Broyeurs à marteaux : un aperçu

1. Qu'est-ce qu'un broyeur à marteaux ?

La conception des broyeurs à marteaux est très robuste et est utilisée dans de nombreuses applications de broyage, allant du broyage de grains à des exigences plus lourdes telles que le concassage de roches ou le broyage de déchets. Les broyeurs à marteaux sont des équipements de fragmentation très courants dans toutes les industries de transformation.

Les broyeurs à marteaux font partie de la famille des broyeurs à impact, ce qui signifie que l'effet de broyage est obtenu grâce à la vitesse à laquelle les particules sont percutées, ici, par un ou plusieurs rotors.

2. Principe de fonctionnement des broyeurs à marteaux

Comment fonctionne un broyeur à marteaux ?

Le principe de fonctionnement d'un broyeur à marteaux repose sur un rotor, équipé de marteaux (plaques épaisses) tournant à grande vitesse à l'intérieur d'un carter, qui peut être équipé d'une grille, et qui réduit la taille du matériau d'alimentation en le percutant.

Les broyeurs à marteaux sont conçus avec un arbre sur lequel sont montés plusieurs "marteaux", qui ont généralement la forme de plaques épaisses. L'arbre tourne à l'intérieur d'un carter, et à la sortie du broyeur est montée une grille dont la taille déterminera quelles particules sont suffisamment fines pour quitter le broyeur. Le broyeur peut être alimenté et déchargé par gravité lorsqu'il est utilisé comme concasseur, tandis que les produits broyés peuvent être directement transportés pneumatiquement, en utilisant la grande quantité d'air déplacée par le broyeur, pour des applications de broyage fin.

Figure 1 : Schéma de broyeur à marteaux avec composants (décharge par gravité)

La finesse de la poudre produite par le broyeur dépend de la vitesse du broyeur, de la taille de la grille et du débit d'alimentation. En général, la taille de la grille doit être choisie significativement plus grande que la finesse souhaitée du produit, la fonction principale de la grille étant de retenir dans le broyeur les grosses particules qui sont ensuite percutées par les marteaux et deviendront beaucoup plus petites que les trous de la grille. La distribution granulométrique de la taille des particules sera relativement large dans les broyeurs à marteaux [Perry].

3. Conception des broyeurs à marteaux

3.1 Marteaux

Le nombre de marteaux dans un broyeur est variable, selon la finesse recherchée ainsi que la capacité du broyeur. Cependant, en général, plus le nombre de marteaux est élevé, plus le produit sera fin, mais la capacité diminuera également.

Le broyeur peut être plus ou moins large selon le nombre de rangées de marteaux montées sur l'arbre. Chaque rangée de marteaux est séparée des autres par une plaque d'espacement.

La longueur des marteaux peut également être ajustée. Si la longueur des marteaux est augmentée, en se rapprochant de la grille, le produit résultant sera plus fin, mais la capacité diminuera. Des marteaux plus courts produiront un produit plus grossier mais permettront une capacité plus élevée.

3.2 Vitesse de l'arbre

Le 2ème aspect clé de conception et opérationnel pour un broyeur à marteaux est la vitesse de rotation. Comme le principe de broyage repose sur l'énergie de l'impact, plus la vitesse est élevée, plus le produit peut être fin, car les particules heurteront les marteaux à grande vitesse, mais seront également projetées les unes contre les autres ou contre la grille à haute vitesse.

Il faut cependant veiller à ne pas augmenter la vitesse sans raison spécifique et précaution, car une vitesse élevée augmente l'apport d'énergie, l'élévation de température et la fatigue mécanique de l'ensemble du broyeur, ce qui peut entraîner des besoins de maintenance accrus. Les vitesses de rotation très élevées seront réservées aux matériaux tendres pour un broyage fin, tandis que des vitesses plus faibles seront utilisées pour effectuer un concassage de produits plus gros/durs.

3.3 Taille de la grille (décharge par grille)

La taille de la grille permet de contrôler la taille des particules du produit broyé en empêchant les particules trop grosses de quitter le broyeur avant d'être fragmentées. Réduire la taille de la grille permet ainsi de réduire la distribution granulométrique du produit final, mais cela se fera au détriment de la capacité du broyeur.

3.4 Entraînement

L'entraînement d'un broyeur à marteaux doit être équipé d'un variateur de fréquence afin de pouvoir contrôler la vitesse et ainsi ajuster la capacité et la finesse résultante des matériaux.

3.5 Alimentation en produit

L'alimentation du broyeur doit être contrôlée (au moins de manière approximative) par un équipement de dosage tel qu'un tube vibrant, un transport à vis, ou une écluse rotative. Si le broyeur est large, avec plusieurs rangées de marteaux séparées par des plaques d'espacement, le système d'alimentation doit permettre une bonne répartition de l'alimentation sur toute la longueur du broyeur. Comme le broyeur nécessitera beaucoup d'air, il est également essentiel de prévoir une entrée d'air.

3.6 Évacuation du produit

Si le broyeur est utilisé comme concasseur, ce qui signifie que le diamètre des particules du produit fini est assez grossier (>> 1 mm), alors le broyeur peut être déchargé par gravité. Cependant, pour des tailles cibles plus fines, nécessitant des vitesses très élevées et donc un déplacement important d'air, le produit final peut être transféré pneumatiquement. Dans tous les cas, il est nécessaire de prendre en compte les besoins en air du broyeur et de prévoir des filtres à l'aspiration d'air et à la sortie d'air (dans la trémie de décharge pour une décharge par gravité, ou dans la trémie de réception après transport pneumatique).

La gestion de l'air dans un broyeur à marteaux doit être soigneusement étudiée, [Liu] mentionne qu'un débit d'air incorrect peut faire perdre jusqu'à 50 % de la capacité d'un broyeur. La règle empirique suivante est donnée :

• 260 m3/h à 775 m3/h pour 1 m2 de surface de grille
• 1350 m3/h à 2050 m3/h pour 1 t/h d'alimentation

Ce ne sont que des règles empiriques ; l'assistance d'un fournisseur de broyeurs est indispensable pour la conception détaillée.

3.7 Sécurité

Les broyeurs à marteaux comportent des éléments rotatifs, les marteaux, à très haute vitesse (jusqu'à 120 m/s). Ainsi, l'introduction de corps étrangers tels que des particules métalliques peut avoir des conséquences mécaniques et de sécurité graves (explosions de poussière). Le broyeur doit donc être protégé en tamisant l'alimentation et en positionnant un aimant puissant aimant , voire un détecteur de métaux à l'entrée. Le risque d'explosion de poussière doit également être traité en utilisant un broyeur résistant aux explosions ou en utilisant des protections (panneaux anti-explosion, systèmes de suppression...).

3.8 Conceptions similaires

D'autres conceptions sont similaires à certains égards aux broyeurs à marteaux :

• Broyeurs à broches (sans grille)
• Broyeurs universels : broyeurs pour lesquels les marteaux peuvent être remplacés par d'autres types de batteurs

4. Broyeurs à marteaux industriels

À quoi sert un broyeur à marteaux ?

Les broyeurs à marteaux sont typiquement utilisés dans de grands processus industriels nécessitant un débit élevé tout en garantissant un produit relativement fin. Certaines conceptions robustes se trouvent dans les industries minières, tandis que d'autres fournisseurs se sont spécialisés dans les broyeurs à marteaux pour l'alimentation animale (nutrition animale, alimentation aquacole, nourriture pour animaux de compagnie).

Les grands broyeurs à marteaux peuvent atteindre jusqu'à 20-50 t/h selon la granulométrie souhaitée (plus fin, capacité moindre ; plus grossier, capacité plus grande). Les matériaux ayant une taille allant jusqu'à 60 mm peuvent être réduits à ~1 mm, tandis que, si l'alimentation est déjà plus fine (10 mm), les broyeurs à marteaux peuvent atteindre des tailles inférieures à 500 microns.

Fournisseurs de broyeurs à marteaux :

• Broyeurs à marteaux Stolz
  
• Hosokawa
• Bühler
• Prater Industries
  

PowderProcess.net n’a aucun lien avec ces entreprises, celles-ci sont mentionnées à titre indicatif pour le lecteur à la recherche d’un fournisseur

Source

[Liu] Fondamentaux du broyage par marteaux et par jet, Gary Liu, CEP, 2017
[Perry] Perry's Chemical Engineers' Handbook, 8e édition, 21-59