ふるい分け分析：粒子サイズ試験の実践ガイド

ふるい分け分析は、粉末、顆粒、その他の粒子状物質の粒度分布を決定するための実用的な方法である。

この方法を適用する前に、品質管理や工程決定におけるふるい分け分析の目的を理解しておくと役立ちます。砂の種類に応じた試験については、砂試料のメッシュサイズ選択ガイドで、メッシュ、ミリメートル、ミクロンの関係について説明しています。

方法は簡単です。代表的な試料を計量し、開口部が徐々に小さくなる一連の試験用ふるいに通し、それぞれのふるいに残った物質を計量します。これらの測定値から、各ふるいのサイズにおける残留率、累積残留率、および通過率を計算できます。

原理は単純です。しかし、信頼できる結果を得ることは必ずしも簡単ではありません。試料の準備、ふるいの選択、投入量、試験時間、水分量、開口部の詰まりなど、すべてが結果に影響を与える可能性があります。また、ふるい分析データを用いて工業用ふるい分け機を選定する場合、粒子サイズは考慮すべき要素の一つに過ぎません。

このガイドでは、基本的なふるい分け分析の手順と計算から、実用的なスクリーニング用途における結果の解釈まで、プロセス全体を説明します。

ふるい分析とは何ですか？

ふるい分け分析とは、既知の開口径を持つふるいを通して粒子を分離することにより、材料の粒度分布を決定するために用いられる方法である。

一般的な試験では、複数のふるいを垂直に積み重ねて使用します。開口部が最も大きいふるいを一番上に置き、その下に徐々に目の小さいふるいを設置し、一番下には受け皿を置きます。ふるい分けの過程で、小さな粒子は開口部を通過し、大きな粒子はふるいに残ります。試験後、各ふるいに残った物質の重量を測定します。

この結果は、元のサンプルがさまざまな粒子サイズ範囲にどのように分布しているかを示しています。

例えば、ある物質が1mmのふるいを通過し、500μmのふるいに残る場合、その物質の割合はおおよそこれら2つのふるいの開口部の大きさの間にある。

このため、ふるい分け分析は、粉末状または粒状の材料が規定された粒度仕様を満たしているかどうかを確認するのに役立ちます。

ふるい分け分析が重要な理由とは？

製造現場では、ふるい分け分析は一般的に以下の目的で使用されます。

• 入荷した原材料を検査する。
• 異なる製造ロットを比較する。
• 粉砕または製粉の結果を監視する。
• 過剰な微粒子または過大粒子を特定する。
• 粒子径の仕様を確認する。
• スクリーニングプロセスの性能を評価する。
• 機器選定前に粒子径情報を提供してください。

材料を単に「細かい」または「粗い」と表現する代わりに、試料のうち特定のふるいの開口部より上または下の粒子が何パーセントを占めるかを特定することができます。

ふるい分け分析はどのように行われるのか？

基本原理は、粒子サイズによる物理的分離である。

一般的なふるいの積み重ねは、次のように配置されます。

試料を一番上のふるいに置き、積み重ねた試料を制御されたふるい分け動作にかけます。開口部を通過できるほど十分に小さい粒子は次のふるいに移動します。通過できない粒子はそのふるいに残ります。十分なふるい分けの後、残った各粒子を個別に計量します。

これらの重みは、粒子径分布を計算するために使用されます。

ふるい分析に必要な機器

基本的なふるい分け分析には、通常、以下の機器が必要です。

一時的な試験や簡単な試験の場合は、該当する試験方法で許可されている場合、ふるいを手動で振っても構いません。定期的な試験の場合は、機械式ふるい振とう機を使用することで、作業者による振とう動作や試験条件の違いによるばらつきを軽減できます。ただし、装置だけでは正確な結果を保証することはできません。サンプリングと試験手順も同様に重要です。

ふるい分け分析手順：ステップバイステップ

具体的な手順は、該当する材料規格、試験方法、または社内の品質管理手順に従ってください。

一般的な乾式ふるい分け分析は、以下の手順で理解できます。

ステップ1：代表的なサンプルを入手する

評価したい材料を実際に代表するサンプルから始めましょう。

これは見落としやすい点です。粉末や顆粒は、輸送中や保管中に分離することがあります。粗い粒子と細かい粒子が容器全体に均一に分散しない場合もあります。そのため、表面から採取した試料のみを検査した場合、バッチ全体を検査した場合とは異なる結果になる可能性があります。

必要に応じて、試験を開始する前に適切なサンプリングおよびサンプル削減方法を使用してください。

ステップ2：材料の状態を確認する

ふるいにかける前に、サンプルをよく見てください。

• 乾燥していて、流れやすいですか？
• 微粒子同士がくっついているのでしょうか？
• 目に見える凝集塊はありますか？

水分や凝集によって、個々の粒子が通常通過するはずの開口部を通過できなくなることがある。

そのため、試験方法によっては、ふるい分け分析の前に乾燥などの試料前処理が必要となる場合があります。すべての試料に同じ前処理方法を適用するのではなく、試験対象となる材料に指定された手順に従ってください。

ステップ3：試験用ふるいを選択する

測定したい粒子サイズ範囲をカバーするふるいの目径を選びます。最も目の大きいふるいを一番上に置き、残りのふるいは目の小さい順に並べます。受け皿は一番下に設置します。

目的は、できるだけ多くのふるいを使うことではありません。有用なふるい系列とは、試料を意味のある粒径区分に分離できるものであるべきです。

ステップ4：初期サンプルを計量する

ふるいにかける前に、試料の質量を測定して記録してください。

• 具体的な例を挙げますと、以下の通りです。
  • 初期試料質量 = 500 g

この値は、後ほど留年率と合格率を計算する際に使用されます。

ステップ5：ふるいスタックに材料をセットする

試料を上部のふるいに置き、蓋を閉めてください。ふるいに試料を過剰に載せないようにしてください。試料層が厚くなりすぎると、粒子がふるいの表面に到達する機会が減り、分離速度が低下して最終結果に影響を与える可能性があります。

必要に応じて、大きなサンプルを該当する手順に従って適切な試験部分に分割する。

ステップ6：ふるい分けテストを実施する

スタックをふるい振とう機に取り付け、所定の手順に従って試験を実施する。

適切な試験時間は、次のような要因によって異なります。

• 粒子サイズ
• 粒子の形状。
• 材料特性;
• ふるいの開口部。
• サンプル量
• 適用される試験規格。

時間を長くすれば必ずしも良いとは限らない。脆い材料の中には、長時間の機械的作用によって崩壊し、測定される粒子サイズ分布が変化するものもある。

ステップ7：各残留分画の重量を測定する

試験後、ふるいを1枚ずつ慎重に取り外します。各ふるいと底の受け皿に残った物質を集めて計量し、すべての値を記録します。最後に、回収された総質量を最初の試料質量と比較します。

著しい差異が見られた場合は調査が必要です。移送中に材料が紛失した、機器内に残っていた、あるいは計量が誤っていたなどが考えられます。

製品の使用方法についてご不明な点がございましたら、三元堂までお問い合わせください。弊社の技術スタッフが手順をご案内いたします。

ふるい分析計算

残留質量が分かれば、ふるい分け分析の計算は比較的簡単である。

一般的に役立つ値は次の3つです。

• 保持率
• 累積保持率
• 合格率

保持率

使用します。

残留率 = (ふるいに残った質量 ÷ 初期試料質量) × 100

仮定:

• 初期サンプル量 = 500 g
• 1.00 mmのふるいに残った物質 = 75 g

その後：

（75÷500）×100＝15％

したがって、元の試料の15％がそのふるいに残った。

累積保持率

累積残留率とは、特定のふるいにおける残留率と、それより上のすべての大きなふるいにおける残留率の合計です。

たとえば、次の場合：

• 5%は2.00mmの位置に保持される。
• 15%は1.00mmの位置に保持される。

すると、1.00 mmの位置に保持された累積百分率は次のようになります。

5% + 15% = 20%

合格率

合格率は次のように計算されます。

合格率 = 100 − 累積残留率

累積保持率が20%の場合：

合格率 = 100 − 20 = 80%

つまり、試料の80%がそのふるいの開口部を通過するということだ。

ふるい分析の例

ここでは、架空の500gのサンプルを用いた簡単な例を示します。

以下の数値は計算例を示すためのものです。

これは私たちに何を伝えていますか？

500μmのふるいにおける累積保持率は50%です。したがって、このサンプル例では50%が500μmの開口部を通過します。

1.00 mmでは、80%が合格する。

製品仕様で材料の少なくとも90%が1.00mmの隙間を通過することが求められている場合、この架空のサンプルはその要件を満たさないことになる。

そのため、体重維持率だけを見るよりも、体重減少率を見る方が有用な場合が多いのです。

ふるい分け分析結果の読み方

ふるい分け分析表は、単一の粒径を示すのではなく、粒子の分布を記述するものです。

仕様書に次のように記載されているとします。

最低95%が2.00mmの異物に合格

2.00mmの通過率を、その要件と直接比較することができます。

あるいは、仕様書には次のように書かれているかもしれません。

1.00 mmを超える部分で最大10%が保持される

この場合、累積残留量を用いて、材料が許容限度値を超えていないかを確認することができる。

粒子径分布は、生産チームが上流工程で何が起こっているかを理解する上でも役立ちます。

例えば、粗粒分の増加は、粉砕、破砕、またはその他の加工条件の変化を示している可能性があります。微粉の増加は、別の問題を示している可能性があります。

ふるい分けの結果は、粒度分布にどのような変化があったかを示しています。しかし、なぜ変化が起きたのかを解明するには、実際の製造工程に関する知識が必要です。

乾式ふるい分け分析と湿式ふるい分け分析の比較

すべての材料を全く同じ方法で試験する必要はない。

乾式ふるい分け分析

乾式ふるい分け分析は、液体を用いずに分離できる多くの流動性の高い粉末や粒状物質に適しています。手順が簡単で、分離されなかった成分を容易に回収できます。

湿式ふるい分析

乾燥ふるい分けでは、微粒子が凝集したり、より大きな粒子に付着したりする傾向があります。適用可能な試験方法で許可されている場合、湿式ふるい分けでは、適切な液体を使用して材料を分散させ、微粒子をふるいの開口部を通して移動させます。使用する液体は、試料、ふるい、および試験の要件に適合している必要があります。

乾式ふるい分けが時間がかかりそうだからといって、湿式ふるい分けを選ぶべきではない。方法は、対象となる材料と適用される試験手順に合致している必要がある。

ふるい分け分析基準

品質管理作業においては、ふるい自体が測定システムの一部となる。

よく参照される規格としては、ASTM E11とISO 3310-1が挙げられる。

• ASTM E11は、材料を粒度によって分類するために使用される試験用ふるいの設計および構造、ならびに織り金網試験用ふるいの要件を規定している。
• ISO 3310-1は、金属金網製の試験用ふるいの技術要件および試験方法を規定している。

これらの規格は主に試験用ふるいの要件を規定するものであり、あらゆる材料に対する完全な試験手順を定めたものではありません。適切なふるい分析方法は、試験対象となる製品や業界によって異なる場合があります。例えば、骨材、粉体、その他の材料には、それぞれ独自のサンプリング、調製、試験に関する規格が適用される場合があります。

正式な試験手順を確立する前に、必ず使用する材料に適用される規格を確認してください。

ふるい分け分析結果に影響を与える一般的なエラー

ふるい分け分析は非常に単純なため、細かい点が見落とされがちです。しかし、そうした細かい点が重要な意味を持つこともあります。

ふるいの過負荷

材料が多すぎると、メッシュ上に厚い層が形成されます。粒子が効率的に開口部に到達せず、分離が不完全になる可能性があります。

サンプリング不良

完璧なふるい分けを行ったとしても、元の材料を代表していないサンプルを修正することはできません。バルク材料の場合、サンプリングはしばしば最大の誤差要因の一つとなります。

水分と凝集

微粒子は互いにくっつき合い、より大きな粒子のように振る舞うことがあります。このような場合、測定された粒子分布は、個々の粒子の実際の分布よりも粗く見える可能性があります。

塞がれた開口部

粒子がメッシュに詰まり、利用可能な開口面積が減少することがあります。これは、ふるいの開口部のサイズに近い粒子や、付着しやすい物質の場合に特に顕著です。

破損した試験用ふるい

摩耗、変形、または損傷した開口部は、通過する粒子の種類を変える可能性があります。したがって、試験用ふるいは、該当する品質手順に従って検査および保守する必要があります。

試験条件の不一致

試験時間、試料量、ふるいの積み重ね方、振とう条件などを試料間で変更すると、比較が難しくなります。ふるい分析を日常的な品質管理に用いる場合、一貫性が重要となります。

ふるい分け分析とその他の粒度分析方法の比較

ふるい分け分析は有用だが、粒子径測定の唯一の方法ではない。

これらの方法は粒子サイズを測定する方法が異なるため、必ずしも直接互換性のある結果が得られるとは限りません。

材料、必要なサイズ範囲、仕様、および試験の目的に応じて方法を選択してください。

ふるい分析から工業用スクリーニングまで

ここで、実験室での検査と生産現場でのスクリーニングを明確に区別する必要がある。

ふるい分け分析は、粒子サイズ分布を測定するものです。工業用振動スクリーンは、製造工程において材料を分離します。

両者は関連しているが、同じプロセスではない。

ふるい分け分析の結果、粉末を500μmで分離する必要があることがわかったとします。

それは、「500μm」という情報だけで生産装置を選定できるという意味ではない。

工業用スクリーニングの場合、Sanyuantangは通常、以下のような追加の申請情報を必要とします。

どちらも500μmの分離が必要な2つの材料を考えてみましょう。

• 材料Aには、500μmを超える粒子が5%しか含まれていないものとする。
• 材料Bには、500μmを超える粒子が40%含まれている可能性がある。

公称分離サイズは同じだが、選別負荷は明らかに異なる。

そのため、三元堂ではメッシュサイズのみに基づいて工業用振動スクリーンを推奨していません。粒度分布は有用な情報ではありますが、実際の処理能力や材料の挙動と合わせて考慮する必要があります。

実験室での粒度試験には、標準試験用ふるいを重ねた試験用ふるい振とう機を使用できます。連続生産や高生産量生産の場合は、実際のプロセス条件に応じてふるい分け装置を選択する必要があります。

ふるい分析に関するよくある質問

ふるい分け分析とは何ですか？

ふるい分け分析は、既知の開口径を持つ試験用ふるいを用いて試料を分離する粒度試験法です。各ふるいに残った質量を測定し、それを百分率に換算することで、材料の粒度分布を表します。

ふるい分け分析はどのように行うのですか？

代表的な試料を準備し、その重量を量り、適切な試験用ふるいを大きいものから小さいものへと並べ、試料を一番上のふるいに置き、指定されたふるい分け手順を実行し、残った各画分の重量を量り、結果を計算します。

保持率はどのように計算するのですか？

特定のふるいに残った質量を元の試料質量で割り、100を掛けます。例えば、500gの試料から50gが残った場合、残量の割合は10%です。

合格率はどのように計算するのですか？

まず、ふるいに残った累積割合を計算します。その値を100から引きます。例えば、特定の開口部での累積残留率が35%であれば、試料の65%がそのふるいを通過したことになります。

ふるい分け分析はどのくらいの時間行うべきですか？

すべての材料に共通する試験時間はありません。ふるい分け時間は、該当する規格または検証済みの試験手順に従う必要があり、試料、ふるいの開口部、粒子の特性、および使用する装置によって異なります。

乾式ふるい分け分析と湿式ふるい分け分析の違いは何ですか？

乾式ふるい分けは、液体を用いずに流動性のある物質を分離する。湿式ふるい分けは、適用可能な方法において、適切な液体を用いて特定の微粒子や凝集粒子を分散させ、ふるいを通過させる。

ふるい分け分析の結果が不正確になる原因は何ですか？

一般的な原因としては、サンプリング不良、ふるいへの過剰な負荷、水分、凝集、ふるいの開口部の詰まりや損傷、取り扱い中の材料損失、試験条件の不一致などが挙げられます。結果が予想と異なる場合は、手順全体を見直す必要があります。

ふるい分け分析は振動スクリーンの選定に役立ちますか？

はい。粒度分布と必要なカットサイズは、有用な出発点となります。工業用振動スクリーンの選定には、処理能力、かさ密度、水分量、粒子形状、材料特性、および必要な分離サイズに近い材料の割合に関する情報も必要です。

結論

ふるい分け分析は、試料を有用な粒度データに変換する手法です。信頼性の高い結果を得るには、計量と計算だけでなく、代表的な試料の採取、適切な試験用ふるいの使用、そして一貫した試験条件が不可欠です。

生産工程におけるスクリーニングにおいては、分析は機器の完全な仕様ではなく、あくまで出発点となります。三元堂は、用途に適したスクリーニングソリューションを評価する際に、粒子径情報に加え、処理能力や材料特性も考慮に入れています。

三元堂について

三元堂は1994年以来、選別および搬送ソリューションに注力してきました。粒度試験および生産選別プロジェクトにおいては、当社のエンジニアが試験データ、処理能力、かさ密度、水分量、材料特性などを精査した上で、最適な機器をご提案いたします。

Sanyuantangについてもっと詳しく知りたい方、または当社の工業用選別機についてレビューをご覧になりたい方は、こちらをご覧ください。

スクリーニング要件について話し合う

材料名、粒度分布、必要なカットサイズ、かさ密度、水分量、目標容量をお知らせください。弊社の営業および技術チームがデータを確認し、ラボ試験または生産スクリーニング試験のどちらが適切かをアドバイスいたします。

技術参考資料

• ASTM C136/C136M：細骨材および粗骨材のふるい分け分析
• ASTM E11：織り金網試験用ふるい布および試験用ふるい
• ISO 3310-1：金属金網の試験用ふるい