経済と社会の様々な分野における非金属鉱物資源の利用拡大に伴い、これらの資源の開発は著しく活発化しています。これらの非金属鉱物の多くは粉末状で利用されるため、産業界では、特に超微粉の製造において、より高度な処理技術が求められています。本稿では、超微粉を製造するための様々な種類の粉砕機について解説します。
1. 超微粒子非金属鉱物粉末
超微粉末 ミクロンからナノメートルスケールまでの粒子サイズを持つ一連の超微細材料を指します。現代のハイテク新素材における非金属鉱物粉末の広範な応用は、その独自の機能性を前提としています。ほとんどの非金属鉱物機能の性能は、粒子サイズ、粒度分布、および粒子形状に依存します。
超微粉体は、優れた物理的・化学的特性を有します。例えば、大きな比表面積、高い表面活性、速い化学反応速度、低い焼結温度と高い焼結体強度、優れた充填・補強性能、そして高い隠蔽力などです。そのため、多くの応用分野では、非金属鉱物原料に非常に微細な粒子サイズ（ミクロンまたはサブミクロン）が求められています。
現在、中国の鉱物加工業界におけるコンセンサスでは、超微粉とは30μm未満の粒子が100%個含まれる粉末と定義されています。粒子サイズに基づいて、超微粉はミクロングレード（1～30μm）、サブミクロングレード（0.1～1μm）、ナノグレード（0.001～0.1μm）に分類されます。超微粉非金属鉱物は、光学特性、磁気特性、音響特性、電気特性、機械特性において顕著な利点を示し、医療、化学、電子工学、エネルギーなどの分野で広く利用されています。
2. 超微細非金属鉱物粉末の加工
超微粉末の製造方法は数多くありますが、その形成媒体に基づいて、以下の3つのカテゴリーに分類できます。 気相法、液相法、固相法気相法には、高周波誘導加熱法やプラズマ調製法などがあり、高純度、狭い粒度分布、小粒径、均一分布を有する超微粉末の製造に適しています。液相法には、主に化学液体還元法、ゾルゲル法、超音波霧化法、水熱法などがあります。固相法では、主に機械的粉砕法が用いられます。
調製の原理から、方法は化学的方法と物理的方法に分けられます。
化学的方法
化学的方法は化学反応を伴い、イオンまたは原子から核生成と成長を経て所望の超微粉末を形成します。利点は、高純度、小粒径、狭い粒度分布、良好な形態の粉末を製造できることです。欠点は、収率の低さ、高コスト、複雑なプロセスなどです。
物理的方法
物理的方法は、機械的な力によって材料を粉砕する方法です。利点としては、コストが低く、プロセスが比較的単純で、生産性が高く、大規模な工業生産に適していることが挙げられます。さらに、粉砕中に生じるメカノケミカル効果により、粉体の活性を高めることができます。
現在、超微粒非金属鉱物粉末の加工においては、物理的方法が主な調製技術となっています。一般的に、原料を超微粒粉末に変換するプロセスは、主に粉砕と微粒化の2つのステップで構成されています。 分類原料はまず超微粉砕装置に投入され、粉砕されます。粒子構造の多様性により、粉砕に必要なエネルギーが異なり、装置内で受ける力も不均一です。そのため、得られる微粒子の形状とサイズは不均一となり、粒度規定を満たすのは一部に限られます。実生産においては、規格を満たす粒度にまで細かく粉砕するために、粉砕時間を長くすることがよくあります。しかし、これはエネルギー消費量の増加につながるだけでなく、過剰粉砕につながる可能性もあります。そのため、規定のサイズに合う粒子を速やかに選別することが重要であり、超微粉製造プロセスにおいて超微分級技術は極めて重要です。
3. 超微粉砕装置の研究状況
現在一般的に使用されている超微粉砕装置には、衝撃式ミル、撹拌式ミル、ジェットミル、振動式ミルなどがあります。
3.1 インパクトミル
インパクトミルは、水平軸または垂直軸を中心に高速回転するローター（ロッド、ハンマー、ブレードなど）を用いて、材料に強力な衝撃とせん断力を発生させる超微粉砕装置です。これにより、材料とミル壁／固定部品との間に強い衝撃衝突が生じます。また、粒子同士の衝突を引き起こし、粒子の破砕につながることもあります。タルク、大理石、方解石などの中硬度の材料に適しています。投入サイズは通常8mm以内で、製品の粒度は3～74μmに達します。
インパクトミルの主な利点は、粒度調整、シンプルな構造、コンパクトな設置、容易な操作、省スペース、高効率などです。欠点は、高速運転時に過熱する可能性があることです。そのため、設備の改善においては、冷却方法の検討が不可欠です。さらに、部品の著しい摩耗を防ぐため、優れた圧縮特性と耐摩耗性を備えた材料の使用が推奨されます。
3.2 撹拌ミル
撹拌ミルは、有望な超微粉砕装置の一つであり、様々な形態で利用可能です。設置方法によって、垂直型、水平型、ディスク型撹拌ミルに分類されます。プロセスによって、スパイラル型、バッチ型、循環型、連続型撹拌ミルに分類されます。
撹拌式ミルは、撹拌軸を回転させることで、粉砕媒体（スチールボール、ジルコニアボール、セラミックボール、コランダムボール、砂利など）とチャンバー内に充填された材料を撹拌し、移動させることで主に動作します。非金属鉱物の深部処理や顔料調製によく使用されます。投入サイズは通常3mm以内で、製品の粒度は0.1～45μmです。粉砕効率に影響を与える主要なプロセスパラメータには、撹拌速度、スラリー濃度、材料とボールの比率、媒体特性、滞留時間などがあります。
従来のボールミルと比較して、撹拌ミルには大きな利点があります。1. 撹拌機が回転している間、ミル室は固定されているため、従来のボールミルの回転ドラムに伴う高いエネルギー損失の問題が解決されます。 ボールミル②衝撃と粉砕を組み合わせたボールミルとは異なり、撹拌ミルは主に粉砕に依存し、最小限の衝撃で補完することで、騒音、熱、振動によるエネルギー消費を削減し、微粉砕効率を向上させます。③撹拌ミル装置は、一般的に設置面積が比較的小さく、構造が簡単で、設置が簡単です。
3.3 振動ミル
振動ミルは、ボールまたはロッドを媒体として用い、数ミクロン単位の微細粒子を処理できます。高周波振動チャンバー内の粉砕媒体を利用して、材料に衝撃、粉砕、せん断力を与え、迅速な粒子径縮小を実現します。化学、冶金、建築材料、セラミック、耐火物、非金属鉱物などの超微粉処理に広く使用されています。供給サイズは通常6mm以内で、製品の粒度は1～74μmです。振動ミルは、小型、低消費電力、高出力、コンパクトな構造、操作が簡単、容易などの利点があります。 メンテナンス、製品サイズが均一です。欠点としては、騒音レベルが高く、部品要件が厳しいことが挙げられます。
3.4 ジェットミル
ジェットミルは、ノズルを通して圧縮空気を加速することで作動します。ジェットによって粒子が高速で噴射され、衝突、摩擦、せん断を生じさせることで粉砕されます。主に、大理石、カオリン、タルクなど、中硬度以下の非金属鉱物の超微粉砕に使用されます。また、健康食品、レアアース、化学原料にも使用されます。原料粒子径は通常1mm未満に制御され、製品の粒度は1～30μmですが、生産能力は比較的小さいです。
ジェットミルは、高度な自動化と大容量といった利点があります。一方で、設備コストの高さ、設置面積の広さ、エネルギー消費量の高さ、高粒度製品の入手性が低いこと、部品の摩耗が激しいこと、そして独自の革新的なモデルが不足していることなどが欠点です。ジェットミルは中国で最も研究が進んでいるミルであり、最も充実したモデルラインナップと比較的成熟した技術を備えているため、市場で非常に人気があります。現在、構造や操作方法の違いから、水平ディスク（フラット）ジェットミル、循環管式ジェットミル、対向式ジェットミル、ターゲット式ジェットミル、流動床式ジェットミルに分類できます。
3.5 その他の機器
惑星 ボールミル構造は主に垂直型と水平型です。個々の粉砕ジャーは一般的なボールミルと幾何学的に類似していますが、重要な違いは、遊星型ミルの各ジャーが自転すると同時に中心軸を中心に公転することです。遊星型ボールミルは高い粉砕能力とエネルギー利用効率を有しており、超微粉製造、メカノケミストリー、メカニカルアロイングなどの分野で広く使用されています。高硬度材料に適しており、粉砕粒度は0.1μmに達します。粉砕媒体の摩耗が少なく、小ロット生産に適しているなどの特長があります。
- 指輪-ローラーミル：本質的には中小型の超微粉砕装置です。長年の開発を経て、その適用範囲は徐々に拡大し、ますます顕著な利点を示しています。具体的な適用効果としては、プロセス操作が比較的簡単で、粉砕率が比較的高く、処理時の単位エネルギー消費量が低いため、省エネおよび環境保護の要件を満たしています。現在の非金属鉱物処理における応用例に基づくと、投入サイズは20mmを超えてはなりません。内部の分級装置により、処理中に基準に従って製品の粒度を効果的に調整できます。
粉体産業の発展に関わらず、超微細非金属鉱物粉末を得るための主な手段は依然として機械的粉砕です。「職人は自分の仕事をうまくこなすために道具を研ぎ澄まさなければならない」。今後は、基礎理論研究の強化、技術投資の増加、既存設備に基づくプロセスフローの最適化、イノベーション能力の継続的な向上、そしてハイテクで環境に優しく、経済的で、低エネルギー消費、低排出、高付加価値の超微細粉砕装置の開発が不可欠です。
4. 超微粒子分級装置の研究状況
超微粉体分級は、媒体内の異なるサイズの粒子に作用する遠心力、重力、慣性力などの力によって引き起こされる異なる運動軌道に基づいて粒子を分離し、それぞれの収集装置に導きます。
超微分級は、使用する媒体の違いにより、一般的に乾式法と湿式法に分けられます。湿式分級は液体を分散媒体として使用するため、分級精度が高く均一性に優れています。しかし、乾燥や廃水処理といった後工程が、その発展を制限しています。
3種類の空気分級機
乾式分級装置は、異なる分級原理に基づいて、慣性式、ジェット式、遠心式の 3 つのタイプに分けられます。
- 慣性分類器 加えられた力によって異なる慣性を利用して粒子を分離し、異なる方向に移動させます。
空気分級機 コアンダ効果、慣性分類、高速分類の原理を総合的に適用します。
遠心力 遠心力場は重力よりも強いため、遠心分級機は広く普及しています。遠心力場内の流れ場に基づいて、強制渦型と自由渦型の2種類に分類されます。
いくつかの欠点はあるものの、乾式分級はコスト効率が高く、簡便であるため、粉末調製において広く使用されています。
現在、工業生産において最も広く使用されている分類装置はターボである。 空気分級機分類ホイールの取り付け形式に応じて、 縦型車輪タイプと横型車輪タイプ.
で 垂直ホイール分類機分類ホイールは通常、片持ち式です。運転中に、ホイールサイズが大きい場合のアンバランス、過度の負荷による主軸とベアリングの破損の可能性、シール不良などの問題が発生する可能性があります。 水平ホイール分類機分級ホイールが水平に設置されているため、高速運転時でも安定した運転が可能になり、密閉性も大幅に向上します。同じ処理能力であれば、水平分級機はよりコンパクトになり、低振動や長寿命といった利点があります。
渦流式空気分級機の開発に伴い、研究者たちは広範な理論・実践研究を通じて改良を重ね、分級精度と効率を効果的に向上させてきました。例えば、円錐に沿って下降する粗粒子を簸別するために三次空気流を追加することで、分離効率が向上します。
既存のローター分級機に基づいて構造寸法と動作パラメータを最適化することに加え、内部コンポーネントを追加したり、空気流の入口と出口の方向を変更したりすることで、新しい動的分級機を開発した学者もいます。
最新の研究に基づき、今後の方向性は、流れ場制御の分類、分離プロセスの最適化、そしてハイブリッドフロータイプのカップリングという3つの分野に焦点が当てられるでしょう。利用可能な技術と機器の成熟度が高まっているため、企業はこれらのソリューションを慎重に選択し、最適化する必要があります。優先事項は、プロセスパラメータを制御し、ワークフローを調整して、生産能力と収益性を向上させることです。
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— ジェイソン・ワン, シニアエンジニア
