Dans le procédé de broyage fin des matériaux de cathode pour batteries au lithium, on utilise couramment des broyeurs à jet et des broyeurs mécaniques. Leurs principes de broyage et leur efficacité diffèrent considérablement. Le choix du broyeur approprié et l'optimisation des paramètres du procédé en fonction des caractéristiques du matériau sont essentiels pour respecter les spécifications du produit, les exigences de qualité et les objectifs de consommation d'énergie.
Cet article, intitulé “ Focus sur l'équipement : Comparaison des performances de Broyeur à jet ” par rapport au broyeur mécanique pour le broyage fin », couvre les sections suivantes :
1. Jet Mill
Le broyeur à jet décrit ici est un broyeur à jet à lit fluidisé. Le schéma de fonctionnement du système est présenté sur la figure 1.
1 – Compresseur d'air, 2 – Réservoir d'air, 3 – Système de refroidissement et de purification, 4 – Système d'alimentation, 5 – Mécanisme de broyage, 6 – Horizontal Classification Mécanisme, 7 – Système de classification cyclonique, 8 – Système de filtration, 9 – Ventilateur d'aspiration
Figure 1 : Schéma de flux des équipements du système Jet Broy
L'air comprimé, après avoir été refroidi, filtré et séché, est injecté dans la chambre de broyage par plusieurs buses disposées en deux ou trois dimensions, générant un flux d'air supersonique. L'énergie cinétique de ce jet fluidifie le matériau. Les particules accélérées convergent au point d'intersection des jets des buses, subissant des collisions, des frottements et des forces de cisaillement intenses pour obtenir un broyage ultrafin. Le matériau broyé est ensuite transporté par le flux d'air ascendant vers la zone de classification. Sous l'effet de la force centrifuge… classificateur Sous l'effet de la roue et de la force d'aspiration du ventilateur, les particules grossières et fines sont séparées. Les particules grossières retombent par gravité dans la chambre de broyage pour y être broyées plus avant. Les particules fines conformes aux critères de taille sont acheminées vers le séparateur cyclone par le flux d'air pour une séparation et une collecte supplémentaires, tandis que les fines résiduelles sont dirigées vers le système de dépoussiérage.
Dans le procédé de broyage à jet d'air, les principaux paramètres d'équipement comprennent : diamètre de la buse, vitesse d'avance, pression de broyage, vitesse linéaire de la roue de classification et volume d'aspiration d'air. Ces éléments influencent conjointement les spécifications, la qualité et le rendement des produits.
(1) Buse
La buse utilisée dans les broyeurs à jet a été inventée par l'ingénieur suédois Gustaf de Laval et est donc appelée une “ Buse Laval ”. Sa partie avant converge d'une large ouverture vers un rétrécissement, puis diverge d'une ouverture plus large. Cette structure induit une variation de la vitesse d'écoulement de l'air (v) en fonction de la section transversale de la tuyère, accélérant ainsi l'écoulement de vitesse subsonique à sonique, puis à supersonique.
Figure 2 : Schéma d'une tuyère de Laval
Après son passage à travers la buse, l'air comprimé devient supersonique et pénètre dans la chambre de broyage. Compte tenu de l'impact du flux d'air et du matériau, la buse doit présenter une résistance mécanique et une résistance à l'usure élevées. Comme illustré sur la figure 3a, une buse en acier inoxydable présente une usure importante après un mois d'utilisation. Cette usure perturbe le flux d'air, ce qui affecte la granulométrie et la surface spécifique du produit broyé, et introduit également une contamination métallique, impactant ainsi la qualité du produit. Pour éviter ces problèmes, on utilise désormais couramment des buses en céramique, comme illustré sur la figure 3b.
Figure 3. a Buse en acier inoxydable b Buse en céramique
(2) Roue classificatrice
La roue de classification se compose d'une bride avant, d'une bride arrière, de plusieurs lames et d'un disque d'étanchéité à l'air. Les espaces entre les lames adjacentes servent de canaux d'alimentation, et les faces internes des lames forment une cavité. Une vitesse linéaire plus élevée de la roue de classification permet d'obtenir une taille de particules de produit plus petite. La vitesse linéaire est positivement corrélée au diamètre de la meule de classification et à sa vitesse de rotation. La quantité de matériau dans la chambre de broyage peut être contrôlée par le courant du moteur de la meule de classification ; un courant plus élevé indique une plus grande quantité de matériau dans la chambre.
Les matériaux entrent en collision avec la roue de classification et l'impactent. Les roues de classification en acier inoxydable présentent une usure après une utilisation prolongée, comme le montrent les figures 4a et 4b. Pour éviter ce problème, les roues de classification en céramique sont désormais largement utilisées, comme illustré sur la figure 4c.
a. Acier inoxydable (usé), b. Acier inoxydable (normal), c. Céramique
Figure 4. Roue de classification
(3) Spécifications du produit
La relation entre les paramètres du broyeur à jet et la taille/le rendement des particules du produit est la suivante :
- “ — ” indique l'absence de corrélation directe entre le diamètre de la buse et la taille des particules.
- “↗” indique que les spécifications du produit augmentent à mesure que le paramètre augmente.
- “↘” indique que les spécifications du produit diminuent à mesure que le paramètre augmente.
Remarque : L'influence de chaque paramètre varie.
| Indicateur/Paramètre | Diamètre de la buse | Débit d'alimentation | Vitesse linéaire du disque de meulage | Vitesse linéaire de la roue classificatrice | Niveau de tirage d'aspiration |
| Taille des particules | — | ↘ | ↘ | ↘ | ↗ |
| Capacité de production | ↗ | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
Processus d'ajustement des paramètres :
- Présélectionnez la taille de la buse en fonction du modèle d'équipement et de la capacité estimée.
- Déterminez la plage de vitesse linéaire appropriée (tr/min de la roue classificatrice) en fonction de la taille cible des particules du matériau.
- Déterminez une plage de pression de broyage adaptée aux caractéristiques du matériau (par exemple, monocristallin, polycristallin, aggloméré dur, aggloméré mou). Une pression excessive génère une quantité importante de fines difficiles à éliminer.
- Optimiser le débit d'alimentation et le volume d'aspiration d'air en fonction des besoins en capacité.
- Réévaluer l’opportunité d’optimiser le diamètre de la buse en fonction de la capacité finale et de la consommation d’énergie.
2. Moulin mécanique
Le broyeur mécanique présenté ici est un broyeur à impact mécanique. Le schéma de fonctionnement du système est illustré à la figure 5.
1- Armoire de commande électrique, 2- Système d'alimentation, 3- Mécanisme de broyage,
4- Mécanisme de classification, 5- Système de séparation cyclonique, 6- Système de filtration
Figure 5. Schéma de flux des équipements du système de broyage mécanique
La matière est introduite uniformément dans la chambre de broyage par un système d'alimentation, où elle est soumise à un impact puissant de la part d'un disque de broyage rotatif à grande vitesse. Simultanément, la force centrifuge provoque la collision de la matière avec l'anneau de broyage, induisant des forces combinées de cisaillement, de friction et d'impact pour une réduction de taille. La matière broyée est transportée par un flux d'air vers la zone de classification pour la séparation des particules grossières et fines. Les particules grossières retournent dans la chambre de broyage pour un broyage plus poussé. Les particules fines, ayant atteint leur limite de qualité, sont acheminées par le flux d'air vers le séparateur cyclonique pour une séparation et une collecte supplémentaires, tandis que les particules fines sont dirigées vers le système de dépoussiérage.
Les principaux paramètres d'équipement du broyeur mécanique comprennent débit d'avance, vitesse linéaire du disque de broyage, vitesse linéaire de la roue classificatrice et volume d'aspiration d'air, qui influent conjointement sur les spécifications, la qualité et le rendement des produits.
(1) Disque de meulage
Le disque de meulage est équipé de broches de meulage. La matière contenue dans la chambre est impactée par ces broches rotatives à grande vitesse. La figure 6a montre un disque de meulage métallique, sujet à l'usure lors d'une utilisation prolongée, ce qui entraîne une contamination métallique. Les disques de meulage en céramique sont désormais couramment utilisés. Bien que plus durs et plus résistants à l'usure, leur fragilité impose généralement une vitesse linéaire de fonctionnement inférieure à celle des disques métalliques, réduisant ainsi la force d'impact. Une vitesse linéaire plus élevée du disque de broyage permet d'obtenir des particules de produit plus petites. La vitesse linéaire est positivement corrélée à la fois au diamètre du disque et à sa vitesse de rotation.
Figure 6. a. Disque de broyage en métal b. Disque de broyage en céramique
(2) Spécifications du produit
La relation entre les paramètres du broyeur mécanique et la taille/le rendement des particules du produit est la suivante :
- “ — ” indique l'absence de corrélation directe entre le débit d'alimentation et la taille des particules.
- “↗” indique que les spécifications du produit augmentent à mesure que le paramètre augmente.
- “↘” indique que les spécifications du produit diminuent à mesure que le paramètre augmente.
Remarque : L'influence de chaque paramètre varie.
| Indicateur/Paramètre | Débit d'alimentation | vitesse linéaire du disque de meulage | Vitesse linéaire de la roue classificatrice | Niveau de tirage d'aspiration |
| Taille des particules | — | ↘ | ↘ | ↗ |
| Capacité de production | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
Le processus de réglage de la roue classificatrice et des autres paramètres d'un broyeur mécanique est similaire à celui d'un broyeur à jet.
(3) Comparaison des performances
Les principes de broyage différents des broyeurs à jet et des broyeurs mécaniques déterminent leur applicabilité, leur rendement et leur consommation d'énergie respectifs. Fondamentalement :
- Broyeurs à jet utiliser un flux d'air supersonique pour provoquer des collisions entre les particules et ainsi réduire leur taille.
- Moulins mécaniques utiliser un disque rotatif pour projeter le matériau contre des broches fixes et la paroi de la chambre pour réduire sa taille, comme illustré sur la figure 7.
Figure 7 : Schéma de principe de la réduction de la taille des particules dans les chambres d'un broyeur à jet / broyeur mécanique
| Broyeur à jet | Moulin mécanique | |
| Principe | La vitesse supersonique provoque des collisions entre les matériaux | Cisaillement et collision entre matériaux et équipements |
| Intensité de broyage | Grand : vitesse supersonique | Petit : La vitesse linéaire du disque de meulage est limitée |
| Consommation d'énergie | Élevé : Air comprimé requis | Faible : Utilise de l'eau en circulation pour le refroidissement |
| Coût | Haut | Faible |
| Empreinte au sol des équipements | Grand | Petit |
Un tableau comparatif des performances est présenté ci-dessus. Les broyeurs mécaniques sont plus adaptés au broyage de particules à agglomération molle (par exemple, les matériaux polycristallins). Pour certaines petites particules monocristallines à agglomération dure, même à vitesse de disque maximale, un broyage efficace peut s'avérer insuffisant. Les broyeurs à jet peuvent broyer aussi bien les particules à agglomération molle que les particules à agglomération dure (par exemple, les matériaux monocristallins), mais présentent des inconvénients en termes de consommation d'énergie et de coût. Pour certains matériaux polycristallins à structure lâche, le broyage à jet peut entraîner une fragmentation excessive des particules.
Figure 8 Broyage par broyeur à jet et broyage mécanique
La figure 8 présente des images MEB du matériau ternaire NCM monocristallin broyé respectivement par un broyeur à jet et par un broyeur mécanique. Le broyeur à jet démontre une force de broyage nettement supérieure, permettant de désagréger efficacement les agglomérats durs entre les particules.
Poudre épique
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— Jason Wang, Ingénieur principal
