분쇄기
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1. 개요
분쇄기는 다양한 종류의 재료를 원하는 입자 크기로 만드는 데 사용되는 기계이다. 분쇄 방식에 대한 연구에도 불구하고, 분쇄 작업과 분쇄 결과를 연결하는 공식은 아직 알려져 있지 않다. 분쇄기는 작동 원리, 분쇄 단계에 따라 분류되며, 조분쇄기, 중간 분쇄기, 미분쇄기, 마쇄기 등이 있다. 한국의 분쇄기 산업은 다양한 산업 분야의 수요에 맞춰 발전해 왔으며, 풍차, 수차 등과 같은 전통적인 분쇄 장치도 존재한다.
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2. 분쇄의 법칙
분쇄 방식에 대한 많은 연구에도 불구하고, 기술적인 분쇄 작업과 그 결과를 정확히 연결하는 공식은 아직 밝혀지지 않았다. 하지만 필요한 분쇄 에너지와 생성되는 입자 크기 사이의 관계를 설명하기 위해 여러 반경험적 모델들이 사용되고 있다. 대표적으로 광산 기술자인 페터 폰 리팅어(Peter von Rittinger), 프리드리히 키크(Friedrich Kick), 프레드 체스터 본드(Fred Chester Bond)가 각각 독립적으로 제시한 법칙들이 있다. 이후 R.T. 후키(R. T. Hukki)는 이 세 가지 법칙이 각각 특정 입자 크기 범위에서 유효하며, 이들을 통합하여 더 넓은 범위에 적용할 수 있는 단일 곡선, 이른바 '후키 관계(Hukki's relationship)'를 제안했다.[1][2][3]
목표 입자 크기를 얻기 위해 필요한 분쇄 에너지를 계산할 때는 주로 다음과 같은 세 가지 모델이 입자 크기 범위에 따라 사용된다.
- 킥의 법칙 (Kick's Law): 입자 크기 ''d'' > 50mm 인 경우
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- 본드의 법칙 (Bond's Law): 50mm > ''d'' > 0.05mm 인 경우
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- 리팅거의 법칙 (Rittinger's Law): ''d'' < 0.05mm 인 경우
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여기서 각 기호의 의미는 다음과 같다.
- ''W'': 분쇄에 필요한 비에너지 (단위: kJ/kg)
- ''d''A: 분쇄 전 물질의 입자 크기
- ''d''E: 분쇄 후 물질의 입자 크기
- ''c''K, ''c''B, ''c''R: 각각 킥, 본드, 리팅거의 분쇄 계수
- ''d''BU = 50mm (본드 법칙 적용 범위 상한)
- ''d''BL = 0.05mm (본드 법칙 적용 범위 하한)
- 본드의 분쇄 계수 ''c''B는 분쇄되는 재료의 종류에 따라 달라지는 값이다.
다만, 교반 밀(stirred mill)과 같은 특정 유형의 분쇄기에서는 후키 관계가 잘 적용되지 않을 수 있으며, 이 경우에는 실험을 통해 에너지와 입자 크기 간의 관계를 별도로 결정해야 한다.[4]
2. 1. 분쇄도
분쇄 결과를 평가하기 위해 분쇄도라는 지표를 사용한다. 분쇄도는 분쇄 전 원료(1)와 분쇄 후 재료(2)의 입자 크기 분포나 비표면적의 비율로 나타낸다. 분쇄도를 정의하는 방법에는 몇 가지가 있다.- 입자 크기 기준 분쇄도 (Zd): 특정 비율(예: 80%)의 입자가 통과하는 입자 크기(d80)를 기준으로 계산한다. d80,1은 분쇄 전 원료의 값, d80,2는 분쇄 후 재료의 값이다. d80 대신 d50 등 다른 기준 입자 크기를 사용할 수도 있다.
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- 비표면적 기준 분쇄도 (ZS): 단위 부피당 비표면적(Sv) 또는 단위 질량당 비표면적(Sm)의 비율로 계산한다. 이 값들은 실험을 통해 구할 수 있다.
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- 가상 분쇄도 (Za): 분쇄 전 입자 크기(d1)와 분쇄기의 배출구 간격(a)을 이용해 계산한다. '겉보기 분쇄도'라고도 한다.
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3. 분쇄기의 종류
재료 가공에서 '''분쇄기'''는 입자 크기 수준에서 마모와 압축 힘을 통해 미세한 입자 크기 감소를 생성하는 기계이다. 더 큰 입자를 생성하는 파쇄기와는 구분된다. 일반적으로 분쇄 공정에는 비교적 많은 양의 에너지가 필요하며, 최근에는 분쇄 과정에서 소모되는 에너지를 효율적으로 관리하기 위한 연구도 진행되고 있다.[5][14]
분쇄기는 분쇄하려는 재료의 특성, 원하는 최종 입자 크기, 작동 방식 등에 따라 매우 다양한 종류가 존재한다. 주요 분류 기준으로는 분쇄 매체의 유무 및 종류, 작동 원리(회전, 충격, 압착 등), 분쇄 단계(조분쇄, 미분쇄 등) 등이 있다. 상세한 종류와 작동 방식은 하위 문서를 참고할 수 있다.
3. 1. 작동 원리에 따른 분류
분쇄기는 작동 원리에 따라 다양하게 분류할 수 있다. 주요 분류는 다음과 같다.=== 분쇄 매체를 사용하는 회전 드럼형 ===
회전하는 드럼(원통) 내부에 분쇄 매체(볼, 로드, 암석 등)와 분쇄할 재료를 함께 넣고 드럼을 회전시켜, 매체와 재료 또는 재료 입자 간의 충돌, 마찰, 마모, 압축 작용을 이용해 분쇄하는 방식이다.
- '''볼 밀 (Ball Mill)''': 가장 대표적인 미세 분쇄기 중 하나이다. 수평 또는 약간 기울어진 원통형 드럼 안에 단단한 볼(주로 금속이나 돌)을 채우고 회전시킨다.[5] 볼이 회전하면서 재료와 충돌하고 마찰을 일으켜 재료를 미세하게 분쇄한다. 일반적으로 드럼 부피의 약 30%를 볼로 채우며, 직경에 비해 길이가 긴(직경의 1.5~2.5배) 형태가 많다. 포틀랜드 시멘트 제조나 광물 처리의 미세 분쇄 단계에서 널리 사용된다. 산업용 볼 밀은 직경 8.5m, 모터 출력 22 MW에 달하는 대형 설비도 있다.[6] 에너지 소모량이 비교적 큰 편이다.[5]

- '''로드 밀 (Rod Mill)''': 볼 밀과 유사한 구조지만, 분쇄 매체로 볼 대신 강철 봉(rod)을 사용한다. 회전하는 드럼 안에서 봉과 재료 입자 사이의 마찰 및 마모 작용으로 분쇄가 이루어진다. 볼 밀보다 사용 빈도는 낮지만, 과분쇄가 적고 비교적 균일한 크기의 입자를 얻을 수 있다는 장점이 있다.[8]
- '''페블 밀 (Pebble Mill)''': 볼 밀과 유사하나 분쇄 매체로 금속 볼 대신 자연석 조약돌(pebble)을 사용한다. 분쇄 과정에서 철 성분에 의한 제품 오염을 피해야 할 경우에 주로 사용된다. 석영이나 실리카가 흔히 사용된다.
- '''자기분쇄기 (Autogenous Mill)''': 분쇄 매체를 사용하지 않고 분쇄할 광석 자체를 이용하는 방식이다. 회전하는 드럼이 큰 광석 덩어리들을 위로 끌어올렸다가 떨어뜨리면서, 큰 암석끼리의 충격으로 깨지고 작은 입자들은 서로 눌리면서 분쇄된다. SAG 밀과 유사하지만 강철 볼을 사용하지 않는 점이 다르다. 원광(Run Of Mine)을 그대로 사용한다고 해서 ROM 밀이라고도 불린다.
- '''SAG 밀 (Semi-Autogenous Grinding Mill)''': 자기분쇄와 볼 분쇄를 혼합한 방식으로, '준자생 분쇄'라고도 한다. 드럼 내부에 분쇄할 광석과 함께 소량(부피의 8~21%)의 큰 강철 볼을 넣어 분쇄 효율을 높인다.[9][10] 주로 1차 분쇄 단계에서 사용되며, 볼 밀에 비해 직경이 크고 길이가 짧은 형태이다. 드럼 내부에는 리프팅 플레이트가 설치되어 내용물을 높이 들어 올려 떨어뜨림으로써 충격력을 극대화한다. 금, 구리, 백금 광산 등에서 널리 사용되며, 납, 아연, 은, 알루미나, 니켈 산업에도 적용된다. 가장 큰 SAG 밀은 직경 12.8m (42 ft)에 28 MW 모터를 사용하며,[11] 직경 13.4m (44 ft)에 35 MW 출력을 내는 설계도 있다.[12]

=== 분쇄 매체를 사용하는 교반식 ===
분쇄 매체와 재료를 용기 내에서 강제로 교반(섞어주는)하여 분쇄 효율을 높이는 방식이다.
- '''타워 밀 (Tower Mill) / 교반 밀 (Stirred Mill)''': 수직형 분쇄기로, '재분쇄 밀'이라고도 불린다. 용기 내부에 분쇄 매체(작은 볼 또는 페블)와 재료를 넣고, 수직으로 설치된 큰 스크류를 회전시켜 내용물을 강하게 교반한다. 이를 통해 매체와 재료 간의 마찰과 충돌을 유도하여 미세 입자로 분쇄한다. 회전 드럼형 밀과 달리 매체가 낙하하는 캐스케이딩 현상은 없다. 볼 밀 등에서 1차 분쇄된 재료를 더 미세하게 만드는 데 효과적이며, 생석회(CaO)를 석회 슬러리로 만드는 공정에도 사용된다. 비교적 소음이 적고 에너지 효율이 높으며 운영 비용이 낮다는 장점이 있다.
- '''비즈 밀 (Bead Mill)''': 미세한 비즈(beads)를 분쇄 매체로 사용하는 교반 분쇄기이다. 분쇄실(베셀) 안에 분쇄할 재료의 슬러리와 비즈를 넣고 교반 장치를 고속으로 회전시킨다. 고속 회전에 의해 비즈가 에너지를 얻어 재료 입자에 전단 응력, 마찰력, 충격력을 가하여 분쇄한다. 주로 수백 마이크로미터 크기의 입자를 수 마이크로미터 이하로 미세화하는 데 사용되며, 최근에는 마이크로 비즈를 사용하여 나노미터 크기까지 분쇄가 가능하다. 주로 분체를 나노 수준으로 분산시키거나 미분쇄하는 데 활용된다.
=== 압착형 ===
강한 압력을 가하여 재료를 눌러 부수는 방식이다.
- '''고압 분쇄 롤 (HPGR - High Pressure Grinding Rolls)''': '롤러 프레스'라고도 한다. 동일한 크기의 롤러 두 개가 서로 마주보며 반대 방향으로 회전한다. 두 롤러 사이의 좁은 틈으로 재료를 공급하면, 롤러가 재료에 매우 높은 압력(일반적으로 100~300 MPa)을 가한다. 이 강한 압력으로 인해 재료층이 고밀도로 압축되면서 내부 입자들이 서로 눌려 깨지고 미세한 균열이 발생하여 분쇄된다. 볼 밀에 비해 에너지 효율이 30~50% 더 높지만, 비교적 새로운 기술이다.[5]
- '''롤 크러셔 (Roll Crusher)''': 여러 개의 수평 원통형 롤러를 설치하고, 롤러 사이의 틈으로 원료를 통과시켜 분쇄하는 기계이다. 롤러의 회전 방향과 속도를 다르게 하여 압축력과 전단력을 이용해 분쇄한다.[17]
- '''엣지 러너 (Edge Runner)''': 수평으로 놓인 원판 위에서 무거운 바퀴(몰러) 2개 이상을 회전시켜 재료를 분쇄하는 방식이다. 바퀴 아래로 재료를 밀어 넣으면 바퀴의 무게에 의한 압축력과 회전에 의한 전단력, 마쇄 작용으로 분쇄, 혼합, 혼련이 이루어진다.[18]
=== 충격형 ===
고속으로 운동하는 물체나 입자 자체의 충돌 에너지를 이용하여 재료를 분쇄하는 방식이다.
- '''VSI 밀 (Vertical Shaft Impactor Mill)''': 수직축 임팩터 밀이라고도 한다. 고속으로 회전하는 로터(회전체)가 재료 입자를 원심력에 의해 바깥쪽으로 빠르게 던져 고정된 마모판이나 다른 입자들에 충돌시켜 분쇄한다. VSI 파쇄기와 동일한 원리로 작동한다.

- '''제트 밀 (Jet Mill)''': 압축 공기나 증기를 이용하여 초음속의 제트 기류를 생성하고, 이 기류를 이용해 재료 입자를 가속시켜 서로 충돌시키거나 충돌판에 부딪히게 하여 분쇄한다. 마찰이나 마모가 적어 고순도 분쇄가 가능하며, 주로 미크론(μm) 단위의 매우 미세한 입자를 얻는 데 사용된다. 건식 분쇄 방식이다.
- '''디스인테그레이터 (Disintegrator)''': 강철로 만들어진 두 개의 케이지(cage)형 로터를 동심축 상에서 서로 반대 방향으로 고속 회전시킨다. 내부 로터로 공급된 재료는 원심력과 로터의 회전 작용에 의해 강한 충격력을 받아 분쇄된다.[19]
3. 2. 분쇄 단계에 따른 분류
분쇄기는 분쇄 단계에 따라 조분쇄기, 중간 분쇄기, 미분쇄기, 마쇄기 등으로 분류된다[13]。 분쇄기는 주로 마찰력과 압축력을 이용하여 물질을 잘게 부수어 입자 크기를 줄이는 기계이다. 이 과정에는 상당한 에너지가 소모되므로, 최근에는 분쇄 방식별 에너지 효율을 측정하고 개선하려는 연구가 진행되고 있다[14]。
4. 한국의 분쇄기 산업
한국의 분쇄기 산업은 광업, 화학공업, 제약, 식품 가공, 폐기물 처리 등 다양한 산업 분야의 수요 증가와 기술 발전에 힘입어 성장해 왔다. 특히, 건설 폐기물이나 산업 폐기물의 재활용 필요성이 높아지면서 고성능, 고효율 분쇄기에 대한 요구가 커지고 있다. 국내 기업들은 기술 개발과 품질 향상을 통해 수입 의존도를 낮추고 경쟁력을 강화하고 있으며, 일부 기업은 해외 시장에도 진출하고 있다.
4. 1. 주요 분쇄기 제조사 및 판매사
5. 기타 분쇄 장치


- 풍차: 바람의 힘(풍력)을 이용하여 곡물 등을 분쇄하는 전통적인 장치이다.
- 수차: 물의 힘(수력)을 이용하여 작동하는 분쇄 장치이다.
- 동물 동력: 말과 같은 동물의 힘을 이용하여 작동하는 분쇄 장치이다.
- 트레드휠: 사람의 힘(인력)을 이용하는 분쇄 장치이다. 과거에는 "트레드밀"이라고도 불렸다.
- 선박 제분소: 강둑이나 다리 근처에 배처럼 떠 있는 형태로 만들어진 제분소이다.
- 아라스트라: 주로 금이나 은 광석을 갈고 분쇄하는 데 사용되는 간단한 형태의 제분소이다.
- 롤러 제분소: 실린더(원통)를 사용하여 곡물 및 기타 원자재를 갈거나 분쇄하는 장비이다.
- 스탬프 제분소: 광석을 가루 형태로 만들어 추가적인 처리를 용이하게 하거나, 다른 재료를 부수는 데 사용되는 특수한 기계이다.
이 외에도 다음과 같은 다양한 종류의 분쇄 장치가 있다.
- 볼 밀
- 비드 밀
- 커피 제분소
- 콜로이드 밀
- 원추형 밀
- 분쇄기
- 디스크 밀
- 에지 밀
- 곡물 제분소 (밀가루 제분소 또는 옥수수 제분소라고도 함)
- 해머 밀
- IsaMill
- 제트 밀
- 절구와 막자사발
- 펠릿 밀
- 유성 밀
- 교반 밀
- 3롤 밀
- 진동 밀
- VSI 밀
- 와일리 밀
6. 분쇄 관련 산업
제분소(mill)는 원래 제조 물품을 만드는 사업장을 의미했다. 산업 혁명 초기에는 많은 공장이 수차로 작동했기 때문에 제분소라는 용어가 공장을 가리키는 말로 흔히 사용되었다. 오늘날에는 다음과 같은 특정 산업 분야에서 주로 사용된다.
- 수피 제분소: 제혁소에서 사용할 탄닌을 생산한다.
- 사이다 제분소: 사이다를 만들기 위해 사과를 으깬다.
- 곡물 제분소: 곡물을 갈아 밀가루 등을 생산한다.
- 유지 제분소: 압착, 압출 등의 방식으로 기름을 생산한다.
- 제지소: 종이를 생산한다.
- 제재소: 목재를 자른다.
- 전분 제분소: 전분을 생산한다. (산업 공정 참조)
- 제철소: 강철을 생산한다.
- 설탕 제분소 (또는 설탕 정제소): 사탕무나 사탕수수를 가공하여 다양한 설탕 제품을 만든다.
- 방직 공장: 섬유를 생산한다.
- 견직 공장: 비단 생산
- 아마 제분소: 아마 가공
- 면직 공장: 면 가공
- 탈곡기 (쌀 제분소 또는 쌀 껍질 제거기): 쌀의 껍질을 벗긴다.
- 화약 제분소: 화약을 생산한다.
참조
[1]
서적
The History of Grinding
https://books.google[...]
Society for Mining, Metallurgy, and Exploration
2022-10-04
[2]
논문
Relationships between comminution energy and product size for a magnetite ore
http://metso.com/min[...]
2010-03
[3]
웹사이트
Proposal for Solomonic settlement between theories of Rittinger, Kick, and Bond
https://www.scribd.c[...]
[4]
논문
Fractures, fractals and breakage energy of mineral particles
[5]
논문
Radicalar probes to measure the action of energy on granular materials
https://hal.archives[...]
[6]
웹사이트
ABB
http://www.abb.com/c[...]
[7]
문서
Mineral Beneficiation – The Third Theory of Comminution – Document Summary
http://www.onemine.o[...]
Onemine.org
2010-10-09
[8]
서적
Mineral Processing Technology: An Introduction to the Practical Aspects of Ore Treatment and Mineral Recovery
[9]
문서
SAG mill circuit optimisation at Ernest Henry Mining
https://www.research[...]
ResearchGate.net
[10]
서적
Mineral Processing Plant Design, Practice, and Control: Proceedings
https://books.google[...]
SME
2012-10-26
[11]
논문
Mills and GMDs
http://www04.abb.com[...]
2010-10
[12]
문서
Gearless mill drives
http://www05.abb.com[...]
abb.com
[13]
서적
食品工学基礎講座 固体・粉体処理
光琳
[14]
논문
Adv. Powder Technol.
[15]
서적
食品工学基礎講座 固体・粉体処理
光琳
[16]
서적
食品工学基礎講座 固体・粉体処理
光琳
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食品工学基礎講座 固体・粉体処理
光琳
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서적
食品工学基礎講座 固体・粉体処理
光琳
[19]
서적
食品工学基礎講座 固体・粉体処理
光琳
[20]
서적
食品工学基礎講座 固体・粉体処理
光琳
[21]
서적
食品工学基礎講座 固体・粉体処理
光琳
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