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Broyage fin avec des broyeurs à billes



Introduction à la technologie du broyage à l’aide du broyeur à billes DISPERMAT® SL


Table des matières




1. Mode de fonctionnement et but du broyeur à billes

Dans bien des processus techniques il est nécessaire de répartir de manière homogène de fines particules solides dans des milieux liquides. Cette opération est désignée communément sous le nom de „dispersion“. Lors de la dispersion, il faut parvenir à vaincre les forces adhérentes qui agissent entre les fines particules solides. Si la finesse recherchée est très grande ou si les matières solides se laissent difficilement disperser, il arrive bien souvent qu’une dispersion à elle seule soit insuffisante. En raison de leur capacité à traiter les matières les plus diverses, y compris les plus difficiles à disperser, les broyeurs- agitateurs à billes à haute vitesse se sont particulièrement imposés comme appareils de broyage.
Au cours de ce processus de dispersion, trois réactions simultanées se déroulent: Ce sont:

  • le mouillage de la surface des particules solides provoqué par les composants liquides des matières à broyer
  • la désagrégation mécanique des particules associées (agglomérats et agrégats) en particules plus fines
  • la stabilisation des particules plus fines produites au cours de la dispersion pour empêcher leur réagglomération (appelée aussi communément „floculation“).

Introduction à la technologie du broyage à l’aide du broyeur à billes DISPERMAT® SL Tandis que la stabilisation contre la floculation constitue en premier lieu une propriété intrinsèque de chimie colloïdale, laquelle dépend de l’interaction spécifique des composants liquides (par ex. dans le cas des peintures et vernis: liants, solvants et additifs) et des particules solides (par ex. pigments et charges) ou bien des particules solides entre elles, le broyeur utilisé joue le rôle essentiel dans la phase de désagrégation mécanique et aide en outre l’opération de mouillage.

Le système spécifique de dispersion d’un broyeur à billes se compose d’une chambre de broyage et d’un rotor de broyage; cette chambre est remplie de billes de broyage et du produit à traiter. A l’intérieur du récipient de broyage, l’agitation des corpuscules provoquée par le rotor, lui-même entraîné par un moteur, est maintenu en mouvement. L’opération de dispersion se poursuit ensuite entre les billes glissant les unes sur les autres, ainsi qu’entre le rotor ou la paroi du récipient et les billes.





2. La phase de désagrégation mécanique au cours du broyage

De même que le processus de dispersion peut être fractionné en trois étapes

  • mouillage
  • désagrégation mécanique et
  • tabilisation de la floculation

la phase de désagrégation mécanique peut elle aussi l’être.


Pour pouvoir désagréger les agglomérats, il faut

  • les acheminer vers une situation de broyage, par ex. dans la zone de cisaillement comprise entre deux billes de broyage (condition spatiale) et
  • qu’ils soient suffisamment chargés pour se désintégrer à part (condition énergétique).

A titre d’illustration, la désagrégation mécanique peut être comparée à la tentative de casser une noix au moyen d’un marteau. Pour que la coque éclate, il faut, d’une part atteindre la noix (condition spatiale) mais, d’autre part aussi la percuter avec suffisamment de force (condition énergétique). Pour comprendre, il importe de se rappeler que les deux conditions - la spatiale et l’énergétique - doivent être remplies en même temps. Bien que ce modèle soit trivial dans une certaine mesure, il a l’avantage d’être très clair et expressif quand il s’agit de comprendre le mode de fonctionnement d’un broyeur et de l’exploiter au mieux. La preuve de l’exactitude de la présentation du modèle peut être apportée par le broyeur à billes DISPERMAT®.

 

Par simplicité, on se représente un broyeur fonctionnant en discontinu, lequel doit être rempli d’une pâte à broyer qui présente une modification mesurable d’une propriété de technique appliquée due à un état avancé de dispersion. Dans le cas de peintures, il peut s’agir par ex. du pouvoir colorant, de la brillance, la viscosité ou la granulation (mesurable avec un granulomètre suivant DIN 53203). Dans notre exemple, il doit s’agir du pouvoir colorant. Si tous les paramètres d’exploitation tels que le volume de remplissage de billes, le genre de bille, la vitesse de rotation, le refroidissement, etc. sont maintenus constants, le pouvoir colorant atteint une certaine valeur finale en fonction de la durée de la dispersion. Un prolongement de cette durée n’améliorera plus le pouvoir colorant. Ce n’est qu’en augmentant la vitesse de rotation que l’on peut accroître ce pouvoir. La raison de ce comportement réside dans le fait que lors d’une très longue durée de dispersion, tous les agglomérats avaient la possibilité de parvenir dans les zones à pouvoir de cisaillement maximum. Ceux qui ont été dispersés dans ces conditions ont conduit à l’accroissement observé du pouvoir colorant.

Ceux qui avaient une solidité tellement élevée qu’ils n’avaient pu être désagrégés dans les conditions du pouvoir maximal de cisaillement disponible, sont encore présents sous forme non dispersée. En augmentant la vitesse de rotation, des zones se forment à pouvoir de cisaillement plus élevé, dans lesquelles mêmes les agglomérats les plus solides peuvent eux aussi être enfin dispersés. Par conséquent, il est possible d’améliorer le pouvoir colorant en augmentant la vitesse de rotation.

Ce n’est qu’au bout d’une durée de dispersion suffisamment longue en combinaison avec une vitesse de rotation suffisante que l’on peut s’attendre à ce que tous les agglomérats soient dispersés. A ce moment là seulement, les conditions spatiales mais aussi les énergétiques sont remplies pour obtenir une dispersion intégrale. Une vitesse trop basse ne peut pas, en principe, être compensée par une dispersion prolongée et inversement.





3. Procédés de passage et de circulation

Procédé par passe

En principe, on peut distinguer deux procédés dans l’exploitation du broyeur à billes DISPERMAT®. Soit toute la pâte à broyer est collectée par le broyeur après chaque passage (procédé à passage simple ou à passage multiple), soit la pâte est recyclée de la sortie de la chambre de broyage directement dans le pot d´alimentation (procédé de circulation).

Dans le cas du procédé à passage simple le produit est introduit dans la cuve d’alimentation incorporée et refoulé à travers la chambre de broyage par une installation de transport pneumatique réglable en continu ou une presse. Dans le cas du procédé de recirculation, le produit est introduit dans la cuve d’alimentation puis pompé à plusieurs reprises à travers la chambre de broyage par un système de pompage et d’agitation intégré régable en continu.

Procédé de recirculation

Quel procédé choisir. Cela dépend de la nature de la tâche. Les agglomérats faciles à broyer peuvent dans la plupart des cas être traités par la méthode à passage simple, tandis que les agglomérats moyens ou difficiles à broyer le sont par la méthode de recirculation qui est plus efficace.
Etant donné que dans le procédé de recirculation, chaque agglomérat est placé dans une situation de broyage dans laquelle il est sollicité non seulement sur le plan spatial, mais aussi énergétique et dispersé de la sorte, ce procédé est plus efficace et économique.






4. Rapport entre la puissance fournie et le résultat de broyage

Des études scientifiques fondamentales ont montré que la puissance mécanique délivrée dans la matière à broyer est étroitement liée au résultat de dispersion. La puissance mécanique détermine l’énergie qui est transmise du rotor au produit via les billes. La puissance P se calcule à partir de la vitesse de rotation n du rotor et du couple M engendré sur lui d’après l’équation suivante:

Dispersion à vitesse constante

Dispersion à puissance constante

Corrélation entre résultat de dispersion et puissance introduite

P = 2 π n M
  P = power [Nm/s = J/s = W]  
  π = 3.141...  
  n = speed [1/s]  
  M = torque [Nm]  

Plus la densité énergétique est élevée et plus la probabilité est grande que même les agglomérats solides soient broyés. A cet égard, il importe peu que la puissance fournie, qui engendre la densité énergétique existante, soit délivrée à une vitesse de rotation élevée et à un couple bas, ou inversement, à une vitesse basse et à un couple élevé. Pour un remplissage en billes et une durée de broyage donné le résultat de broyage dépend uniquement de la valeur de la puissance mécanique d’agitation.

Le couple, par contre, dépend directement du comportement rhéologique de la pâte à broyer. Si sa viscosité change, la puissance mécanique varie par conséquent aussi pendant le broyage à vitesse constante. Si elle décroît au cours d’un broyage, la puissance mécanique se réduit, si par contre elle croît, la puissance mécanique s’élève. Si la charge à broyer est agitée sous un trop fort refroidissement, la puissance fournie est plus élevée; si le refroidissement est trop faible, la puissance est alors plus basse.

C’est ainsi que se crée le problème par exemple que les résultats de broyage sont susceptibles de dépendre littéralementde la température ambiante, étant donné qu’en hiver l’eau de refroidissement peut être sensiblement plus froide qu’en été. Le DISPERMAT® SL-C apporte une solution à ce problème en permettant de prédéfinir la puissance mécanique à laquelle le broyage doit avoir lieu. Lors du broyage, le couple du rotor est alors mesuré en permanence et la vitesse de rotation est régulée de sorte que le produit conduise exactement à la puissance mécanique prédéfinie, à partir des valeurs de n et M.

Outre la géométrie du rotor et la viscosité de la pâte à broyer, le couple transmis de l’arbre à la substance à traiter est fonction de la nature, quantité et taille des billes de broyage. Des taux élevés de remplissage en billes augmentent le couple exercé sur l’arbre et accroissent en même temps la probabilité que les agglomérats se trouvent dans une situation de broyage sur le plan spatial.





5. Possibilités d’amélioration du résultat de broyage

Il découle des rapports mentionnés existant entre les variables d’énergie et de temps, certaines possibilités d’optimiser le résultat de broyage. Si le résultat de broyage souhaité n’est pas obtenu, il s’agit tout d’abord de constater si celui-ci se modifie dès qu’on augmente la durée de broyage. La puissance mécanique fournie peut être elle aussi accrue en élevant la vitesse de rotation, ce qui a pour effet d’améliorer le résultat de broyage. De même, des billes plus petites et/ou plus dures (par ex. en zircone) sont susceptibles d’améliorer ce résultat. Par ailleurs, il est possible aussi d’augmenter le taux de remplissage en billes jusqu’à 80 % maximum.

Afin d’exploiter rentablement le broyeur à billes, il convient de broyer le maximum des particules solides. Si à l’issue de cette opération une floculation a lieu, on peut y remédier au moyen d’un produit de dispersion approprié. En outre, il peut s’ensuivre une modification partielle de la formulation de la pâte de broyage par l’emploi de matières de base plus convenables.

Comment améliore-t-on le résultat du broyage?

  • en augmentant la durée du broyage
  • en élevant la vitesse de rotation
  • en accroissant la puissance fournie
  • en refroidissant davantage
  • en utilisant des billes plus petites ou plus dures
  • en augmentant le volume de remplissage
  • en modifiant la formulation (par ex. par l’ajout d’additifs)




6. Transposition à l’échelle de la production industrielle des résultats de tests effectués en laboratoire

Vu les nombreuses variables jouant sur les conditions spatiales et énergétiques et leur diversité dans les différents broyeurs à billes, il n’est pas étonnant donc que la transposition des résultats d’une machine à une autre n’est pas automatiquement possible. Même lors de l’emploi d’un seul et même broyeur, mais avec des disques différents, la répartition du temps de séjour de la pâte de broyage varie et par là le résultat du broyage, bien que le nombre de passages soit identique.

Si malgré cela on veut comparer divers broyeurs entre eux, il faut savoir qu´en règle générale, les machines industrielles disposent de moins de possibilités de réglage. En premier lieu, on fixe les valeurs de consigne initiales d’une pâte de broyage dont les caractéristiques nous sont connues. Elles représentent l’état réalisable en cours d’exploitation. Cet état ne peut plus être amélioré ou changé sensiblement par des passages supplémentaires dans le broyeur en service.

Broyeur
à billes APS
Broyeur
à panier TML
Broyeur SL
Broyeur SL-nano
Broyeur
à billes RS 5
Broyeur
à panier SK
Broyeur
à panier TM-CC

Sur la base de ces données de consigne (par ex. finesse) on peut effectuer à l’aide du broyeur à billes DISPERMAT® SL-M une série de tests au cours de laquelle on répète sans arrêt l’opération de dispersion en graduant la vitesse de rotation jusqu’à ne plus pouvoir améliorer l’état de dispersion. Si l’on dispose d’un DISPERMAT® SL-C, il conviendra alors de broyer en graduant la puissance mécanique.
Grâce au mode de fonctionnement „puissance constante d’agitation“, on est en mesure non seulement de faire de complexes processus de broyages reproductibles, mais de comparer aussi entre eux les divers résultats de broyage avec la plus grande exactitude.

Les résultats de broyage obtenus sur des machines industrielles peuvent être vérifiés facilement avec le DISPERMAT® SL-C; les autres formulations développées en laboratoire peuvent être ensuite transposées à l’échelle de la production industrielle. Sur le DISPERMAT® SL-C, on peut négliger simplement certains paramètres problématiques tels que la température du produit, celle de l’eau de refroidissement ou le comportement rhéologique de la pâte à broyer, tant que l’on n’a pas atteint les seuils critiques concernant le produit.



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