TECH TREND - 분체기계의 발전동향(Development of Bulk Solid Equipment)
분체기계의 정의
분체기계란, 분체(Powder 또는 Bulk Solid)를 이송, 저장, 혼합, 계량하는 기계장치 및 시스템을 모두 의미하는 단어로, 상당히 넓은 분야에서 다양한 의미로 쓰이고 있다.
이러한 분체 관련 기기들의 최신 기술동향과 발전 상황을 살펴보고 최근에 괄목할 만한 성공사례를 통하여 앞으로의 발전 방향과 가능성을 예상해 보자.
분체기계 소재(재료)의 발전
1970년대부터 2000년대 초까지 분체기계는 다양한 금속소재의 개발과 비금속재료의 탄생으로 제작방법과 적용범위에 대하여 비약적인 발전을 이루게 된다.
이때 이미 해외의 유명 분체기계 관련 제조사(Maker)들은 복합재료나 첨단소재를 분체기계에 적용하고 시험했는데 이러한 비약적인 움직임은 이 당시에 중국, 인도 등 신흥 공업국이 탄생하는 시기이며 이들의 발전과정에서 기존의 소재(Material)의 공급이 언제나 안정적일 수 없고 이러한 신흥 공업국에서 생산하는 기존의 제품과 차별성을 두고 고부가 가치의 제품을 만들어야 한다는 위기의식이 생산기획 단계에서부터 반영되었기 때문이다.
특히 1990년대부터 2000년 초반까지 세계의 화석연료(석유, 석탄 등)의 국제거래가격이 꾸준히 상승세를 이어가며 어느 일정 기간 동안에는 급등을 하면서 세계적으로 화석원료의 대체 에너지원을 찾는 산업기류가 가속화되었다.
이러한 국제적인 움직임 속에서 분체기계는 정유, 해양플랜트 분야에 기존보다 더욱 가혹한 조건에서 운전되어야 하는 시대적 요구를 받게 되는데 이러한 환경적 영향이 재료(소재)의 급진적인 발전을 가능하게 한 일부요인이 되었다.
분체기계 제어시스템의 발전
전기 제어시스템은 분체기계 발전 역사에 일등공신이라고 할 수 있다.
특별한 예를 들지 않더라도 분체산업플랜트의 발전과정에서도 확인할 수 있는데 이 중 매우 중요한 특징적인 사례는 바로 서보(Servo)의 개념이 분체기계(Equipment)와 운전시스템(Control System)에 적용이 되고 제어를 담당하는 CPU(대표적으로 PLC)의 소형화와 대중적 보급이 이를 뒷받침 해주고 있다.
이러한 혜택으로 분체기계는 각 부분(Process)별로 매우 긴밀하고 정밀한 움직임(Fast Response and Feed Back)을 할 수 있게 되었고 기계 자체적으로는 운전 안전성을 높일 수 있게 되었다.
그림 2 > 분체기계에 적용된 서보모터:Servo Motor와 감속기
또한 시스템에 사용되는 소프트웨어(Software-Program)들이 예전보다 다루기 쉽고 일반 PC상에서 간단하게 수정, 조합할 수 있는 작동환경(Interface)을 구성하게 되면서 기존에 기계적인 특성만으로 해결해야 했던 여러 가지의 개선과제를 소프트웨어로 매우 간편하고 쉽게 해결할 수 있게 되었다.
그림 3 > 분체제어시스템의 현장 제어반
※ 터치스크린(Touch Screen)을 탑재하여 현장제어반(Local Panel)에 스위치나 버튼이 없다.
분체기계 설계기술의 발전
이 부분은 분체기계를 설계, 제작하는 제조사(Maker)별로 이른바 빈익빈(貧益貧) 부익부(富益富) 현상이 가장 두드러지는 부분인데 분체기계분야에서 말하는 설계기술이란 엔지니어링(Engineering) 기술과 디자인(Design)기술 두 가지 모두를 의미한다.
이렇게 기술력에 꾸준히 투자를 하고 집중을 하는 제조사(Maker)는 현재 세계시장에서 고부가 가치의 제품을 생산하고 있으며 거기서 만든 이윤(Benefit)의 일부를 또 다시 설계능력(Engineering Capability)향상에 재투자함으로써 기술적 우위를 다져가고 있다.
그러나 이 시장에서 뒤로 밀려난 경쟁사들은 고가의 설계용 소프트웨어를 구입하기도 힘든 상황이며 매 순간마다 Version Up 되는 설계관련 툴(Tool)의 업그레이드(Upgrade)를 따라가기도 힘든 것이 현실이다.
따라서 분체기계의 설계기술은 현재 비약적인 발전을 한 것이 분명하지만 이것은 전반적인 추세(Trend)라기 보다는 제작사나 설계업체(Engineering Agent)별 경쟁력의 차별화 현상 이라고 보는 것이 적당하다.
최근의 분체기계의 발전 동향
앞서 설명한 바와 같이 기계소재의 발전이나 전기제어장치의 발전 현상은 비단 분체기계 분야에만 국한된 것은 아닐 것이다.
전반적인 기계장치의 발전과정 중 한 부분이라고 보는 것이 타당할 수 있다.
그렇다면 최근 분체기계의 개발추세는 어떠한지 그 특징을 알아보자.
다기능 제품의 개발
(Multi-Functional Equipment)
의미 그대로 한 개의 제품(Equipment)에 2가지 이상의 기능(Function)을 할 수 있는(또는 2가지 이상의 공정을 이룰 수 있는) 제품을 의미하며 분체기계의 제조사(Maker)들은 이러한 다기능 제품의 개발을 중대 목표로 삼고 있다.
분체기계는 제품의 특성상 공정별로 적용되는 기기(Equipment)가 매우 분명하게 구별되는데 각 공정별 운전조건이 정밀할수록 고성능의 기계장치가 적용되어야 하며 높은 수준의 제어시스템(Control System)을 필요로 하게 된다.
이러한 운전조건(Condition)에서 다기능 분체기계(Multi-Functional Equipment)가 적용된다는 의미는 두 개 이상의 공정(Process)이 합쳐져 하나의 공정으로 단일화된다는 의미다.
이렇게 특수한 기계장치를 개발하여 공정을 단일화할 수 있다면 전체공정을 고려하였을 때 효율이 높아지고 초기 투자비를 절약할 수 있으며 설비의 유지 보수도 이전보다 쉬워질 수 있는 것이 일반적이다.
그럼 몇 가지 사례를 알아보자.
■ 개발사례
1) 믹서 스크류컨베이어
(Mixer-Screw Conveyor)
다기능 분체기계의 대표적인 사례가 바로 원료(Material)의 이송(Conveyor)기능과 혼합(Mixing)기능이 합쳐진 믹서-스크류컨베이어(Mixer-Screw Conveyor)이다(일부 문헌에서는 Screw Shaft for Mixing and Conveyor로 명기한 사례도 있다).
사실 이전부터 원료(Powder Material)의 이송거리와 이송량이 일정조건(Process Condition)에 부합하다면 스크류컨베이어(Screw Conveyor)를 이용하여 이송과 혼합을 동시에 진행할 수 있다는 이론적인 근거는 있었다.
그 이론은 복잡하지도 않고 이해하기 쉽게 정리되어 있었다.
그러나 이론을 실제 현장에 적용하기까지는 매우 오랜 시간이 걸렸으며 현장의 설치조건과 운전조건이 절묘하게 맞아 떨어져야만 했다.
표 1 > 믹서-스크류컨베이어의 적용 조건
그림 4 > 분체원료의 이송과 혼합을 동시에 할 수 있는 믹서 스크류컨베이어의 예
하지만 위와 같은 조건적 한계에도 불구하고 믹서-스크류컨베이어는 건설소재분야의 배치플랜트(Batch Plant)나 정밀화학(Fine Chamical)공정과 같이 혼합공정을 정밀하게 설계해야하는 분야에서 계속적으로 발전되고 있다.
그 이유는 앞서 말한 바와 같이 이러한 분체기계들이 성공적으로 설치되고 운전되었을 때 공정이 개선되어 생산성 향상 및 초기 투자비용 절감 등 실질적인 이익이 발생하기 때문이다.
2) 계량-혼합장치(Weighing-Mixer)
일반적으로 분체산업시스템에서는 계량장치(Weighing System)를 중심으로 혼합공정이 전 공정 또는 후 공정에 위치하게 된다.
이러한 공정의 밀착성(다른 문헌에서는 ‘이웃성’으로 설명한 것도 있다)때문에 정밀화학 분야나 제약 분야에서는 끊임없이 연구 개발이 시도되는 분야이며 실제로 효과적인 공정통합(空挺統合)이 이루어질 경우 생산효율이 향상되는 것은 물론이고 공정단계별 이송공정이 생략되기 때문에 원료(Powder Material)의 공정손실(Loss in Process)을 최소화하고 정밀계량(精密計量)을 가능할 수 있게 한다.
그림 5 > 계량조와 계량조 내부에 설치되어 있는 혼합기
계량-혼합장치(또는 혼합-계량장치)의 적용을 위해서는 다음의 항목들을 자세히 검토하여야 한다.
• 생산설비의(또는 공정의)계량 정밀도
• 계량(공정)용 호퍼(사일로)의 위치
• 혼합(Mixer)장치의 필요 능력
(Capability)
• 계량-혼합되어야 하는 원료의 가지 수
이러한 항목들에 대하여 사전조사가 면밀하게 이루어져야 이 이후에 혼합기(Mixer)의 종류(Type)나 계량장치(Scale) 적용방법에 대하여 쉽게 접근할 수 있다.
3) 계량-이송장치
(Weighing-Conveyor)
분체(Powder)는 유체(Fluid)와 다르게 공정유량계(In-Line Flowmeter)를 적용할 수 없다.
그렇기 때문에 분체산업시스템에서는 프로세스(Process) 중간에 원료를 계량(Wighing)하여 측정할 수밖에 없는 것이며 목표대상의 원료가 고가(高價)이거나 희소성이 높을 경우 이 계량장치나 공정의 단계(Stage)는 증가할 수 밖에 없는 것이다.
이러한 조건에서 만일 이송장치에서 이송되는 원료의 양(量)을 즉시 인지할 수 있다면 얼마나 프로세스(Process)가 간소화 될 수 있는지는 관련업계의 종사자라면 너무나 잘 알고 있을 것이다.
이 중에 가장 대표적인 예가 밸트 컨TECHNOLOGY베이어(Belt Conveyor)에 계량장치(벨트스케일)를 탑재한 ‘벨트스케일 컨베이어’이다.
하지만 앞서 소개한 다른 사례와 만찬가지로 계량-이송장치의 절묘한 조합을 위해서는 현장의 설치조건 및 운전조건을 자세하게 검토하여야 하는데 이 분야에서 가장 중요한 것은 이송거리(Distance)와 계량정밀도(Capability of Weighing Scale)이다.
일반적인 계량환경에서 이송거리가 늘어날수록 계량 정밀도는 낮아지는 경향을 보이는데 이러한 이유는 먼 거리를 이송해야 하는 컨베이어(여기서 언급하는 컨베이어는 기계식 컨베이어로 한정한다)의 경우 높은 동력원(Power)을 요구하고 이 높은 이송속도를 요구하는 것이 일반적인데 이때 계량장치의 정밀도에도 영향을 주기 때문이다.
이러한 계량-이송장치를 구성하기 위해서는 이송장치에 단순히 계량장치를 더하는 개념이 아니라 운전시스템(System)상에서 이송속도나 이송량을 하나의 변수(Variable)로 전환하여 현장에서 즉시 계산할 수 있는 계산장치(연산장치)가 필요한데 이 장치를 유체제어시스템에서 사용하는 플로우 컴퓨터(Flow Computer)와 같은 기능의 기계장치라고 생각하면 된다.
현재까지 계량-이송장치는 기계식 이송장치(Mechanical Type Conveyor)분야에서 매우 활발하게 연구 개발되고 있으며 이러한 움직임은 분체기계에 적용 할 수 있는 계측기기(Instrument and Sensor)의 발전과 무관하지 않다.
결론
분체의 특성(물리적, 화학적 특성)에 의존도가 큰 분체기계의 설계분야에서 단순하게 여러 가지 공정별 기계장치를 접목시키는 것에서 벗어나 전체공정(Whole Process)을 개선하고 공정능력을 향상시킬 수 있는 제품(Equipment)의 개발은 관련 설계 및 엔지니어링 분야에서 매우 중요한 기준을 제시한다.
하지만 때로는 무리한 공정개선을 하기 보다는 각 공정별로 기능을 완벽하게 소화해 낼 수 있는 고효율 기계장치를 개발, 적용하는 것이 더 나은 경우도 있다.
이러한 판단은 개발자나 설계기술자의 책임이며 정확한 판단을 위해서는 취급원료에 대한 정확한 이해와 공정능력(효율)에 대한 신뢰성 있는 Data를 먼저 확보하는 것이 중요하다.
또한 최근까지 눈부신 발전을 하고 있는 계측장치나 센서기술은 어쩔 수 없이 분체기계의 기능적 (Functional)발전을 돕고 있는 것이 사실이어서 어떻게 보면 분체기계 기술자나 엔지니어들이 타의에 의해서라도 개발능력을 향상시켜야 하는 시장적 요구를 받고 있는 것이다.