De quoi il s'agit

Comprendre les propriétés de la poudre est la 1ère étape pour une bonne conception ou une dépannage efficace d'une installation industrielle. Malheureusement, toutes les données intéressantes ne sont pas toujours disponibles pour l'Ingénieur. Cette section se concentre sur les données les plus importantes. Elles sont répertoriées et décrites dans le tableau suivant.

Quelles sont les propriétés des poudres

Tableau 1 : Propriétés des poudres

Propriété	Unité	Intérêt	Comment mesurer
Densité apparente	kg/l	Dimensionnement des récipients, mélangeurs, sacs, alimentateurs... tous les éléments qui contiennent ou dosent de la poudre Note : la densité apparente peut être définie comme tassée ou non tassée (également appelée densité lâche). La densité non tassée doit être considérée tant que la poudre est aérée (dans un récepteur après un transport pneumatique, par exemple)	La densité apparente peut être mesurée en pesant un volume donné de solides en vrac. L'échantillon peut être tassé ou non.
Densité particulaire apparente	kg/l	La densité particulaire sera pertinente lorsque le mouvement du solide ne doit plus être considéré comme une masse, mais comme des particules individuelles. C'est le cas pour certaines technologies de transport pneumatique.	La densité particulaire apparente peut être calculée à partir de la densité squelettique et de la porosité des particules
Densité squelettique	kg/l	Utilisée pour calculer la densité particulaire apparente	La densité squelettique peut être mesurée par pycnométrie gazeuse (par exemple hélium)
Résistance cohésive		La résistance cohésive sera utilisée dans la conception de silos / trémies afin de calculer la taille de sortie appropriée	Cellules de cisaillement (voir explications ci-dessous)
Frottement mural	Degrés	Le frottement mural est utilisé pour calculer l'angle des cônes de trémie, ainsi que le paramètre de frottement interne	Cellules de cisaillement (voir explications ci-dessous)
Perméabilité		La perméabilité donnera une indication de la capacité des solides à retenir l'air. Il s'agit d'un paramètre utilisé dans le calcul des débits de décharge et des temps de décantation	Rheomètre de poudre avancé, fluidification
Ségrégation tendance		Donnera des informations intéressantes sur les risques de ségrégation qui peuvent survenir lors de la manipulation d'une poudre (ségrégation à la décharge, difficulté à mélanger...)	Tests d'homogénéité
Glissement aux points d'impact		Aidera à déterminer l'angle de tuyauterie après une trémie angle de tuyauterie après une trémiePour laisser glisser la poudre (vers un mélangeur, un remplisseur de sacs...)
Friabilité des particules		La particule est-elle fragile, pouvons-nous anticiper des mesures particulières pour la transporter, la mélanger
Distribution de taille de particules (DTP)		Un contrôle de la DTP peut être requis pour une application finale spécifique ou pour contrôler l'entrée dans les étapes de traitement ultérieures. La mesure d'une DTP est particulièrement importante pour les processus de comminution / réduction de taille.	La méthode de mesure peut être plus ou moins complexe et précise. Une façon simple de procéder est de réaliser une analyse de tamisage, mais c'est assez grossier. Les méthodes automatisées donnent une distribution de taille de particules plus précise très rapidement ; une méthode populaire est la diffraction de la lumière laser.
Forme des particules		Un contrôle de la forme des particules peut être requis pour les besoins d'une application finale spécifique. Connaître la forme des particules peut également aider à anticiper les problèmes de mélange (formes verrouillées empêchant un bon mélange)	Microscope, analyse d'images
Dureté	Indice de Mohs	Cela aidera à évaluer à quel point le traitement des solides sera abrasif	Le matériau est classé en fonction de sa capacité à être rayé par des matériaux de référence

Les paragraphes ci-dessous décriront la notion de fluidité de la poudre, qui couvre en fait différentes propriétés de solides en vrac :

• Résistance cohésive
• Angle de frottement sur paroi

Il sera également expliqué comment déterminer pratiquement ces propriétés.

Des méthodes de raccourci pour anticiper la fluidité sont également données à la fin de la page.

Les performances d'un processus industriel seront jugées, entre autres paramètres, selon sa capacité à atteindre une vitesse nominale (exprimée en termes de débit, de temps de cycle ou de nombre de lots / h). Si une trémie qui est censée livrer de la poudre à un débit donné ne peut pas le faire, qu'elle soit placée au début, au milieu ou à la fin du processus, la vitesse de l'ensemble de l'installation sera affectée. Être capable de prédire la fluidité des solides, par exemple hors d'une trémie, est donc d'une importance critique pour la manutention de solides en vrac.

Qu'est-ce que la fluidité de la poudre

Les notions suivantes, importantes pour concevoir correctement les trémies et promouvoir l'écoulement des solides, seront expliquées dans cette page

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1. Méthode de Jenike [Essai de cisaillement - Que pouvons-nous en déduire ?]

Cellules de cisaillement

L'essai de cisaillement ou la cellule de cisaillement permettra d'estimer des propriétés rhéologiques de poudre très importantes comme la résistance cohésive et le frottement sur paroi qui peuvent à leur tour être utilisées pour calculer les diamètres de sortie de trémie et l'angle de décharge.

2 essais de cisaillement doivent être effectués pour déterminer les propriétés :

• 1 essai est pour mesurer l'angle de frottement interne ; pour obtenir cette propriété, la cellule d'essai mesurera la force nécessaire pour faire glisser la poudre sur ELLE-MÊME.
• D'un autre côté, l'angle de frottement sur paroi sera déterminé grâce à une cellule qui mesure la force nécessaire pour faire glisser un échantillon de poudre sur une plaque de MATÉRIAU, le matériau étant généralement le métal dans lequel le silo sera construit.

Figure 1 : cellules de Jenike

L'essai est effectué après une étape de pré-cisaillement qui donnera une certaine densité de poudre avant d'appliquer la contrainte normale et le cisaillement. Ce pré-cisaillement peut varier, ce qui donnera des résultats différents. Ces résultats différents seront utilisés pour tracer des loci de rupture différents et calculer ensuite des propriétés différentes de la poudre (voir ci-dessous).

ÉTAPE 1 - Exécuter l'essai

2 forces sont appliquées à un échantillon de poudre. Une force normale, qui est définie, et qui est augmentée progressivement. Et la seconde sur le côté (force de cisaillement). Cette 2e force est mesurée et correspond à la force pour faire glisser l'échantillon de matière.

Chaque couple (contrainte normale ; contrainte de cisaillement) est enregistré et ensuite tracé. À partir de cette courbe, différentes caractéristiques rhéologiques de la poudre peuvent être calculées. Le graphique obtenu, appelé locus de rupture murale, est montré ci-dessous (exemple - pas une poudre réelle)

Les propriétés de poudre suivantes peuvent être déterminées à partir du graphique obtenu (appelé "Locus de rupture")

Tableau 2 : sortie des cellules de cisaillement

Essai de cisaillement	Détermination directe	Calculé
Cellule de cisaillement mesurant l'interaction matière / poudre	Angle de frottement mural Φ'	-
Cellule de cisaillement mesurant l'interaction poudre / poudre	Angle effectif de frottement interne δ Angle statique de frottement interne Φ Contrainte de consolidation principale majeure (ou de compactage) σ1 Résistance cohésive fc (appelée également contrainte de rupture non confinée UYS)	Fonction d'écoulement de la poudre (ou matière) (en traçant les couples UYS et σ1 obtenus à différents pré-cisaillements)

ÉTAPE 2 - Tracer le locus de rupture

Interaction poudre - poudre

Pour une contrainte préalable donnée, tracer le locus de rupture à partir des données obtenues à partir de l'essai de cellule testant les interactions poudre / poudre

Figure 2 : données obtenues à partir du locus de rupture de la cellule de cisaillement poudre - poudre

Interaction poudre - matière

Tracer le locus de rupture à partir des données obtenues à partir de l'essai de cellule testant les interactions poudre / matière

Figure 3 : données obtenues à partir du locus de rupture de la cellule de cisaillement poudre - matière

ÉTAPE 3 - Calculer la fonction d'écoulement

Le locus de rupture est effectué selon un état de consolidation initial. Il est possible de varier l'état de consolidation initial. En traçant les différents loci de rupture, à différents états de consolidation initiale, on obtiendra la base pour déterminer la fonction d'écoulement de la poudre. Un exemple illustratif, avec 3 loci de rupture, est donné ci-dessous.

Figure 4 : détermination graphique de la fonction d'écoulement de la poudre

À partir des 3 différents loci de rupture, 3 couples (contrainte de consolidation majeure sigma1 ; résistance cohésive fc) peuvent être calculés.

Un graphique montrant fc=f(sigma1) peut alors être tracé. Il s'agit de la fonction d'écoulement de la matière de la poudre testée (ne pas confondre avec le facteur d'écoulement ff). La fonction d'écoulement fournit des informations clés sur le comportement de la poudre, de manière plus fiable que les méthodes de raccourci comme l'angle de repos ou certains indices.

Dans l'exemple, seuls 3 couples sont considérés, mais davantage seront utilisés pour tracer la fonction d'écoulement réelle. Le graphique peut être divisé en différentes zones par des droites passant par l'origine et avec la pente i=(σ₁)/fc. Les différentes valeurs de i donnent des informations sur l'écoulement, en fonction de la position de la fonction d'écoulement sur le graphique, son écoulement peut être déterminé.

Figure 5 : fonction d'écoulement de la poudre et écoulement de la poudre

En fonction de la forme du graphique, nous pouvons déterminer si la poudre est cohésive ou non.

Figure 6 : Fonctions d'écoulement de matière typiques (MFF)

À la fin de l'essai avec les cellules de cisaillement de Jenike (ou équipement d'essai équivalent), les propriétés rhéologiques de poudre suivantes auront été déterminées :

• Angle d’angle de frottement interne
• Fonction d’écoulement de poudre (MFF) (Matériau)
• Angle de frottement de paroi

Remarque : il est alors possible de déterminer comment la poudre s’écoulera hors d’un distributeur donné (ou concevoir un distributeur) en déterminant la fonction d’écoulement ff liée à une conception de distributeur et en traçant une ligne de pente 1/ff sur la Fonction d’écoulement de matériau MFF. La poudre s’écoulera si la ligne de pente 1/ff est au-dessus de la MFF, si en dessous, des arcs sont attendus pour se former et l’écoulement sera difficile. Plus d’informations peuvent être trouvées ici sur la conception de distributeurs.

Figure 7 : Fonction d’écoulement et Fonctions d’écoulement de matériau pour calculer la Contrainte appliquée critique

2. Méthodes intermédiaires - Indice de cohésion de poudre

Certaines méthodes expérimentales ont été développées pour approximer les résultats obtenus avec la méthode de Jenike qui est assez longue si des équipements spécifiques ne sont pas disponibles.

Une série de tests a été développée par Johanson. Elle permet de déterminer différents indexes qui peuvent être liés aux paramètres de conception clés définis ci-dessus.

Tableau 3 : liste des méthodes simplifiées pour l’évaluation de l’écoulement

Méthode	Valeur obtenue
Indice d’indication de blocage	Indice d’arcage AI (= diamètre de sortie critique) Indice de cheminée RI (= diamètre de cheminée)
Indice de distributeur	Indice de distributeur HI (= angle de cône) Indice de chute (= glissement au choc)
Indice d’écoulement de débit	Indice de débit FRI (= débit maximal de décharge par gravité - sans aide de décharge mais avec une poudre totalement NON aérée ) Densité non compactée FDI et densité compactée BDI (= densité lâche et densité tassée)

Pour obtenir ces données particulières, il est nécessaire d’acheter ou d’avoir accès à des machines construites par des sociétés actives dans le domaine de l’analyse de poudre.

3. Méthodes de raccourci - Angle de repos, Indice de Carr et Hausner

Un essai de cisaillement peut ne pas être disponible dans la vie quotidienne de l’usine, lorsque un nouveau silo doit être calculé ou que le processus doit être dépanné. D’autres méthodes ont été développées, plus rapides, pour avoir une idée du comportement de la poudre. L’utilisation d’une telle méthode de raccourci doit être faite avec précaution, en considérant toujours qu’elles donneront une indication du comportement de la poudre, mais ne peuvent être utilisées pour des calculs directs

Tableau 4 : Index calculé pour l’évaluation de l’écoulement

Méthode	Calcul	Interprétation
Indice de Carr	I=(densité tassée - densité lâche)/(densité tassée)*100	I inférieur à 15% : écoulement bon I supérieur à 25% : écoulement mauvais
Indice de Hausner	Hr=(densité tassée)/(densité lâche)	Hr supérieur à 1,4 : poudre cohésive Hr inférieur à 1,2 : écoulement libre Entre les deux : comportement intermédiaire
Méthode d’angle de repos - angle d’écoulement de poudre	Angle de repos versé	angle inférieur à 30 : écoulement bon angle de 30 à 50 : écoulement difficile angle supérieur à 50 : écoulement presque impossible

Une utilisation potentielle de ces méthodes de raccourci est de réaliser une comparaison entre les poudres. Si un silo est conçu pour une poudre A et a une conception fairly satisfaisante, alors la vérification de l'indice de Carr et de l'angle de repos de la poudre B peut donner une idée si une telle conception pourrait également convenir pour la poudre B. Si les valeurs de l'indice de Carr et de l'angle de repos sont très éloignées, alors cela peut être un indicateur que des travaux plus approfondis doivent être effectués pour évaluer les caractéristiques de la poudre B et utiliser des méthodes rigoureuses pour la conception.

4. Électrostatique

Un phénomène souvent négligé dans l'analyse de l'écoulement des poudres est l'influence de l'électricité statique. Cela est particulièrement vrai pour les particules très fines, pour lesquelles les forces électriques deviennent significatives par rapport aux autres forces (la gravité, par exemple).

Les paramètres qui influenceront l'électricité statique sont les suivants :

• Humidité
• Intensité du frottement
• Taille et nature des particules
• Caractéristiques de surface