Brevet FR2315322A1 — publié le 19770121

La pressente invention concerne un procédé de broyage dlun matériau en grains. On connait des procédés de broyage utilisant des broyeurs à meules ou des broyeurs à boulets, mais ils présentent l'inconvénient d'opérer avec de faibles rendements énergétiques. Les procédés utilisant des broyeurs à jet, c'est-àdire consistant à projeter à grande vitesse, éventuellement supersonique, les grains du matériau à pulvériser, soit entre une cible très dure et très résistante au choc et à l'usure, soit contre d'autres grains du inerme matériau, immobiles ou lancés à la rencontre des premiers, permettent d'obtenir des rendements meilleurs, mais une quantité importante de l'énergie communiquée aux grains est dissipée en chaleur, qu'il est difficile d'évacuer. l'autre part, les cibles sur lesquelles sont projetés les grains s'usent très vite. La présente invention vise notamment à pallier ces inconvénients. Â cet effet, dans le procédé de broyage quelle concerne, les grains à broyer sont mis en rotation sur eux-mêmes avec une vitesse suffisante pour que les contraintes dans les grains,dues à la force centrifuge, provoquent la rupture de ces grains. Le procédé permet d'opérer avec des rendements énergétiques élevés. On a constaté qu'il possède également d'autres avantages, qui peuvent présenter dans certains cas un grand intérêt, par exemple pour l'enrichis- sement des minerais ou le broyage sélectif du ciment, notamment celui de provoquer des surfaces de rupture, principalement à la liaison des divers cristaux entre eux, ou à la liaison avec leur gangue ou leur matière intersticielle, ou celui de permettre de réaliser plus facilement les aubes granulométriques les meilleures, dans le cas par exemple, du ciment. Avantageusement, la mise en rotation des grains sur eux-memes est réalisée par la composante tangentielle de la réaction sur les grains d'une surface en mouvement relatif par rapport à ces grains. Cette façon de procéder permet, lorsque le coefficient de frottement entre les grains et la surface est convenable, de mettre en rotation des grains qui ne sont que grossièrement arrondis. De préférence, le mouvament relatif des grains par rapport à ladite surface est obtenu par la rotation de cette surface par rapport à un axe fixe, cette rotation provoquant le déplacement des grains sous l'action de la force centrifuge. On peut ainsi obtenir simplement les grandes vitesses de rotation des grains sur eux-mêmes nécessaires à leur rupture par force centrifuge. L'invention concerne également un appareillage pour la mise en oeuvre du procédé cidessus. Cet appareillage selon l'invention comporte un rotor monté à rotation sur un axe fixe, ce rotor comportant au oins une surface dont les-intersections avec des plans perpendiculaires a l'axe du rotor sont des courbes affectant des formes de spirale entourant au moins partiellement l'ase du rotor de sorte qu'elles présentant leur côté convexe dirigé vers lavant lors de la rotation dudit rotor. Cet appareillage s'apparente aux broyeurs à jet du turne à lan sueur centrifuge, mais il s'en différencie notablement par le mode de rupture des grains et par la courbure des surfaces portées par le rotor. in effet, les lanceurs centrifuges connus, destinés à projeter les grains à broyer sur une cible, comportent des canaux radiaux. Il en résulte notamment qu'une part appréciable de 11 énergie de lancement est absorbée par les frottements des grains sur les canaux. NorA seulement ces pertes réduisent le rendement, mais surtout elles provoquent une usure et un fort.dé- gagement de chaleur dans le rotor.Or, le lancement des grains se faisant généralement dans un vide partiel pour réduire la résistance de l'air, il est techniquement difficile évacuer à l'extérieur, par un refroidissement interne du rotor, cette grande quantité de chaleur. Il a été constaté ce résultat surprenant que, moyennant une courbure appropriée des surfaces portées par le rotor, non seulement les pertes par frottement sont réduites pour les grains qui glissent sur ces surfaces, mais surtout la plupart des grains sont irs en rotation.Cette rotation des grains absorbe bien entendu une quantité d'énergie qui est du même ordre de grandeur que celle absorbée par le frottement des grains qui glissent dans un lanceur centrifuge à canaux radiaux, mais elle présente cependant deux avantages - d'une part l'énergie de rotation absorbée ne provoque pas d' ecEauffement-du rotor, - d'autre part, elle provoque l'éclatement des grains par force centrifuge. Ainsi, même si l'on utilise une cible, son usure est considérablement réduite, puisque seuls les grains plats seront pulvérisés par un choc à son contact. De préférence, lesdites courbes ont à leur extrémité la plus rapprochée de l'axe du rotor un rayon de courbure sensiblement égal à la distance qui sépare cette extrémité de l'axe. Ainsi si les grains sont introduits dans le rotor à cette extrémités on évite tout choc au départ, et l'on peut assurer une croissance rapide mais continue des efforts. Avantageusement, lesdites surfaces ont un-coefficient de frotte ment aui diminue lorsque l'on s'éloigne de l'axe du rotor. La quasi totalité des grains se mettent alors à rouler, même stils ont une forme très éloignée de la forme ronde. D'autres caractéristiques et avantages de 11 invention ressortiront de la description qui suit d'une forme de réalisation préférée de l'appareillage selon l'invention, donnes à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin schématique annexé. Comme montré sur la figure, le broyeur selon l'invention comprend un rotor 1 muni de surfaces 2 qui peuvent etre constituées par des pales, des rainures, des canaux, ou tout autre moyen approprié. Le rotor 1 est entraîné en rotation autour de son axe 3 par des moyens connus en soi. les surfaces 2 sont ici cylindriques, leurs génératrices étant parallèles à l'axe 3. L'appareil comprend également une cible, réalisée en matériau dur et résistant à l1usure et formée d'un cylindre, ayant pour axe- l'axe 3 et entourant le rotor 1. Des moyens sont aussi prévus pour amener les grains à broyer en au moins un point du cercle 4 sur lequel sont situées les extrémités 5 des pales. Ces moins, ainsi que la ciblentont-pas été représen -tés au dessin. Le rotor tournant autour de l'axe 3 dans le sens de la flèche 6, les grains déposés sans vitesse au point 5 sont poussés vers l'extérieur par les pales sous l'effet de La force centrifuge. Un grain 7 situé sur une pale 2, au point x et du cbté convexe de la pale, subit un effet de réaction, dont la composante s normale à la pale applique le grain sur cette pale et dont la composante tangentielle est !. Si le grain glisse avec frottement sur la pale, on a T = s tg Si le grain roule sans frottement sur la pale, la force T crée un couple dans le grain, et sous 11 effet de ce couple, le grain se met en rotation et accélère progressivement sa rotation. Dans ce cas, bien qu'il n'y ait pas de pertes par frottement, l'énergie fournie par le rotor ne sert qu'en partie a lui donner l'énergie cinétique de translation au moment de son éjection ; une autre partie sert à lui donner de l'énergie cinétique de rotation. Au cours du déplacement, toujours dans le cas d'un roulement sans frottement, la valeur de ! croit, mais on peut choisir la forme de la pale pour que ce rapport reste inférieur à tgtf , afin qu'il nty ait jamais de glissement.On a constaté que tel était le cas lorsque : s=Bta83 où z est la distance de l'axe 3 à un point M de la pale 2, It est la distance de l'axe 3 au point origine 5-de la pale, a est une constante, et g est l'angle mesuré autour de l'axe 3 que fait le rayon vecteur avec un axe 8 lié au rotor et dans le plan du rotor. Gn constate que la pale est osculatrice au cercle de rayon R centré sur liaxe 3. neci assure qu'il n'y a pas de choc lorsque le grain est déposé à l'origine 5 de la pale. Si l'on suppose que ces grains sont de petits cylindres de rayon r, qu'ils roulent sans glisser sur les pales et qu'ils échappent au rotor avec une vitesse 7, leur vitesse de rotation best telle que wr=V Cette rotation crée, au centre du cylindre, une contrainte de traction ç que l'on peut évaluer approximativement par le calcul pour un matériau fragile, ce qui est le oas du ciment ou dés minerais f = p ç V2 8 où p est la masse volumique du matériau, et # son ooefficient de Poisson. A titre d1exemple, pour du ciment, on obtient une contrainte de ltordre de 130 kg/cm pour une vitesse de 100 metres par seconde, c'est-àdire une contrainte au moins deux fois supérieure à la résistance à la traction du ciment. Or la vitesse V peut etre très supérieure à ce seuil de 100 mètres par seconde. Cette rupture des grains par force centrifuge s'effectue avec un tres haut rendement énergétique, mais oe tracé des pales permet également de réduire dans une large proportion les pertes par frottement pour les grains qui ne sont pas mis en rotation. On a en effet constaté que cette réduction pouvait atteindre le tiers de ces pertes. Un perfectionnement de l'appareil consiste à réaliser les pales avec des striures appropriées, par exemple, de façon qu'elles aient, vers leur origine, un coefficient de frottement particulièrement élevé. ainsi, presque tous les grains sont mis en rotation. Ceci ne présente d'inconvénient ni pour l'usure des pales, ni pour les pertes par frottement, car à llorigines les réactions s et T sont faibles. Il a en effet été constaté que la quasi totalité des pertes se produisait sur la seconde moitié des pales. Par contre, au delà de cette zone initiale, on a tout intérêt à ce que les pales scient aussi lisses et glissantes que possible, d'une part parce que les grains dont la rotation a déjà été amorcée ont tendance à continuer à rouler, d'autant plus que les premiers roulements ont déjà arrondi les arêtes vives des grains, d'autre part parce qu'il convient de limiter les pertes d'énergie par frottement pour les quelques grains qui persistent a glisser. Comme il va de soi, la présente invention ne se limite pas à la forme d'exécution décrite ci-dessus, mais en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation. REVE2DI5A;IONS j - Procédé de broyage d'un matériau en grains, caractérisé en ce que les grains à broyer sont mis en rotation sur e=x-mêmes avec une vitesse suffisante pour que les contraintes dans les grains dues à la force centrifuge provoquent la rupture de ces grains. 2 - Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que la mise en rotation des grains sur eus-mêmes est réalisée par la composante tangentielle de la réaction sur les grains d'une surface en mouvement relatif par rapport à ces grains. 3 - Procédé selon la Revendication 2, caractérisé en ce que les grains sont maintenus appliqués sur ladite surface par la composante normale de la réaotion de sorte qu'ils roulent sensiblement sans glisser sur cette surface. 4 - Procédé selon l'une quelconque des Revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le mouvement relatif des grains par rapport à ladite surface est obtenu par la rotation de cette surface par rapport à un axe fixe, cette rotation provoquant le déplacement des grains sous ltaction de la force centrifuge. 5 - Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 à 4, et comprenant un rotor monté à rotation sur un axe fixe, caractérisé en ce que ce rotor comporte au moins une surface dont les intersections avec des plans perpendiculaires à l'axe du rotor sont des courbes affectant des formes de spirale entourant au moins partiellement l'axe du rotor de sorte qu'elles présentent leur côté convexe dirigé vers l'avant lors de la rotation dudit rotor. 6 - Appareillage selon la Revendication 5, caractérisé en ce que lesdites courbes ont à leur extrémité la plus rapprochée de l'axe du rotor un rayon de courbure sensiblement égal à la distance qui sépare cette extrémité de l'axe. 7 - Appareillage selon l'une quelconque des Revendications 5 et 6, caractrissé en ce que ladite surfaces est cylindrique, ses génératrices étant parallèles à l'axe du rotor. 8 - Appareillage selon l1une quelconque des Revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la distance d'un point desdites courbes à l'axe du rotor est sensiblement une lDnction linéaire du cube de la coordonnée angulaire de ce point, mesurée autour de l'axe. 9 - Appareillage selon l'une quelconque des Revendications 5 à 8, caracté risé ert ce que le rotor comporte plusieurs surfaces Identiques et réguliè- rement espacées. - - Appareillage selon l'une quelconque des Revendications 5 à 9, carac- térisé en ce que lesdites surfaces ont un coefficient de frottement qui diminue lorsque l'on s'éloigne de l'axe du rotor.