EPS 용융장비 장비평가 (기술분석)

[파인트리]

대한엔지니어링 최춘배 기술사는 기계기술사일뿐 아니라 전기기술사로서 정확하게 장비에 대한 진단은 물론 풍부한 법원감정 경력을 바탕으로 하여 #기계설비 감정, #법원감정, #중고기계감정평가, #공사비 감정, #법원소송기술자문 컨설팅을 하고 있습니다.

근래에 들어서 장비의 사고 원인 등에 대한 평가가 많아지고 있습니다.

저는 철도 시설 관련 사고의 원인을 과거에 평가를 한 적도 있지만 최근에는 장비의 사고의 공학적 규명에 대한 검토를 해서 국내의 회사에 제공을 한 적도 있습니다.

이를 토대로 전문적인 기술력에 대해서 신뢰를 보인 대기업 회사에서 저에게 기술자문 MOU를 요청하시기도 했으며, 2023. 4.에 회사 주요 멤버가 계신가운데 기술자문 MOU와 함께 기술자문 위원패와 위촉증을 받기도 했습니다.

플라스틱 수지에 대해서 잘 모르시는 분들이 많아서 최근의 수지 익스트루더 사례를 공유하고자 합니다.

1) 폴리스틸렌(PS) 특성 : 발포폴리스틸렌(EPS)의 재료로 쓰임

폴리스티렌은 실온에서 고체이지만210C에서 녹기 시작하는 열가소성 수지입니다. 폴리스티렌은 일단 녹으면 새로운 형태로 변형된 다음 고체가 될 때까지 냉각될 수 있으므로 재활용하기에 매우 좋습니다. 모든 형태의 폴리스티렌은 산과 염기에 다소 내성이 있어 일상적인 사용에 안정적입니다.

다양한 발포 폴리스티렌을 스티로폼이라고 합니다. 이 폼은 단단하지만 구조적 강도와 낮은 밀도로 인해 상당한 압력을 흡수하고 분산할 수 있습니다. 기포로 팽창되었음에도 불구하고 폴리스티렌 폼은 여전히​​습기 방지 및 단열 특성을 유지합니다. 이것이 뜨거운 음료가 종종 폴리스티렌 컵에 담긴 이유입니다.

폴리스티렌은 경질 플라스틱, 폼 또는 필름 형태 등 다양한 사용 사례가 있습니다. 단단한 플라스틱, 야외 가구, 시험관, 안경, 장난감, 컴퓨터 하우징, 기구 및 플라스틱 음료 컵에 자주 사용됩니다. 폴리스티렌으로 확장된 발포체는 포장, 테이크아웃 용기, 엔지니어링 모델 및 스티로폼 음료 컵에 사용됩니다. 필름으로 늘어나면 폴리스티렌은 진공 성형 포장에 저렴한 대안으로 자주 사용됩니다.

단량체 스티렌으로 만든 합성 고분자입니다. PS는 다양한 플라스틱 제품을 생산하는 데 사용되는 빌딩 블록 소재의 일종인 스티렌 중합으로 제조됩니다. 또한 자연적으로 발생합니다 (딸기, 계피, 커피, 맥주).

이 플라스틱 중합체는 천연 투명 열가소성 물질로서 단단한 발포 재뿐만 아니라 고체 형태로도 사용할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 PS 재질은 투명하고 단단하며 부서지기 쉽습니다.

일반적으로 다양한 최종 세그먼트 제품을 생산하기 위해 플라스틱으로 사용됩니다. 고체 형태의 플라스틱은 선명도가 요구되는 제품을 생산하는 데 널리 사용됩니다. 이들은 종종 전자 제품, 자동차 부품, 원예 냄비, 장비 등의 제품을 생산하기 위해 착색제, 첨가제 및 기타 형태의 플라스틱과 함께 사용됩니다.

PS는 폼 소재로 만들어지며 단열 및 완충 특성으로 잘 알려진 팽창 폴리스티렌 (EPS) 또는 압출 폴리스티렌 (XPS)으로 불립니다

PS에 사용되는 화학식은 (C8H8) n

밀도 - 0.96-1.04 g / cm3

융점은 ~ 240 ° C (464F, 513K) 이소탁틱 PS의 경우

물에 녹지 않는 용해성

용해도 - 아세톤에 비 용해성

중합체의 열 전도율은 0.033 W / (M·K) (발포체, ρ0.05 g / cm3)이다 ]

굴절률은 1.6이다. 유전 상수 2.6 (1 kHz - 1 GHz) [3]

2) PS (폴리스틸렌) 성형온도 : 녹아도 되는 시트생산시 270∼280까지 올림

폴리스틸렌 성형온도는 후부는 160∼250℃, 중앙부 180∼270℃, 전부 200℃∼300℃, 노즐 200∼280℃로 하는 것이고, 팰릿을 만들기 위해서 실과 같이 만들어서 냉각후 커팅을 거쳐서 팰릿으로 하기 위해서는 반드시 다이스 노즐에서 융점인 240℃보다 낮아야 하므로 온도제어가 매우 중요합니다.

특히, PE는 결정융점이 저밀도는 95-130℃이고, 고밀도 PE는 120-140℃이지만 PS는 결정융점은 특별히 나타나지 않으나, 글래스(GLASS) 전위점이 낮고 240℃의 융점에서는 물처럼 흘러내릴 수 있는 용융상태가 되므로 나오는 배출시의 온도관리가 세밀해야 하는 것입니다.

3) EPS (발포 폴리스틸렌) : EPS원료는 240℃ 넘으면 물처럼 흘러내리고, PS수지 가열시 공정이 너무 길면 변색의 위험이 존재하여 품질이 좋지 못할 것임

발포 폴리스틸렌은 흔히 스티로폼이라고 불리며, PS수지에 펜탄이나 부탄과 같은 발포제를 첨가시켜서 1차 발포, 2차 발포하여 만들게 되고, PS수지는 투명한 것을 사용해야 발포에 의해서 흰색 스티로폼을 만들게 되므로, PS수지나 폐스티로폼을 압축하거나 녹여서 만든 EPS의 원료가 되는 소재를 압출성형기 (EXTRUDER)에서 녹여서 선으로 뽑아낸 후에 이것을 커팅하여서 팰릿 형태로 작은 절단 칩을 만드는 공정에서는 가능한 스크류에 의한 가열과 혼합, 압축의 공정이 짧을수록 변색이 작을 것이며, 온도제어가 정밀해야 수지를 다이스 노즐에서 뽑아 실과 같이 당겨 수조를 통과시켜 냉각시키고 다시 커팅기를 거쳐서 절단이 가능한 것입니다.

게다가 익스투루더(EXTRUDER)를 거쳐서 나오는 공정 자체가 온도제어가 확실하고 균질하여야 가는 실선으로 뽑아져 나올 수 있고, 240℃를 넘으면 융점이 되어서 선으로 뽑을 수 없습니다.

그런데, 실린더 내에서 스크류의 압축, 이송을 시키고 전기 히터에 의한 가열을 해서 온전히 녹이고 압축해서 다이스 구멍을 통해서 가는 실선으로 뽑아 수조를 통과해서 냉각하고, 이를 커팅해야 하므로, EXTRUDER에서의 정밀한 온도제어는 매우 중요하며, 가능한 가열공정이 짧아야 가능한 투명한 상태의 EPS원료를 생성할 수 있는 것입니다.

EXTRUDER에서의 온도제어가 잘 되어야 하고, 가능한 가열공정이 짧아야 하므로 일반적인 PE 필름 등 폐비닐 재생용 펠릿을 생산하는 압출기라인에 사용하는 것을 PS 수지의 실선으로 뽑아서 커팅하여 펠릿을 만드는 공정에 사용해서는 안된다고 판단됩니다.

따라서 현재의 1호기/2호기/3호기 조합 EXTRUDER 장비의 선별은 EPS생산을 위한 장비로 보기 어려우며 정상적인 조합으로 보이지 않습니다.  

2. 최적 EXTRUDER 구성 : 공정이 짧고 온도/압력제어가 잘되는 장비

EPS 원료는 온도제어가 잘되어야 하고, 변색이 되지 말아야 하므로 일반 폐비닐 용융기 (EXTRUDER)를 사용해서 생산하기는 어렵습니다.

1) 정밀 온도제어를 하는 1대의 EXTRUDER로 고급 수지생산(사례) :

최적 EXTRUDER는 단 1대의 장비로 수지가열 및 압축을 해서 용융수지를 만들며, 예를 들어서 PET의 수지의 경우에 온도제어와 생산효율, 품질이 중요하므로 1대의 EXTRUDER로서 내부에 스크류에서 실린더를 통과하여 전기 주물히터를 통해서 가열하고 다이스를 통해서 용융수지를 뽑아냅니다.

이와 같은 장비는 온도제어도 섹션별로 관리하기 때문에 정밀 제어가 가능합니다.

따라서, PET나 EPS 등 투명수지는 가능한 1대 혹은 2대의 직렬배치로 운영을 하되, 열에 의한 변색을 고려하여 가능한 실린더 내의 스크류에 의한 이동거리를 포함하여 가능한 짧게 운영하는 것이 필요할 것으로 보이며, 내부 회전 스크류는 통상적으로 수지의 혼합, 가열, 압축, 이송을 위한 용도로 사용되므로 수지의 특성을 고려하여 배치하되, PET나 EPS원료용 투명 수지를 뽑아내기 위한 용도라면 1 STAGE EXTRUDER 배치 (1대배치) 또는 2 STAGE EXTRUDER 배치 (2대 배치)로 충분할 것이며, 혼합, 가열, 압축, 이송을 위한 기능을 고려하여 설계배치가 필요합니다.

(직렬 배치되는 장비의 대수가 많아지면 변색의 위험이 높다고 판단됩니다.)

3) 열손실과 온도저하를 막기 위한 보온재 처리는 기본적임 :

온도제어를 위해서 가열되는 배관이나 요소는 모두 보온재 단열처리를 합니다.

4) 특수한 금속으로 만든 정밀 스크류를 사용 (참고용):

특수한 스크류를 사용해서 압축되면서 가열되고 녹도록 합니다.

앞으로 갈수록 피치간격이 작아지고 압축되도록 하면서 앞으로 이송되도록 하는 정밀 스큐를 사용하기도 합니다. 아래의 스크류는 특수한 재질로 만든 것이고, 압축하여 압력이 많이 걸리기 위해서 피치가 작아지고 압력이 걸리도록 설계한 특수한 스크류입니다.(PET필름용)

5) 특수의 전기 주물히터 사용으로 온도 가열 및 온도센서 채택 (참고용) :

특수한 형태의 멜트 파이프 전기 주물히터를 사용하고 온도센서에 의해서 정밀 온도제어를 하기도 합니다. 이런 경향은 PET등 특수한 수지에 적용되고 있으며 정밀한 온도제어를 위한 가열에 적합합니다. PS도 정밀한 온도제어가 필요합니다.

6) 온도와 압력의 정밀제어는 기본적인 EXTRUDER의 품질요건 :

EXTRUDER는 수지의 가열 및 용융배출과정에서 요구되는 온도로 제어할 수 있는 온도센서, 압력센서, 온도의 설정 및 확인은 기본적인 품질의 요건입니다.

PE필름의 경우에는 280∼ 312℃의 범위에서 시트를 만들기도 합니다.

따라서 PE필름의 경우는 좀더 높은 고온에서도 다이스를 나와 T캐스팅으로 필름을 만들거나 노즐에 의해서 선의 형태로 만들어도 문제가 없는 수준으로 보입니다.

3. 본 사건 EXTRUDER 문제 :온도제어 정밀하기 어려움(EPS용 불가)

1) 1차/2차/3차가 서로 용량으로 언밸런스 : 1차는 너무 큰 상태(폐비닐용)

이 건의 레이아웃은 상기와 같이 라인 구성이므로 1차를 거쳐 2차, 3차로 이어지게 되어 있습니다.

1차 압출기 (1차 EXTRUDER)는 트윈 스크류 방식으로 2개의 스크류를 쓰고 있어서 용량이 매우 크나 2차 압출기 및 3차 압출기는 용량이 대용량인 1차에 따라가지 못하게 되어 있습니다.

이 경우 생산이 서로 언밸런스가 됩니다.

3차 압출기의 용량대로 2차 및 1차의 용량을 조절해야 하므로 불필요하게 큰 1차 압출기의 열용량으로 인해서 열손실이 매우 크게 됩니다.

또한 1차/2차/3차 압출기를 거쳐 생산하는 것은 주로 PE필름을 사용한 폐비닐용 수지 생산에서 이와 같은 방식을 사용하는 것으로 잘 알려져 있습니다.

이런 구성으로 3차 압출기의 다이스를 통해서 나오는 것을 냉각수조를 거쳐서 건조대를 거쳐 커팅기로 가져가서 잘게 절단하여 펠릿을 만들면 되므로 PE 수지 등 온도가 다소 올라가도 선으로 성형이 가능한 것은 특별히 문제가 될 사항은 아니라고 판단됩니다.

자료를 보면, 1차 압출기는 압출을 위한 스크류를 돌려주는 용량이 트윈 스크류를 쓰기 때문에 150마력, 2차는 싱글 스크류로 50마력, 3차는 싱글 스크류로 50마력이고, 1차가 2차/3차와 용량으로 맞지 않기 때문에 2차/3차를 위해서 만들어진 조합으로 보기 어렵습니다.

이 경우 설비의 인버터 출력을 조절해서 낮추어 사용하더라도 1차 압출기 등에서 용량이 크기 때문에 열손실이 매우 큰 상태가 됩니다.

2) 사용 스크류 : 압축이 별로 되지 않는 일반 스크류 사용 (피치 변화 작음)

이 건 자이에 사용되었던 스크류는 일반 스크류를 사용한 것이고, 압축이 별로 필요하지 않은 압출기용 스크류로 보입니다.

그런데 실린더와 스크류는 수년을 주기로 스크류 교체를 하고 실린더에 대해서도 마모로 인한 갭이 크다면 실린더 몸체를 교체하는 등 작업을 해야 정상적인 성능을 발휘 할 수 있으나 이 건으로 그와 같은 오버홀링을 한 것으로 보이지 않습니다.

3) 3단계의 압출작업으로 수지를 뽑는 공정 : PS수지를 뽑는 공정에 부적합

이 건의 장비는 1차 압출기, 2차 압출기, 3차 압출기를 차례대로 거쳐서 다이스 노즐을 통해서 나오게 되어 있고, 노즐을 통해서 나오는 실선을 수조를 통해서 냉각한 후 건조대를 거쳐서 커팅기로 가서 절단하여 펠릿을 생산하기 때문에 3개의 긴 압출기를 통과해서 최종 나오는 것을 실선으로 뽑아 잘라야 하므로 아무래도 투명한 수지로 나와야 할 EPS 원료용 PS 수지는 변색이 될 수 있는 가능성이 매우 높습니다.

게다가 각 압출기의 온도제어는 정밀하지 않으며, 일반 폐비닐에서는 PE필름의 경우 310℃까지도 올려서 녹여 작업을 하는 경우도 있으므로 문제되지 않으나, EPS원료가 되는 PS수지를 가열하였을 때에는 실선으로 뽑아 사용할 만큼의 수지 열변형을 일으켜야 하고, 녹는 융점인 240℃이상으로 올리면 녹아서 실선으로 뽑아내기 어렵게 되기 때문에 그만큼 정밀 온도제어가 필요한 것입니다.

하지만, 실제에 있어서 1차 압출기의 트윈 스크류만 해도 3미터가 되며, 2차, 3차를 합하면 너무 긴 공정의 스크류 가열이 되고, 가열되는 히터도 각부의 출력이 제대로 제어되어야 하나 그런 세부 온도제어를 각 부위별로 할 수 있는 여러단계의 온도센서가 없으며, 히터 또한 1차의 경우 전체적으로 구성해서 온도가 얼마나 과열될지 알수 없습니다. 이런 경우에 폐스티로폼을 녹여서 EPS용 원료를 만드는 투명 PE 펠릿을 작은 사이즈로 만들어야 할 장비로서 부족한 상태이며, 현재의 1차/2차/3차의 압출기(EXTRUDER)의 구성은 흔히 PE필름 포장지 등 폐비닐용 수지의 재생을 위한 공정에 주로 사용하는 압출기의 형태로 판단됩니다.

공정중 국부 과열로 인해 수지 변색의 우려가 있습니다.

게다가 스크류가 들어간 실린더 길이는 무려 3미터 가량됩니다.

1차 압출기는 2차/3차의 압출기인 싱글 스크류 방식과 서로 미스매치하여 언발란스 상태로 보입니다.

흔히 PE필름 등 폐비닐은 온도가 310도가 되어도 특별히 문제가 없으므로 온도제어가 정밀하지 않아도 특히 문제가 될 수는 없지만, PS의 경우에는 온도가 과열되면 변색되고, 3차 압축기의 다이스 노즐에서 나올때에 온도가 240도를 초과하면 완전히 융점이 되어서 흘러내리므로 실선과 같이 만들어야 수조를 통과시켜 인장(당김)으로 커팅기로 끌고 갈수 있으므로 현재의 온도제어가 정밀하지 않은 장비의 구성은 일반 폐비닐용 압출기의 상태로 판단됩니다.

1차 압출기는 트윈 스크류 (쌍 스크류)를 쓴 매우 큰 용량의 장비이나 고주파 열선의 바깥에 보온처리도 없는 듯 보이고, 온도제어를 장비에서 5-7군데 해도 모자랄 판에 온도센서가 매우 부족해서 과열로 인한 수지 변색의 우려가 있습니다.

게다가 스크류가 들어간 실린더 길이는 무려 3미터 가량됩니다.

1차 압출기는 2차/3차의 압출기인 싱글 스크류 방식과 서로 미스매치하여 언발란스 상태로 보입니다.

한편 PS가 과열로 수지변색이 되면, EPS 원료로는 품질적으로 좋지 않을 것입니다.

발포시켜 흰색으로 만들어야 하나 변색에 의해서 발포하더라도 품질이 떨어지거나, 커팅된 EPS원료용 펠릿의 색깔이 변색된 것은 품질이 좋지 않은 것이므로 가능한 투명한 무색에 가깝게 생산되는 것이 가장 좋을 것이므로 1차/2차/3차 압출기는 온도제어가 비교적 정밀하고, 가열 공정이 일어나는 스크류의 내부 공정은 가능한 짧아야 하는 것이 바람직하나 현재의 스크류는 거의 3미터나 되므로 일반 PE 폐비닐용 재생수지 공정에 사용하기 위한 목적으로 제작된 것을 투입한 것으로 판단됩니다.

온도콘트롤러 판넬을 보면, 간략한 구성이고, 정밀 온도제어를 위한 섹션별 구성이 적게 되어 있어서 여러개로 나누어지지 않아 정밀 온도제어를 하기 어려울 것으로 보입니다.

기본적으로 외측 보온재 (INSULATION)이 없이 사용한 것으로 볼때에 폐비닐용으로 사용한 것으로 보이고, 대류 열전달 및 방사열전달에 의한 열손실이 매우 큰 상태로 되어 있습니다. 케이블 및 센서선은 해체된 상태이거나 설치미완성 상태로 보입니다.

② 2차 압출기는 1차 압출기와 서로 용량으로 언밸런스 :

1차 압출기는 쌍 스크류로 매우 큰 상태인데, 2차 압출기는 싱글 스크류를 사용했고 모터 용량도 1차는 150마력, 2차 압출기는 50마력이므로 서로 언밸런스 상태입니다.

1차 압출기에서 수지가 배출되는 것을 2차 압출기로 받아야 하나 용량이 서로 맞지 않아서, 1차 압출기는 생산량 조정을 해야 할 뿐 아니라 전체적으로 열손실이 큰 1차/2차/3차 압출기의 구성으로 되어 있어서 열손실도 크고 생산용량이 맞지 않으므로 문제가 있습니다.

기본적으로 내부 전기히터 주변에는 외측에 보온재 (INSULATION)처리없이 사용한 것으로 볼때에 대류 열전달 및 방사열전달에 의한 열손실이 매우 큰 상태로 되어 있습니다.

② 3차 압출기는 선행 공정인 1차 압출기와 서로 용량으로 언밸런스 :

1차 압출기는 쌍 스크류로 매우 큰 상태인데, 3차 압출기는 싱글 스크류를 사용했고 모터 용량도 1차는 150마력, 2차 압출기는 50마력, 3차 압출기는 50마력이므로 1차와는 2차와 3차는 서로 언밸런스 상태입니다.

1차 압출기에서 수지가 배출되는 것을 2차 압출기로 받아야 하고 이를 다시 3차 압출기로 받아야 하나 1차 압출기는 용량이 대용량이나 2차 및 3차는 용량이 소규모이므로 서로 용량이 서로 맞지 않아서, 1차 압출기는 생산량 조정을 해야 할 뿐 아니라 전체적으로 열손실이 큰 1차/2차/3차 압출기의 구성으로 되어 있어서 열손실도 크고 생산용량이 맞지 않으므로 문제가 있습니다.

(조합된 장비는 본래 같은 작업을 위한 구성이 아니거나 서로 다른 시점에 만들어진 장비로 보이며, 정밀한 온도제어가 비교적 불필요한 PE 폐비닐용에 적합한 구성으로 보입니다.)

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