ボールミル

1. ボールミルの紹介

ボールミルは粉砕後の材料を粉砕するための主要な装置です。

ボールミルは工業生産で広く使用されている高微粉砕機の1つであり、チューブボールミル、ロッドボールミル、セメントボールミル、超微粉積層ミル、ハンドボールミル、水平ボールミル、ボールミルベアリングブッシュ、省エネボールミル、オーバーフローボールミル、セラミックボールミル、ラティスボールミルなど多くの種類があります。

ボールミルは、様々な鉱石やその他の材料の粉砕に適しており、選鉱、建材、化学産業で広く使用されています。粉砕方法は乾式と湿式に分けられます。排出方法の違いにより、グリッド型とオーバーフロー型の2種類に分けられます。シリンダーの形状により、短管ボールミル、長管ボールミル、チューブミル、コーンミルの4種類に分けられます。

2. ボールミルの動作原理

ボールミルは、水平シリンダー、材料を供給および排出するための中空シャフト、および研削ヘッドで構成されています。シリンダーは長いシリンダーで、シリンダー内に研削体が取り付けられています。シリンダーは鋼板で作られています。スチールライナーはシリンダーに固定されています。一般的に、研削体は鋼球であり、異なる直径と一定の割合でシリンダー内に詰め込まれています。研削体は鋼で作ることもできます。研削材料の粒径に応じて選択します。材料は、ボールミルの供給端にある中空シャフトによってシリンダーに投入されます。ボールミルのシリンダーが回転すると、研削体は慣性、遠心力、および摩擦によりシリンダーライナーに付着します。シリンダーによって運ばれ、一定の高さに達すると、自身の重力によって投げ落とされます。落下する研削体は、発射物のようにシリンダー内の材料を粉砕します。

材料は、供給装置の中空軸を通して供給装置を通過し、均一に粉砕機の第一室に入る。粉砕機の第一室には、段付きライナーまたは波形ライナーが設置されている。チャンバー内には様々な規格の鋼球が装備されており、高さを超えて落下すると、材料に大きな打撃と粉砕効果をもたらす。材料は第一倉庫で粗粉砕段階に達した後、単層の仕切り板を通って第二倉庫に入る。倉庫には平らなライナーと鋼球が敷設されており、材料をさらに粉砕する。粉末は排出格子から排出され、粉砕作業を完了する。

バレルが回転すると、粉砕体も滑り落ちます。滑り落ちる過程で、材料は粉砕されます。粉砕効果を有効に活用するために、粒子径の大きい材料を粉砕する場合は、粉砕体が細かくなります。仕切り板で2つのセクションに分かれており、二重サイロになっています。材料が最初のサイロに入ると、鋼球によって粉砕されます。材料が2番目のサイロに入ると、鋼鉄セクションが材料を粉砕し、粉砕された適格な材料は排出端から中空になります。シャフトを排出して、砂2号スラグや粗いフライアッシュなどの小さな供給粒子を含む材料を粉砕する場合、ミルのバレルは仕切りのないシングルサイロバレルミルとして形成でき、粉砕体は鋼鉄製にすることもできます。

原料は中空軸ジャーナルを通して中空シリンダーに投入され、粉砕されます。シリンダーには様々な直径の粉砕媒体（鋼球、鋼棒、砂利など）が取り付けられています。シリンダーが水平軸を中心に一定速度で回転すると、シリンダーが一定の高さに達すると、遠心力と摩擦力の作用により、シリンダー内の媒体と原料がシリンダーから分離されます。そして、本体壁が落下または転がり落ち、衝撃力によって鉱石が粉砕されます。同時に、ミルの回転中に、粉砕媒体間の滑り運動も原料に粉砕効果をもたらします。粉砕された原料は中空ジャーナルを通して排出されます。

3. ボールミルへの投入

ボールミルにおける鋼球の主な機能は、材料に衝突して粉砕することであり、同時に粉砕においても一定の役割を果たしています。したがって、鋼球の等級分けの目的は、これら2つの要件を満たすことです。粉砕効果は粉砕効率に直接影響し、最終的にはボールミルの出力に影響を与えます。粉砕要件を満たすかどうかは、鋼球のサイズ、ボール径の数、各種仕様におけるボールの位置など、鋼球の等級分けが適切かどうかにかかっています。

これらのパラメータを決定するには、ボールミルのサイズ、ボールミルの内部構造、製品の細かさの要件やその他の要素、粉砕材料の特性（粉砕のしやすさ、粒子サイズなど）を考慮する必要があります。

材料を効果的に粉砕するには、粒度分布を決定する際にいくつかの原則に従う必要があります。

まず、ボールミルの鋼球が粒子状物質を粉砕するのに十分なエネルギーを持つようにするには、鋼球に十分な衝撃力がなければなりません。これは、鋼球の最大ボール径に直接関係します。

第二に、鋼球が材料に衝突する回数は十分でなければなりません。これは鋼球の充填率と平均球径に関係します。充填量が一定の場合、十分な衝撃力を確保するという前提で、粉砕体の直径を小さくし、鋼球の数を増やすことで材料への衝突回数を増やし、粉砕効率を向上させることができます。

最後に、材料が完全に粉砕されるよう、ミル内で材料が十分な滞留時間を持つようにする必要があります。そのためには、鋼球が材料の流量をある程度制御できる必要があります。

いわゆる二段ボール分級法は、直径が大きく異なる2種類の鋼球を使用する方法です。その理論的根拠は、大きな鋼球間の隙間を小さな鋼球で埋めることで、鋼球の充填密度を十分に高めることです。これにより、粉砕機の衝撃容量と衝突回数を向上させることができ、粉砕体の機能特性と整合します。また、嵩密度が高いほど、材料は一定の粉砕効果を得ることができます。二段ボール分級において、大きな鋼球の主な機能は、材料に衝突して粉砕することです。小さな鋼球の第一の機能は、大きな鋼球間の隙間を埋め、粉砕体の嵩密度を高めて材料の流量を制御し、粉砕能力を高めることです。また、エネルギー伝達の役割も果たし、大きな鋼球の衝撃エネルギーを材料に伝達します。さらに、隙間の粗い粒子を絞り出し、大きな鋼球の衝突領域に配置することもできます。 

4. ボールミルの機械構造

ボールミルは、供給部、排出部、回転部、伝動部（減速機、小型伝動ギア、モーター、電気制御装置）などの主要部品で構成されています。中空軸は鋳鋼製で、内ライニングは取り外し可能です。大型回転ギアは鋳造ホブ加工で、シリンダーには耐摩耗性ライナーが埋め込まれており、耐摩耗性に優れています。機械はスムーズに作動し、信頼性の高い動作を実現します。

ボールミル本体はシリンダーで構成されており、シリンダー内には耐摩耗性材料のライニングが挿入されており、シリンダーを支えて回転を維持するベアリング、モーター、伝動ギア、プーリー、Vベルトなどの駆動部品があります。

ブレードと呼ばれる部品については、一般的には主要部品ではありません。供給端の成分入口にある内部螺旋羽根は内部螺旋羽根と呼ばれ、排出端の成分出口にある内部螺旋羽根も内部螺旋羽根と呼ばれます。

なお、排出端の付帯設備にスクリューコンベアが使用されている場合、その装置内にはスパイラル羽根と呼ばれる部品が存在するが、厳密にはボールミルの一部ではなくなる。

材料と排出方法に応じて、乾式ボールミルと湿式グリッドボールミルを選択できます。省エネボールミルは、自動調心複列ラジアル球面ころ軸受を採用し、回転抵抗が低く、大幅な省エネ効果を発揮します。バレル部には、元のバレルの排出端に円錐バレルセクションを追加することで、ミルの有効容積を増加させるだけでなく、バレル内の媒体分布をより合理的にします。本製品は、非鉄金属、鉄金属、非金属鉱物処理プラント、化学および建材業界における材料粉砕に広く使用されています。

5. ボールミル付属品

ボールミルギア

ボールミルの付属品には、ボールミルギア、ボールミルピニオン、ボールミル中空シャフト、ボールミルギアリング、ボールミルギアリング、ボールミル鋼球、ボールミルコンパートメントプレート、ボールミル伝動装置、ボールミルベアリング、ボールミルエンドライニングなどがあります。

ボールミルの大歯車の材質選択：

大型歯車は、その使用条件に応じて、通常、以下の材料で作られています。

（１）中炭素構造用鋼

（2）中炭素合金構造用鋼

（３）浸炭鋼

（4）窒化鋼

ボールミルの大歯車の構造は、用途の違いにより様々な形状がありますが、技術的な観点からは、リングギアとホイール本体の2つの部分で構成されていると考えられます。リングギアの歯の配置によって、直歯、ヘリカル歯、ヘリングボーン歯に分類されます。

ボールミルの製造工程と品質管理

I. ボールミルの製造工程

1. コア部品の製造

（1）シリンダー製造

• 材料の選択: 通常はQ345R（圧力容器用低合金鋼）またはQ235B（炭素構造用鋼）を使用します。厚さ（16～50mm）は、機器の仕様と運転条件（研削硬度、腐食性など）に基づいて決定されます。

• 処理手順：

1. 鋼板切断CNC 火炎切断またはプラズマ切断を使用して、溶接代を確保しながら、鋼板をシリンダーの展開寸法に合わせて扇形ブランク (セクターブランク) に切断します。

2. 圧延と成形：大型の圧延機でブランク材を円筒形に曲げ、真円度誤差≦1mm/m、真直度誤差≦0.5mm/mを確保します。

3. 溶接継ぎ目円筒の軸方向接合部である縦継ぎ目にはサブマージアーク溶接を採用しています。溶接後、24時間の時効処理を施し、溶接応力を除去します。鋼板幅よりも長い円筒の場合、円筒の周方向接合部であるラジアル継ぎ目は、変形を最小限に抑えるため、対称溶接を採用しています。

4. 真円度校正: 丸め機により溶接シリンダーの楕円度を修正し、エンドキャップとの組み立て精度を確保します。

（2）エンドキャップ製造

• 材料の選択: ZG35CrMo（合金鋳鋼）やQ345Rの溶接構造がよく使用されます（大型ボールミルでは溶接エンドキャップが一般的ですが、小型ボールミルでは鋳造エンドキャップが使用されます）。

• 処理手順：

1. 鋳造/溶接成形鋳造エンドキャップは砂型鋳造またはロストフォーム鋳造で製造され、収縮やひび割れが発生しません。溶接エンドキャップは、鋼板を切断・溶接し、その後、欠陥検査を行って成形されます。

2. 機械加工：立旋盤でスピゴット（シリンダーと接続するための段差）とベアリングシート穴（中空シャフトを取り付けるための穴）を加工し、スピゴット径の公差はIT7、表面粗さはRa≤1.6μmを確保します。

3. シリンダーへの接続エンドキャップはフランジボルトまたは溶接（大型ボールミルでは溶接が一般的）でシリンダーに接続されます。変形を防ぐため、分割対称溶接が採用されています。

（3）中空シャフト製造

• 材料の選択: 通常は45#鋼鍛造品またはZG45CrNiMo（合金鋳鋼）です。鍛造品は焼入れ・焼戻し処理されます（硬度：220～260HBW）。

• 処理手順：

1. 鍛造鋼ビレットを1100～1200℃に加熱し、オープンダイス鍛造または型鍛造で成形した後、応力を除去するために焼鈍処理を行います。

2. 荒加工：外円と内穴（供給・排出路）を3～5mmの仕上げ代で旋削します。

3. 熱処理: 焼入れおよび焼戻しにより機械的特性が確保されます (引張強度 ≥ 600MPa、衝撃靭性 ≥ 30J/cm²)。

4. 精密機械加工: CNC旋盤でジャーナル(メインベアリングとの合わせ面)をIT6公差、表面粗さRa≤0.8μmで加工し、ベアリングとのフィッティング精度を確保します。

（4）トランスミッションシステム製造

• 大型ギア：

• 材料：ZG35SiMn（鋳鋼）または42CrMo鍛造、歯面焼入れ（硬度：35～45HRC）。

• 処理鋳造／鍛造後、粗旋削加工を行い、焼入れ・焼戻しを行います。外径と端面を精密旋削加工した後、ホブ加工で歯形を形成します。最後に歯面焼入れ・研削加工を行います（精度：イギリス/T 10095.1-2008 6級）。

• 小型ギア：

• 材料：40CrNiMoA鍛造、全面焼入れ・焼戻し後、歯面焼入れ（硬度：45～50HRC）。

• 処理：鍛造後、荒加工、熱処理、ジャーナル精密旋削、ホブ切り、最終研削（大歯車と同じ精度）の工程を経ます。

（5）ライナー製造

• 材料の選択高クロム鋳鉄（Cr15～20％）、高マンガン鋼（ZGMn13）、または二金属複合材（耐摩耗層＋母材）。

• 処理手順：

1. 鋳造高クロム鋳鉄は砂型鋳造で、収縮を防ぐため鋳込み温度を1400～1450℃に制御します。高マンガン鋼は水焼入れ（炭化物を除去するため1050℃に加熱し、水冷する）されます。

2. 機械加工: ライナー背面にボルト穴と位置決め溝をフライス加工し、シリンダーとの適合性を確保します (ギャップ≤1mm)。

2. 全体的な組み立て工程

1. コンポーネントの事前組み立て: コンポーネントの寸法 (シリンダーの真円度、エンド キャップのスピゴット許容差など) を検査し、機械加工面の油汚れやバリを除去します。

2. シリンダーとエンドキャップアセンブリ: エンド キャップをシリンダー フランジに合わせ、ボルトを均等に (対角順に) 締めるか、溶接します (溶接後の欠陥検出を使用)。

3. 中空シャフトの取り付け：中空シャフトをホットフィッティング（ベアリングシートを100～150℃に加熱）またはボルトでエンドキャップベアリングシートに接続し、2つの中空シャフトの同軸度誤差が0.1mm/m以下であることを確認します。

4. トランスミッションシステムアセンブリ：

• 大型ギアはホットフィッティングまたはボルトを介してシリンダーに接続され、ギアの端面とシリンダー軸の垂直度が ≤0.05mm/m であることを保証します。

• 小歯車は減速機の出力軸に接続されています。大歯車と小歯車のかみ合いクリアランス（0.2～0.4mm）と接触パターン（歯高方向の60%以上、歯長方向の70%以上）を調整してください。

5. メインベアリングの取り付け：ベアリングシートを基礎に固定し、中空シャフトとベアリング間のフィッティングクリアランス（滑りベアリングの場合は0.15～0.3mm、転がりベアリングの場合は仕様に従って）を調整し、ベアリングシートの水平誤差が0.05mm/m以下であることを確認します。

6. 試運転：

• 無負荷テスト：4時間動作させ、ベアリング温度（≤65°C）、ギア噛み合い音（≤85dB）、シリンダー振動（振幅≤0.1mm）をチェックします。

• 負荷テスト：設計負荷の50％、80％、100％まで段階的に負荷をかけ、合計8時間稼働させて、部品に異常がないことを確認します。

II. 品質管理プロセス

1. 材料品質管理

• 原材料検査：

• 鋼板、鍛造品、鋳物には、材料証明書（化学成分、機械的性質）が必要です。スペクトル分析（元素含有量の確認）および引張試験（引張強度および降伏強度の検出）のためのサンプル採取が必要です。

• 高クロム鋳鉄ライナーは、硬度（HRC58以上）および衝撃靭性（3J/cm²以上）を試験します。高マンガン鋼は、水熱処理後の金属組織（網状炭化物なし）を検査します。

2. プロセス品質管理

• 加工精度検査：

• シリンダー: レーザー真円度計で真円度をチェックします。定規と隙間ゲージで真直度をチェックします。

• 中空シャフト: ダイヤル インジケータはジャーナルの真円度 (≤0.01mm) と円筒度 (≤0.02mm) を測定し、座標測定機は同軸度をチェックします。

• ギア: ギア検出器はピッチ誤差 (≤0.02mm) と歯形誤差 (≤0.015mm) を測定し、色分け方式で噛み合い接触パターンをチェックします。

• 溶接品質検査：

• 縦方向および円周方向の継ぎ目に対して 100% 非破壊検査 (内部欠陥の ユタ州、表面亀裂の MT) が実行され、100% の溶接認定が行われます。

• 溶接継手部の機械的特性試験（引張試験および曲げ試験）により、母材以上の強度が確保されます。

• 熱処理検査：

• 鍛造品やギアの焼入れおよび焼戻し後、硬度計で表面硬度（誤差 ±5HBW）をチェックし、金属顕微鏡で組織（焼入れ焼戻し鋼の場合は焼戻しソルバイトなど）を観察します。

3. 完成品の品質管理

• 組立精度検査：

• レベルはベアリングシートと減速機の水平をチェックし、ダイヤルインジケータはシリンダーの軸方向の移動 (≤0.5mm) を測定します。

• ギアのかみ合いクリアランスは、設計要件を満たすためにリード線法（リード線直径 = 1.5 × 推定クリアランス）で測定されます。

• パフォーマンステスト：

• 無負荷試験：4時間連続運転し、ベアリング温度、振動、騒音を1時間ごとに記録します。温度が70℃を超える場合、または振動に異常がある場合は停止します。

• 負荷試験：設計パラメータ（50%、80%、100%）に従って材料を負荷し、合計8時間運転します。出力（偏差≤5%）、粉砕粒子径（要件を満たす）、ライナーおよびボルトの緩みがないことを確認します。

• 外観およびラベル検査：

• 機器表面は均一に塗装されており（厚さ60～80μm）、塗装の垂れや欠けはありません。ラベルは明瞭に記載されています（型式、仕様、メーカー名、製造年月日）。