앞서 배합공정에 대해서 대략적으로 공정과 주요설비들에 대해서 알아보았습니다. 이번 글에서는 배합공정에서 사용되는 설비 중 반바리와 니더기에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
타이어 제조, 산업용 팩킹, 플라스틱 등 배합과 관련된 많은 산업군에서 반바리와 니더기를 사용하고 있으나, 그 범위를 줄여서 신발공장에서의 공정에 포커스를 맞추어, 신발공장의 배합공정에서는 어떠한 종류와 특성을 가진 설비를 사용하는지 알아보도록 하겠습니다.
반바리와 니더기에 대한 이해
반바리와 니더기 두 설비의 구조는 기계적인 특성에 있어서는 상당히 유사합니다. 프로세스에 따라 혹은 공장의 상황에 따라 반바리를 선호하기도 하고, 니더기를 선호하기도 합니다. 신발공장에서 반바리는 고무를 배합하는 공정에 사용하고, 니더기는 EVA를 배합하는 공정에 사용하는 편입니다만, 이는 사용자의 선호도에 따라 적용이 달라질 수 있습니다. 따라서, 최적화된 시간과 비용, 효율성을 고려하여 상호보완적으로 사용할 수도 있습니다.
두 설비는 모두 유사한 기계적인 구조를 가지고 있다했는데, 큰 부분에서 본다면 역회전 관계의 로터 한쌍, 혼합 챔버, 램, 피딩 호퍼 등으로 구성되어 있습니다. 아래 그림을 통해서 비교해 본다면 더 도움이 될 것입니다.
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| 반바리와 니더기 구조 |
출력 메커니즘
두 설비는 유사하기도 하지만 다른 한편으로는 다른 출력에 대한 메커니즘을 가지고 있습니다. 기본적으로 고무든 EVA든 투입부를 통해 재료가 공급되고 취출부를 통해 나오게 되는데, 반바리는 혼합챔버에서 반죽이 완료된 후에 믹싱롤로 떨어지도록 드롭도어(Drop Door)가 있는 구조를 가지고 있으며, 니더기는 재료를 배출하기 위한 덤핑 도어(Dumping Door)의 구조를 가지고 있습니다(위 그림 참조).
어떤 산업군에서는 이 두 설비를 통칭하여 반바리라고 명명하기도 하는데, 흔히 우리가 이해하는 반바리를 내(內)반바리라 하고, 니더기는 외(外)반바리 라고도 합니다. 이는 배출하는 메커니즘과 기계적인 구조를 보고 이름을 그렇게 부르는 듯 합니다.
믹싱 품질과 효율
아래에 보여지는 표에서는 반바리(Intensive Mixer)와 니더기(Kneader)의 믹싱 능력(Mixing Capacity)에 따른 모터 힘(Motor Power, HP)을 나타낸 것을 볼 수 있습니다. 동일한 75리터 용량을 기준으로 할 때, 반바리는 약 200~250마력의 힘이 적용되고, 니더기는 125~150마력정도의 힘이 적용됩니다.
반바리의 경우, 니더기보다는 더 큰 용량과 힘을 가진 설비입니다만, 업계에서 일반적으로 가지는 믿음과는 별개로 대형 믹서를 사용하는 것이 꼭 더 큰 효율이나 높은 품질을 가지지는 않습니다. 배합하는 조건에 따라서 적절한 용량의 설비를 사용하는 것이 중요한 부분이라 할 수 있습니다.
반바리와 니더기의 온도 특성
천연고무와 합성고무와 같이 열의 특성에 민감한 폴리머의 경우는 혼합 공정에 있어서 온도를 관리하는 것도 중요한 부분입니다. 대형 믹서에 반해 작은 믹서가 가지는 장점은 냉각적인 부분에 있어서 유리하다는 것입니다. 즉, 믹서의 챔버가 작을 수록 냉각 시간이 더 빠르고, 혼합된 재료의 온도를 효율적으로 조정이 가능하게 됩니다.
반바리와 같이 큰 힘을 가지고, 믹서의 크기가 큰 경우라면, 챔버내에서의 혼합 온도는 상당히 높아지게 됩니다. 대형 믹서에서는 배치(Batch)의 용량을 더 크게 가져가기 때문에 혼합하는데 시간이 더 오래 걸리게 되고, 이로 인해 고무의 분자구조가 손상될 수 있으며, 최종 화합물의 품질에 영향을 미치게 됩니다.
즉, 혼합시간이 길어질수록 품질적인 부분에서는 좋지 못한 결과를 가져오게 되고, 물성에 부정적인 영향을 미치게 됩니다. 출력적인 면에서는 대용량 믹서가 유리하지만, 품질적인 측면까지 고려한다면, 중형 믹서가 더 나을 수 있다는 것입니다.
반바리나 니더기를 선정함에 있어서 중형 믹서를 적용할 시 높은 수준의 분산과 고점도의 고무 원료를 보다 더 짧은 시간내에 달성할 수 있게 됩니다. 신발공장에서는 보통 75~100리터 규모의 반바리와 니더기를 사용하는 편입니다.
반바리와 니더기 두 설비 간에 온도 특성을 비교해 본다면, 반바리가 더 높은 온도와 짧은 혼합시간을 가지게 됩니다. 실리카와 같은 첨가물을 분쇄하는데에도 큰 힘이 필요하긴 하지만, 고무의 특성적인 부분에 있어서는 생산성이 좀 더 낫다고 볼 수는 있습니다. 그럼에도 반바리가 반죽을 하는데 있어서 꼭 최상의 솔루션이라 할 수는 없습니다.
니더기는 생산성은 낮으나 다음과 같은 부분에서 나름대로의 이점이 있는 편입니다.
- 반죽기능 : 원시 고무 블록을 적재하는 용이성
- 마스터 배치 생산 : 혼합 온도가 상대적으로 낮아야하기 때문에 회색 화합물과 같은 유색 화합물을 생산하는데 유리함.
생산 공장에서는 다양한 경험들을 통해 반바리와 니더기의 특성, 냉각효과, 혼합방식, 재료의 특성과 물성, 배출방식 등을 반영해서 적정한 설비를 선정하게 됩니다.
이러한 경험에 바탕을 두어 대체로 반바리는 고무 성형공정, 니더기는 EVA 성형 공정에 적용하는 것입니다.
반바리 동작 원리
반바리와 니더기가 반죽을 수행하는 동작순서는 아래와 같습니다.
- 재료투입
- 호퍼 도어닫힘
- 램(RAM)에 의한 재료 압착(챔버로 압착)
- 온도 발생 및 로터 회전
- 재료 혼합
- 믹싱 완료 후 토출
위와 같은 순서로 반죽 기능이 수행될 때에, 모니터링을 해야할 파라미터 들이 있습니다.
자동계량과 콘트롤
반바리의 경우는 사람의 수작업으로부터 발생할 수 있는 오류를 방지하기 위해서, 자동계량시스템이 적용되어져야 하고, 자동으로 혼합공정을 콘트롤할 수 있어야 합니다. 이를 통해 화합물이 적정하고 조성되어지고, 혼합되어질 수 있게되며, 이 단계 중에 혼합이 충분하게 수행되지 않으면 결국, 품질적인 부분에 부정적인 영향을 미치게 되는 것입니다.
적정한 온도 관리
앞서 언급했듯이 반바리를 통해 충분한 분산을 수행하기 위해서는 화학 첨가물을 잘 녹여서 혼합을 해주어야 하는데, 이를 위해 챔버내의 온도를 높여 주어야 합니다. 그러나, 너무 높은 온도를 적용하게 되면 고무가 과다하게 부드러워지게 되어 충분한 전단력이 생성되지 않게 됩니다. 이는 분산이 저하되게 됨을 의미합니다.
통상적으로 천연고무와 합성고무는 고열에 대한 저항이 없는 편입니다만, 그래도 너무 높은 온도는 화합물의 혼합과 품질에 부정적인 영향을 줄 수 있음을 인지해야 합니다.
혼합속도와 시간, 냉각
적정 온도 관리를 하면서 그 균형을 유지하기 위해서는 혼합 속도와 시간에 대한 모니터링도 중요합니다. 반바리의 경우는 혼합공정 전반에 걸쳐서 온도를 제어하기 때문에 이러한 부분을 일차적으로 감시 및 관리해야하며, 냉각에 대한 부분도 역시 적절하게 제어하는 것이 포인트라 할 수 있습니다.
조기 가황 방지
유황 성분은 고무 혼합물을 만들어 내는데 쓰이는 가장 일반적인 가황제 중 하나입니다. 가황을 가속화하고 산화아연, 스테아르산 등과 같은 화상을 방지하는 다른 화학 물질과 함께 사용됩니다. 이 공정에서는 고무의 폴리머 사슬의 효과적인 가교(가황)가 중요한 부분이지만 조기 가황이 되지 않도록 유의해야 합니다.
이를 방지하기 위해서는 온도 관리를 통해 세팅된 온도 이상 상승하지 않도록 해야합니다.
니더기는 반바리와는 달리 설비의 특성상 가황 임계 온도를 쉽게 초과하지 않습니다. 따라서, 시간이 많이 걸리는 대신 안정적인 품질을 기대할 수 있는 것입니다. 이러한 설비의 안정성 때문에 EVA를 혼합하는데 니더기를 사용하는 편입니다.
반바리와 니더기의 공통점
니더기와 반바리의 공통된 특성은 배합을 목적으로 신발제작에 필요한 자재인 고무와 EVA의 원재료를 배합해 주는 기능을 수행하는 것입니다. 그러나, 고무나 EVA의 원료를 배합하기 위해서는 비교적 큰 힘을 사용하여야 하는데, 아래표에서 반바리와 니더기의 마력수(HP)에 대한 비교내용을 다시 한번 살펴보도록 하겠습니다.
표를 통해 알수 있듯이, 75리터 용량의 설비를 비교하면 반바리의 경우는 200~250HP의 힘이 필요하고, 니더기의 경우는 125~150HP 정도의 힘이 필요함을 알 수 있습니다. 이를 전력으로 환산한다면, 반바리는 149~186KW의 전력량과 니더기는 93~ 110KW정도의 전력량이 필요하다는 것을 의미합니다.
보통 50마력(37KW)짜리 에어컴프레셔가 먹는 전력량을 감안해 본다면, 풀부하로 동작시에 상당한 전기를 사용한다고 볼 수 있습니다.
위의 도표에서 보았듯이, 반바리는 마력(HP)이 니더기 보다 더 큰 편이므로, 생산성이 좋으나 반면 에너지 효율적인 부분에서는 단점을 가지고 있습니다. 생산공장에서는 이러한 반바리의 에너지적인 손실을 최대한 보상하기 위해 전력단가 낮은 시간대를 가능한 활용하기도 합니다.
베트남의 경우를 예시를 든다면, 아래 사이트에서 시간대에 따른 전력의 단가를 참조할 수 있습니다.
WHOLESALE ELECTRICITY TARIFF FOR INDUSTRIAL ZONE AND MARKET
| Customer group | Rate (VND/kWh) | |
|---|---|---|
| 1 | Wholesale electricity tariff for industrial zone | |
| 1.1 | Wholesale electricity tariff at the 110kV busbars of 110/35-22-10-6kV substations | |
| 1.1.1 | Total capacity of transformers exceeding 100MVA | |
| a) Standard hour | 1,587 | |
| b) Off-peak hour | 1,017 | |
| c) Peak hour | 2,910 | |
| 1.1.2 | Total capacity of transformers ranges from 50MVA to 100MVA | |
| a) Standard hour | 1,581 | |
| b) Off-peak hour | 987 | |
| c) Peak hour | 2,897 | |
| 1.1.3 | Total capacity of transformers below 50MVA | |
| a) Standard hour | 1,573 | |
| b) Off-peak hour | 982 | |
| c) Peak hour | 2,879 | |
| 1.2 | Wholesale electricity tariff for medium-voltage electricity at the 110/35-22-10-6kV substations | |
| 1.2.1 | Voltage levels from 22kV to below 110kV | |
| a) Standard hour | 1,638 | |
| b) Off-peak hour | 1,064 | |
| c) Peak hour | 3,034 | |
| 1.2.2 | Voltage levels from 6kV to below 22kV | |
| a) Standard hour | 1,697 | |
| b) Off-peak hour | 1,102 | |
| c) Peak hour | 3,132 | |
| 2 | Wholesale electricity tariff for market | 2,562 |
반바리에 대하여
반바리의 구조
반바리(Intensive Mixer)의 구조는 아래 그림과 같습니다. 반바리를 제작하는 업체의 수는 많기 때문에 인터넷 검색을 통해서도 충분히 알 수 있습니다. 시장의 규모상 중국계, 대만계, 유럽계 회사들로 구분해 볼 수 있는데 가성비 측면에서는 중국계, 품질적 측면에서는 유럽계, 그 중간 지점에서 가격과 적정한 품질적 측면에서 본다면 대만계 회사가 아닐까 싶습니다.
반바리 개요
반바리는 크게 6개 부분으로 구성이 되는데, 메인실린더(Main Air Cylinder), 플로팅웨이트( Floating Weight), 믹싱챔버(Mixing Chamber), 로터(Rotor), 배출장치(Discharge Device), 공급도어(Feeding Door) 등이 있습니다.
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| Tangential Type의 반바리 구조 |
기능적인 측면에서 본다면, 이 설비의 역할은 플라스틱이나 고무같은 원재료를 혼합하는 것입니다. 믹싱작업을 수행할 때는 고무의 주재료와 부가적인 혼합물들이 함께 투입이 되고 로터에 의해서 반죽이 됩니다. 신발 고무는 대체로 실리카와 같은 강도가 높은 부가적 첨가물이 들어가기 때문에 힘이 강한 반바리를 사용하는 편입니다.
챔버에서는 로터가 끊임없이 회전하면서 재료와 첨가물을 반죽하게 되는데, 이 때 중요한 것은 챔버와 로터의 온도를 얼마나 적정하게 일정하게 유지하는가가 관건입니다. 온도에 대한 관리가 제대로 되지 않으면 결국 이는 품질에 직결된 부분에 영향을 주게 됩니다.
설비에 있어서 중요한 부분과 기능
반바리 설비에 있어서 품질적인 요소를 결정하는 중요한 부분을 꼽으라면, 저는 메인실린더, 믹싱챔버, 로터 이 세가지를 선택하겠습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.
메인실린더는 재료 투입 후, 챔버안에서 원료가 믹싱될 때에 눌러서 압력을 형성해 주는 역할을 하는데, 이 압력이 충분하지 못해서 밀려나게 된다면 믹싱이 제대로 될 수가 없게 됩니다. 따라서, 공압으로 동작하는 실린더의 용량이 충분해서 압력을 가해주도록 하거나, 유압 실린더로 변경해 주는 것을 검토해 볼 수 있습니다.
다만, 이러한 경우는 설비의 가격에 영향을 줄 수 있으므로 공장의 상황에 적합한 판단을 해야 합니다.
믹싱챔버와 로터에 있어서는 챔버내의 온도를 필요한 조건에 부합하도록 충분하게 유지해 주는 기능이 관건인데, 아래 그림에서 보듯이 설비내의 온도는 온수와 냉수를 공급하여 적정하게 조절하고 유지하게 됩니다. 메인 배관을 통해서 온수가 챔버와 로터에 공급되게 되고 회수되면서 일정한 온도를 유지합니다.
즉, 고온이 필요할 때는 온수를 적정하게 공급하여 온도를 안정적으로 유지하여야 하고, 냉각이 필요한 시점에는 적정한 온도의 냉각수를 흘려서 원하는 품질을 얻도록 해야하는 것입니다.
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| 로터 구조와 원리 |
온수를 수동이 아닌 자동적으로 공급될 수 있는 시스템이 적용된 설비가 더 좋으며, 로터 내부의 온수의 흐름이 최적화된 형태로 설계된 제품이 더 좋은 품질을 가져올 수 있습니다. 보통 이러한 대형설비들은 한 번 구매하면 10년 이상을 사용하는 경우가 많기 때문에 구입하는 시점에 충분한 검토를 통해 품질을 안정화 시킬 수 있는 옵션들을 가능한 적용하는 것이 낫다고 봅니다.
아래는 반바리를 운용하는 유튜브 링크입니다. 반바리의 운용에 참고하면 도움이 될 것입니다.
니더기에 대하여
니더기의 구조
위에서 부터 글을 읽어왔다면 니더기의 구조는 반바리와 거의 유사함을 인지하고 있을 겁니다. 원재료를 투입해서 믹싱해서 토출하는 기능을 동일하게 수행하기 때문에 반죽하는 구조가 비슷할 수 밖에 없습니다. 아래 그림에서는 니더기 본체와 라인을 연결했을 때의 사진을 보여주고 있습니다. 보통 니더기에서 반죽이 완료되면, 덤핑 컨베어를 통해서 믹싱롤로 원료를 보내게 됩니다.
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| 니더기와 니더기 배합공정 |
주요 프로세스
니더기에서 원료가 믹싱되는 프로세스는 앞에서 언급한 반바리와 큰차이는 없습니다. 따라서 설비를 이해함에 있어서 니더기와 반바리는 거의 동일선상에 놓고 비교해도 무방할 것입니다.
- 재료투입
- 호퍼 도어닫힘
- 램(RAM)에 의한 재료 압착(챔버로 압착)
- 온도 발생 및 로터 회전
- 재료 혼합
- 믹싱 완료 후 토출
아래는 니더기를 운용하는 동영상입니다. EVA 공정 프로세스 전반적으로 보여주는 좋은 예시라 생각됩니다. EVA공정은 니더기–>덤핑컨베어–>롤믹싱–>펠렛압출기–>언더와터–>건조 공정등으로 진행되는데, 동영상을 통해서 니더기와 전체 공정을 살펴보시길 바랍니다.
| 순서 | 포스트 글 내용 |
| 1 | 01.배합공정설비 알아보기 |
| 2 | 02.반바리와 니더기 |
| 3 | 03.믹싱롤 오픈롤 |
| 4 | 04.카렌다 공정(Calendar Process) |
| 5 | 05.펠렛타이징 공정(Pelletizing Process) |
