9. 2. 설비(設備)설계 기초자료  

9. 2. 1. 설계 조건의 설정(계획요소)

표면처리 설비에 국한되지 않고 모든 설비 계획에 있어서, 설계조건의 설정이 가장 중요한 요소이다. 피처리물 형상, 처리 방법, 처리 조건, 처리 능력, 운전 시간, 운전 요원, 운전방법등을 충분히 검토한 뒤에 계획을 짜게 되고, 완성 장치의 좋고 나쁨을 결정한다고 해도 과언은 아니다. 가동 운전에 들어가고 나서, 생산성이 나쁘게 되거나, 제품 코스트를 높이게 하는 등의 큰 장해가 생겨날 위험성이 있기 때문에 신중하게 확실히 설비 설계 조건의 입안(立案)을 할 필요가 있다. 피(被)처리물의 용도에 따라 설계조건도 다른제 크게 나누면,

① 주방 용품, 기물(器物), 정밀 부품, 명판, 약전기 부품 등을 대상으로 하는 작은 제품의 표면처리 장치와

② 건재(建材) 관계를 대상으로 하는 대물용(大物用)의 표면처리 장치등 2가지로 나누어 설계 조건의 설정이 가능하다고 생각 할 수 있다.

가. 소물용(小物用) 장치 설계 조건의 설정

1) 피처리물의 형상, 처리량, 처리공정 및 처리 조건의 설정
앞에 설명한 것과 같이 소물(小物)관계는 상품의 특성상, 형상, 처리 방법 등이 대단히 많은 종류여서 복잡하다.
그 위에 상품의 외관이나 감각적인 요소에서 오는 장래의 형상 변경이나 처리 방법등의 변경 및 추가 등도,충분히 대응할 수 있도록 생각해 계획을 세워야 하는등, 다른 요소도 충분히 배려할 필요가 있다. 이상의 것을 생각하면서 하기(下記)사항을 분석해가면 설계조건의 설정이 가능하다.

ⓐ 계획 수립상, 필요한 처리를 공정에 넣는다.
ⓑ 계획 처리량 중, 각 처리 공정의 처리량을 배분하여 그 수치를 기입한다.
ⓒ 처리 조건(처리시간, 액조건)을 기입해, 통과 처리시간을 검토한다.
ⓓ 염색 또는 상품의 용도 등에 의해, 산화피막 두께가 다른 경우는 그 두께와 처리량의 배분치를 기입한다.
ⓔ 처리액의 노화 등에 대해 그 관리 방법이나 처리 시간의 보완방법 등 어떻게 대처할까 검토해 두면 좋다.
ⓕ 수(手)작업시, 치구의 부착과 떼냄, 반송 등의 적당한 거리, 중량 등을 검토해 둔다.

2) 설비가동 시간의 설정
처리액의 가열 승온 시간, 약 액조정 시간, 운전 개시시의 준비하는 비생산 시간 등을 설비 가동 시간을 넣을까 말까를 결정한다.

3) 수작업(手作業), 수동, 반자동, 자동의 설정
(移槽)가 되지 않는 문제가 있으므로 충분한 검토가 필요하다.

4) 작업 효율, 생산성, 장치 가동 효율을 고려해 설정한다.
작업 효율은 소정의 제품 부착량에 따라 부족이 생기는 경우가 있다. 그 경우의 값 장치 가동 효율은 관리, 유지, 조내세정 등 때문에 설비가 쉴때의 값

5) 재료 변동율의 설정
피처리물의 대소(大小)등에 따라, 거는 면적에 과부족이 생기는 경우의 값

6) 작업자, 운전원의 휴식시의 장치 운전 방법 설정

7) 피처리물을 거는 방법 설정 등이 설계조건으로 한다.

나. 대물용(大物用)장치의 설계 조건 설정

기본적으로 소물용(少物用)과 똑같지만, 피처리물이 크고 무겁다는 점이 다르다. 처리공정, 조건은 소물용(少物用)과 비교해 복잡하지는 않지만 중량, 표면적 등의 변동 폭이 크기때문에 처리능력의 설정은 신중히 해야만 한다.

9. 2. 2. 기본(基本)설계수치의 선정(설계포인트)

전기(前記) 설비 설계 조건을 기초로, 설비 설계에 착수하게 되는데 그 기본이 되는 수치를 구하는 것이 기본 설계 수치이다. 여러 가지기본 설계수치의 구하는 방법을 생각할 수 있으나, 전해 피막 처리의 경우 그 처리 전원의 용량을 산출하는 것이 제일의 요소이고, 다른 관련 부대장치의 계획 조건을 설정하는데도 오차가 적고 빠른 길이다. 앞에 기술한 설계 조건은 설정 요소를 생각하면서 예를 들어

처리능력 : 20,000 m² / 月
가동시간 : 20日/月 * 8시간/日 (액승온 시간 포함)
전해피막 두께 : 10μ 평균(황산피막)으로 한 경우

가. 단위 시간당 처리 면적( m² / 분)을 산출

여기에서 2시간 공제는 액 승온시간 1시간, 최초의 처리품이 완료품으로 될 때 까지의 시간 1시간을 합해서 2시간으로 한다. 또한 전효율(全效率) 0.85 는
생산성 × 작업 효율 × 가동 효율 = 전 효율 로 본 수치이다 .

나. 1분에 처리물/m² 에 설계피막 두께(10μ)을 생성하는데 필요한 전해 전류치(A분/ m² )을 구한다. 피막 두께 = 전해 정수 × 생성율 × 전류 밀도 × 전해 시간

다. 재료 변동율 20% , 치구로스분 5% 정도로 생각하면

따라서 약 15.000A로 된다. 나중에 여러 가지 트러블이 발생되기 때문에 가능한 한 실 부하에 가까운 수치를 구할 필요가 있다. 전해 방법에 의해 그림 9-1과 같이 전압, 또는 전류의 커브로 되지만, 이 커브의 전압과 전류의 합이 a₁ 이 되도록 계산할 필요가 있다.

1) 외기(外氣)에 의한 부하(負荷)

ⓐ 액면으로 부터의 침입열(侵入熱)
a₃ = A₁ * Δt * u
A₁ = 액면적(液面積)( m₂ ) 
Δt = 외기 온도와 처리액과 온도차(℃)
u = 총괄 전열 계수(Kcal/m² .hr.℃)

ⓑ 조(槽)벽으로 부터의 침입열
a₄ = A₂ * Δt * u
A₂ = 조(槽)벽 면적(液面積)( m2 )

2) 액 순환펌프 등의 설치를 생각하고 있는 경우의 펌프 동력에 의한 부하 냉동기의 2차측 펌프류를 전부 계산해 보면

a₄ = 860Kcal / KWH * P * 0.7 ~ 0.8
P = 펌프 모다(KW)
0.7 ~ 0.8 = 펌프 축(軸)마력

3) 피처리물에 의한 부하

피 처리물의 온도가 낮은 경우는 위 계산에서 빼고, 높은 경우는 부하로서 더한다.
A₅ = 투입질량(投入質量 : kg) * 비열(Kcal Cg℃) * Δt (℃)

라. 냉각 방식

1) 1차 방식
그림 9-2을 참조하기 바라며 이 방식은 개방형의 냉동기를 써서 전해조내 설치의 증발기(코일)로 증발시켜 냉각하는 방법으로 소용량의 경우나 경질 아노다이징의 경우에 설치되는데, 윤활유가 증발기에 눌려진 채로 냉동기로 돌아오지 않기 때문에, 압축기를 손상시키는 수가 있다.

2) 2차 방식

냉동기에서 만들어진 냉수를 냉수 순환펌프에 의해 순환시켜 전해 조내에 설치한 냉각코일로 해 냉각하는 방법이다. 그림 9-3에 표시한다. 또 온도조절은 냉동기의 능력제어 또는 동작 , 정지로써 행한다. 1차 방식, 2차 방식 모두 전해 조내에 코일상의 냉각관이 있기 때문에, 피 처리물의 출입 등에 의해 손상되면 냉수 배관 또는 냉매배관에 전해액을 끌어 들여 냉동기를 손상시킬 염려가 있다. 그림 9.4(b)는 (a)그림의 계통 흐름에 전동밸브를 설치해, 냉각부하에 따라 냉각코일로의 냉수 공급량을 제어하는 것으로(a)그림 방식보다도 냉동기기의 동작, 정지 빈도가 적게 되고, 냉동기의 보호도 되며 액온의 제어가 비례적으로 된다.

3) 3차 방식 (그림9-4 (a))

2차 방식이 개량으로 조외(槽外)에 전용의 열교환기를 설치해, 냉수 뿐만 아니라 전해액도 순환시켜 냉각하는 방식으로 액 교반등이 동시에 행해져, 조내(槽內)의 온도 분포가 좋은 등의 이점이 있고 현재 일반적인 방법으로 되어 있다. 또 , 직접 전해조에서 빨아내는 방식도 있지만, 액면이 변동해서 공기의 흡입이나 액보급이 되지 않는 등도 있기 때문에 오바후로탱크를 설치하지 않는 경우는 그 점을 고려할 필요가 있다.
그림 9-4 (b)는 설비 용량이 커지면 부하 변동 즉, 전해조의 소비 전력의 변동에 의해 냉수 순환 배관 중의 냉수량으로는 냉수의 온도 변화가 크게 되고 냉동기의 정지, 기동 빈도를 높이게 되어, 냉동기의 손상, 또는 기동전력비의 증대로 나쁜 방향으로 되기 때문에 완충 탱크적인 냉수 저장조를 설치해, 냉동기의 정지에서 기동까지의 시간을 5 ~ 15분 정도 유지하도록 하고 있다

그림 9-4. 3차 방식

마. 냉동기

1) 냉동기의 종류

냉동기의 종류는 그림 9-5에 표시하는 것과 같다.

2) 냉동 싸이클 및 냉동 능력

일반적인냉동 싸이클을 그림 9-6 에 표시한다. 압축기 , 압축기 팽창밸브, 및 증발기로 냉동 싸이클은 성립하고 이 싸이클 중에서 특정의 가스가 순환한다. 증발기내에서 증발한 가스는 압축기에 흡입되어, 압축되며, 다시 응축기로 보내져 여기에서 외부로부터 냉각되어 액화되고,팽창변(밸브)을 통과해 감압(減壓)되어 증발기에서 증발하고, 외부로부터 열을 흡수한다. 이 상태가냉각 싸이클이다. 냉동 능력은 냉동 장치에서 저온(低溫)의 열원(熱源)으로부터 단위 시간에 흡수하는 열량 Cl로 그 단위는 Kcal / Hr으로표시하는데, 이외에 냉동톤으로 표시하는 수가 많다. 미국(美國)과 일본(日本)의 냉동톤을 비교해 설명하면

<일본냉동톤> 24시간에 0℃의 물 1톤을 0℃얼음으로 하는 냉동능력을 말한다.
얼음의 융해잠열을 79.7 Kcal / kg이므로
일본냉동 1톤은 = 79.7 * 1,000 = 79,700 Kcxl/日 = 3,320Kcal/Hr

<미국냉동톤> 24시간에 32 ℉℃ 의 물1 t(2001b)를 32 ℉의 얼음으로 하는 냉동 능력을 말한다.
얼음의 융해 잠재열은 144Bt.u/1b이므로
미국냉동 톤 = 144 * 200 = 288,000 Btu/日 = 12,000 B.t.u/H = 3024Kcal/Hr

바. 냉각기
열교환기라고 하며 3차 방식과 같은 외부(外部) 열교환기를 설정해 처리액과 냉수 또는 냉매 용액을 열교환시키는 경우가 일반적으로 되어 있는데, 이 열교환기에는 카본식, 셀맨드튜브식, 스파이럴식, 프레이트식 등이 있지만, 프레이트 식이 값이 싸고, 프레이트 수량의 증감으로 열교환 용량의 변경이 가능한 등의 이익이 있다.
열교환 면적을 구하는 방법을 표시하면

A = 필요전열(傳熱)면적(m 2 )

a = 열교환량(Kcxa /Hr) 이것은 계산상의 부하가 아니라 선정한 냉동기의 능력으로 계산한다.

Δtm = 액 및 냉수의 출입구(出入口)대수 평균온도차(℃)
u = 총괄 전열계수(Kxal/m2,Hr.℃)
참고로 열교환 방식에 의한 총괄 전열 계수를 각 식별로 표시한다.

① 카본식 : 500 ~ 1,000 Kcal/m 2 .Hr.℃
② 프레이트식 : 1,500 ~ 3,000 Kcal/m 2 .Hr.℃
③ 코일식 : 500 ~ 800 Kcal/m 2 .Hr.℃

사. 처리액 순환 펌프의 선정
대상 처리조의 관리 온도 범위에서 구하는 방법과 순환액 횟수로 구하는 방법의 2가지를 생각 할 수 있다.

1) 관리 온도 범위에서 구하는 경우

2) 순환액 횟수로 구하는 경우

앞의 관리 온도 범위에서 구해지는 수치보다도 일반적으로 순환액 횟수쪽이 크기 때문에 그 차이분을 열교환기를 거치지 말고 바이패스시키도록 설계하면 좋다.

9 . 2 . 3 액(液)교반장치의 설계

처리액, 온도 분포, 및 피막 두께의 균일화, 고속도 전해 등의 버닝 방지, 세정 효과의 증대 등의 목적으로 액교반을 할 필요가 있다.

그 방법으로는,

① 피처리물을 요동시킨다.
② 펌프등에 의해 액의 순환을 행한다.
③ 조 바닥에서 공기를 불어 준다.
④ 기타

등이 있는데 공기를 불어주는 에어브로우식과 펌프에 의한 액순환방식이 일반적이다.

가. 요동 방식
화학 연마조, 전해 연마조 등에 사용되어 상하좌우 또는 전후 등에 크랭크 기구 또는 실린다 기구를 사용해 요동시킨다. 요동스트로크, 요동 싸이클 방향은 피처리물의 형상, 중량, 치구 부착 방법등에 어느 정도 규제되어 있기 때문에 무단 변속기를 장치해 요동 싸이클을 조절 가능하도록 해두면 좋다.

나. 펌프에 의한 액순환 방식
통상, 액순환량은 순환액 횟수로 결정해3~10회(回)/Hr정도이다.
또, 펌프양정은, 조액면 높이+배관압력 손실+α 로 구한다.

다. 에어브로우 방식
에어브로우 방식에는 깨끗한 압축공기를 사용하지 않으면, 압축기의 윤활유가 혼입하게 되므로 무(無)주유식의 로타리 브로와를 사용하는 것이 바람직하며 이외에도 터보 브로와 등을 사용하고 있다. 교반 공기량은 교반액면 1m2당 0.1 ~ 0.3㎥/분 정도가 좋다. 또, 공기압은 너무 높으면 액중에 방출될 때의 체적 팽창이 심해 피처리물에의 쇽크로 되거나 액면에서 튀거나 하기 때문에 적당한 압력을 설정해야 한다. 그림 9-7에 압력과 액면 높이 즉 조 깊이의 관계를 나타낸다. 그리고 고압 압축 공기를 사용하는 경우는 오일분리기등을 설치해 깨끗하게 해서 2㎏/m 2 이하로 감압(減壓)해, 가능한 한 공기 분출용 다공관(多孔管)의 공경(孔徑)을 작게 하면 좋다.

9 . 2 . 4 배기장치(排氣裝置)

배기 장치에는 단순한 배기와 세정 후의 배기 두 가지가 있고, 세정을 함께 하는 배기에 관해서는 대기 오염 방지법의 규제가 가해지기 때문에 충분히 검토할 필요가 있다. 이들 장치의 제일의 포인트는 발생하는 미스트나 가스를 어떻게 효율적으로 제거하느냐에 달려 있고, 무턱대고 크게 하면, 대기를 흡인(吸引)해 세정하는 듯이 된다. 어떤형태의 세정장치라도 흡인하는 가스의 농도가 높은 만큼 세정 효율이 높다 .

1) 푸쉬, 풀 방식
소위 탱크위의 에어카텐 방식이고, 탱크 폭이 넓은 탱크 등에 사용된다.
그림 9-8에 표시한다.

2) 풀, 풀방식

탱크(槽)의 양측으로 불어내는 방식으로, 에어카텐 등의 불어내는 공기등에 의해 마르거나, 타는 것의 발생이나, 부분적인 에어에 의한 냉각을 피해야만 하는 조(槽)에 사용된다. 그림 9-9에 표시한다.

3) 가이드 또는 천정 방식

그림 9-10에서 그 모양과 형식을 나타낸다. 

4) 덮개식

피처리물의 출입시(出入時)에만 열리고 닫히는 것으로, 통상은 덮여 있기 때문에 밀폐형에 가깝고, 약간의 흡인력으로 효율 좋게 작업 할 수 있다. 어떠한 것도 배기량은 처리 면적으로 부터의 상승기류를 0.3 ~ 0.8m/sec로 설정해 액면으로 부터의 증발, 또는 발생하는 가스를 대상으로 하고 있지만, 오히려 피처리물이 상승시 또는 랙크가 올려졌을 때 발생하는 량 쪽이 많아 처리조액 면적을 1로 하고 피처리물의 면적을 발생 면적으로해 X로 하면 X는 50 ~ 150이 되어 오히려 피처리물로부터의 개스 등을 처리할 필요가 있다. 그 때문에 생각되는 방법으로 그림 9-11 및 9-12 와 같이 수세조와 일체(一體)로한 배기방식이 있다.

나. 배기닥트

배기후드에서 배기휀 혹은 배기 세정 장치까지 강판 또는 염화비닐로 제작해 닥트내 풍속을 8m ~ 15m/분으로 직경을 정하면 좋다. 또, 닥트 제작에 대해서는 내부 가스 등이 냉각되어 결로(結露)하여 접속면으로 부터 떨어지거나, 한냉지 등에는 결로수가 동결하거나 하는 수가 있으므로 전(全)용접 구조로 하든가, 보온하든가의 대책을 세우는 것이 좋다.

다. 세정(洗淨)장치

알루미늄 표면처리 장치용의 배기 세정장치는 기체, 액체 접촉의 온도 세정 장치가 사용되는데, 공간으로 기체, 액체 접촉 면적이 큰 방식이 효율이 좋게 된다. 그림에 5가지 방식의 세정 장치를 나타낸다. 어떠한 방식으로 해도, 설치 공간 관계로 가늘고 높게 되어 있는데, 세정시의 풍속은 0.5 ~ 1.5m/sec, 체유(滯留)시간 3 ~ 15초 정도이다. 또 세정수는 물 뿐만 아니라, 중화제로 희석한 것을 사용하는 경우가 있다.