로터는 회전식 제트 탈기 장비의 핵심 기능 부품이며, 로터의 구조 설계 및 재료 특성은 기포의 정련 효과, 용융 흐름장의 형태, 최종 탈기 효율을 직접적으로 결정합니다. 침지형 장비의 로터 구조는 주로 순수 로터 원심 전단형과 고정자-로터 복합 안내형의 두 가지 범주로 나뉩니다. 재료는 흑연과 질화규소 세라믹의 두 가지 주요 시스템으로 나뉩니다.

1. 로터의 구조 유형 및 성능 차이

순수 로터 노즐은 원심 전단 로터라고도 하며, 회전체에 블레이드 또는 홈이 있습니다. 불활성 가스는 로터의 중앙 공기 덕트를 통해 도입되어 로터의 하부 또는 측면 공기 구멍을 통해 분사됩니다. 로터의 고속 회전으로 발생하는 원심력과 전단력을 이용하여 연속적인 공기 흐름을 작은 기포로 분리하고, 동시에 용융물을 순환 흐름으로 유도합니다. 일반적인 구조에는 임펠러형, 다공성형, 터빈형 등이 있으며, 이는 산업에서 가장 널리 사용되는 기본 구성입니다.

장점은 다음과 같습니다:

• 구조가 간단하고 제조 난이도가 낮으며 구매 및 교체 비용이 저렴합니다.
• 로터의 교반력이 강하고 용융물 순환 속도가 빠르며, 고점도 및 고함유 용융물에 대한 적응성이 좋습니다.
• 유로가 개방되어 있어 부유 슬래그에 의해 막히기 쉽지 않으며, 슬래그가 많고 더러운 폐기물을 용융하는 생산 라인에 적합하고 청소 및 유지보수 주기가 깁니다.

단점은 세 가지 측면에서 나타납니다:

• 첫째, 기포 크기의 균일성이 일반적으로 평균적이며, 일부 큰 기포는 빠르게 떠올라 기체-액체 접촉 시간이 짧아 탈기 효율의 추가적인 개선을 제한합니다.
• 두 번째 문제는 용융물이 주로 수평 순환 흐름으로 흐르며, 기포가 상승하는 경로가 짧고 일부 기포는 액체 표면에서 빠르게 빠져나가 질량 전달 잠재력의 불충분한 방출을 초래한다는 것입니다.
• 셋째, 강한 교반은 액체 표면을 쉽게 교란하고 공기와 표면 부유 슬래그를 흡입할 수 있으며, 이는 실제로 용융물의 산화 및 개재물 오염을 악화시킬 수 있습니다.

고정자-로터 복합 구조는 회전하는 로터 주위에 고정된 고정자 안내 커버를 추가하며, 고정자에는 규칙적으로 배열된 안내 구멍 또는 안내 블레이드가 있습니다. 로터에서 분사된 기체-액체 혼합물은 먼저 고정자에 의해 2차 전단 및 흐름 안내를 거치며, 기체는 더 균일한 미세 기포로 분산됩니다. 동시에 고정자는 용융물을 축 방향 상하 순환 흐름으로 유도하여 용융물 내 기포의 체류 시간을 크게 연장하고 기체-액체 접촉 면적을 증가시킵니다.

이 구조의 핵심 장점은 높은 정제 효율에 있습니다:

• 기포의 정련 효과가 더 좋고, 크기가 작고 분포가 더 균일하며, 기체-액체 비표면적이 더 크고, 질량 전달 효율이 크게 향상되며, 동일한 작업 조건에서 순수 로터 유형보다 탈기 효율이 15%에서 25% 더 높습니다.
• 축 방향 순환 흐름장은 기포의 상승 경로를 크게 연장하고, 기체-액체 접촉 시간을 연장하며, 불활성 가스의 정제 잠재력을 최대한 활용합니다.
• 동시에 용융물의 표면 흐름이 더 부드러워져 액체 레벨 교란으로 인한 2차 산화 및 슬래그 포집 위험이 줄어들고, 생성되는 부유 슬래그의 양이 적습니다.

단점은 다음과 같습니다:

• 고정자와 로터의 이중 구조가 복잡하고, 높은 가공 정밀도가 요구되며, 제조 비용이 순수 로터보다 훨씬 높습니다.
• 고정자와 로터 사이의 간격이 좁아 부유 슬래그와 산화 슬래그에 의해 막히기 쉽습니다. 정기적인 가동 중단 및 청소가 필요하며, 유지보수 빈도가 더 높습니다.
• 용융물의 청결도에 대한 높은 요구 사항과 고슬래그 폐기물은 고정자 슬래그 막힘 고장을 쉽게 유발할 수 있으며, 주로 심하게 오염된 폐기물 알루미늄을 원료로 사용하는 재활용 알루미늄 생산 라인에는 적합하지 않습니다.

2. 로터 재료 유형 및 성능 차이

로터는 700-750°C의 고온 알루미늄 용융물에서 장시간 작동하며, 알루미늄 액체 침식, 열충격 및 화학적 부식에 노출됩니다. 재료 특성은 로터의 수명과 작동 안정성을 직접적으로 결정합니다. 현재 산업에서 주류 로터 재료는 흑연과 질화규소 세라믹의 두 가지 범주로 나뉩니다.

흑연 로터는 일반적으로 고강도 및 고밀도 등압 성형 흑연을 사용하여 가공 및 성형되며, 표면은 일반적으로 산화 방지 함침 처리가 되어 있어 현재 가장 많이 사용되는 로터 재료입니다. 그 장점은 매우 두드러집니다:

• 우수한 가공 성능으로 복잡한 블레이드 및 유로 구조를 가공할 수 있으며, 다양한 로터 설계 계획에 적합합니다.
• 저렴한 비용으로 질화규소 로터의 1/5~1/3에 불과한 단위 가격과 소모품의 낮은 운영 비용을 제공합니다.
• 낮은 밀도와 가벼운 무게로 구동 모터의 부하 요구 사항이 낮고, 장비 개조에 대한 적응성이 강합니다.
• 우수한 열충격 저항성으로 냉열 작업 조건의 교대 시 폭발 가능성이 적고, 고장 허용 오차가 높습니다.
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단점도 명확합니다:

• 고온 산화 저항성이 제한적이며, 700°C 이상의 흑연은 공기 중에서 계속 산화되고 산소를 잃습니다. 일반 흑연 로터의 수명은 보통 1-3개월에 불과하며, 잦은 교체는 생산 연속성에 영향을 미칩니다.
• 흑연 입자의 분리는 용융물에 들어가 탄소 개재물을 형성하여 고품질 청정 알루미늄 합금에 오염 위험을 초래할 수 있습니다.
• 전체 강도가 상대적으로 낮으며, 고속 회전 중 충돌이나 불균일한 슬래그 발생 시 샤프트 파손 및 블레이드 파손 고장이 발생하기 쉽습니다.

질화규소(Si₃N₄) 로터는 질화규소를 기반으로 하는 구조 세라믹으로, 반응 소결 또는 열간 압축 소결 공정을 통해 제조됩니다. 우수한 고온 기계적 특성과 알루미늄 액체 내식성을 가지며, 고품질 청정 알루미늄 합금 생산을 위한 선호되는 로터 재료입니다. 그 장점은 긴 수명과 높은 청결도에 있습니다:

• 고온 및 알루미늄 부식에 대한 내성이 흑연보다 훨씬 뛰어나며, 고온에서 알루미늄과 거의 반응하지 않습니다. 정상적인 수명은 6-18개월에 달할 수 있어 교체 빈도를 크게 줄이고 연속 생산 효율을 향상시킵니다.
• 재료가 순수하여 용융물에 탄소 또는 금속 불순물을 도입하지 않아 고품질 청정 알루미늄 합금의 순도 요구 사항을 완전히 충족합니다.
• 고온 강도, 내마모성 및 내침식성이 뛰어나 더 높은 회전 속도를 견딜 수 있으며, 더 안정적인 기포 정련 효과를 제공하고 장기적인 성능 저하가 최소화됩니다.
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주요 단점은 비용 및 취약성에 있습니다:

• 높은 제조 비용, 복잡한 원료 및 소결 공정, 그리고 큰 초기 구매 투자.
• 세라믹 재료는 취약성이 높고 열충격 저항성이 약하며, 급격한 냉각, 가열 및 기계적 충격으로 인해 균열 또는 파편이 발생하기 쉽습니다. 엄격한 설치 및 작동 기준이 필요합니다.
• 복잡한 구조를 형성하는 난이도가 높고, 로터 설계의 자유도가 흑연 재료보다 낮습니다.
• 균열이 발생하면 수리가 불가능하며, 폐기 시 전체 비용이 상대적으로 높습니다.