1. Principes du broyage de solides en vrac

Le broyage est l'action de réduire la taille des particules grâce à une action mécanique. L'action mécanique consiste à soumettre les particules à une contrainte. Sous l'effet de la contrainte, des fissures apparaissent et la particule se brise en plusieurs parties.

L'action mécanique utilisée pour briser les particules et réduire la taille peut être diverse et différents moulins existent qui utiliseront les principes de broyage.

Les principes de broyage typiques sont les suivants :

• Utilisation de 2 surfaces solides : le solide est pressé ou frotté contre 2 surfaces solides
• Utilisation d'une seule surface solide : le solide est projeté contre une surface solide
• Le solide est coupé - Des forces de cisaillement ou des ondes de pression sont utilisées pour briser les particules

Il est important de noter que le broyage peut être effectué en phase sèche ou en phase humide, les équipements utilisés sont différents.

La dimensionnement des opérations de broyage est principalement basé sur l'expérience, et en utilisant des références sur une installation existante, en s'appuyant sur l'expérience des fournisseurs et en effectuant des tests est fortement conseillé. Certains modèles existent pour essayer de déterminer la consommation d'énergie du PSD obtenu grâce au moulin mais ils ne semblent pas très utilisables dans un environnement industriel. Un point à retenir est que les opérations de broyage nécessitent beaucoup d'énergie, mais que seule 1-2% de celle-ci est utilisée pour la réduction de taille, la majeure partie est perdue en frottement et en chauffage à l'intérieur de la machine de broyage, les opérations de broyage doivent donc faire l'objet d'une attention particulière en matière d' efficacité énergétique afin d'optimiser le coût de production.

2. Équipements courants de broyage de poudres

Combien de types de moulins existe-t-il ?

Le tableau ci-dessous répertorie les principaux équipements de processus de broyage qui peuvent être trouvés dans les industries de process

Tableau 1 : Technologies de broyage

Groupe de moulins	Types de moulins	Principes
Moulins à rouleaux	Moulins à cylindres Monostade ou multistade Moulin à cylindres à haute compression	Les moulins sont équipés de 2 rouleaux tournant en sens inverse. Le produit est alimenté entre les 2 rouleaux. Lorsqu'il passe entre les 2 rouleaux, le produit est exposé à des forces de compression et de cisaillement, sa taille est donc réduite lorsqu'il passe entre les rouleaux. Pour rendre le processus plus efficace, plusieurs paires de rouleaux peuvent être installées en série avec un écart décroissant, les rouleaux peuvent également présenter des rainures qui rendront le broyage plus efficace en « mordant » le produit Pour rendre le moulin plus efficace, certains moulins à rouleaux sont équipés d'un système permettant de garantir une haute pression (10-50 bar) entre les rouleaux. Il est également obligatoire pour ces moulins d'avoir un système à ressort permettant de relâcher la pression si la contrainte est trop importante (corps étranger par exemple) et éviter les dommages mécaniques.
Moulins à impact	Moulins à marteaux Moulins à pales Moulins universels	La réduction de taille est assurée ici en projetant le produit contre une surface solide. La surface solide est en fait constituée de différents types de battoirs tournant à très grande vitesse. Un moulin à pales est équipé d'un disque statique monté avec plusieurs pales et d'un mobile également monté avec des pales. Lorsque le produit est forcé à passer à travers le système, il doit être impacté par les pales, et donc être brisé et sa taille réduite. Un moulin à marteaux est équipé d'un simple disque rotatif équipé de nombreux maillets qui frappent le produit et le projettent contre la carcasse du moulin. Un tamis de broyage qui permettra d'améliorer le processus de broyage et de réduire la Répartition granulométrique obtenue peut également être installé. Les moulins à marteaux à grande vitesse (vitesse de pointe de 40 à 70 m/s) peuvent permettre d'atteindre des tailles de particules inférieures à 0,1 mm Un moulin universel est une dérivation du moulin à marteaux avec des battoirs plus sophistiqués ainsi que des pistes de broyage et des tamis. La vitesse de pointe varie de 40 à 100 m/s.
Moulins à impact	Moulins à jet	Les moulins à jet obtiennent une réduction de taille en accélérant le produit à broyer et en le projetant soit contre une cible statique, soit contre un autre flux de particules accélérées Pour atteindre cet objectif, une vitesse d'environ 250 m/s doit être atteinte afin de donner suffisamment d'énergie aux particules pour les briser à l'impact. Un seul passage à travers le moulin créerait une répartition granulométrique très large. Afin d'affiner la PSD, les moulins à jet sont équipés d'un classificateur. Seuls les particules inférieures à une taille cible seront autorisées à quitter le moulin, les autres seront recirculées.
Moulins avec médias de réduction de taille	Moulins à billes (secs)	Les moulins à billes sont essentiellement constitués d'un tambour partiellement rempli d'un média de broyage, généralement des billes en céramique ou en acier. Le moulin est rempli du média de broyage ainsi que du produit, puis le moulin est mis en rotation jusqu'à une vitesse suffisamment élevée pour que les billes puissent rouler librement. Il convient de noter que, dans certaines applications, un agitateur est présent pour agiter les billes, et le tambour ne tourne donc pas. Lorsque les billes roule, elles s'entrechoquent, s'appliquent une contrainte de cisaillement au produit. Le produit, en étant impacté entre 2 billes, entre une bille et la paroi, ou en frappant la paroi, voit sa taille réduite.
Moulins avec médias de réduction de taille	Moulins à billes (humides)	Les moulins à billes, tels que décrits ci-dessus, sont également une machine de choix pour le broyage de solides en phase humide. La conception appliquée ici est principalement un moulin à billes avec un agitateur, le mouvement de l'agitateur faisant tourner les billes et impactant ou frottant les particules à broyer. La conception utilisant un média de réduction libre peut être trouvée, principalement dans les longs moulins horizontaux, mais d'autres conceptions, plus efficaces, utilisent en fait un lit de billes compact vertical, agité. L'utilisation de billes compactes et agitées permet d'absorber beaucoup de puissance et de broyer les particules à quelques dizaines de microns. Afin de séparer les billes et le produit à la fin du moulin, une grille est placée, avec des diamètres de trous inférieurs à ceux des billes. Il est important de considérer que les billes agitées, surtout si elles sont densément compactées dans la chambre de broyage, libèrent de la chaleur. Ces moulins doivent donc être refroidis et ont souvent des doubles vestes.
Moulins humides	Moulins colloïdaux	Les moulins colloïdaux sont désormais assez répandus dans l'industrie. Ils peuvent être facilement mis en œuvre sur de petits processus nécessitant un broyage d'une boue. Les moulins colloïdaux obtiennent une réduction de taille en soumettant le produit à des forces de cisaillement intenses créées par un rotor à grande vitesse. Le rotor est dans un logement, en introduisant le produit dedans, le rotor crée un tourbillon qui finira par briser les particules. Le logement est équipé de trous qui permettront au produit broyé d'être extrait.

De plus, l'intégration du processus du moulin doit être conçue en fonction des performances du moulin : le broyage en boucle ouverte ou en boucle fermée peut être mis en œuvre.

Dans le broyage en boucle ouverte, l'alimentation passera à travers le moulin une seule fois, il est adapté lorsque le moulin est suffisamment performant pour atteindre la PSD souhaitée en 1 passage. Il donne le processus le plus simple.

Dans le broyage en boucle fermée, un système pour séparer les particules ayant une taille trop grande de celles ayant la taille souhaitée doit être mis en œuvre après le moulin. Il s'agit généralement d'une opération de tamisage où les surs sont recirculés à travers le moulin.

3. Sélection des types de moulins

Il est très important de comprendre les performances qu'un type de broyeur peut atteindre pour un type de solides donné. Cela permettra à l'ingénieur de process de sélectionner correctement un type de broyeur pour un nouveau process, ou même de résoudre des problèmes sur un process existant.

La première question à se poser est la phase dans laquelle le broyage doit se produire. Si c'est en phase humide, le choix se portera principalement sur un broyeur à billes agité ou, si le broyage est facile et la réduction de taille attendue pas trop importante, un broyeur colloïdal.

Tableau 2 : Taille de particule atteignable pour chaque technologie de broyage

Distribution de taille de particule attendue (d50)	Broyeur possible
Moyen-grossier (10 mm)	Broyeur à cylindres Broyeur à marteaux
Moyen-fin (1 mm)	Broyeur à cylindres Broyeur à marteaux
Fin (0,1 mm)	Broyeur à cylindres (considérer multi-étapes) Broyeur à cylindres à haute compression Broyeur à marteaux à haute vitesse Broyeur universel à haute vitesse Broyeur à pignons
Super Fin (0,025 mm)	Broyeur universel à haute vitesse Broyeur à pignons Broyeurs à jets Broyeurs à billes agités (humide)

La nature des particules à broyer guidera également le choix de l'équipement. Il est particulièrement important de comprendre la dureté du produit à broyer.

Dans la littérature, la dureté est parfois référencée à l'échelle de dureté de Mohs, donnée ci-dessous :

Tableau 3 : Échelle de dureté de Mohs

Dureté de Mohs	Produit de référence
1	Talc
2	Gypse ou sel
3	Calcité
4	Fluorite
5	Apatite
6	Feldspath
7	Quartz
8	Topaze
9	Corindon
10	Diamant

Après avoir déterminé la dureté du produit à broyer, le tableau suivant peut aider à sélectionner le type de broyeur adapté. Le résultat doit être couplé avec la finesse désirée, comme indiqué dans le tableau ci-dessus.

Tableau 4 : Sélection de broyeur selon la dureté du matériau

Dureté du produit	Broyeur possible
1-3 (doux)	Cylindre Broyeur à cylindres à haute compression Broyeur à marteaux Broyeur à marteaux à haute vitesse Broyeur universel Broyeur à pignons Broyeur à billes agité (humide) Broyeur colloïdal (humide)
4-6 (moyennement dur)	Broyeur à cylindres Broyeur à cylindres à haute compression Broyeur universel Broyeur à billes agité (humide)
7-10 (dur)	Broyeur à cylindres à haute compression

4. Sécurité des systèmes de broyage

Les références données ci-dessus sur les types de broyeurs montrent que la plupart des broyeurs fonctionnent à très haute vitesse. Cela entraîne différents risques majeurs pour la sécurité du process. Les principaux risques sont listés ci-dessous.

Ainsi, afin de prévenir un incendie, une explosion, ou d'en atténuer les conséquences, les systèmes de broyage sont souvent équipés des équipements suivants. Il s'agit d'une considération générale mais assez complète, cependant, chaque opérateur de broyeur doit effectuer son propre évaluation des risques, déterminer quels risques sont spécifiques à son installation, et prendre les mesures appropriées.

Les considérations ci-dessous s'appliquent principalement au broyage sec

PRÉVENTION des explosions de poussière dans les systèmes de broyage

La prévention des explosions, dans le cas d'un broyeur, consiste principalement à éviter que des corps étrangers n'entrent dans le broyeur, à détecter tout problème mécanique et à détecter tout surchauffage du produit dû à un sur-remplissage.

Tableau 5 : Prévention des explosions dans les broyeurs

Prévention	Mesure prise
Éviter l'entrée de corps étrangers	L'alimentation du produit doit être contrôlée par un crible vibrant et un aimant - dans certains cas, il pourrait s'agir d'un détecteur de métal
Détecter les problèmes mécaniques	Une défaillance mécanique sur des pièces en rotation peut entraîner un contact métal-métal, puis des étincelles, ou une surchauffe au niveau d'un palier par exemple. Certains broyeurs sont équipés d'une détection de vibrations, si la vibration est supérieure à un seuil défini, le broyeur sera arrêté. Des capteurs de température sont également installés sur les paliers pour détecter la surchauffe. Les paliers doivent également être purgés pour éviter que le produit n'atteigne la pièce et ne soit chauffé jusqu'au point d'inflammation.
Prévenir le sur-remplissage	L'alimentation du broyeur doit être parfaitement contrôlée afin d'éviter tout sur-remplissage qui pourrait entraîner une surchauffe du produit et une combustion lente. Le contrôle des vibrations et des ampères sur le moteur peut également permettre de détecter cet incident
Inertage	Certains broyeurs seront inertes avec de l'azote pour éviter tout risque d'explosion

ATTÉNUATION des explosions de poussière dans les systèmes de broyage

Si les mesures de prévention n'ont pas été suffisantes et qu'un accident se produit, se développant en une explosion, les systèmes de broyage peuvent être protégés grâce aux dispositifs suivants.

Tableau 6 : Atténuation des explosions dans les broyeurs

Atténuation	Mesure prise
Résistance à l'explosion	Certains systèmes de broyage peuvent être construits pour résister aux explosions, généralement jusqu'à 10 bar g. C'est un moyen efficace de contenir une explosion, cependant, le reste du process doit également être conçu en conséquence avec des dispositifs capables d'arrêter la propagation de l'explosion et de la maintenir dans la zone conçue pour résister à la pression.
Confinement de l'explosion	Différents équipements peuvent être utilisés pour éviter la propagation d'une explosion Soupape Ventex : soupape passive qui se ferme sous l'effet d'une onde de pression. Soupape étoile anti-explosion : soupape étoile avec suffisamment d'alvéoles pour arrêter une explosion. L'explosion doit être détectée pour arrêter la rotation de la soupape. Soupape à action rapide : souvent positionnée dans la tuyauterie. Ces soupapes peuvent se fermer en quelques millisecondes après la détection d'une explosion. Il est également nécessaire d'avoir un capteur de détection d'explosion et un PLC de sécurité pour fermer la soupape en temps voulu.
Ventilation	Les panneaux anti-explosion peuvent être positionnés, généralement en aval du broyeur, afin de libérer la pression d'une explosion et d'éviter ainsi des dommages dangereux. Ces panneaux peuvent également être couplés à un arrêt de flamme.
Suppression d'explosion	Un extincteur peut être déclenché au tout début d'une explosion afin d'éviter que l'onde de pression n'atteigne sa pression maximale.

5. Fonctionnement des broyeurs

La principale préoccupation, dans un environnement industriel, est d'atteindre une distribution granulométrique (DGC) spécifiée à un débit donné. L'opérateur doit donc réagir aux éventuels changements de la DGC observée et comprendre les leviers du processus. Certains de ces leviers sont expliqués ci-dessous.

Tableau 7 : Paramètres de fonctionnement du broyeur

Levier de processus	Changement (tout le reste constant)	Effet attendu
Débit	Plus	Admettre plus de solides dans le broyeur est censé augmenter et élargir la DGC. Au contraire, réduire le débit peut être un moyen de revenir à une DGC plus petite. temporaire façon de revenir à une DGC plus petite
Teneur en humidité de l'aliment	Plus	Une alimentation plus humide peut entraîner une DGC plus large en rendant plus difficile la rupture des particules ou en causant une agglomération de poudre après la rupture.
DGC de l'aliment	Plus	Il est très important de contrôler la DGC de l'aliment. Tout changement aura un impact sur la DGC du produit broyé. Dans le broyage humide, avec des broyeurs à billes agitées, une DGC trop élevée peut finalement entraîner un blocage à l'entrée du broyeur.
Vitesse	Plus	Augmenter la vitesse du broyeur aura pour effet de réduire la DGC tout en absorbant plus de puissance. Il faut garder à l'esprit que plus la vitesse est élevée, plus l'usure est importante. L'usure du broyeur doit donc être gérée, en particulier pour les broyeurs à boulets où une partie des billes est en fait entraînée avec le flux de produit (l'acceptabilité de la pollution doit être vérifiée).
Teneur en matières grasses	Plus	Une alimentation grasse favorisera les phénomènes d'agglomération, ce qui élargira la DGC. Les produits gras peuvent également bloquer le broyeur, réduisant son efficacité, voire entraînant des problèmes de sécurité (surchauffage).
Température	Plus	Une température plus élevée peut avoir des conséquences négatives sur le broyage, en particulier avec des poudres qui peuvent ramollir sous l'effet de la température. Un contrôle de la température doit donc être mis en place.
Taille des billes	Moins	Pour les broyeurs à billes agitées - des billes plus petites conduiront à une plus grande surface de broyage, donc à une DGC plus petite.

Sources

Expérience industrielle de l'auteur
Principles of Powder Technology, Martin Rhodes et al., John Wiley et fils, 1990