Avec l'utilisation croissante des ressources minérales non métalliques dans divers secteurs de l'économie et de la société, leur exploitation s'est considérablement intensifiée. Nombre de ces minéraux étant utilisés sous forme de poudre, l'industrie exige des technologies de traitement plus performantes, notamment pour obtenir des poudres ultrafines. Cet article présente différents types de broyeurs permettant la préparation de poudres ultrafines.
1. Poudres minérales non métalliques ultrafines
Poudres ultrafines Les poudres minérales non métalliques désignent une série de matériaux ultrafins dont la taille des particules varie du micron au nanomètre. Leur utilisation généralisée dans les nouveaux matériaux de haute technologie repose sur leurs propriétés fonctionnelles uniques. Les performances de la plupart de ces propriétés dépendent de la taille, de la distribution granulométrique et de la forme des particules.
Les poudres ultrafines possèdent d'excellentes propriétés physico-chimiques. Elles se caractérisent par une grande surface spécifique, une forte réactivité de surface, une cinétique de réaction chimique rapide, une basse température de frittage avec une résistance mécanique élevée, de bonnes propriétés de remplissage et de renforcement, ainsi qu'un pouvoir couvrant important. De ce fait, de nombreux domaines d'application exigent des matières premières minérales non métalliques de granulométrie très fine (micronique ou submicronique).
Actuellement, selon le consensus au sein de l'industrie chinoise de transformation des minéraux, une poudre ultrafine est définie comme une poudre dont les particules ont une taille inférieure à 30 µm. En fonction de la taille des particules, les poudres ultrafines peuvent être classées en trois catégories : microniques (1–30 µm), submicroniques (0,1–1 µm) et nanométriques (0,001–0,1 µm). Les poudres minérales non métalliques ultrafines présentent des avantages considérables en termes de propriétés optiques, magnétiques, acoustiques, électriques et mécaniques, et sont largement utilisées dans les secteurs de la médecine, de la chimie, de l'électronique, de l'énergie et autres.
2. Traitement des poudres minérales non métalliques ultrafines
Il existe de nombreuses méthodes de préparation de poudres ultrafines. Selon le milieu de formation, elles peuvent être classées en trois catégories : méthodes en phase gazeuse, en phase liquide et en phase solideLes méthodes en phase gazeuse comprennent le chauffage par induction à haute fréquence et les techniques de préparation par plasma, adaptées à la production de poudres ultrafines de haute pureté, à granulométrie étroite, de petite taille et de distribution uniforme. Les méthodes en phase liquide comprennent principalement la réduction chimique en phase liquide, le procédé sol-gel, l'atomisation ultrasonique et les méthodes hydrothermales. Les méthodes en phase solide utilisent principalement le broyage mécanique.
Du point de vue du principe de préparation, on peut distinguer les méthodes chimiques et les méthodes physiques.
Méthodes chimiques
Les méthodes chimiques reposent sur des réactions chimiques permettant la formation de la poudre ultrafine souhaitée à partir d'ions ou d'atomes par nucléation et croissance. Elles offrent l'avantage de produire des poudres de haute pureté, à granulométrie fine et homogène, et présentant une bonne morphologie. Leurs inconvénients incluent un faible rendement, un coût élevé et une complexité de mise en œuvre.
méthodes physiques
Les méthodes physiques consistent à broyer les matériaux par force mécanique. Elles présentent l'avantage d'un coût réduit, de procédés relativement simples, d'un rendement élevé et d'une aptitude à la production industrielle à grande échelle. De plus, les effets mécanochimiques générés lors du broyage peuvent accroître l'activité des poudres.
Actuellement, dans le traitement des poudres minérales non métalliques ultrafines, les méthodes physiques constituent la principale technique de préparation. Généralement, le procédé de transformation des matières premières en poudre ultrafine comprend principalement deux étapes : le broyage et… classificationLa matière première est d'abord introduite dans un broyeur ultrafin. En raison des variations de structure des particules, l'énergie requise pour le broyage diffère et les forces exercées au sein du broyeur sont inégales. Par conséquent, les particules fines obtenues présentent des formes et des tailles variables, seule une partie répondant aux exigences granulométriques. En production, on a souvent recours à un allongement du temps de broyage pour garantir une réduction granulométrique optimale et respecter les normes. Cependant, cette pratique augmente non seulement la consommation d'énergie, mais peut également conduire à un broyage excessif. Il est donc crucial de séparer rapidement les particules conformes aux spécifications granulométriques, ce qui confère à la technologie de classification ultrafine une importance capitale dans le processus de préparation des poudres ultrafines.
3. État de la recherche sur les équipements de broyage ultrafin
Les équipements de broyage ultrafin couramment utilisés actuellement comprennent les broyeurs à impact, les broyeurs à agitation, les broyeurs à jet et les broyeurs à vibration.
3.1 Fraiseuse à percussion
Les broyeurs à percussion sont des broyeurs ultrafins qui utilisent un rotor rotatif à grande vitesse (comprenant des tiges, des marteaux, des lames, etc.) autour d'un axe horizontal ou vertical pour générer des forces d'impact et de cisaillement intenses sur le matériau. Ceci provoque de fortes collisions entre le matériau et les parois/parties fixes du broyeur. Il peut également y avoir collision entre les particules, entraînant leur fragmentation. Ces broyeurs conviennent aux matériaux de dureté moyenne comme le talc, le marbre et la calcite. La granulométrie d'alimentation est généralement inférieure à 8 mm et la finesse du produit peut atteindre 3 à 74 µm.
Les principaux avantages des broyeurs à impact sont la finesse de broyage réglable, leur structure simple, leur installation compacte, leur facilité d'utilisation, leur faible encombrement et leur rendement élevé. Un inconvénient réside dans le risque de surchauffe lors d'un fonctionnement à grande vitesse. Par conséquent, l'amélioration de l'équipement pourrait envisager des systèmes de refroidissement. De plus, l'utilisation de matériaux présentant de bonnes propriétés de résistance à la compression et à l'usure est conseillée afin d'éviter une usure importante des pièces.
3.2 Broyeur à agitation
Les broyeurs à agitation constituent une catégorie prometteuse d'équipements de broyage ultrafin et se déclinent en différentes configurations. Selon leur installation, on distingue les broyeurs à agitation verticaux, horizontaux ou à disques. Selon leur mode de fonctionnement, on trouve les broyeurs à agitation à spirale, discontinus, à circulation et continus.
De manière générale, les broyeurs à agitation fonctionnent principalement grâce à la rotation d'un arbre agitateur qui met en mouvement les billes de broyage (billes d'acier, de zircone, de céramique, de corindon, gravier, etc.) et le matériau contenu dans la chambre. Ils sont fréquemment utilisés pour le traitement poussé des minéraux non métalliques et la préparation de pigments. La granulométrie de l'alimentation est généralement inférieure à 3 mm et la finesse du produit varie de 0,1 à 45 µm. Les principaux paramètres influençant l'efficacité du broyage sont la vitesse d'agitation, la concentration de la suspension, le rapport matériau/billes, les propriétés des billes et le temps de séjour.
Comparativement aux broyeurs à boulets traditionnels, les broyeurs à agitation offrent des avantages significatifs : ① La chambre de broyage est fixe tandis que l’agitateur tourne, ce qui résout le problème des pertes d’énergie importantes liées à la rotation du tambour d’un broyeur à boulets traditionnel. broyeur à boulets② Contrairement aux broyeurs à boulets qui combinent impact et broyage, les broyeurs à agitation reposent principalement sur le broyage, complété par un impact minimal, ce qui réduit la consommation d'énergie liée au bruit, à la chaleur et aux vibrations, et améliore ainsi l'efficacité du broyage fin. ③ Les broyeurs à agitation présentent généralement un encombrement réduit, une structure simple et une installation facile.
3.3 Broyeur vibrant
Les broyeurs à vibrations utilisent des billes ou des barres comme média de broyage et peuvent traiter des produits jusqu'à une granulométrie de quelques microns. Leur fonctionnement repose sur l'utilisation du média de broyage à l'intérieur d'une chambre vibrante à haute fréquence pour appliquer des forces d'impact, de broyage et de cisaillement au matériau, permettant ainsi une réduction rapide de la taille des particules. Ils sont largement utilisés dans les industries chimiques, métallurgiques, des matériaux de construction, de la céramique, des réfractaires et des minéraux non métalliques pour le traitement des poudres ultrafines. La granulométrie d'alimentation est généralement inférieure à 6 mm et la finesse du produit varie de 1 à 74 µm. Les broyeurs à vibrations offrent des avantages tels que des dimensions réduites, une faible consommation d'énergie, un rendement élevé, une structure compacte, une utilisation simple et une grande facilité d'entretien. entretienet une taille de produit uniforme. Les inconvénients incluent des niveaux de bruit élevés et des exigences élevées en matière de pièces.
3.4 Jet Mill
Les broyeurs à jet fonctionnent en accélérant de l'air comprimé à travers des buses ; les jets ainsi créés propulsent les particules à grande vitesse, provoquant leur collision, leur friction et leur cisaillement, ce qui entraîne leur broyage. Ils sont principalement utilisés pour le broyage ultrafin de minéraux non métalliques de dureté moyenne ou faible, tels que le marbre, le kaolin et le talc, ainsi que dans les secteurs des compléments alimentaires, des terres rares et des matières premières chimiques. La granulométrie d'alimentation est généralement inférieure à 1 mm et la finesse du produit varie de 1 à 30 µm, mais la capacité de production reste relativement faible.
Les broyeurs à jet présentent des avantages tels qu'une automatisation élevée et une grande capacité. Leurs inconvénients incluent un coût d'équipement élevé, un encombrement important, une forte consommation d'énergie, une disponibilité limitée de produits de très haute finesse, une usure importante des pièces et un manque de modèles innovants indépendants. Étant le type de broyeur le plus étudié en Chine, avec la gamme de modèles la plus complète et une technologie relativement mature, ils sont très populaires sur le marché. Actuellement, ils peuvent être classés selon leur structure ou leur fonctionnement en : broyeurs à jet à disque horizontal (plat), broyeurs à jet à tube de circulation, broyeurs à jet opposés, broyeurs à jet à cible et broyeurs à jet à lit fluidisé.
3.5 Autres équipements
Planétaire Broyeur à bouletsLes structures sont principalement verticales et horizontales. Les pots de broyage individuels sont géométriquement similaires à ceux des broyeurs à billes classiques, mais la principale différence réside dans le fait que chaque pot d'un broyeur planétaire tourne sur son propre axe tout en effectuant une révolution autour d'un axe central. La capacité de broyage élevée et l'efficacité énergétique des broyeurs planétaires à billes les rendent largement utilisés dans la préparation de poudres ultrafines, la mécanochimie et l'alliage mécanique. Adaptés aux matériaux de haute dureté, ils permettent d'atteindre une finesse de 0,1 µm. Leurs caractéristiques comprennent une usure rapide des billes de broyage et une adaptation à la production en petites séries.
- Anneau-broyeur à cylindresIl s'agit essentiellement d'un broyeur ultrafin de petite à moyenne taille. Au fil des années de développement, son champ d'application s'est progressivement élargi, révélant des avantages de plus en plus évidents. Concrètement, son fonctionnement est relativement simple, son taux de broyage élevé et sa consommation énergétique faible, répondant ainsi aux exigences d'économie d'énergie et de protection de l'environnement. Dans le cadre des applications actuelles de traitement des minéraux non métalliques, la granulométrie d'alimentation ne doit pas excéder 20 mm. Des dispositifs de classification internes permettent un ajustement précis de la finesse du produit, conformément aux normes, pendant le traitement.
Malgré les évolutions de l'industrie des poudres, le broyage mécanique demeure le principal moyen d'obtenir des poudres minérales non métalliques ultrafines. « Un artisan doit affûter ses outils pour bien faire son travail. » À l'avenir, il sera essentiel de renforcer la recherche théorique fondamentale, d'accroître les investissements technologiques, d'optimiser les procédés à partir des équipements existants, de développer en permanence les capacités d'innovation et de concevoir des équipements de broyage ultrafins de haute technologie, écologiques, économiques, à faible consommation d'énergie et à faibles émissions, offrant une valeur ajoutée importante.
4. État de la recherche sur les équipements de classification ultrafine
La classification des poudres ultrafines sépare les particules en fonction des différentes trajectoires de mouvement induites par des forces telles que la force centrifuge, la gravité et la force d'inertie agissant sur des particules de différentes tailles dans un milieu, les dirigeant vers des dispositifs de collecte respectifs.
Selon le milieu utilisé, le classement ultrafin se divise généralement en méthodes sèches et humides. Le classement humide utilise un liquide comme milieu de dispersion, offrant une précision de classement élevée et une bonne uniformité. Cependant, les étapes ultérieures telles que le séchage et le traitement des eaux usées limitent son développement.
Trois types de classificateurs d'air
En fonction de différents principes de classification, les équipements de classification à sec peuvent être divisés en trois types : inertiels, à jet et centrifuges.
- Classificateurs inertiels séparer les particules en exploitant leur inertie différente sous l'effet d'une force appliquée, ce qui les amène à se déplacer dans des directions différentes.
classificateurs d'air appliquer de manière exhaustive l'effet Coanda, la classification inertielle et les principes de classification rapide.
Force centrifuge La force centrifuge étant supérieure à la gravité, les classificateurs centrifuges sont largement répandus. On peut les subdiviser en classificateurs à vortex forcé et à vortex libre selon le champ d'écoulement induit par la force centrifuge.
Malgré certains inconvénients, le rapport coût-efficacité et la simplicité du classement à sec expliquent son utilisation répandue dans la préparation des poudres.
Actuellement, l'équipement de classification le plus répandu dans la production industrielle est le turbocompresseur. classificateur d'airEn fonction du mode d'installation de la roue de classification, elles peuvent être type de roue verticale et type de roue horizontale.
Dans classificateurs à roue verticaleLa roue de classification est généralement montée en porte-à-faux. Son fonctionnement peut rencontrer des problèmes tels que le déséquilibre avec les grandes roues, la susceptibilité de l'arbre principal et des roulements à la rupture sous une charge excessive et une étanchéité insuffisante. classificateurs à roue horizontaleLa roue de classification est installée horizontalement, ce qui permet un fonctionnement stable même à haute vitesse, avec une étanchéité nettement améliorée. À capacité de traitement égale, les classificateurs horizontaux sont plus compacts et offrent des avantages tels que de faibles vibrations et une longue durée de vie.
Grâce au développement des classificateurs à air vortex, les chercheurs ont apporté des améliorations, tant théoriques que pratiques, permettant d'accroître significativement la précision et l'efficacité de la classification. Par exemple, l'ajout de flux d'air tertiaires pour entraîner les particules grossières descendant le long du cône améliore l'efficacité de la séparation.
Outre l'optimisation des dimensions structurelles et des paramètres opérationnels à partir des classificateurs à rotors existants, certains chercheurs ont également développé de nouveaux classificateurs dynamiques en ajoutant des composants internes ou en modifiant la direction des entrées et sorties du flux d'air.
D’après les recherches actuelles, les orientations futures se concentreront sur trois axes : la régulation de la classification des champs d’écoulement, l’optimisation des procédés de séparation et le couplage de types d’écoulement hybrides. Grâce à la maturité croissante des technologies et des équipements disponibles, les entreprises doivent désormais sélectionner et optimiser avec soin ces solutions. La priorité est de maîtriser les paramètres de procédé et d’adapter les flux de travail afin d’accroître la capacité et la rentabilité.
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— Jason Wang, Ingénieur principal
