Moulin à billes
Un moulin à billes, appelé aussi broyeur à billes, est un appareil destiné à moudre des solides en poudres très fines. Il est utilisé notamment en peinture, pyrotechnie et céramique.
Description
Un moulin à billes est composé d'un tambour horizontal mis en rotation par un moteur. On le remplit partiellement du produit à moudre puis on ajoute les éléments de broyage (billes métalliques, galets de silex…). Une fois la rotation lancée, un phénomène de cascade broie la substance à moudre en une fine poudre. Pour que ce phénomène se produise, la vitesse de rotation ne doit pas être excessive : les corps à l'intérieur du tambour ne doivent pas être plaqués contre la paroi par la force centrifuge.
Les moulins industriels peuvent fonctionner en continu : ils sont chargés à une extrémité et déchargés à l'autre. Les modèles imposants sont motorisés par leur axe tandis que les tambours plus modestes sont déposés sur des cylindres en rotation.
Les moulins de haute qualité peuvent être très chers, mais ils permettent de réduire des solides en particules de 0,000 1 mm ce qui augmente la surface extérieure (surface spécifique) et améliore les taux de réaction.
Éléments de broyage
Il existe un grand nombre de substances différentes, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. On trouve régulièrement des billes d'acier inoxydable : leur efficacité est due à la forte densité de ce métal et à la relative « inertie » de l'inox qui ne contamine pas trop les produits à broyer. Cependant, certaines applications requièrent des billes particulières :
- en pyrotechnie, les billes ne doivent jamais produire d'étincelles : on emploie du cuivre, du bronze ou un alliage de plomb et d'antimoine ;
- en céramique, le fer peut altérer certains matériaux bruts : on utilise des galets en silex ou en céramique ;
- en chimie, lorsqu'on broie un produit corrosif : on se sert également de galets en céramique ;
- en cosmétique, on peut se servir de billes en verre.
Principes d'utilisation
Vitesse de rotation
En rotation lente, la marche est dite « en cascade » : l'ensemble de la charge remplit le fond du broyeur, la surface libre étant inclinée par la rotation. Les éléments broyeurs roulent les uns sur les autres et opèrent par attrition, la rupture du matériau étant obtenue essentiellement par cisaillement[1].
En rotation rapide, la marche est dite « en cataracte » : la trajectoire des éléments broyeurs comporte une phase en chute libre qui se termine au pied de la charge. Cette marche privilégie la compression et convient aux matériaux durs, en produisant une grande surface spécifique[1].
Si on accélère encore la rotation, la charge commence à être centrifugée, l'accélération centripète égalant la pesanteur. La vitesse de rotation à partir de laquelle la charge commence à être centrifugée est appelée « vitesse critique ». Elle ne dépend que du diamètre du tambour[1].
En règle générale, on exploite un broyeur à boulets entre 70 % et 80 % de sa vitesse critique. La vitesse d'exploitation choisie est généralement celle qui génère, en un temps donné, la plus grande surface spécifique[note 1]. La création de surface spécifique augmente en même temps que la puissance mécanique nécessaire à la rotation du broyeur[1],[note 2].
Marche « en cascade ».
Marche « en cataracte ».
Remplissage
De la même manière qu'il existe une vitesse optimale, définie pour permettre de broyer rapidement une charge, il existe aussi un taux de remplissage idéal. Ce taux dépend beaucoup des éléments broyeurs et de la charge. En général, le taux de remplissage vaut environ 20 % pour un travail grossier avec de gros boulets et jusqu'à 40 % pour un broyage fin avec des petits boulets ou des barres. Comme pour la vitesse idéale, ce taux correspond à la puissance maximum absorbée par le broyeur[1].
Éléments broyeurs
Le diamètre des boulets[note 3] doit être choisi en fonction du matériau à broyer[1] :
- trop petits, les boulets rebondissent sur les gros fragments ;
- trop gros, ils compriment le matériau en fabriquant des galettes au lieu d'une poudre.
Un bon broyage est obtenu avec des éléments dont les tailles s'échelonnent de manière régulière. On obtient facilement une bonne répartition de taille en faisant des appoints réguliers d'éléments broyeurs neufs, l'usure produisant les éléments de plus petit diamètre[1].
Les boulets sont utilisés pour des produits à broyer d'une granulométrie maximum de 30 mm, idéalement 10 mm. Ils permettent l'obtention d'un produit très fin, jusqu'à 20 µm. Les broyeurs à barres cylindriques peuvent prendre des produits un peu plus gros (40 mm, voire 60 mm pour les produits friables), et permettent l'obtention d'un produit de granulométrie intermédiaire (0,3 à 0,5 mm) en générant un minimum de fines[1].
Remarques
Notes et références
Notes
- Le « temps donné » correspond à la durée du séjour des matières dans le broyeur. Plus le broyeur est gros, plus cette durée est importante et il devient alors plus facile d'atteindre la surface spécifique voulue. Mais pour limiter les coûts d'investissement et d'entretien, il est préférable de soigneusement définir la façon dont le broyeur sera utilisé.
- Les réglages d'un broyeur vont donc maximiser la puissance mécanique nécessaire. Mais l'importante énergie consommée par la rotation d'un broyeur à boulets est le gros handicap de cette technologie vis-à-vis des autres types de broyeurs.
- Ou le diamètre des barres, puisque celles-ci, considérées dans la section du tambour, ont le même comportement.
Références
- F. Desrumaux, « Le broyage fin et les installations de broyage », Industrie Céramique, Fives Lille-Cail, no 656, .
Voir aussi
Articles connexes
Liens externes
- (en) Broyeur à boulets, broyeur à bille
- Tutoriel de construction d'un moulin à billes pour la pyrotechnie
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