JP3113070B2 - 竪型ミルの振動発生予測方法および竪型ミルの振動抑制方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ローラミルの振動抑止
技術に係わり、ローラミルにおいて激しい自励振動を起
こす原料を識別するとともにその振動レベル（程度）を
予測するための手法つまり粉粒体層の内部摩擦測定によ
るミルの振動発生予測方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】石炭、セメント原料あるいは新素材原料
などの塊状物を細かく粉砕するミルのひとつのタイプと
して、回転するテーブルと複数個のローラで粉砕を行わ
せる竪型のローラミルが広く用いられるようになり、最
近では代表機種のひとつとしての地位を固めつつある。
本発明の対象は、このローラミルの振動抑止に関するも
のであるが、ここではまず、ローラミル全体について構
成を概説する。

【０００３】図１６はローラミルの中心軸を通る断面図
を示したものである。 この種のミルは、円筒型のハ
ウジング５１の下部のモータ（本明細書中では図示省
略）で駆動され、減速機（本明細書中では図示省略）を
介して低速で回転する円形の回転テーブル４２と、その
回転テーブル４２の外周部の上方面において、円周方向
を等分する位置に複数個の粉砕ローラ３３を備えてい
る。粉砕ローラ３３はスプリングフレーム４１と加圧フ
レーム４３に支持される加圧用スプリング４０（あるい
は油圧）で加圧されて回転する。粉砕ローラ３３はロー
ラブラケット３７内のピボットボックス３８を介してロ
ーラピボット３９を支軸として、首振り可能なように支
持されている。ハウジング５１の頂部にある原料供給管
３２から粉砕原料３１が回転テーブル４２の中心へ落下
する。そして、遠心力により回転テーブル４２上の粉砕
原料４７はうず巻き状の軌跡を描いて回転テーブル４２
の外周へ移動し、回転テーブル４２の粉砕リング４４上
の粉砕レース４５と粉砕ローラ３３の間にかみ込まれて
粉砕される。ハウジング５１の下部には、ダクトを通し
て熱風４８が導かれている。この熱風４８が回転テーブ
ル４２とハウジング５１の間にあるスロートベーン４９
とシールリング５０の間に形成されるエアスロートから
吹き上がる。粉砕原料４７が粉砕されて生じた粉粒体
は、前記エアスロートから吹き上る熱風４８によってハ
ウジング５１内を上昇しながら乾燥される。ハウジング
５１内の上方へ輸送された粉粒体は、粗いものから重力
により落下し（これを一次分級という）、粉砕レース４
５と粉砕ローラ３３からなる粉砕部で再粉砕される。こ
の一次分級部を貫通したやや細かな粉粒体は、ハウジン
グ５１内の上部に設けた回転分級機５２（あるいは図示
していない固定式のサイクロン分級機）で再度分級され
る。所定の粒径より小さな微粉は気流により回転分級機
５２とダムリング５３間を経て、排出ダクト５４から排
出搬送され、ボイラでは微粉炭バーナあるいは微粉貯蔵
ビンへと送られる。回転分級機５２を貫通しなかった所
定粒径以上の粗粉は、回転テーブル４２上へ重力により
落下し、ミル内へ新しく供給されたばかりの粉砕原料３
１とともに再度粉砕される。このようにして、ミル内で
は粉砕が繰り返され、製品微粉が出来上がっていく。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ボイラの広域負荷運用
に対応させてローラミルを低負荷で運用しようとする場
合、問題となるのがミルの振動である。この振動現象は
複雑であり、詳細なメカニズムまで明らかにされている
わけではないが、炭層に影響されて粉砕ローラがすべる
ことによる一種の摩擦振動であり、その摩擦運動は不連
続・非線形振動の代表として知られるスティック・スリ
ップ運動であると考えられる。この振動のタイプは回転
テーブル４２の回転数に同期しないこと等のため、励振
源をはっきりと特定できない。また、振動波形が正弦波
ではなくスパイク状になる。これらのことから、自励振
動の一種といえる。この振動の発生は石炭の性質に依存
する。振動の発生しやすい石炭は、図１０に示すよう
に、低負荷運用時（ミル内における石炭ホールドアップ
の少ない条件）に振動が激しくなるが、石炭種によって
高負荷時にも頻繁に振動が発生する。このような振動を
起こしやすい石炭の粉砕性は良好なものから悪いものま
でさまざまであり、よく知られた見かけの物性のみで振
動発生を判定することは難しい。

【０００５】そこで、本発明の目的は、ミルの振動を起
こしやすい粉砕原料をいかにして予測するかを示し、そ
して、その識別技法を提供し、さらに、ミルの振動の発
生を抑制する方法を提供することにある。この目的を達
成するためには、振動発生時における粉砕ローラの挙動
を明らかにしておく必要がある。

【０００６】図１１、１２は、図１６、図１３（図１６
の部分図）に示したローラミルの粉砕ローラ３３の動き
を、粉砕ローラ３３の断面図として示したものである。
このタイプのローラミルでは、ローラブラケット３７を
介して、ローラピボット３９を支軸として、粉砕ローラ
３３が首振り可能なように支持される。この粉砕ローラ
３３の首振り機能は大変に重要であり、粉砕ローラ３３
が鉄片等の粉砕されにくい異物をかみ込んだ場合、粉砕
ローラ３３は首を振ることによって衝撃を回避すること
ができる。また、粉砕ローラ３３や粉砕レース４５が摩
耗したときには、適切な押圧位置（粉砕ローラ３３と粉
砕レース４５との位置関係）を自動調心的に見つけ出す
作用も、この首振り機能にはある。

【０００７】粉砕ローラ３３が激しく自励振動する場合
には、図１１に示すように、粉砕ローラ３３は外側へ横
ずれし（矢印β）、次いで図１２のように上下に振動す
る（矢印γ：上下方向の振動、矢印γ’：横ずれ状に首
を振った状態で上下方向の振動）。

【０００８】以上から、ローラミルが振動するかどうか
は、粉砕ローラ３３が横ずれ状に首を振るかどうかによ
って決まると考えられる。図１１に示すように、首振り
していない正常回転時には粉砕ローラ３３の粉砕面Ａ点
と粉砕レース４５のＢ点とが圧縮粉粒体層を介して一致
していて、同一の断面中心軸３６上にある。しかし、粉
砕ローラ３３が横ずれ状にすべり、粉砕点がＡ→Ａ’点
へとずれた場合、Ａ’点とＢ点とでは速度差が発生す
る。粉砕ローラ３３は、回転慣性が大き過ぎて、すべり
に伴う回転軌道のずれにフレキシブルに対応できないか
らである。このような速度差の発生によって、前述した
ように、粉砕ローラ３３はスティック・スリップ運動を
起こし、図１２に描いたように上下に振動する。

【０００９】ここでは首振り式に粉砕ローラ３３を支持
する構造のローラミルを対象に説明したが、図１５に示
すようなローラアーム６４によって粉砕ローラ６１をい
わば片持ちばりのように支える構造のローラミルでも、
基本的に振動メカニズムは同様である。なお、図１５に
示すローラミルはハウジング６９に支持された、加圧シ
リンダ６７がアームレバー６６とローラアーム６４を介
して、粉砕ローラ６１を支持し、かつ加圧調整してい
る。ローラアーム６４はアーム支軸６５を中心に回動で
きる。ただし、その回動範囲はローラアーム６４のスト
ッパ６４ａとハウジング６９のストッパ６９ａとの当接
により、一定範囲内に規制される。図１５に示すローラ
ミルのその他の部材は図１６に示したものと同一であ
る。すなわち、回転する円形の回転テーブル７０と、そ
の回転テーブル７０上に落下する粉砕原料７３は粉砕リ
ング７１上の粉砕レース７２と粉砕ローラ６１の間にか
み込まれて粉砕されるものである。

【００１０】図１４は、圧縮粉粒体層が薄くなって粉砕
ローラ６１が下降し、Ａ点−Ｂ点の接触状態から粉砕ロ
ーラ６１の押圧点がＡ点からＡ’点へと変化して、前記
接触状態の押圧点がＡ’点−Ｂ点に移動したときの状態
を示したものである。この場合も、回転軌道のずれによ
って、粉砕ローラ６１がスティック・スリップ運動を起
こす。

【００１１】粉砕ローラ３３、６１の横ずれ状のスティ
ック・スリップ運動は、いずれも、粉砕ローラ３３、６
１が圧縮する粉粒体層の内部摩擦状態が強くかかわって
いると推察される。要するに本発明は「ローラミルの振
動発生が粉砕原料の粉粒体層の内部摩擦特性に強く依存
している」という考え方に基づくものである。言い換え
れば、対象とする原料の粉粒体層の内部摩擦特性、特に
せん断崩壊特性を確認することで、振動発生を予測でき
るということを見い出したことが本発明のベースになっ
ている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の竪型ミルの振動
発生予測方法は次の基本的構成により達成される。すな
わち、粉砕原料を粉体化あるいは粒状化した試料を、定
容積型の粉体せん断試験装置内において粉粒体層を形成
し、該粉粒体層に圧縮力とせん断力を共に加えて粉粒体
層内部の摩擦特性を求め、粉砕原料粉砕用の竪型ミルに
おける振動レベルを予測することである。

【００１３】前記摩擦特性として垂直応力とせん断応力
を両軸とするグラフ上に粉粒体層の内部崩壊条件を示す
複数の点を結ぶ崩壊包絡曲線から求められる崩壊応力を
用いる。該崩壊応力は垂直応力軸上の圧密応力と単軸崩
壊応力であり、同一の圧密応力値を基準とした単軸崩壊
応力値の特定値との比較により竪型ミルの振動の発生の
予測を行うことができる。前記単軸崩壊応力値により竪
型ミルの振幅、振動発生の頻度または加速度の程度をラ
ンク別に判定することができる。

【００１４】また、前記摩擦特性として垂直応力とせん
断応力を両軸とするグラフ上に粉粒体層の内部崩壊条件
を示す複数の点を結ぶ崩壊包絡曲線上の任意の一点と原
点を結ぶ直線と垂直応力軸とがなす角度を用いることが
できる。

【００１５】本発明においては、一定の垂直圧力のもと
でせん断力を粉粒体層に加える直接せん断試験装置を用
いて粉粒体層内部のせん断崩壊特性を調べる。具体的に
は粉粒体層の崩壊包絡線を求めることで、粉粒体層内部
のせん断崩壊特性を調べることができる。つまり、粉粒
体層内部に発生する摩擦抵抗の大きさの指標となる崩壊
応力を求め、この値の大きさを基準として、対象とする
原料を粉砕した場合におけるローラミルの振動発生を予
測するわけである。なお、崩壊応力については後で詳細
に説明する。一般的な直接せん断試験装置は、試験装置
内へ粉体を仕込み、粉粒体層にせん断力を発生させるた
めの横方向への移動可能な下部セルと上方から垂直方向
の圧力を加えるための上ブタから構成されている。この
下部セルの底面と上ブタの下側押圧面には、粉粒体層と
の間にすべりが生じないように、言い換えるとすべり
（崩壊）をほぼ完全に粉粒体層内部で起こさせるため
に、ローレット目が刻設されていたり、あるいは砂状の
砥粒が接着剤で固定されたりしている。

【００１６】試料とする粉体やその粉粒体層は、その内
部崩壊特性の特徴からはっきりと現れる条件に調整しな
ければならない。石炭を対象とした場合、予備実験の結
果、試料粉体が微粉炭（例えば、１００メッシュ（１５
０μｍ）マイナス１００％では炭種ごとの特性の違いが
うまく現れなかった。十分に粒子表面を乾燥させて、
０．５〜２．０ｍｍ間に粒径調整した試料が好適であ
る。またセル内で粉粒体層を作り出す場合、大きな荷重
（例えば１０ｋｇｆ／ｃｍ²等）で予圧密すると、炭種
の違いはうまく現れない。大きな荷重で予圧密すると、
どのような石炭でも初めから粉層内に断層、つまり、粉
層内の亀裂が発生してしまい、そこから崩壊するため石
炭種による違いが見つけられなくなる。本発明では粉粒
体層を軽くタッピングする方法を採用する。粉粒体の粒
子径が０．５ｍｍ未満であると粉体層が柔らかくなりす
ぎて粉体層の摩擦抵抗が小さくなり石炭種による違いが
生まれないという不具合があり、２．０ｍｍを超えると
粉体層の厚み方向に粒子の数が少なくなり粉体層として
の性質が生じなくなる。もし、層の厚みが粒子二個分で
あれば、層の摩擦が粒子と粒子の接触抵抗のことになっ
てしまう。当然のことながら石炭種による違いは生じな
い。

【００１７】また、本発明の竪型ミルの振動抑制方法
は、粉砕原料の内部摩擦特性を調整することによって達
成される。粉砕原料の内部摩擦特性の調整は内部摩擦特
性の異なる粉砕原料を同一ミル内で組み合わせて混合粉
砕すること、ミル内への散水、ミルへ送給する熱風の温
度低減または粉粒体層の水分確保により行うことができ
る。

【００１８】また、本発明の竪型ミルの振動抑制方法
は、ミル内の粉砕原料ホールドアップ量の調整により行
うことができる。なお、ミル内の粉砕原料ホールドアッ
プ量の調整は粉砕ローラの加圧力、サイクロン分級機の
ベーン開度、回転分級機の回転速度、空気流量、回転テ
ーブルの回転速度の少なくとも一以上の操作条件を既定
操作条件より変化させることができる。

【００１９】

【作用】せん断試験法により、垂直応力−せん断応力を
両軸とするグラフ上に、粉粒体層の崩壊条件を示す複数
の点あるいは一本の曲線（崩壊包絡線）を求める。この
複数の点を結ぶ曲線が崩壊包絡線となる。粉粒体層の内
部摩擦特性を表現する一般的な方法は、この崩壊包絡線
に接するようなモール（Ｍｏｈｒ）の応力円を近似的に
規定することである。ひとつの手法に、この崩壊包絡線
に接するように、グラフの原点を通るＭｏｈｒ（モー
ル）の応力円と、崩壊包絡線の終点（一定の初期設定垂
直応力のもとで、せん断応力が上昇し粉粒体層が崩壊条
件に達する点）を通るＭｏｈｒの応力円を近似的に求め
る方法がある。両Ｍｏｈｒの応力円が垂直応力軸と交差
する点を、それぞれ最大主応力軸上の単軸崩壊応力ｆお
よび圧密応力σ₁として求める。このようにして得られ
る単軸崩壊応力ｆ−圧密応力σ₁の関係が、粉粒体層の
内部せん断崩壊特性ということになる。同一値の圧密応
力σ₁を基準として、単軸崩壊応力ｆがある特定の値よ
り大きい場合には、ローラミルにおいて振動をきわめて
起こしにくい原料、すなわち殆ど全負荷域でミルを運用
しても振動は発生しにくいと予測される。前記単軸崩壊
応力ｆの特定値とは、これまでの実用機ミルの実績とｆ
−σ₁の特性をもとに判断して決められた値である。な
お、このようなパラメータとしては流動性指数σ₁／ｆ
を用いても良い。これに対して、単軸崩壊応力ｆが別の
ある特定の値より小さな場合には振動が起きやすい原料
であること、および低負荷域における激しい振動は無論
のこと、高負荷域ですら振動が発生することが予測され
る。単軸崩壊応力ｆ値の大きさをもとに、振動発生の頻
度や、発生したときの振幅や加速度の程度をランク別に
判定することも可能である。

【００２０】本発明で、解決の対象とする自励振動は必
ずしも再現性が良いわけではなく確率的な現象である。
本発明になる予測手法によれば、特定の運用領域におけ
る発生頻度を予測できる。例えば、炭種Ｘは３％未満、
炭種Ｙは９５％以上といった内容を予測できる。炭種Ｘ
ではめったに自励振動が発生することは無いのに対し、
炭種Ｙではほぼ確実に自励振動が発生すると判断でき
る。加速度の程度についても同様であり、自励振動発生
時において、炭種Ｘでは３Ｇ（Ｇは重力加速度）程度に
すぎないのに対し、炭種Ｙでは１６Ｇ以上にも達すると
いうことが予測できる。

【００２１】なお、単軸崩壊応力ｆ−圧密応力σ₁特性
の替わりに、粉粒体層の内部摩擦角（崩壊包絡線上の任
意の一点と原点を結ぶ線と、垂直応力とがなす角度）に
よる評価も、簡便な手法として適用することができる。

【００２２】また、振動発生の予測基準をもとに、次の
２つの方法で振動の抑止をすることができる。一つは、
粉粒体層の内部摩擦特性をコントロールすることによる
振動抑止法である。リングローラミル（例えばＭＰＳミ
ル）とリングボールミル（Ｅタイプミル）に共通した手
法として採用できるのは、内部摩擦特性の異なる原料を
同一ミル内で組み合わせて混合粉砕する方法（石炭焚ボ
イラ用のミルでは混炭粉砕する方法）である。例えば、
自励振動の発生確率の高い石炭と、発生確率の低い石炭
を混炭すればほぼ同等となり、自励振動の発生確率は急
減し、発生しても激振はしないことになる。このよう
な、混合粉砕による振動抑止法は、石炭焚ボイラ用のミ
ルにおける混炭運用として有効である。また、同じ石炭
焚ボイラ用のミルを対象とする場合、ミル内への散水
や、ミルへ送給する熱風の温度低減も、粉粒体層の水分
確保によって内部摩擦抵抗を強める振動抑止法として、
リングローラミルとリングボールミルの両者に対して共
通して有効である。

【００２３】他の一つの振動抑止法は、粉粒体層の内部
摩擦特性は変えず、ミル内の原料（石炭）ホールドアッ
プを変化させて、つまり粉粒体層の厚みを変化させて、
振動発生域を回避するようにミルを運転する方法であ
る。リングローラミルを対象とする場合は、使用する原
料が自励振動を起こしやすいと判断された場合には振動
発生範囲を回避すればよい。その方法は（ａ）ミル内に
おける石炭ホールドアップの量を減らすか（ｂ）増やせ
ばよい。前記（ａ）のためには、粉砕ローラの加圧力ア
ップ、サイクロン分級機のベーン開度大、回転分級機の
回転速度の低減、空気流量アップ、回転テーブルの回転
速度の増加のいずれかもしくはこれらの組み合わせの操
作をする。前記（ｂ）とするためには粉砕ローラの加圧
力減、サイクロン分級機のベーン開度少、回転分級機の
回転速度アップ、空気流量低減、回転テーブルの回転速
度の低減のいずれかもしくはこれらを組み合わせる。ど
の手段を用いるかは、燃焼性能を確保することを前提と
して、様々な選択が可能である。リングボールミルで
は、ミル内の原料ホールドアップが増えるほど振動が激
しくなるので、ミル内の原料ホールドアップ量を減らせ
ば良い。そのためにはサイクロン分級機の回転速度低
減、空気流量の増加等の手法を採用する。

【００２４】

【実施例】本発明の実施例を説明する。ここでは、粉粒
体層内部の内部摩擦特性を調べるための装置と試験方
法、さらに摩擦特性の評価法について順次述べる。本実
施例においては、定容積型のせん断試験装置（以下、単
にせん断試験装置と記す）により、粉粒体層の崩壊包絡
線を求める。粉体層の内部摩擦特性を調べる装置は、種
々知られており、いずれの装置においても必要な内部摩
擦特性を知ることが可能であるが、ここでは綱川式（綱
川；粉体工学会誌，ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．９，（１９８
２），ｐ５１６〜）を例に挙げて内部摩擦特性を知る方
法を説明する。

【００２５】図１と図２は、それぞれ綱川式せん断試験
装置の構成およびこの装置の心臓部であるせん断セル部
の構成を示したものである。この装置では、連続した一
本のカーブとして崩壊包絡線を描かせる。この装置は大
まかに、プレス部、せん断用のセル部およびモータなど
のセル駆動部からなる。せん断セル部は、固定セルと可
動セルからなる。これらのセルは共に上方（垂直力２３
（図２）を加える方向）から見ると円形である。

【００２６】固定セルは外筒５とこれにネジ固定したリ
ング２から成る。一方可動セルは、金型（下部セル）４
とこれを収める金型３から成る。なお、図２には金型４
と金型３を一体化したものを下部セルとしたものを示し
た。金型３にはシャフト６が貫通した状態でネジ固定さ
れている。可動セルは、ベアリング用ボール２１を介し
て、基板７上を水平方向に滑らかに動く。なお、図２で
は図１の基板７と定板８を併せて基板７としたものを示
した。固定セルと可動セルの隙間は、供試粉体１の漏れ
出しが無いようにできるだけ狭く設定する。可動セルの
深さは、粉粒体層の「バルク」としての性質がうまく現
れるように、供試粉体１の粒子が厚み方向に十分積み重
なるように選定する。粉体と接触するセルの金型部分、
つまり図２における上ブタ１４の下側面と下部セル４の
底面には、それぞれローレット目１４ａ、４ａが刻設さ
れていて、粉粒体層１とセル間にすべりが生じないよう
になっている。せん断用のセルの上ブタ１４はプレスア
ーム１６に取り付けたロードセル１５にネジ固定してあ
る。この上ブタ１４は、ハンドル１７と、ハンドル１７
に固定された荷重検出ピニオン１９と噛合するピニオン
歯車２０が取り付けられた小型のハンドル１８の手動操
作により上下方向に移動させる。上ブタ１４に加える垂
直力（図２の矢印２３）はロードセル１５により連続的
に測定することができる。本実施例においては、粉粒体
層へ加える圧縮応力は１５０ｇ／ｃｍ²以上で、最大５
０００ｇ／ｃｍ²までの範囲で試験する。圧縮応力を１
５０ｇ／ｃｍ²未満にすると、粉体層に加わる摩擦抵抗
が弱すぎて石炭種による違いを判定しにくく、５０００
ｇ／ｃｍ²を超えると、前述したように初めから粉層内
に断層つまり切れ目が生じてしまい、そこから粉層が崩
れてどのような石炭でも同様の崩壊特性になってしま
う。

【００２７】また、供試粉体１のせん断方向の荷重はロ
ードセル１０により掛けられる。ロードセル１０はネジ
切りシャフト１１の先端に固定されている。このネジ切
りシャフト１１は、モータ１３によって、毎分０．５〜
７ｍｍのゆっくりとした速度で水平方向に移動する。ロ
ードセル１０の荷重セル検出ピン９がシャフト６に接触
して、可動セル（金型３、金型４）を水平方向に押し出
すように移動させる。このようにして、圧縮・せん断過
程における垂直応力とせん断応力が同時にかつ連続的に
測定できる。２つのロードセル１０、１５からの出力信
号は、アンプ（図では省略）で増幅され、ＸＹレコーダ
（図では省略）で、紙上に連続した崩壊包絡線として記
録される。

【００２８】崩壊包絡線の測定例を図３に示す。測定法
を順を追って説明する。まず、試料粉体をセル内に充填
する。垂直方向に対して、図３の点Ａで示す初期設定垂
直応力σ_Aを加え、供試粉体１を一定容積に拘束する。
次に、この試料１にせん断力を加える。この際、粉体１
内部にすべりが生じて、局所的な圧密崩壊を起こしがち
になるが、ハンドル１８を操作して、初期設定垂直応力
σ_Aをほぼ一定に保つようにする。最終的には点Ｂに達
するまで、せん断応力τを加え続ける。点Ｂは崩壊包絡
線の終点であり、ここに至ると、垂直応力σ、せん断応
力τおよび充填密度は変化せず、供試粉体１は粉粒体層
内部から崩壊していくことになる。この点Ｂは、粉粒体
を連続体と見なせば、物質（もしくは材料）がいわば
「弾性限界」から「塑性域」へ遷移する臨界点を意味す
ることになる。

【００２９】点Ｂに達した時点でハンドル１７を操作し
て、セルの上ブタ１４を瞬間的に上方へ動かし、全荷重
を解放すると、粉粒体内部の垂直応力σは減少し、これ
と同時にせん断応力τも減少する。この変化は点Ｂ→原
点Ｏで示され、この過程において、供試粉体１は膨張し
ながらせん断崩壊する。なお、初期設定垂直応力（初期
圧密応力）σ_Aを変えた実験を行っても、点Ｂに達した
ときの供試粉体１の高さ（厚み）が異ならないように、
予備実験によって供試粉体１の充填量をあらかじめ定め
ておく。

【００３０】Ｘ−Ｙレコーダの記録紙の崩壊包絡線に対
し、図３に示すようにＭｏｈｒ（モール）の応力円を描
いて、単軸崩壊応力ｆと圧密応力σ₁を求める。応力円
ａは、その中心が垂直応力σ軸上にあり、座標の原点Ｏ
を通り、崩壊包絡線に接している。この単軸崩壊応力ｆ
は、粉粒体層内に発生する単一方向の応力を最大主応力
軸上で表現したものとなる。実質的にこのｆ値が、粉粒
体層内部の摩擦力を表す指標となる。応力円ｂは、その
中心が横軸の垂直応力σ軸上にあり、崩壊包絡線の終点
Ｂに接する。横軸上における大きな値の切片が圧密応力
σ₁である。図４に模式的に示すように、同一の圧密応
力σ₁（終点近傍の崩壊包絡線（I）と（II）の曲率がほ
ぼ等しいと仮定）で比較すると、内部摩擦角（内部摩擦
係数）が異なる粉粒体では、原点近くの崩壊包絡線の形
状（上方への凸の丸み）が違うために、結局単軸崩壊応
力ｆが大きく異なってくることになる。

【００３１】このように、図上で幾何学的にＭｏｈｒの
応力円を描かせたのでは信頼性に欠けるため、本実施例
では記録紙上の崩壊包絡線上の点を読みとり、これらを
崩壊包絡線の近似式としてよく知られている次のＷａｒ
ｒｅｎ−Ｓｐｒｉｇの式（１）に代入して単軸崩壊応力
ｆと圧密応力σ₁を近似的に算出した。 （τ／С）ⁿ＝σ／Τ＋１ （１） ここに、С：付着応力、Τ：引張強度、ｎ：せん断指
数、σ：垂直応力、τ：せん断応力である。

【００３２】まず、実験により得られた崩壊包絡線にお
いて、主として原点に近い位置で、それぞれ一箇所以上
を含む複数の点で（σ、τ）の座標値を読み取る。これ
らを（１）式に代入し、С、Τ、ｎを求め、崩壊包絡線
を表現する実験式を決定する。この実験式に接する２つ
のＭｏｈｒの応力円を、最小二乗法により近似的に算出
し、これら応力円の横軸上の切片として単軸崩壊応力ｆ
と圧密応力のσ₁を求める。

【００３３】ここでは、石炭を例にとりあげて、せん断
試験により得られる内部摩擦特性と、振動発生との相関
について述べる。図５と図６はミルにおいて振動の発生
しなかった石炭Ａと、激しい自励振動を起こした石炭Ｂ
におけるそれぞれの崩壊包絡線を例として示したもので
ある（振動発生特性については後述する）。これらの実
験は、ほぼ同一の初期設定垂直圧密応力を与えて行われ
た。石炭Ａでは崩壊包絡曲線の終点（せん断応力方向
の）が大きく、原点近くの崩壊包絡曲線は上へ凸に丸み
をおびている。一方、石炭Ｂは小さなせん断応力で終点
に達し、原点近くにおいて崩壊包絡曲線はほぼ直線状に
なる。以上から、石炭Ａでは、原点を通り崩壊包絡曲線
に接するＭｏｈｒの応力円は比較的大きく、結果的に粉
粒体層内部摩擦抵抗の大きさの目安となる単軸崩壊応力
ｆも大きくなると容易に予想がつく。これに対して、原
点近くの崩壊包絡曲線が直線状になる石炭Ｂでは、大き
なＭｏｈｒの応力円は描けず、単軸崩壊応力ｆはきわめ
て小さな値になると推定される。

【００３４】図７は石炭Ａ、Ｂ（ともに前出）およびС
に対して、圧密応力σ₁に対する単軸崩壊応力ｆの関係
をまとめたものである（実験点のプロットは省略）。横
軸の圧密応力σ₁は、振動を起こさない石炭Ａにおいて
得られた基準圧密応力σ₁＊で割られ、σ₁／σ₁＊とし
て無次元表記されている。また、縦軸の単軸崩壊応力ｆ
も無次元化して表しているが、石炭Ａにおけるσ₁＝σ₁
＊の条件で得られるｆ＊値を無次元化の基準とした。同
一の圧密応力σ₁で比較すれば、ミルが激しく自励振動
を起こした石炭Ｂの単軸崩壊応力ｆは小さく、圧密応力
σ₁の大きな条件になっても単軸崩壊応力ｆはほとんど
増加しない。一方、振動の発生しなかったＡ炭の単軸崩
壊応力ｆは圧密応力σ₁とともに増加し、石炭Ｂの単軸
崩壊応力ｆに比べてかなり大きいことが分かる。石炭Ｃ
の粉粒体層では、石炭Ａと石炭Ｂの中間的な摩擦特性が
得られた。

【００３５】図８は、無次元化した単軸崩壊応力ｆ／ｆ
＊とミルの振幅の関係をまとめたものである。縦軸の振
幅δは、ミルが空回転する時（ローラとレースがメタル
タッチする）の振幅δ＊を基準として無次元表記されて
いる。この実験結果は、いずれも図１０に振動発生域と
して示した低負荷運用域で得られたものである。また、
各石炭の粉粒体層の単軸崩壊応力ｆは、全てほぼ同一の
圧密応力σ₁において求めたものである。ばらつきはあ
るものの、単軸崩壊応力ｆが小さいと、振幅δが急増す
ることが分かる。そして、単軸崩壊応力ｆ−振幅δの関
係は途中で変化する。単軸崩壊応力ｆの減少とともに振
幅δが急増する領域（ｆ／ｆ＊＜０．４）で発生する振
動は激しい自励振動である。一方、ｆ／ｆ＊＞０．５の
石炭では、δ／δ＊のレベルがかなり低い。この領域の
振動は微弱な強制振動である。図８によると、一般にｆ
／ｆ＊の値が小さいほど、自励振動の発生する確率が高
くなり、発生した場合には激振に至る、ということにな
る。

【００３６】以上のようにして得られた単軸崩壊応力ｆ
が小さければ小さいほど、より激しい振動の発生する可
能性が高いということになる。言い換えれば、ここで示
したような粉粒体層の摩擦（内部崩壊）特性を調べるこ
とで、ローラミルの振動発生を予測できるということに
なる。もし、小さな単軸崩壊応力ｆ値が得られた場合に
は、加圧力、分級機、空気流量等の操作により、振動の
発生しにくい範囲（図１０）になるようミルの操作範囲
を修正しなければならない。

【００３７】本発明になる振動発生予測法は、ここまで
発明の対象としてきたタイヤ形ローラを用いるローラミ
ルに限らず、図９に示すような上下の粉砕リング（トッ
プリング８５ｂと下部リング８５ａ）間で複数個のボー
ル８３をはさみつけるようにして圧力を加えて転動させ
るタイプのリングボールミル（Ｅミルと呼ばれることが
多い。例えば、長井、石井「日立大容量微粉炭機」火力
原子力発電，ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．１０（１９８４−１
０），１０５０：文献）の振動レベルの予測評価へも
応用することができる。このリングボールミルは、リン
グ間で公転する場合、ボール同士が衝突し合ったり、あ
るいはボール同士が接触し合ったまま回転するために、
振動レベルは前出のローラミルのそれに比べると高い。
その振幅を、本発明になる方法により得られる単軸崩壊
応力ｆの大きさを基準として、相対比較ではあるが石炭
種ごとに予測することが可能である。

【００３８】リングボールミルにおいて粉砕ボールが粉
粒体層上において安定に回転（自転）せず、ボール同士
が押し合ったまま、すべってリング上を公転し、結局は
ボールがスティック・スリップ運動を起こす基本的メカ
ニズム、つまり粉粒体層の性質にかかわるボールのすべ
りが上下方向の振動を誘発するメカニズムが、ローラミ
ルの場合と共通しているためである。

【００３９】次に、振動発生の予測基準となる図８をも
とに、振動の抑止手法について述べる。振動の抑止法
は、大きく２つに大別できる。ひとつは、粉粒体層の内
部摩擦特性をコントロールすることによる振動抑止法で
ある。もうひとつは、粉粒体層の内部摩擦特性は変え
ず、ミル内の原料（石炭）ホールドアップを変化させ
て、つまり粉粒体層の厚みを変化させて、振動発生域
（図１０）を回避するようにミルを運転する方法であ
る。

【００４０】まず、リングローラミル（例えばＭＰＳミ
ル）とリングボールミル（Ｅタイプミル）に共通した手
法として採用できるのは、内部摩擦特性の異なる原料を
同一ミル内で組み合わせて混合粉砕する方法（石炭焚ボ
イラ用のミルでは混炭粉砕する方法）である。例えば、
図８において、自励振動の発生確率の高いＡ炭と、発生
確率の低いＢ炭を混炭すればＣ炭とほぼ同等となり、Ａ
炭をそのまま単味で使う場合に比べれば自励振動の発生
確率は急減し、発生しても激振はしないことになる。こ
のような、混合粉砕による振動抑止法は、石炭焚ボイラ
用のミルにおける混炭運用として有効である。また同じ
石炭焚ボイラ用のミルを対象とする場合、ミル内への散
水（石炭投入量の約２％を給炭機へ給水する）や、ミル
へ送給する熱風の温度低減（例えばミル出口温度を８５
℃→８０℃へ下げる）も、粉粒体層の水分確保によって
内部摩擦抵抗を強める振動抑止法として、リングローラ
ミルとリングボールミルの両者に対して共通して有効で
ある。

【００４１】図１６に示すリングローラミルを対象とす
る場合は、使用する原料のｆ／ｆ＊値が小さい、つまり
自励振動を起こしやすいと判断された場合、図１０に示
したような振動発生範囲を回避すればよい。すなわち、
（ａ）ミル内における石炭ホールドアップの量を減らす
か（ｂ）増やせばよい。前記（ａ）のためには、粉砕ロ
ーラ３３の加圧力アップ、サイクロン分級機（本明細書
中では図示省略、文献参照）のベーン開度大（もしく
は回転分級機５２の回転速度低減）、空気（熱風４８）
流量アップ、回転テーブル４２の回転速度の増加のいず
れかもしくはこれらの組み合わせの操作をする。前記
（ｂ）とするためには粉砕ローラ３３の加圧力減、サイ
クロン分級機のベーン開度少（もしくは回転分級機５２
の回転速度アップ）、空気（熱風４８）流量低減、回転
テーブル４２の回転速度の低減のいずれかもしくはこれ
らを組み合わせる。どの手段を用いるかは、燃焼性能を
確保する（できるだけ犠牲としないように）ことを前提
として、様々な選択が可能である。

【００４２】リングボールミル（図９）では、ミル内の
原料（石炭）ホールドアップが増えるほど振動が激しく
なる。粉砕ボール８３間に原料８１が充満して、原料８
１がトップリング（上部リング）８５ｂにかみ込まれ、
ハウジング８９にスパイダーアーム９２により固定され
たトップリング８５ｂと粉砕ボール８３の間にすべりが
生じる条件、つまりここにおける粉粒体層が内部崩壊す
る条件において粉砕ボール８３が集団となってスティッ
ク・スリップ運動を起こし、振動が激しくなる。したが
って、ミル内における原料（石炭）ホールドアップを少
なくするようにミルを操作すればよい。すなわち、サイ
クロン分級機８７のベーン９３を開ければよい。もしく
は、回転分級機の回転速度を減少させる。また、熱風８
８の流量を増やすのも効果的である。リング８５と粉砕
ボール８３の間の加圧力を増やしても、原料ホールドア
ップを減らすのには効果的であるが、振動の慣性力も増
えるため、あまり好ましいとはいえない。

【００４３】

【発明の効果】本発明を実施したことによる効果をまと
めると以下のようになる。 （１）ローラミル、リングボールミル等において振動を
発生しやすい原料をあらかじめ判別することができる。
また発生する振動の程度（振幅あるいは振動発生域（ミ
ル内石炭ホールドアップの範囲として））を予測でき
る。 （２）（１）の効果により、振動を回避する運用条件
（荷重、テーブルや分級機の回転速度、空気の流量、温
度など）をあらかじめ設定できる。 （３）（２）が達成されることによって、前記ミルを用
いるプラント全体の運用性が向上する。具体的には、 （i）ミル自体を含む周辺機器の信頼性が向上し、それ
らの寿命が伸びる。 （ii）プラント内従業員の作業環境が良好になる。 （iii）ミルで粉砕処理できる原料の種類が拡大する。 （iv）ミルの操業範囲が拡大する。 等である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明で利用する粉粒体層の内部摩擦測定装
置の構成を示す図である。

【図２】 図１の部分詳細図である。

【図３】 粉粒体層の内部摩擦の測定原理を説明するた
めの図である。

【図４】 粉粒体層の内部摩擦の測定原理を説明するた
めの図である。

【図５】 振動の発生のない場合の粉粒体層の内部摩擦
の測定結果を示す図である。

【図６】 振動の発生のある場合の粉粒体層の内部摩擦
の測定結果を示す図である。

【図７】 振動の発生度合の異なる石炭についての圧密
応力に対する単軸崩壊応力の関係をそれぞれ示す図であ
る。

【図８】 無次元化した単軸崩壊応力とミルの振幅の関
係をまとめ、ミルの振動予測と実際の現象との相関を、
本発明による効果を実証した結果としてまとめた図であ
る。

【図９】 本発明になる振動予測法を発展させる一例と
してのリングボールミル（Ｅ−タイプミル）の構造を示
した図である。

【図１０】 実用機ローラミルにおける振動特性とロー
ラの力学的挙動（ミル内の原料ホールドアップと振動の
発生の関係）を示す図である。

【図１１】 実用機ローラミルにおける振動特性とロー
ラの力学的挙動を示す図である。

【図１２】 実用機ローラミルにおける振動特性とロー
ラの力学的挙動を示す図である。

【図１３】 ローラの振子式支持構造を示す図である。

【図１４】 片持ちばり式のローラ支持構造を示す図で
ある。

【図１５】 図１４のローラ支持構造におけるローラの
力学的挙動を示す図である。

【図１６】 ローラミルの全体構成を示す図である。

【符号の説明】

１…供試粉体、２…リング、３…金型、４…金型（下部
セル）、５…外筒、６…シャフト、９…荷重検出ピン、
１０…水平荷重用ロードセル、１５…垂直荷重用ロード
セル、１４…上ブタ、１６…プレスアーム、３３、６１
…粉砕ローラ、 ４２、７０…回転テーブル、４５、７
２…粉砕レース、 ４６、７４…圧縮粉粒体層、４７、
７３…粉砕原料、 ５１、６９…ハウジング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島 敏信 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日 立株式会社 呉工場内 (72)発明者 立間 照章 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日 立株式会社 呉工場内 (72)発明者 長谷川 忠 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日 立株式会社 呉工場内 (72)発明者 田岡 善憲 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日 立株式会社 呉工場内 (56)参考文献 特開 平５−104014（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−237412（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B02C 15/00 - 15/16 B02C 25/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 竪型ミルで粉砕する原料を予め粉体化あ
   るいは粒状化して、定容積型の粉体せん断試験装置によ
   り粉体の摩擦特性を求め、該摩擦特性に基づき前記竪型
   ミルの振動レベルを予測することを特徴とする竪型ミル
   の振動発生予測方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した竪型ミルの振動発生
   予測方法において、前記摩擦特性を求めるのに、垂直応
   力とせん断応力を両軸とするグラフ上に粉粒体の内部崩
   壊条件を示す複数の点を結ぶ崩壊包絡曲線状の任意の一
   点と原点を結ぶ直線と垂直応力軸とがなす角度を用いる
   ことを特徴とする堅型ミルの振動発生予測方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載した堅型ミルの振動発生
   予測方法において、前記定容積型の粉体せん断試験装置
   には０．５ｍｍ以上かつ２．０ｍｍ未満に粒径調整した
   ものを用いることを特徴とする堅型ミルの振動発生予測
   方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載した堅型ミルの振動発生
   予測方法において、前記定容積型の粉体せん断試験装置
   内の粉体の摩擦特性を求めるのに、１５０ｇ／ｃｍ^２以
   上、５０００ｇ／ｃｍ^２未満の圧縮応力を加えることを
   特徴とする堅型ミルの振動発生予測方法。
5. 【請求項５】 堅型ミルで粉砕する原料を予め粉体化あ
   るいは粒状化して、定容積型の粉体せん断試験装置によ
   り粉体の摩擦特性を求め、該摩擦特性に基づき前記堅型
   ミルの振動レベルを予測し、 該予測結果に基づき、粉砕原料の摩擦特性を調整する
   か、又は、ミル内の粉砕原料ホールドアップ量を調整す
   ることを特徴とする堅型ミルの振動抑制方法。
6. 【請求項６】 堅型ミルで粉砕する原料を予め粉体化あ
   るいは粒状化して、定容積型の粉体せん断試験装置によ
   り粉体の摩擦特性を求め、該摩擦特性に基づき前記原料
   をランク別に判定し、該判定結果に基づきランクの異な
   る原料を混合粉砕することによりミルの振動を抑制する
   ことを特徴とする堅型ミルの振動抑制方法。