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破砕機とは、大きな岩石をより小さな岩石、砂利、砂、または岩粉に粉砕するために設計された機械である。
破砕機は、廃棄物のサイズを小さくしたり、形状を変えたりして、廃棄物をより簡単に処分またはリサイクルできるようにするため、あるいは、原材料の固体混合物（岩石鉱石など）のサイズを小さくして、組成の異なる破片を区別できるようにするために使用されることがあります。破砕とは、機械的利点によって増幅された力を、破砕される材料の分子よりも強く結合し、変形に抵抗する分子で構成された材料を通して伝達するプロセスです。破砕装置は、2 つの平行または接する固体表面の間に材料を挟み込み、表面を近づけるのに十分な力を加えて、破砕される材料内部に十分なエネルギーを発生させ、その分子が互いに分離（破壊）したり、相対的に配列を変えたり（変形）します。最も初期の破砕機は、石の重さが筋力に加算され、石の金床に対して使用される手持ちの石でした。石臼や乳鉢は、これらの破砕装置の一種です。
産業において、破砕機は金属面を用いて材料を細かく砕いたり圧縮したりして、より密度の高い塊にする機械である。産業史の大半において、破砕と採掘工程の大部分は、鉱夫のつるはしの先端やハンマーで駆動するドリルビットに集中した力の作用によって、人力で行われていた。19世紀半ばに爆薬が大量採掘で広く使われるようになる前は、鉱石の初期破砕とサイズ分けのほとんどは、鉱山での手作業とハンマー、あるいはルネサンス期から産業革命初期から中期にかけて典型的な、木炭を燃料とする小さな鍛冶場や製鉄所で水力式のトリップハンマーによって行われていた。爆薬、そして後に強力な蒸気ショベルによって大きな塊の材料が生産されるようになって初めて、これらの塊は鉱山でハンマーで砕かれてから袋に詰められ、地上に運ばれた。そして最終的には、これらの塊は鉄道や鉱山鉄道によって大量の集合体を輸送するようになり、採掘後の破砕が広く必要とされるようになった。こうした事業の初期のものは鋳造所で行われていましたが、石炭が普及するにつれて、より大規模な事業は石炭破砕場となり、1600年代の最初の10年間から1970年代の破砕場の代替に至るまで、今日の燃料需要に至るまで産業の成長を支えてきました。この時代の到来と家内工業に基づく経済の衰退は、まず錬鉄や鋳鉄が望ましい材料として有用であったことで、より大規模な事業に拍車がかかり、次に16世紀後半には、煙突とともに16世紀と17世紀の成長する中産階級と富裕層の間で「大流行」となった新しい窓ガラス[2]を作るための木炭生産用の森林地の不足が深刻化したことで加速しました。そして、いつものように、木炭は金属を精錬するために必要であり、特に新しい消費階級が求めるますます大量の真鍮や青銅[ 3 ]、銑鉄、鋳鉄、錬鉄を生産するために必要でした。銀や金の採掘といった他の冶金技術の発展は、鉄やガラスに対する需要の高まりに応えるための、大量資材の取り扱い方法や技術の発展を反映していた。鉄とガラスはどちらも1700年代までは個人所有物としては稀なものであった。
事態はさらに悪化し、イギリス人は真鍮や青銅製の大砲の主要生産者となり、ヨーロッパ大陸の強国の武器製造者となるという偉業を成し遂げた後、より経済的な鉄製の大砲の鋳造方法を解明しました（1547年）。[ 3 ]そして最終的には、議会のさまざまな法律によって、イギリスのより広い地域で木炭用の木の伐採を徐々に禁止または制限しました。[ 2 ] 1611年、廷臣エドワード・ズーシュが率いるコンソーシアムは、貴重な国の木材資源ではなく石炭を使用する反射炉の特許を取得し、[ 4 ]すぐにガラス製造に利用されました。初期の政治的コネクションと富を持つ強欲な実業家、ロバート・マンセル卿は、新興の溶鉱炉会社に買収によって参入し、その支配権を奪い、1615年までにジェームズ1世にガラス製造に木材を使用することを禁じる布告を出させることに成功し[ 4 ]、彼の家族が所有する広大な石炭鉱区に、半世紀近くにわたって原料と生産手段の両方の独占権を与えた。1世紀後、アブラハム・ダービーはブリストルに移り住み、オランダ人労働者を輸入し、オランダの技術を略奪することで、建築用真鍮と青銅の産業を確立した。これらの材料はどちらも大砲や機械には鉄よりも優れていると考えられており、機械はよりよく理解されていた。しかし、ダービーはいくつかの重要な点で世界を変えることになる。
オランダ人が鉄の鋳造に失敗したのに対し、ダービーの弟子の一人であるジョン・トーマスは1707年に成功し[ 5 ]、バークが述べたように「イギリスに産業革命の鍵を与えた」[ 5 ]。当時、錫鉱山（真鍮の価格と有用性によって動かされていた）を除いて、鉱山と鋳造所は事実上すべて小規模企業であり、材料は、荷役動物に投げ込ませるために大勢の鉱夫が仕事を袋に詰め込まなければならなかったため、すでに細かく叩かれて鉱山から出ていた。同時に、鉱山には排水が必要となり、セイヴァリーとニューコメンによる初期の蒸気駆動ポンプシステムが生まれた。鉱山が深くなるほど、より優れたポンプの需要が大きくなり、鉄の需要が大きくなり、石炭の必要性が大きくなり、それぞれの需要が高まった。将来を明確に見通すダービーは、真鍮事業の利権を売却し、豊富な炭鉱、水力、近くの鉱石供給があるコールブルックデールに移転した。その10年間で、彼の鋳造所は鉄の鋳造技術を開発し、多くの用途で他の金属に取って代わり始めました。彼は醸造業者のやり方を真似て、燃料のコークス化を改良しました。 [ 5 ] 1822年、ポンプ業界の大型シリンダーへのニーズは、ダービーが十分な量の銑鉄を溶かして、高価な真鍮製のシリンダーの代わりに安価な大型鉄製シリンダーを鋳造できる能力と合致し、[ 5 ]シリンダーのコストを10分の9削減しました。[ 6 ]
火薬が採掘にますます使用されるようになると、採掘面から出る岩の塊ははるかに大きくなり、爆破に依存する採掘自体が、つるはしを振るう個人ではなく、組織化されたグループに依存するようになった。規模の経済が徐々に産業企業に浸透し、需要に応じて移動される資材の量が増え続けるにつれて、輸送が主要なボトルネックとなった。これにより、多くの運河プロジェクトが促進され、新興のバルク貨物輸送に依存する経済において、牽引動物を使用して荷物を牽引する、最初は木製、次に鉄製の保護レールを敷設するようになった。石炭が鉱石の製錬の好ましい燃料となったことで成長した石炭産業では、100年以上にわたって、コンベア、ベルト駆動のトリップハンマー破砕ステージ、巨大な金属製の選別/グレーディング格子でいっぱいの、騒音の大きい巨大な建物である石炭破砕機で、破砕と準備（洗浄）が行われた。鉱山ポンプと同様に、内部のコンベアとトリップハンマーは、これらの7 ～ 11階建ての建物の中に収容されていた。
鉱山操業では破砕機が使用され、破砕機は一般的に原料の破砕度合いによって分類され、一次破砕機と二次破砕機は粗い原料を処理し、三次破砕機と四次破砕機は鉱石粒子をより細かい粒度に砕きます。各破砕機は特定の最大サイズの原料を処理するように設計されており、多くの場合、出力物を選別してさらに処理するために振り分ける選別機に送ります。サイズに加えて、これらの各段階用に設計された機械は、材料のサイズを小さくする基本的な方法[ 7 ]、衝撃、圧縮、摩耗、切断を考慮する必要があります。材料の特性と望ましい結果に応じて、破砕方法、したがって機械の設計が使用事例により適している場合があります。
通常、材料をさらに細かくする必要がある場合は、破砕工程の後に粉砕工程が続きます。また、破砕機の隣では、破砕機で処理できないほど大きな材料を粉砕するために、岩石破砕機が設置されているのが一般的です。破砕機は、材料を粉砕機でより細かい粒子に加工できる程度に粒子サイズを小さくするために使用されます。鉱山における典型的な処理ラインは、破砕機、SAGミル、ボールミルの順で構成される場合があります。この文脈では、SAGミルとボールミルは破砕機ではなく粉砕機とみなされます。
操業時には、様々なサイズの原料は通常、ダンプトラック、掘削機、またはホイール式フロントエンドローダーによって一次破砕機のホッパーに搬入されます。エプロンフィーダー、コンベア、振動グリッドなどの供給装置が、この原料が破砕機に投入される速度を制御し、多くの場合、より小さな原料が破砕機自体を迂回できるように予備選別装置を備えているため、効率が向上します。一次破砕によって、大きな破片は下流の機械で処理できるサイズまで小さくされます。
移動式破砕機の中には、最大 1.5 メートル (60 インチ) の岩石を破砕できるものもあります。主に鉱山の採掘現場で使用され、大型の投入機械 (主にショベル) と一緒に移動して生産量を増やすことができます。移動式道路工事では、これらの破砕された岩石はコンクリートやアスファルトと直接混合され、道路表面に敷設されます。これにより、特大の材料を固定式破砕機まで運搬し、その後道路表面に戻す必要がなくなります。さらに、小型/ミニ破砕機 (約 6,000 ～ 60,000 ポンドの範囲) は、通常、現場から現場へと移動して使用される可搬式破砕機です。これらの小型破砕機は、トラックまたは車輪に取り付けられ、ガス、ディーゼル、または電気で駆動されますが、主にジョークラッシャーです。
以下の表は、一般的に使用されている破砕機の典型的な用途を示しています。
ジョークラッシャーは、圧縮力を用いて粒子を破砕します。この機械的な圧力は、クラッシャーの2つのジョーによって発生し、一方のジョーは固定され、もう一方は往復運動します。ジョークラッシャーまたはトグルクラッシャーは、垂直なジョーのセットで構成され、一方のジョーは固定され、固定ジョーと呼ばれます。もう一方のジョーはスイングジョーと呼ばれ、カムまたはピットマン機構によって、クラスIIレバーまたはくるみ割り器のように、固定ジョーに対して前後に動きます。2つのジョーの間の容積または空洞は、破砕室と呼ばれます。完全な破砕は1回のストロークでは行われないため、スイングジョーの動きは非常に小さくても構いません。材料を破砕するために必要な慣性は、シャフトを回転させるフライホイールによって提供され、偏心運動によって隙間が閉じられます。
ジョークラッシャーは重機であるため、頑丈な構造が求められます。外枠は一般的に鋳鉄または鋼鉄製です。ジョー自体は通常、鋳鋼製です。ジョーには、マンガン鋼またはNi-hard（ニッケルクロム合金鋳鉄）製の交換可能なライナーが取り付けられています。ジョークラッシャーは、地下での作業のために搬入する場合、輸送を容易にするために通常、分割して製造されます。
ジョークラッシャーは、スイングジョーの旋回位置に基づいて分類される。
ブレイク式破砕機は、 1858年にイーライ・ホイットニー・ブレイクによって特許が取得されました。ブレイク式ジョークラッシャーは、固定された供給エリアと可変の排出エリアを備えています。ブレイク式破砕機には、シングル・トグル式とダブル・トグル式の2種類があります。
シングル・トグル式ジョークラッシャーでは、スイングジョーが偏心軸に吊り下げられているため、ダブル・トグル式ジョークラッシャーよりもはるかにコンパクトな設計となっています。偏心軸に吊り下げられたスイングジョーは、トグルプレートの作用による固定ジョーへのスイング運動と、偏心軸の回転による垂直方向の動きという2種類の動きをします。これらの2つの動きが組み合わさることで、楕円形のジョー運動が生じます。この動きは、破砕室を通して粒子を押し出すのに役立つため、有効です。この現象により、シングル・トグル式ジョークラッシャーの処理能力は高くなりますが、破砕ジョーの摩耗も大きくなります。このタイプのジョークラッシャーは、比較的柔らかい粒子の破砕に適しています。
ダブルトグル式ジョークラッシャーでは、スイングジョーの振動運動はピットマンの垂直方向の動きによって引き起こされます。ピットマンは上下に動き、ピットマンが上昇するとスイングジョーは閉じ、固定ジョーに向かって移動します。また、ピットマンが下降するとスイングジョーは開きます。このタイプは、硬くて摩耗性の高い材料を粉砕できるため、鉱山で広く使用されています。
ダッジ式ジョークラッシャーでは、ジョーの間隔が上部の方が下部よりも広く、テーパー状のシュートを形成しているため、材料は下方へ移動するにつれて徐々に細かく粉砕され、最終的に底部の開口部から排出されるのに十分な大きさになります。ダッジ式ジョークラッシャーは、供給面積が可変で排出面積が固定されているため、クラッシャーが詰まる可能性があり、そのため実験室での使用にのみ適しており、重作業には適していません。
ジャイレトリークラッシャーは、凹面と円錐形のヘッドから構成されるという点で、ジョークラッシャーと基本的な概念が似ています。どちらの面も通常はマンガン鋼で覆われています。内側の円錐はわずかに円運動をしますが、回転はしません。この動きは偏心機構によって生み出されます。ジョークラッシャーと同様に、材料は2つの面の間を下方へ移動し、徐々に粉砕されて、2つの面の間の隙間から落下するのに十分な大きさになるまで粉砕されます。
ジャイレトリークラッシャーは、鉱山や鉱石処理プラントにおける主要な一次破砕機の一つです。ジャイレトリークラッシャーのサイズは、ギャップとマントルの直径、または受入口のサイズによって表されます。ジャイレトリークラッシャーは、一次破砕にも二次破砕にも使用できます。破砕動作は、中央の垂直スピンドルに取り付けられたマントルライン（可動式）と、クラッシャーのメインフレームに取り付けられた凹型ライナー（固定式）との間のギャップが閉じることによって発生します。ギャップは、スピンドルの下部にある偏心機構によって開閉され、これにより中央の垂直スピンドルが回転します。垂直スピンドルは、自身の軸を中心に自由に回転できます。図示されているクラッシャーは、短軸懸架スピンドル型です。これは、メインシャフトが上部で懸架され、偏心機構がギアの上に取り付けられていることを意味します。短軸設計は、偏心機構がギアの下に取り付けられる長軸設計に取って代わりました。
鉱業技術の急速な発展に伴い、コーンクラッシャーは、複合コーンクラッシャー、スプリングコーンクラッシャー、油圧コーンクラッシャー、ジャイレトリークラッシャーの4種類に分類できます。モデルによって、コーンクラッシャーは、垂直軸コーン（VSC）シリーズコーンクラッシャー（複合コーンクラッシャー）、サイモンズコーンクラッシャー、PYコーンクラッシャー、単気筒油圧コーンクラッシャー、多気筒油圧コーンクラッシャー、ジャイレトリークラッシャーなどに分類されます。
コーンクラッシャーは、破砕室の傾斜が緩やかで、破砕ゾーン間の平行ゾーンがより広い点を除けば、ジャイレトリークラッシャーと動作原理が似ています。コーンクラッシャーは、耐摩耗性マントルで覆われた偏心回転スピンドルと、マンガン製の凹面またはボウルライナーで覆われた凹面ホッパーの間で岩石を圧縮することで破砕します。岩石がコーンクラッシャーの上部から投入されると、マントルとボウルライナーまたは凹面の間に挟まれ、圧縮されます。大きな鉱石片は一度破砕され、小さくなったため下方に落下し、そこで再び破砕されます。このプロセスは、破片がクラッシャー底部の狭い開口部を通過できるほど小さくなるまで続きます。
コーンクラッシャーは、中硬度以上の様々な鉱石や岩石の破砕に適しています。構造が堅牢で生産性が高く、最終製品の粒度と形状が良好で、調整が容易で運転コストが低いという利点があります。コーンクラッシャーのスプリングリリースシステムは過負荷保護機能として働き、異物が破砕室を通過してもクラッシャーに損傷を与えません。
複合コーンクラッシャー（VSCシリーズコーンクラッシャー）は、中硬度以上の材料を破砕できます。主に鉱業、化学工業、道路・橋梁建設、建築などの分野で使用されています。VSCシリーズコーンクラッシャーには、粗、中、細、極細の4つの破砕室から選択できます。同種の破砕機と比較して、VSCシリーズコーンクラッシャーは破砕周波数と偏心率の組み合わせが最適で、材料の粉砕度と収率を高めることができます。さらに、VSCシリーズコーンクラッシャーは材料粒子に対する強化された積層破砕効果により、破砕された材料の立方体形状がより良くなり、セールスポイントが高まります。
サイモンズコーンクラッシャー（スプリングコーンクラッシャー）は、中硬度以上の材料を破砕できます。冶金、建築、水力発電、輸送、化学工業などで幅広く使用されています。ジョークラッシャーと併用することで、二次、三次、四次破砕に使用できます。一般的に、標準タイプのサイモンズコーンクラッシャーは中破砕に、中型タイプは微粉砕に、ショートヘッドタイプは粗微粉砕に使用されます。鋳鋼技術を採用しているため、機械は優れた剛性と高い強度を備えています。
単気筒油圧コーンクラッシャーは、主に本体、伝動装置、偏心軸、椀型軸受、破砕コーン、マントル、椀ライナー、調整装置、調整スリーブ、油圧制御システム、油圧安全システム、防塵リング、供給プレートなどで構成されています。セメント工場、鉱業、建築、道路・橋梁建設、鉄道建設、冶金などの産業で使用されています。
多気筒油圧コーンクラッシャーは、主にメインフレーム、偏心軸、破砕コーン、マントル、ボウルライナー、調整装置、ダストリング、伝動装置、ボウル型ベアリング、調整スリーブ、油圧制御システム、油圧安全システムなどで構成されています。コーンクラッシャーの電動モーターは偏心軸を駆動し、軸軸の下で周期的な揺動運動を行います。その結果、マントルの表面がボウルライナーの表面に近づいたり離れたりを繰り返すことで、破砕室内の材料が圧縮・粉砕されて破砕されます。機械の安全シリンダーは、油圧システムによって支持スリーブと静止コーンを持ち上げ、機械が突然詰まった際に破砕室内の詰まりを自動的に除去することで、安全性を確保します。これにより、機械を分解することなく詰まりを除去できるため、メンテナンス率が大幅に削減され、生産効率が大幅に向上します。
衝撃式破砕機は、圧力ではなく衝撃を利用して材料を破砕する装置です。材料はケージ内に収容され、底部、端部、または側面に、粉砕された材料が排出されるように所定のサイズの開口部が設けられています。衝撃式破砕機には、水平軸衝撃式と垂直軸衝撃式の2種類があります。
HSI破砕機は、回転するローターの外縁に固定されたハンマーで岩石を衝撃することで岩石を破砕します。HSI破砕機は、固定式、トレーラー搭載式、クローラー搭載式の構成で販売されています。HSIは、リサイクル、硬岩、軟質材料に使用されます。以前は、HSI破砕機の実際の用途は、石灰石、リン酸塩、石膏、風化頁岩などの軟質材料や非研磨性材料に限られていましたが、冶金技術の進歩により、これらの機械の用途は変化しました。
VSI破砕機は、耐摩耗性チップを備えた高速回転ローターと、岩石を「投げつける」ように設計された破砕室を用いる、従来とは異なるアプローチを採用しています。VSI破砕機は、岩石を破砕する主な力として、表面力ではなく速度を利用します。岩石は自然状態では、表面がギザギザで不均一です。表面力（圧力）を加えると、予測不可能で、通常は立方体ではない粒子が生成されます。表面力ではなく速度を利用することで、岩石の表面全体と岩石の塊全体に破砕力を均等に加えることができます。岩石は、大きさに関わらず、構造全体に自然な亀裂（断層）を持っています。VSIローターが岩石を固体アンビルに「投げつける」と、岩石はこれらの亀裂に沿って破砕されます。最終的な粒子サイズは、1) 岩石をアンビルに投げつける速度と、2) ローターの端とアンビルの衝突点との距離によって制御できます。 VSI破砕によって得られる製品は、一般的に、現代のSuperpave高速道路アスファルト舗装に必要な形状のような、均一な立方体形状をしています。この方法を用いることで、HSIや他のほとんどの破砕方法では不可能なほど摩耗性の高い材料も破砕することが可能になります。
VSI破砕機は一般的に、破砕室の中央に高速回転するローターと、耐摩耗性金属製のアンビルまたは砕石のいずれかからなる外側の衝撃面を備えています。鋳造金属製の「アンビル」面を使用するものは、従来「シューアンドアンビルVSI」と呼ばれています。破砕機の外壁に砕石を敷き詰め、そこに新しい岩石を衝突させる方式は、従来「ロックオンロックVSI」と呼ばれています。VSI破砕機は、固定式プラント設備にも、移動式履帯設備にも使用できます。
鉱物粉砕機は、小径シャフトに取り付けられた2つの大きな歯を持つローターを、高トルクの直接駆動システムによって低速で駆動する、ロール式粉砕機の一種です。この設計により、粉砕機技術を用いて材料を粉砕する際に、3段階の破砕動作が実現され、これらの動作が相互に作用します。
それらの主な利点は、鉱業、例えば地下の硬岩採掘において価値のある、コンパクトな形状とサイズです。
クラッシャーバケットは、油圧ショベルのアタッチメントです。その動作原理は、バケット内部に2つの破砕ジョーを備え、一方のジョーは固定され、もう一方はそれに対して前後に動くというものです。これは、ジョークラッシャーと同様の仕組みです。クラッシャーバケットは、高慣性パワートレイン、円形ジョー運動、および大きな破砕片がバケットの開口部に詰まって破砕ジョーに入り込むのを防ぐためのアンチスタグネーションプレートを備えています。また、破砕ジョーはクロス状に配置されています。この配置と円形運動により、これらのクラッシャーバケットは湿った材料を粉砕する能力を備えています。
破砕機の設計は、概してゆっくりと進歩してきた。ジョークラッシャーは、60年間ほとんど変化していない。コーンクラッシャーの基本設計も大部分が変わっていないが、信頼性の向上と生産性の向上が図られてきた。最も大きな変化をもたらしたのは、回転速度の向上である。例えば、 1960年に製造された48インチ（120cm）のコーンクラッシャーは、1時間あたり170トンの砕石を生産できたかもしれないが、今日製造されている同じサイズの破砕機は、1時間あたり300トンを生産できるかもしれない。こうした生産性の向上は、回転速度の向上と破砕室の設計改善によるものである。
コーンクラッシャーの信頼性向上において最も大きな進歩は、破砕室に破砕不可能な異物が混入した際にクラッシャーが損傷するのを防ぐための油圧システムの導入によって実現しました。鋼鉄などの異物はコーンクラッシャーに大きな損傷を与え、生産損失による追加コストが発生する可能性があります。油圧リリーフシステムの進歩により、ダウンタイムが大幅に削減され、機械の寿命が延びました。
安全要件とジョーの重量のため、多くの企業やOEMプロバイダーは、これらのツールを破砕機に安全に取り付けるための一連の吊り上げツールを製造しています。多くの国では、法律や政策に基づく安全要件により、吊り上げツールが義務付けられています。[ 9 ]
1600年までに、イングランドは深刻な木材危機に直面していたが、その主な原因はガラス生産の増加であった。
しかし、数年のうちに、鋳鉄製のシリンダーを十分な精度で製造できることが判明し、コストは1割の9分の1にまで削減された。