メディアの選定方法

はじめに

ビーズミルでは、粉砕媒体としてボールやビーズを使用します。
一概にボールやビーズといっても、大きさ、材質など様々です。
ビーズミルにおいて、使用するビーズはどのように選定する必要があるのか、メディア径とメディア材質とに分けご紹介します。

メディア径

エネルギー

メディア径については、原料の最大粒子径の10倍を目安とすることが一般的です。目的が粉砕であれば、衝撃エネルギーを大きく与える為、メディア径を目安よりも大きくします。目的が解砕や分散であればメディア径を目安よりも小さくし、原料とメディアの接触回数を多くなるようにします。また粒子や分散剤が大きなエネルギーを受け再凝集するような場合には、メディア径を目安よりも小さくし、再凝集を防ぐこともあります。
一般的な粉体であれば時間をかけて粉砕することで、粉砕後の粒子径はメディア径の1/1000程度になります。

ビーズ径の違い ボールと粒子のサイズ比較

具体的な例を紹介します。下の表は、当社「SCミルロング」で3種類のジルコニアビーズを使用し、無機物を目標粒子径まで粉砕したときの生産能力とエネルギー原単位の比較です。ビーズ径が小さいほど、生産能力が大きく、エネルギー原単位が小さいことがわかります。これはビーズが小さいことで、同体積あたりのビーズ個数や比表面積が大きくなり、材料に接触する確率が上がるためです。
またビーズ径が小さい方が、エネルギー原単位も小さい結果となりました。これはビーズを小径化することで材料に効率良くエネルギーを与えていることを意味します。
今回の処理物では、ビーズ径が小さい方が生産能力、エネルギー原単位共に良い結果が得られましたが、濃度や粘度によっては小さいビーズを使うことで粉砕エネルギーが不足し、粉砕時間がかかることで逆の結果となることもある為、注意が必要です。

ビーズ径[mm] Φ0.3 Φ0.5 Φ0.8
処理能力[kg/hr] 58.5 44.4 32.4
エネルギー原単位[kW・hr/kg] 0.16 0.22 0.34

エネルギー原単位=粉砕・分散するのに要した積算電力[kW・h] / 粉砕・分散した粉末質量[kg]

コンタミネーション

下の表は、上記テストを行ったときの摩耗量です。ビーズ径が大きいと摩耗量も増える傾向にあります。ビーズ径が大きいことで、ビーズ1つ当たりのエネルギーが大きくなり、ビーズの摩耗量が増えます。また、エネルギー効率と摩耗量には関係性があり、エネルギー効率を高めると、摩耗量が減り、コンタミネーション(以下、コンタミ)を減らすことができると言われています。

ビーズ径[mm] Φ0.3 Φ0.5 Φ0.8
ビーズの摩耗率[%] 0.60 0.82 1.5

メディア材質

エネルギー

メディア材質による比較グラフ
メディア材質による比較

原料に与えるエネルギーを制御する一つの方法として、メディアの材質があります。材質により比重が異なりますので、メディアの材質を変えることでエネルギーを調整することが出来ます。大きなエネルギーが必要な処理には、比重の大きい材質を選定し、大きなエネルギーを与えます。逆に、大きなエネルギーを加えることで粒子表面が活性し再凝集を起こすような原料には、比重の小さい材質を選定します。
左図は珪砂の粉砕速度を異なるメディア材質で比較したデータです。メディア径は統一しています。ステアタイト、ハイアルミナ、ジルコニア、鋼球の順にメディアの嵩比重は大きく、粉砕時間は短くなります。この結果により、嵩比重を管理することで粉砕エネルギーの制御ができることを示しています。

コンタミネーション

他元素のコンタミが問題になるのであれば、耐摩耗性に優れる材質を選定する必要があります。特に摩耗性がある原料では、メディアの摩耗は著しく、その摩耗粉がコンタミとなるので注意しなければなりません。コンタミを抑制する為には、硬度が高く、靭性が高い材質を選定することが好ましいですが、硬度が高く、靭性が高いからといって、単純にコンタミ量が減るわけではありません。処理物の性状に応じて材質を選定する必要があります。
また、ジルコニアやアルミナなどを処理する場合は、同材質のメディアを使用し、異成分のコンタミが出ないよう対策します。食品関係であれば、磁性のあるメディア材質を用いて、後工程の除鉄装置で取り除けるようにします。

原料への色付き

白色原料を色付きせず粉砕するには、白色のメディアを使用する必要があります。白色原料をスチールボールやSUSボールなどの金属ボールで粉砕すると、金属コンタミによりグレーに変色してしまいます。ジルコニアボール、ハイアルミナボールを使用すれば、メディア自体が白色ですので、原料に色付きすることなく粉砕することが出来ます。

図

金属コンタミ例

粉砕メディア

品名 材質 特徴 硬さ 充填密度 サイズ
カーボンスチールボール SWCH10R 一般用 灰白色 HRC60 5.0 1/16”, 3/32”, 1/8”, 3/16”,
1/4”,3/8”
クロムスチールボール SUJ2 一般用 灰白色 HRC62-67 5.0 1/16”, 3/32”, 1/8”, 3/16”, 1/4”,
3/8”
Φ0.5mm, Φ0.8mm, Φ1mm, Φ1.2mm, Φ1.5mm
Φ1.6mm, Φ2mm
ステンレスボール
  • SUS440C
  • SUS304
  • 耐食性良好、
    耐摩耗性良好
  • 耐食性良好
  • 灰白色
  • 灰白色
  • HRC58-65
  • HRC11
  • 5.0
  • 5.0
  • 3/32”, 1/8”, 3/16”, 1/4”, 3/8”
  • 1/16”, 1/8”, 3/16”, 1/4”, 3/8”
    Φ0.3mm, Φ0.5mm, Φ1mm, Φ2mm, Φ2.4mm
超硬ボール WC 耐摩耗性良好、
比重最大
灰白色 HRA90 10.0 Φ0.5mm, Φ0.7mm, Φ1mm, Φ2mm, Φ3mm, Φ5mm,
Φ10mm
ジルコニアボール Y-PSZ 耐摩耗性良好 白色 1250 (HV10)
  • 3.5
  • 3.8
  • 3.7
  • 3.6
  • 3.5
  • 3.4
  • Φ0.03mm, Φ0.05mm
  • Φ0.1mm, Φ0.2mm, Φ0.3mm, Φ0.4mm, Φ0.5mm
  • Φ0.65mm, Φ0.8mm, Φ1.0mm, Φ1.5mm
  • Φ2mm, Φ3mm
  • Φ4mm, Φ5mm
  • Φ8mm, Φ10mm
ハイアルミナボール AL2O3 一般用 白色 1100 (HV10)
  • 2.4
  • 2.2
  • Φ0.1mm, Φ0.2mm, Φ0.3mm, Φ0.4mm, Φ0.5mm
  • Φ3mm, Φ5mm, Φ8mm, Φ10mm
炭化ケイ素ボール SiC 耐摩耗性良好 グレー HRA94
HV2100
2.0 Φ5mm, Φ10mm, Φ3mm
窒化ケイ素ボール Si3N4 耐摩耗性良好 グレー HRA91
HV1600
2.0 Φ1mm, Φ2mm, Φ3mm,
Φ4mm, Φ5mm

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