왜 지르코니아 볼이 계속 깨지면서 미세 분쇄기의 체를 막게 되는가

저는 상하이 일대의 습식 가공 공장에서 12년을 보냈습니다. 송장(Songjiang)의 안료 공장, 전자 세라믹 공장, 그리고 외곽 산업단지에 있는 배터리 소재 생산 라인 몇 곳을 거쳤죠. 지르코니아 볼과 관련해 가장 자주 제기되는 불만은 마모 속도가 너무 빠르다는 것이 아닙니다. 문제는 비드가 파손되거나, 배출 스크린이 막혀서 분쇄기가 정지하거나, 제품에 거친 파편이 섞인다는 점입니다. 10건 중 9건은 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia) 분쇄 비드를 사용하는데, 입자 크기 분포가 너무 넓거나 회전 속도와 점도에 맞지 않는 직경으로 인해 발생하는 문제입니다.

Y-TZP 비드는 밀도가 약 6.0 g/cm³로 높으며, 상변태 강화 효과로 인해 인성이 뛰어납니다. 적정하게 적재된 비드 밀에서 Y-TZP 비드는 알루미나보다 충돌당 더 많은 에너지를 전달하며, 재료 손실도 매우 적습니다. 양질의 0.8–1.2 mm Y-TZP 비드를 사용한 표준 슬러리 시험에서 실험실 마모율은 시간당 0.01% 미만으로 나타나는 경우가 많으며, 철 또는 알루미나 오염도 낮은 수준을 유지합니다. 문제는 입도 분포가 넓거나 비드가 밀에 비해 너무 클 때 발생합니다. 비드가 클수록 더 많은 운동 에너지를 갖게 됩니다. 슬러리 점도가 높거나 충전량이 적절하지 않으면, 비드들이 스크린이나 서로를 부딪혀 파편이 생길 정도로 강하게 충돌합니다. 일단 파편이 형성되면 이는 추가적인 연마재 역할을 하여 마모가 가속화되고, 분리기가 막히게 됩니다. 제가 점검한 밀 중에는 투입물의 절반은 여전히 둥근 상태였지만, 나머지 절반은 애초에 존재해서는 안 될 파편들로 가득 찬 경우도 있었습니다.

작년에 저는 송장(Songjiang)에 있는 한 안료 공장에서 시험 가동을 진행했습니다. 그곳에서는 고형분 함량이 약 55–60%인 유기 안료 슬러리를 분쇄하고 있었는데, 공칭 직경 0.8 mm의 매체를 사용한 수평 비드 밀에서 D90을 5 µm 미만으로 맞추는 것을 목표로 하고 있었습니다. 그들이 사용하던 지르코니아 볼 밀 매체는 0.6–1.0 mm Y-TZP로 표기되어 있었지만, 시료를 체로 거르니 실제 입도 분포는 약 0.4 mm에서 1.4 mm에 달했으며, 더 큰 지르코니아 비드가 눈에 띄게 많이 포함되어 있었습니다. 40시간이 지난 후 체의 차압이 상승했고, 배출물에서 파손된 비드와 파편이 발견되었습니다. 남아 있는 온전한 비드의 측정된 마모량은 여전히 낮았지만(중량 기준 약 0.008%), 파손률로 인해 밀을 더 이상 사용할 수 없게 되었습니다. 해당 로트의 더 큰 비드에 대해 실시한 실험실 분쇄 시험 결과, 이 비드들은 우리가 보유하고 있던 더 촘촘한 0.8 mm 기준 등급의 비드들보다 낮은 하중에서 파손되는 것으로 나타났습니다.

우리는 동일한 밀도와 공칭 화학 성분을 유지한 채, 분포 폭이 좁은 0.8 mm Y-TZP 충전재로 전환했습니다. 충전 속도는 제강사의 권장 사항에 따라 유지했으며, 지르코니아 비드가 뭉치지 않고 현탁 상태를 유지할 수 있도록 점도를 주의 깊게 관찰했습니다. 추가로 40시간이 지난 후에도 스크린은 깨끗한 상태를 유지했고, 제품에서 측정 가능한 칩은 발견되지 않았으며, 비드의 마모량은 0.006–0.007%였습니다. 세척 간격을 더 길게 할 수 있게 되어 처리량이 증가했습니다. 오염 검사(슬러리 ICP 분석) 결과, 지르코늄 수치는 낮은 ppm 범위를 유지했으며, 이는 해당 안료에 대해 허용 가능한 수준이었습니다. 이후 공장은 더 엄격한 입자 크기 사양을 지속적으로 준수했습니다.

우수한 이트리아 안정화 지르코니아 연마 비드의 밀도와 인성은 미세 연마에 있어 확실한 장점입니다. 이를 통해 더 작은 크기의 연마재를 사용하면서도 입자에 에너지를 전달할 수 있으며, 마모율이 낮게 유지되므로 금속이나 세라믹 분말을 끊임없이 보충할 필요가 없습니다. 하지만 비드가 파손되면 이러한 장점은 사라집니다. 입자 크기 분포가 넓거나 선단 속도에 비해 비드가 너무 크면, 충전재는 연마 도구가 아닌 칩의 발생원이 되어 버립니다. 데이터 시트상에서는 지르코니아 비드와 알루미나의 마모 비교 결과가 매우 우수해 보이지만, 실제 분쇄기 내에서는 지르코니아 비드가 온전한 상태일 때만 이러한 비교가 유효합니다.

현장에서 확인해야 할 몇 가지 사항이 있습니다. 새로운 로트가 들어올 때마다 시료를 체로 거르십시오. 포장 봉투의 라벨만 믿어서는 안 됩니다. 지르코니아 볼의 직경을 분리기 간격 및 목표 입도 범위에 맞추십시오. 볼을 더 크게 사용하는 것은 도움이 되는 경우가 드물며, 오히려 파손을 증가시키는 경우가 많습니다. 비드들이 뭉치거나 스크린을 강하게 두드리지 않도록 고형분과 점도를 분쇄기가 설계된 범위 내로 유지하십시오. 또한, 미세 분쇄용 지르코니아 매체가 배출구를 막거나 제품에 파편이 나타나는 경우, 슬러리나 분쇄기 속도를 탓하기 전에 입도 분포를 측정하고 파손 여부를 확인하십시오. 송장(Songjiang) 안료 생산 라인에서는 충전물 크기를 0.8mm로 좁게 변경한 결과 파손이 중단되었으며, 장시간 가동 시 Y-TZP의 낮은 마모율이 실제로 드러나게 되었습니다. 이 주변에서 제가 보는 대부분의 분쇄기는 모든 지르코니아 볼을 동일하게 취급하는 것을 중단하고, 챔버 내에 실제로 어떤 크기의 볼이 들어 있는지 확인하기 시작하면 동일한 결과를 얻습니다.