇄 엣지가 직접, 분쇄 원료와 바로 정면에 맞물리는 직각 슬릿 홈은 마모의 관점에서 부드러운 원료를 분쇄하는 경우에 적용해야 하며, 67.5도 스크류 홈은 원활하게 원료를 주파쇄면으로 보내는 작용이 우수하기 때문에, 단단한 원료나 수분이 다량으로 포함되어 있는 원료를 취급하는 경우에 적용해야 한다.

부착되기 쉬운 석회석과 석탄 분쇄에 관해서, 수직형 분쇄 롤러의 분쇄 롤러의 파쇄면을 주파쇄면과 원료를 보내는 이송면의 2종류의 기능으로 나누어 생각하는 것이 옳은 것이 증명되었고, 또한 주파쇄면을 평활면으로 함으로써 마모를 감소시켜, 더욱 미분의 분쇄량을 증가시키는 것이 가능한 것이 증명되었다.

본 실시예에서는, 바이트 성능이나 이송 성능을 부여하는 슬릿 홈이나 스크류 홈을 주로 제시하였지만, 당연히 홈 뿐만 아니라 볼록상의 리브 형상을 이용해도 동일한 효과가 초래된다. 단, 볼록상 리브의 경우에는, 그 높이가 제한을 받아 5 내지 20mm의 범위로 한정되게 된다. 왜냐하면, 리브로 한 경우, 직접 분쇄 원료와 대치하기 때문에 심한 마모를 받는다. 따라서, 내마모성이 우수한 재료를 사용하기 때문에, 너무 높게 하면 원료의 충격으로 부러지기 쉽기 때문이다.

또한, 슬릿 홈이나 스크류 홈, 볼록상 리브는 길이 방향으로 연속된 것을 기본으로 하지만, 길이 방향으로 단속적으로 형성한 것이라도 좋고, 단속 형성은 볼록상 리브에 특히 적합하다.

이론적 추론에 의한 가설을 세우고, 분쇄 실험에 의해 그 성능 확인을 증명함으로써 본 발명자가 과거 오랜 세월에 걸쳐 연구해 온 수직형 밀 롤러의 파쇄면 형상에 관한 완성형을 이것으로 확립하였다.

10 수직형 밀 롤러(사다리꼴형 롤러)
11A 스크류 홈
11B 슬릿 홈
12 외주면
12A 주파쇄면
12B 원료 이송면
12C 원료 바이트면
20 수직형 밀 롤러(타이어 볼록형 롤러)
21A, 21B 스크류 홈
22 외주면
22A 주파쇄면
22B 원료 이송면
30 수직형 밀 롤러(타이어 편평형 롤러)
31 스크류 홈
32 외주면
32A 주파쇄면
32B 원료 이송면

Claims (8)

1. 회전 테이블의 회전 중심선을 포위하도록 회전 테이블 위에 복수개의 분쇄 롤러가 배치된 수직형 롤러 밀에 사용되는 수직형 밀 롤러에 있어서,
   상기 롤러가 타이어형 롤러인 동시에, 그 롤러의 파쇄면이 미분쇄를 행하는 주파쇄면과 원료 이송면으로 이루어지고, 주파쇄면은 평활면이 되고, 원료 이송면에는 롤러 둘레 방향에 대해 직각 또는 45°초과하는 각도로 경사진 슬릿 홈, 또는 롤러 둘레 방향에 대해 45°이하의 각도로 경사진 스크류 홈이 형성된 하이브리드 파쇄면 구조의 수직형 밀 롤러.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 롤러가 중앙 대경부의 외주면이 평활한 주파쇄면이 되는 타이어 볼록형 롤러인, 수직형 밀 롤러.
3. 제 2 항에 있어서, 타이어 볼록형 롤러는 최대 직경(D)과 타이어 파쇄면의 회전 방향에 직각인 면에서의 곡률 반경(R)의 비율(D/R)이 4.3 이상을 만족하는, 수직형 밀 롤러.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 롤러가 양측 소경부의 외주면이 평활한 주파쇄면이 되는 타이어 편평형 롤러인, 수직형 밀 롤러.
5. 제 4 항에 있어서, 타이어 편평형 롤러는 최대 직경(D)과 타이어 파쇄면의 회전 방향에 직각인 면에서의 곡률 반경(R)의 비율(D/R)이 4.3 미만을 만족하는, 수직형 밀 롤러.
6. 제 1 항에 있어서, 주파쇄면은 롤러 외주면에서의 최대 마모량의 2/3 이상의 마모를 나타내는 영역의 외주면인, 수직형 밀 롤러.
7. 제 6 항에 있어서, 주파쇄면은 롤러 전체 폭의 30% 내지 40%의 영역인, 수직형 밀 롤러.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 수직형 밀 롤러와 대향하는 환상 파쇄부의 표면 전체가 평활한 파쇄면, 또는 회전 방향에 직각인 슬릿 홈이 형성된 파쇄면이 되는 회전 테이블과 조합되는, 수직형 밀 롤러.
   
   

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