[논문]교반볼밀을 이용한 밀링공정에서 각종실험조건에 따른 구리분말의 입자형상 변화 및 DEM 시뮬레이션에 의한 정량적 에너지 변화

보르 암갈란; 오양가; 자갈사이항 바체첵; 이재현; 최희규

doi:10.3740/mrsk.2018.28.3.148

문제 정의

그리고 볼 밀링 공정에서의 입자경은 볼의 크기, 강도, 무게, 양 등에 크게 의존하며 회전속도, 밀링 시간 등 밀링 조건에 많은 영향을 받는다.¹³⁾ 따라서, 본 연구에서는 실험조건에 따른 입자형상과 입자경의 변화를 현미경으로 면밀히 관찰하여 그 변화를 파악하였다.
본 연구에서는 교반볼밀을 이용하여 다양한 실험 조건에서 분쇄매체의 재질을 달리한, 분쇄매체의 차이를 입자형상 변화 및 밀링 공정에서 어떤 영향을 미치는지를 관찰하였다. 즉, 비중이 다른 세 가지 분쇄매체의 밀링 메커니즘을 규명하기 위하여, 매체의 운동을 3차원 DEM(discrete element method) 시뮬레이션을 통하여 교반볼밀 내의 볼 운동을 해석하고, 실제 카메라로 촬영한 밀내의 볼 움직임의 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였고, 시뮬레이션 이후의 계산 결과를 토대로 실험으로는 찾을 수 없는 볼 거동속도, 각각의 볼 간의 충격에너지 등을 계산하여, 볼 재질에 따른 볼 에너지 투입량을 정량적으로 고찰 하였다.
또한 본 연구에서는 DEM(discrete element method) 시뮬레이션을 통하여 교반볼밀 내의 볼 운동을 해석하고, 실제 카메라로 촬영한 밀 내의 볼 움직임의 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였고, 시뮬레이션 이후의 계산 결과를 토대로 볼 거동속도, 각각의 볼 간의 충격에너지 등을 계산하여, 볼 재질에 따른 볼 에너지 투입량을 정량적으로 고찰 하였다. 실험결과만으로는 찾기 어려운 분쇄장치의 다양한 동역학적 해석을 하고자 하였다. 이는 이전 연구에서 실험결과와 DEM 해석 결과를 통한 교반볼밀의 분쇄속도 상수를 연구하여, 다양한 샘플에 따른 분쇄기의 분쇄력을 계산하는 것을 기초로 하였던 것에 이어서,^17-18) 본 연구에서는 세 가지 볼 재질을 이용하여 DEM 시뮬레이션을 통해 볼 재질의 차이점을 분쇄속도상수로 찾고자 하였다.
실험결과만으로는 찾기 어려운 분쇄장치의 다양한 동역학적 해석을 하고자 하였다. 이는 이전 연구에서 실험결과와 DEM 해석 결과를 통한 교반볼밀의 분쇄속도 상수를 연구하여, 다양한 샘플에 따른 분쇄기의 분쇄력을 계산하는 것을 기초로 하였던 것에 이어서,^17-18) 본 연구에서는 세 가지 볼 재질을 이용하여 DEM 시뮬레이션을 통해 볼 재질의 차이점을 분쇄속도상수로 찾고자 하였다.

제안 방법

15-16) 본 연구에서는 교반볼밀을 이용하여 이전의 실험들과 같이 실험 조건을 변화 시키면서, 분쇄매체의 재질 및 크기를 다르게 선택하여 실험을 수행하였다. 따라서 같은 볼밀이라도 볼의 운동형태가 전혀 다른 장비를 이용하여 기존처럼 볼 크기를 다르게 선택하는 실험조건을 변화시켜, 입자형상변화를 관찰하였고, 더불어 지르코니아, 알루미나 그리고 스테인레스 볼 등 분쇄 매체의 재질에 따른 구리분말의 형상변화를 관찰 하고자 하였다.
매체와 구리분말의 비율, 즉, BPR(Ball Powder Ratio)은 10:1로 하였다. 교반날개의 회전속도는 300, 500, 700rpm으로 변화시켜 실험 하였고, 밀링 시간은 15, 30, 60, 120분, Table 1에 각각 매체의 종류에 따른 밀도와 함께 본 실험의 실험 조건을 나타내었다. 그리고 밀 내 볼의 움직임의 시뮬레이션을 행하기 위하여, 밀 용기 내에 각각 종류가 다른 볼을 사용하여 실제 회전속도에 따른볼 거동을 카메라를 통해 동영상으로 촬영하였다.
교반볼밀을 이용하여 다양한 실험 조건에서 재질이 다른 3 가지 볼(알루미나, 지르코니아, 스테인레스스틸)이 구리분말의 입자형상 및 입자경의 변화에 어떤 영향을 미치는지를 알기 위하여 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다(Fig. 3-8). 본 실험에서 교반기의 회전속도를 낮은 회전속도 영역(300 rpm), 중간 회전속도 영역(500 rpm) 및높은 회전속도 영역(700 rpm)으로 실험을 행하였고, 밀링시간은 15, 30, 60, 120 분까지 변화시켰다.
교반날개의 회전속도는 300, 500, 700rpm으로 변화시켜 실험 하였고, 밀링 시간은 15, 30, 60, 120분, Table 1에 각각 매체의 종류에 따른 밀도와 함께 본 실험의 실험 조건을 나타내었다. 그리고 밀 내 볼의 움직임의 시뮬레이션을 행하기 위하여, 밀 용기 내에 각각 종류가 다른 볼을 사용하여 실제 회전속도에 따른볼 거동을 카메라를 통해 동영상으로 촬영하였다. 또한, 최적의 시뮬레이션 조건을 통하여 DEM 시뮬레이션을 행하였다.
^15-16) 본 연구에서는 교반볼밀을 이용하여 이전의 실험들과 같이 실험 조건을 변화 시키면서, 분쇄매체의 재질 및 크기를 다르게 선택하여 실험을 수행하였다. 따라서 같은 볼밀이라도 볼의 운동형태가 전혀 다른 장비를 이용하여 기존처럼 볼 크기를 다르게 선택하는 실험조건을 변화시켜, 입자형상변화를 관찰하였고, 더불어 지르코니아, 알루미나 그리고 스테인레스 볼 등 분쇄 매체의 재질에 따른 구리분말의 형상변화를 관찰 하고자 하였다.
본 실험에서 교반기의 회전속도를 낮은 회전속도 영역(300 rpm), 중간 회전속도 영역(500 rpm) 및높은 회전속도 영역(700 rpm)으로 실험을 행하였고, 밀링시간은 15, 30, 60, 120 분까지 변화시켰다. 또한 두 가지 크기로 볼 직경(1 mm, 3 mm)를 달리해서 볼 크기에 다른 변화도 비교해서 관찰하였다. Fig.
또한 본 연구에서는 DEM(discrete element method) 시뮬레이션을 통하여 교반볼밀 내의 볼 운동을 해석하고, 실제 카메라로 촬영한 밀 내의 볼 움직임의 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였고, 시뮬레이션 이후의 계산 결과를 토대로 볼 거동속도, 각각의 볼 간의 충격에너지 등을 계산하여, 볼 재질에 따른 볼 에너지 투입량을 정량적으로 고찰 하였다. 실험결과만으로는 찾기 어려운 분쇄장치의 다양한 동역학적 해석을 하고자 하였다.
분쇄매체는 매체 재질의 차이를 비교하기 위하여 알루미나, 지르코니아 그리고 스텐레스스틸 볼을 사용 하였으며, 크기는 직경 1 mm와 3 mm의 볼을 사용했다. 또한 입자형상 변화를 보기 위해 SEM 측정을 하였다. 매체와 구리분말의 비율, 즉, BPR(Ball Powder Ratio)은 10:1로 하였다.
그리고 밀 내 볼의 움직임의 시뮬레이션을 행하기 위하여, 밀 용기 내에 각각 종류가 다른 볼을 사용하여 실제 회전속도에 따른볼 거동을 카메라를 통해 동영상으로 촬영하였다. 또한, 최적의 시뮬레이션 조건을 통하여 DEM 시뮬레이션을 행하였다. Table 2에 본 실험에 맞는 시뮬레이션의 조건을 나타내었다.
3-8). 본 실험에서 교반기의 회전속도를 낮은 회전속도 영역(300 rpm), 중간 회전속도 영역(500 rpm) 및높은 회전속도 영역(700 rpm)으로 실험을 행하였고, 밀링시간은 15, 30, 60, 120 분까지 변화시켰다. 또한 두 가지 크기로 볼 직경(1 mm, 3 mm)를 달리해서 볼 크기에 다른 변화도 비교해서 관찰하였다.
본 연구에서는 교반볼밀을 이용하여 다양한 실험 조건에서 분쇄매체의 재질을 달리한, 분쇄매체의 차이를 입자형상 변화 및 밀링 공정에서 어떤 영향을 미치는지를 관찰하였다. 즉, 비중이 다른 세 가지 분쇄매체의 밀링 메커니즘을 규명하기 위하여, 매체의 운동을 3차원 DEM(discrete element method) 시뮬레이션을 통하여 교반볼밀 내의 볼 운동을 해석하고, 실제 카메라로 촬영한 밀내의 볼 움직임의 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였고, 시뮬레이션 이후의 계산 결과를 토대로 실험으로는 찾을 수 없는 볼 거동속도, 각각의 볼 간의 충격에너지 등을 계산하여, 볼 재질에 따른 볼 에너지 투입량을 정량적으로 고찰 하였다. 또한 입자형상의 변화를 관찰하기 위하여, SEM 사진을 측정하였고, 교반볼밀의 회전속도가 빨라질수록 입자형상이 괴상에서 판상으로 변화하는 것을 관찰 하였고, 이러한 변화는 운전 시간이 길어질수록 더욱 더 명확한 변화를 보였다.

대상 데이터

9 %, 중위경 25 μm)을 사용하였다. Fig. 1은 본 실험에 사용된 원료분말의 SEM 사진이다. 분쇄 실험 장치로는 하지이엔지(HAJI Eng.
본 연구에 사용된 시료로는 산업현장에서 다양하게 사용되는 상용 구리분말((주)알드리치, 순도 99.9 %, 중위경 25 μm)을 사용하였다.
1은 본 실험에 사용된 원료분말의 SEM 사진이다. 분쇄 실험 장치로는 하지이엔지(HAJI Eng. Korea)에서 제작한 교반볼밀이 사용되었다. Fig.
분쇄매체는 매체 재질의 차이를 비교하기 위하여 알루미나, 지르코니아 그리고 스텐레스스틸 볼을 사용 하였으며, 크기는 직경 1 mm와 3 mm의 볼을 사용했다. 또한 입자형상 변화를 보기 위해 SEM 측정을 하였다.
볼밀은 분쇄매체로서 다양한 비중의 볼(세라믹 금속 등)을 분쇄매체로 사용하고, 다양한 방법으로 샘플에 볼의 에너지를 전달케 하여 충격, 전단 및 마찰 등의 분쇄작용을 일으키는 분쇄기이다. 분쇄매체로서 사용하는 볼은 다양한 종류(cast-iron, forged steel, cast steel, steelflint, ceramics, tungsten carbide ball 등)가 있고, 본 실험에서는 지르코니아, 알루미나, 스텐레스스틸 볼을 사용하였다.¹⁴⁾

성능/효과

시뮬레이션 해석과 실제 실험 결과의 스냅샷 사진을 비교해 보면, 거의 완벽하게 일치하는 결과를 보였고, 구리분말의 입자형상 변화와 비교 할 경우 볼 재질에 따른 차이는 지르코니아 볼에서 가장 큰 변화를 얻었다. 또한 기존의 전동볼밀의 결과와 비교하여도 소성변형을 하는 연성의 금속분말에 있어서 볼 재질의 변화에 따른 입자형상 변화의 특이점이나, 에너지 투입량의 변화에 따른 결과의 차이점은 크게 드러나지 않는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 매체형 분쇄기로 소성변형을 하는 연성의 금속 샘플을 밀링하는 경우 볼에 의한 샘플의 오염과 화학적 변화를 고려해야 함은 물론이지만, 매체의 비중에 따른 샘플의 특이한 변화는 관찰 하기 어려운 것으로 생각된다.
즉, 비중이 다른 세 가지 분쇄매체의 밀링 메커니즘을 규명하기 위하여, 매체의 운동을 3차원 DEM(discrete element method) 시뮬레이션을 통하여 교반볼밀 내의 볼 운동을 해석하고, 실제 카메라로 촬영한 밀내의 볼 움직임의 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였고, 시뮬레이션 이후의 계산 결과를 토대로 실험으로는 찾을 수 없는 볼 거동속도, 각각의 볼 간의 충격에너지 등을 계산하여, 볼 재질에 따른 볼 에너지 투입량을 정량적으로 고찰 하였다. 또한 입자형상의 변화를 관찰하기 위하여, SEM 사진을 측정하였고, 교반볼밀의 회전속도가 빨라질수록 입자형상이 괴상에서 판상으로 변화하는 것을 관찰 하였고, 이러한 변화는 운전 시간이 길어질수록 더욱 더 명확한 변화를 보였다. 시뮬레이션 해석과 실제 실험 결과의 스냅샷 사진을 비교해 보면, 거의 완벽하게 일치하는 결과를 보였고, 구리분말의 입자형상 변화와 비교 할 경우 볼 재질에 따른 차이는 지르코니아 볼에서 가장 큰 변화를 얻었다.
본 실험에서는 회전속도가 증가함에 따라 원래 괴상(massive type)의 입자형상을 가지는 구리분말이 판상(plate type)의 형태로 빠르게 변화되는 것을 관찰 할 수 있었고, 낮은 회전속도 300 rpm의 경우 밀링 시간이 60분이 경과한 이후에는 입자형상은 완벽한 판상으로 변화 하는 것을 알 수 있었다. 또한 낮은 회전 영역대에서 높은 회전 영역대로 변화시킬수록 판상의 모습으로 변화하는 속도가 빨라짐을 알 수 있었으며, 볼 직경이 3 mm인 경우 구리분말의 입자들이 전체적으로 판상 형태로 변화했다.
K는 ΔE/Δt와 회전속도 간의 상관 계수이다. 분쇄매채로는 3 mm 볼의 경우 지르코니아 볼은 알루미나 볼과 스테인레스스틸 볼보다 샘플에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었고, 또한 분쇄매체의 크기가 증가함에 따라 에너지 효율이 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 다만, 앞서 언급한 바와 같이 에너지 상관관계의 검토와는 달리 연성이 강하고 소성변형을 하는 구리분말의 경우 본 검토의 영향이 입자형상이나 입자경의 변화와는 크게 상관없는 결과를 보였다.
Table 2에 본 실험에 맞는 시뮬레이션의 조건을 나타내었다. 시뮬레이션 조건은 실제의 실험조건과 일치하게 하기 위하여 소프트웨어 내에서 구동 할 수 있는 조건에서는 모든 것을 일치시켰고, 마찰계수의 결정은 기존의 문헌 자료를 통해 확인 할 수 있었다.^14-15)
또한 입자형상의 변화를 관찰하기 위하여, SEM 사진을 측정하였고, 교반볼밀의 회전속도가 빨라질수록 입자형상이 괴상에서 판상으로 변화하는 것을 관찰 하였고, 이러한 변화는 운전 시간이 길어질수록 더욱 더 명확한 변화를 보였다. 시뮬레이션 해석과 실제 실험 결과의 스냅샷 사진을 비교해 보면, 거의 완벽하게 일치하는 결과를 보였고, 구리분말의 입자형상 변화와 비교 할 경우 볼 재질에 따른 차이는 지르코니아 볼에서 가장 큰 변화를 얻었다. 또한 기존의 전동볼밀의 결과와 비교하여도 소성변형을 하는 연성의 금속분말에 있어서 볼 재질의 변화에 따른 입자형상 변화의 특이점이나, 에너지 투입량의 변화에 따른 결과의 차이점은 크게 드러나지 않는 것을 확인 할 수 있었다.
볼 충전율을 30 %로 실험을 했을 때 볼직경이 1 mm 경우에서는 볼들이 183,604 개와 3 mm 경우 6,896 개였다. 실제 거동과 시뮬레이션 결과를 살펴보면 1 mm, 3 mm 볼을 사용하였을 경우 시뮬레이션 결과와 실제의 결과는 매우 비슷하게 나타났고, 이는 추후 해석되는 볼이 입자에 작용하는 힘과 에너지의 정량적 결과가 타당하다는 것을 눈으로 보여주는 결과이다.
이 그래픽에서는 X 축은 회전속도, Y 축은 초당 총 에너지이다. 이 결과에서 살펴보면, 회전 속도에 따라 에너지 효율은 거의 큰 차이가 없음을 알 수 있고, 비중이 높은 볼 재질의 경우 에너지 효율이 약간 높은 것을 알 수 있다.
11은 각각의 회전수에 따른 평균 볼의 운동에너지를 나타내고, 볼의 재질과 크기에 따라 구별하여 나타내고 있다. 평균 운동에너지를 살펴보면, 1 mm 볼의 경우 볼의 밀도가 높을수록 에너지가 많이 나타나는 것을 알 수 있고, 회전속도가 빠를수록 에너지가 많이 나타나는 것을 정량적으로 확인 할 수 있었다. 3 mm 볼의 경우 1 mm 볼의 결과를 비교해보면 3 mm 볼의 에너지가 많은 것으로 나타났다.
하지만, 유의미한 결과를 고찰해 보면, 본 연구에서는 다양한 회전속도에서 볼의 크기를 달리하고, 알루미나, 지르코니아 그리고 스테인레스스틸 볼 같은 볼의 재질을 달리한 실험에서 입자형상의 변화를 관찰한 결과를 살펴보면 볼 직경을 1, 3 mm으로 달리했을 때 3 mm 볼이 1 mm 볼 보다 밀링 결과에 더 영향을 효과적으로 미치는 것을 알 수 있었고, 볼의 재질 따른 결과로서 지르코니아 볼이 다른 알루미나 볼, 스테인레스스틸 볼보다 입자형상에 변화를 관찰할 수 있었고 시뮬레이션 결과에도 더 영향을 미치는 것을 볼 수 있었다. 그리고 이 연구의 결과는 이전 전동볼밀의 연구와^14-15) 비교해보면 약간은 다른 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

즉 볼 크기의 변화에 따른 입자형상 또는 입경의 변화는 볼과 샘플의 접촉점 수의 차이에 의해서 입자형상이 달라지거나, 입자크기가 달라지는 것으로 알려져 있고, 볼 재질에 변화에 따른 입자형상과 입경의 변화는 각각의 볼의 운동에너지가 샘플에 전달되는 양의 차이에 따라 달라지게 되어 있으나, 소성변형이 쉽게 일어나는 연성의 재료인 구리분말의 경우 본 실험 조건(볼재질, 볼크기의 변화)에서는 유의미한 변화를 찾기는 어려웠다. 더욱이 입자크기가 기본적으로 아주 작은 수 마이크로미터 이하의 입자인 경우와 수 십 마이크로미터 이상의 경우 에너지가 볼에서 샘플로 전달되는 메커니즘에서 차이가 있다고 생각되는 바, 향후 깊은 연구 과제라고 생각된다.
3 mm 볼의 경우 1 mm 볼의 결과를 비교해보면 3 mm 볼의 에너지가 많은 것으로 나타났다. 따라서 이는 실험적인 측면에서 관찰하기 힘든 각각의 볼의 운동에너지를 정량적으로 나타낼 수 있는 것에 큰 의의가 있고, 이는 향후 분쇄기 내에서의 밀링 메커니즘을 해석하는데 큰 도움이 될 것이라 생각된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	입자형상은 분체의 어떤 물성에 영향을 크게 미치는가?	최근 많은 연구자들이 입자경과 입자형상 변화를 분체 재료를 다루는 공정에 있어서 매우 중요한 물성이라 지적하고 있으며, 입자형상은 분체의 여러 가지 물성 중, 특히 흐름성, 충전성, 부착성 등에 영향을 크게 미친다. 특히 유체 내에서의 거동이나 빛과의 상호 작용에 있어서는 입자형상에 따라 그 움직임이 달라져 이러한 방식을 이용하는 입도측정을 행하는 경우 그 결과에도 큰 영향을 미치게 된다.
	입도분포을 균일하게 하는 데 적합한 볼은?	지르코니아 볼은 비중에 높아 분쇄, 분산에 매우 효과적이고, 표면의 매끄러움과 진구에 가까운 형상으로 내마모성이 뛰어나고 고순도로서 불순물에 안정적이며, 내약품성, 내식성이 뛰어나다. 그리고 볼 크기 분포가 균일하여, 피분쇄물의 입도분포를 균일하게 하는데 효과적이다.
	입자경의 특징은?	특히 유체 내에서의 거동이나 빛과의 상호 작용에 있어서는 입자형상에 따라 그 움직임이 달라져 이러한 방식을 이용하는 입도측정을 행하는 경우 그 결과에도 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 입자경은 반응성 또는 용해율, 현탁액의 안정성, 전달 효능, 질감 및 촉감, 외형, 유동성 및 핸들링, 점성, 충전밀도 및 다공도 등에 영향을 미치는 것으로 알려져 있고, 에멀젼, 에어로졸 등을 포함하는 미립자 계 내에서 매우 중요한 평가요인이다.1-3)

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (18)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (18)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

보르 암갈란 (7) 오양가 (2) 이재현 (58) 최희규 (12)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

AI 본문요약
AI-Helper