스크류 마모, 그 원인 영향 및 해결책

스크류에 발생하는 문제의 진단 및 대응 방법
피드스크류와 배럴의 마모는 압출 및 사출성형분야 모두에서 정비 및 엔지니어링 부서를 괴롭히는 매우 심각한 골칫거리로 여겨지고 있다. 여기에는 그럴만한 충분한 이유가 있다. 가소화 장치에 과도한 마모가 발생하면 심각한 성능 문제를 다수 일으킬 뿐 아니라, 당연히 공정의 전체 비용 및 품질에도 영향을 미친다.

지난 12월호에 실린 ‘압출기가 보이는 증상을 통한 장비의 진단’이라는 글을 통해 Dow Chemical사 Wes Hobson씨와 Mike Rutkowske씨는 생산성의 과도한 손실을 피하기 위해서는 기준치 데이터 및 마모 모니터링 절차가 필요한 사례를 들어 잘 보여준 바 있다.

두 저자는 품질 및 성능문제를 모니터링함으로써 과도한 스크류 마모를 진단하는 방법을 효과적이고 상세하게 소개했다.

두 사람의 글 덕분에 압출기가 가공작업자의 관점에서 무엇을 ‘말해주고 있는지?에 대해 얼마간 이해할 수 있게 되었으므로, 그다음 단계로 스크류에 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 그리고 그에 대해 어떤 조치가 필요한지를 알아보아야 할 것이다. 이번 칼럼에서는 스크류 마모가 용융수지 품질에 미치는 영향을 살펴보고 스크류 리빌딩(rebuilding)과 마모장비 교체를 비용효율 측면에서 비교해 본다.

전형적인 피드스크류 마모
압출 및 사출성형 모두에서 피드스크류의 마모는 비슷하게 나타난다. 대부분의 마모는 압력이 높은 부위, 특히 압축구간 그리고 계량구간의 마지막 플라이트 몇 개에서 집중적으로 발생한다.

가공업체와 장비공급업체들 모두 이 구간의 마모원인이 이 같은 높은 압력 아래서 스크류가 휘면서 발생하는 플라이트 외경과 배럴내경 사이의 금속 대 금속 접촉 때문에 발생한다는 이론을 펼치고 있다.

하지만 스크류 전체에 걸쳐 내부압력이 동일하기 때문에 이 이론은 설득력이 없다. 스크류가 휘어지도록 만드는 힘이 생기기 위해서는 전체적으로 높은 압력이 아니라 압력의 격차가 있어야 한다. 금속 대 금속의 접촉은 발생할 수 있지만, 이는 기계적 조건의 결과로써 정렬불량, 기어박스 손상, 스크류 휨, 배럴 휨, 부실한 기반 등과 같이 더 커다란 문제가 있을 수도 있음을 나타내는 하나의 징후로 봐야 한다.

다양한 산업 분야에서 행해지는 마모량 테스트에서 공통적으로 확인되는 바는 압력과 온도가 상승하면 마찰이 늘어난다는 점이다.

이행구간(transition section), 다시 말해 압축구간 그리고 계량구간의 마지막 플라이트 몇 개 부위는 통상적으로 가장 높은 압력과 온도에 노출되기 때문에 이곳에서 외경의 마모가 가장 많이 발생한다고 생각할 수 있다. 이는 수천 개의 스크류를 조사해 리빌딩(rebuilding)하고 나면 경험적으로 정말 맞는 사실 같이 들린다.

플라이트 외경의 마모와 매우 유사하게 스크류 루트(root)의 마모 또한 이 고압구역에서 가장 심하게 나타난다. 특히 플라이트의 트레일링 사이드(trailing side), 즉 뒤편에 비해 포워딩 사이드(forwarding side), 즉 앞편에서 마모가 가장 극심하다. 스크류 루트 마모의 심각성은 수지 또는 가공된 수지에 크게 영향을 받는다

유리섬유 또는 탄산칼슘과 같이 거친 충전재를 함유한 수지를 가공할 때는 스크류 플라이트의 포워딩 사이드가 압력을 높이는 한편, 용융되지 않은 펠렛에 의한 윤활작용 부족에 의해 피딩구간에 심한 마모가 발생할 수 있다. 충전재의 함량과 입자의 형태도 마모의 정도에 강한 영향을 미친다.

날카로운 모서리를 지닌 크기가 큰 입자는 작고 둥근 형태의 입자에 비해 더 많은 양의 마모를 일으킨다. 불행하게도 성형품에서 얻고자 하는 물리적 특성 때문에 충전재가 반드시 필요한 경우가 많다.

스크류의 고형원료 이송구간에서(충전재로 인한) 마모가 더욱 빨리 진행되기 때문에, 윤활작용을 원활하게 하기 위해 폴리머의 용융이 이미 완료된 다운스트림 단계에서 충전재를 첨가해주는 방법이 흔히 사용된다.

수지를 플라이트 구조 위로 유동시키는 역할을 하는 믹싱구간(mixing section)과 배리어 플라이트(barrier flights)에도 마모가 발생한다. 분산작용 믹싱 디자인에서는 더욱 고른 온도의 용융 및 균일한 색상의 구현을 위해 수지에 높은 전단력을 가해주는 언터컷 형태의 구조를 채용한다.

믹싱디자인에 마모가 일어나면 충분한 분산작용이 이루어지지 않는다. 분산 믹싱디자인과 유사하게 배리어 플라이트에서도 용융수지 풀과 고형원료층의 분리를 원활하게 하기 위해 언더컷을 만들어준다. 언더컷이 들어간 플라이트가 마모되면 배리어디자인은 용융능력과 효율성을 잃을 수 있다.

성능 문제
일반적으로 스크류 마모는 성능이 큰 폭으로 저하되기 전에는 알아채기 어렵게 느리게 진행되는 과정이다. 소량의 마모는 전체 성능에 별로 영향을 미치지 않는다. 사출기의 파라미터를 조절함으로써 생산성을 유지할 수 있기 때문이다.

스크류 플라이트와 배럴벽 사이의 반경방향 틈새(radial clearance)가 확대되면 누설유동(leakage flow)을 피할 수 없다. 이 경우 대개 작업자는 스루풋의 감소와 용융수지온도 상승, 그리고 그로 인해 원하는 공정속도의 유지를 위해 더 높은 rpm과 에너지 소비가 요구되는 상황에 부닥치게 된다.

반경방향 틈새가 커지면 스크류는 원하는 산출량 유지를 위해 수지를 밀어내는 데 필요한 압력을 만들어낼 수 없게 된다. 반경방향 간극의 양이 누설유동 계산에 있어 주요 변수임은 분명하다.

플라이트 간극이 원래 허용된 공차의 4배가 되면 스크류를 교체해 줘야 하는 시점이 된 것으로 간주하는 것이 널리 통용되는 ‘경험칙?이지만, 가공수지의 점성을 고려하는 것이 중요하다. 점성이 높은 수지는 같은 반경방향 틈새에서 점성이 낮은 수지가 나타내는 것보다 적은 산출량 감소세를 보인다. 하지만 이 같은 경험칙은 가이드라인 정도로만 참조해야 한다.

지름의 마모로 인한 영향을 보다 효과적으로 예측하기 위해서 플라이트의 간극, 플라이트의 폭, 리드(lead), 헤드압력, 점도, 용융수지밀도 등을 전체적으로 고려해 누설유동을 계산할 수 있다. 이 계산은 스루풋을 아주 정확히 예측하고자 하면 무척 복잡하고 까다로운 작업이 될 수 있지만, 잠재적인 공정속도 손실을 예측해주는 꽤 정확한 수준의 어림값을 얻을 수 있다.

작업자와 장비수리 부서가 이 생산성 손실을 더욱 정확히 예측할 수 있도록 하기 위해 필자는 스크류 마모로 인한 공정속도의 잠재적 손실의 어림값을 얻을 수 있는 작업속도 손실 계산기를 개발했다. 이 도구는 마모 강도를 개념화하고, 작업 또는 수리 팀에서 스크류 교체 혹은 수리를 위한 적절한 계획을 세우는 데 도움이 된다.

이 도구를 사용해 표 1과 2에서 보는 결과들을 얻었으며, 이는 동일한 조건 하에서의 PP와 PE 원료의 공정속도 손실 어림값을 보여주고 있다. 점성이 높은 PE에서 PP보다 공정속도 손실이 덜 발생하고 있음을 눈여겨 봐야 한다. PVC와 PC 같은 다른 전단 민감성 수지의 가공에는 최소한의 마모만으로도 과도한 전단이 초래한 용융수지온도의 상승으로 인해 품질에 악영향을 미칠 수 있다.

수지가 스크류 플라이트 위로 누설되면 수지원료는 과도한 전단속도가 가해진다. 그결과, 용융수지온도가 상승되고, 이는 앞서 말한 것처럼 산출량을 유지하기 위해 필요한 더 높은 rpm에 의해 더욱 악화된다. 용융온도가 높아지면 성형품의 물리적 물성이 지나치게 높은 온도 탓에 크게 약화됨으로써 심각한 품질문제로 이어질 수 있다. 비정질수지의 가공에서는 이렇게 높은 전단력이 압출물을 태우거나 열화(劣化)시킴으로써 높은 불량률로 이어진다.

스크류 루트의 마모는 수지원료 여기저기에 끊기고 열화된 부위를 발생시킨다. 이는 성형품에 흑점으로 나타나거나 가공조건의 불안점성이 높은 서징(surging) 상태를 일으킨다. 수지원료의 열화는 경성 PVC 같은 수지 가공시 심각한 문제를 발생시킬 수 있다. PVC는 높은 온도에서 염산을 만들어 내는 특성이 있기 때문에 장비에 최악의 부식성 마모를 초래할 수 있다.

루트의 마모가 초래할 수 있는 극단적 상황으로, 플라이트의 측면이 쓸려나가 사진 1에서 보는 바와 같이 용접으로 붙여넣은 내마모강 층을 지지할 기면(基面)이 거의 남지 않게 될 수 있다. 지지기면이 사라지면 취성이 강한 내마모강 소재는 쉽사리 부서져 나가서 거친 모서리만 남고, 플라이트 폭은 줄어들고, 압출물에 이물질이 들어가서 다운스트림 장비에 손상을 초래될 수 있다.

교체가 좋을까, 스크류 재생이 좋을까?
다운타임이 성공적 생산과정의 가장 큰 적이라는 점에는 대부분의 가공업체가 동의할 것이다. 압출공장과 사출성형공장들 가운데 마모상태 기록을 위해 스크류를 빼서 직접 확인하는 곳은 매우 드물다. 빡빡한 생산 스케줄과 정비의 번거로움 탓에 가공업체들은 있는 상태 그대로 장비를 가능한 최대한도로 쥐어짜는 데만 골몰하고 있다. “못 쓸 정도만 아니라면 그대로 쓰라”는 진부한 격언이 떠오른다.

문제는 이 같은 관행 때문에 스크류 마모가 더 이상 간과할 수 없을 정도로 진행되었을 때도 가공업체가 무얼 어찌해야 할지 모른다는 것이다. 스크류 마모는 제품 불량률이 갑자기 치솟고, 에너지 소비가 급증하고, 최악의 경우 갑자기 장비가 멈추기 전까지는 알아챌 수 없을 만큼 서서히 진행된다.

다운타임을 피하고 새로운 장비를 구매하고 설치하는 데 들어가는 비용을 아낀다는 이유로, 많은 가공업체가 늘어난 에너지 소비와 원료의 낭비로 들어가는 숨은 비용에 엄청난 돈을 쓰고 있다.

적절한 타이밍을 넘겨서 결국 마모상태 점검을 위해 스크류를 꺼냈을 때는 더 이상 계속 사용할 수 없는 상태로 새로운 장비를 기다리느라 훨씬 더 긴 다운타임을 감수해야 할 수도 있다.

적절한 기준 데이터와 마모 모니터링 절차를 통해 스크류의 현 상태에 대해 실시간으로 이해하게 된다면, 정비 및 엔지니어링 부서는 다운타임을 크게 줄일 수 있으며, 업무실적도 크게 향상시킬 수 있다. 고성능 피드스크류의 교체에는 비용이 많이 들어가지만, 경험이 풍부한 스크류 제작사는 아주 적은 비용으로 짧은 시간 안에 마모된 스크류를 새것과 같은 상태로 재생할 수 있다. 마모된 스크류를 재생하고자 하면 다음과 같은 사항들을 앞서 확인해야 한다:
1. 마모상태가 전체적으로 얼마나 심한가?
2. 마모의 특징은 어떠한가?
3. 기존의 스크류 디자인을 크게 개선할 수 있는가?
4. 표면처리를 개선할 수 있는가?

마모상태 모니터링을 주의 깊게 수행하지 않으면, 신뢰할만한 수준의 수리가 어렵거나 아예 불가능한 수준으로 스크류 마모가 너무 심해질 수 있다. 대개 스크류 리빌드에 드는 비용은 마모의 심각성 및 리빌드에 필요한 작업량에 따라 달라진다.

경험이 많은 스크류 제작사는 마모된 장비 및 공정성능을 조사해 기존 디자인이 그대로 살릴만한 가치가 있는지 아닌지 판단 내릴 수 있다. 어떤 경우에는 기존의 저효율 설계 제품을 보다 최적화된 신품 스크류가 전체 수익성을 훨씬 크게 높여줄 수도 있다.

낡은 스크류를 폐기하지 않고 마모된 스크류를 다시 깎아서 성능을 개선시킬 수도 있다. 거친 원료나 부식성 강한 원료에 대한 마모 내성을 향상시키기 위해서는 내마모성 표면처리가 스크류의 전체적 마모 수명 자체를 확장시켜줄 수 있다.

유명한 스크류 공급업체들 다수가 스크류 재생이 3~4회만 가능하다고 말한다. 재생 고품질 용접 및 세심한 금속공학적 고려를 통한 스크류 제작, 플라이트 형태의 적절한 수리 등을 거쳐 스크류를 6~8회 이상 리빌드 하는 경우를 필자는 여러 차례 보았다.

스크류를 균일한 언더컷 지름으로 연마한 뒤 최상의 마모내성을 제공하는 경도가 더 높은 내마모강 얼로이의 사용을 위해 플라이트를 재용접해야 한다(사진 2). 내마모강 용접 후에는 스크류 외경을 원래의 공차에 맞춰 연마해 줘야 한다(사진 3). 돌출되어 남은 용접부위는 프로파일에 맞춰 연마해 플라이트 폭 손실을 최소화시켜야 한다.

많은 경우, 이 과정을 제대로 수행하지 않아서 플라이트 폭의 효과가 감소해 스크류 성능에 영향을 미치거나 앞으로 있을 리빌드 공정을 까다롭게 만드는 결과를 초래할 수 있다. 이 같은 까다로움을 줄이기 위해 용접부위의 폭 자체를 축소시키는 방법을 쓰는 스크류 제작사들도 있다.

이렇게 용접한 스크류를 원래의 공차에 맞춰 연마하면, 용접된 내마모강 부위가 전체 플라이트 폭을 둘러싸지 못하는 상황이 초래된다. 이렇게 되면 부드러운 기저 소재가 노출돼 내마모 성능에 부정적인 영향을 주게 된다.

계획을 세울 것
적절한 기준 데이터 및 마모 모니터링 절차를 갖춰 스크류의 상태를 실시간으로 정확히 이해하게 되면, 정비 및 엔지니어링 부서는 다운타임을 크게 줄이고 수익성을 향상시킬 수 있는 강력한 정비 프로그램을 만들 수 있다. 공정의 불량률과 에너지 소비가 급증하기에 앞서 스크류 마모상태를 모니터링하는 것이 중요하다.

마모된 장비를 너무 성급하게 폐기해선 안 된다. 경험이 많은 스크류 제작사와 스크류 리빌드에 관해 상의해 다운타임을 줄일 수 있을 뿐 아니라 신품 스크류를 구매하는 가격에 비해 극히 일부밖에 되지 않는 비용으로 스크류를 리빌드 할 수도 있다.

리빌드 과정을 적절히 제대로 수행하면 스크류를 여러 차례 재사용할 수 있으며, 정비 비용도 크게 절약할 수 있다. 기준 데이터, 마모 모니터링에 근거를 꼼꼼하게 잘 계획된 정비 프로그램과 그를 통한 스크류 마모상태의 기본적인 이해는 문제가 생겨서야 대응에 나서는 정비보다 훨씬 효과적이고 이득이 크다.

#스크류 #마모 #Screw #사출 #사출성형 #사출기 #사출성형기 #실린더 #용융수지 #압출기 #엔지니어링 #피드스크류 #배럴 #가소화 #압출 #압출구간 #플라이트 #외경 #내경 #배럴내경 #배럴외경 #압력 #기어박스 #마모량 #온도 #마찰 #노출 #리빌딩 #rebuilding #루트 #root #트레일링 #포워딩 #모서리 #펠렛 #충전재 #입자 #함량 #윤활작용 #윤활 #수지 #고형연료 #다운스트림 #이송구간 #탄산칼슘 #분산작용 #전단력 #믹싱디자인 #믹싱 #디자인 #배리어 #분산작용 #스푸룻 #산출량 #헤드압력 #점도 #압력 #계산기 #PP #PE #어림값 #PVc #PC #rpm #열화 #비정질수지 #서징 #surging #불안점성 #다운타임 #표면처리 #내마모성 #재생 #언더컷 #용접 #연마 #공차 #에너지