Brevet FR2522988A1 — publié le 19830916

Broyeur à moudre à haut rendement de particules ultra-fines " L'invention concerne un broyeur à moudre perfectionné du type comportant des pièces de broyage montées dans une chambre de broyage de manière à tourner jar rapport à un carter définissant la chambre de broyage de manière à tourner par rapport à un carter définissant la chambre de broyage dans laquelle le matériau à traiter est écrasé et moulu. Dans un très grand nombre de domaines industriels variés sont apparus ces dernières années des besoins croissants en particules ultrafines de taille inférieure à 1 micron Cependant, les quantités de par- ticules ultrafines de taille inférieure à 1 micron obtenues au moyen des broyeurs mécaniques classiques, ne représentant seulement que quelques pour cents de produit total moulu par le procédé de broyage, de sorte que les rendements de production de ces particules ultrafines sont extrêmement faibles. Si l'on considère plus en détail les broyeurs classiques tels qu'indiqués sur la figure 6, ces broyeurs sont généralement construits de façon qu'un carter 4 ' définissant une chambre de broyage 3 ' soit monté fixe ou lentement tournant, et qu'un appareil d'en- trainement 5 ' fasse tourner la pièce ou les pièces de meulage 9 ' à relativement grande vitesse le long de la surface périphérique intérieur du carter 4 ' Avec une telle construction, la remarque qui vient tout d'abord à lesprit, concernant le rendement de broyage, est que lorsqu'on entraîne les pièces de meulage 9 ' à grande puissance et à grande vitesse de rotation par rapport au carter 4 ', de manière à broyer le matériau entre ces différentes parties, le résultat n'est pas aussi efficace qu'on le voudraitcar le matériau se met simplement à tourner sous l'effet d'entraînement des pièces de meulage tournantes 9 ', sans produire une interaction de broyage suffisante avec le carter 4 ' de sorte que le procédé présente l'inconvénient de ne pas conduire à un broyage pous sé. Les broyeurs selon l'art antérieur présentent en outre l'inconvénient que si l'on fait tourner la ou les pièces de meulage 9 ' à très grande vitesse dans le but d'améliorer le rendement de broyage, le tourbillon d'air qui en résulte remue le matériau à broyer et l'en- trafne dans le sens du courant, ce qui diminue en pratique le rendement de broyage et ne permet pas d'obtenir une bonne uniformité de la taille des particules-produites. L'invention a pour but de pallier ces inconvénients de l'art antérieur en créant une structure simple et rationnelle permettant dbbtenir des grandes quantités de particules ultrafines avec un excellent rendement tout en garantissant une très bonne uniformité de la taille des particules moulues. A cet effet, l'invention concerne un broyeur à moudre muni de pièces de meulage montées à l'intérieur d'une chambre de broyage de manière à tourner par rapport à un carter définissant la chambre de broyage dans laquelle le matériau est broyé et moulu, broyeur caractérisé en ce que le carter est monté de manière à pouvoir tourner librement, en ce qu'un appareil d'entraînement permet de faire tourner le carter à grande vitesse autour d'un axe de rotation de manière à plaquer, sous l'effet de la force centrifuge, le matériau qu'il contient contre ses surfaces périphériques intérieures et en ce que les pièces de meulage sont montées soit de façon fixe, soit de manière à tourner à une faible vitesse absolue. On décrira maintenant plus en détail les avantages de fonctionnement résultant des caractéristiques de construction de l'invention Comme le matériau à moudre est fortement poussé par la force centrifuge contre les surfaces périphériques intérieures, de manière à se trouver broyé par interaction entre le carter et les pièces de meulage, il est possible d'empêcher effi- cacement le mouvement du matériau à moudre de se limiter à un petit mouvement effectif de rotation par rapport à la pièce ou aux pièces de meulage sans interaction de broyage suffisante avec le carter, tandis que les pièces de meulage sont conçues de manière à produire, entre celles-ci et le carter, une réduction progressive de l'inter- valle de broyage dans un rapport suffisant pour obtenir une force de broyage extrêmement grande, la retenue du matériau à moudre s'obtenant en réglant convenablement la vitesse de rotation du carter à une valeur suffisamment élevée pour correspondre à la valeur élevée du rapport de réduction de l'intervalle. On obtient ainsi un effet de broyage très important par coopération de la très forte force de compression centrifuge avec la force de cisaillement, ce qui permet d'obtenir, avec une excellente efficacité, des particules très fines et même ultrafines, c'est-à-dire de moins de 1 micron par exemple, dans une proportion de l'ordre de 30 à 40 % pour une forme de réalisation typique de l'invention, ce qui représente environ dix fois plus que dans le cas de l'art antérieur. De plus, comme la ou les pièces de meulage sont montées ici soit de façon fixe soit de manière à tourner à une vitesse absolue relativement faihle, on évite le phénomène indésirable d'entraînement du matériau à broyer par le courant tourbillonaire accompagnant les pièces de meulage tournantes, quelle que soit la vitesse de rotation relative de ces pièces par rapport ai carter Au contraire, plus la vitesse de rotation relative et donc absolue du carter est grande, plus la force de pression centrifuge du matériau à broyer contre le pourtour intérieur du carter est grande. Par suite, il est maintenant possible d'appliquer une force de broyage extrêmement élevée au matériau à broyer qui se trouve tassé sous une très forte densité Cela permet d'obtenir très efficacement des particules extrêmement fines avec un rendement de broyage excellent du fait de la vitesse de rotation relative extrêmement élevée entre le matériau à broyer et les pièces de meulage De plus, comme on peut maintenir le matériau à broyer dans un état relativement fixe par rapport au carter, sous l'effet de la force considérable de pression centrifuge l'appliquant contre le pourtour intérieur du carter, il est maintenant possible d'appli- quer un traitement de broyage très uniforme sur tout le matériau à broyer, ce qui permet d'obtenir des particules d'excellente qualité ne présentant qu'une très faible dispersion de tailles. Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, la chambre de broyage peut communiquer d'un c 8 té, dans le sens de l'axe de rotation du carter, avec un passage d'alimentation de matériau, et de l'autre c 8 té, dans le sens de l'axe de rotation, avec un passage de sortie du produit broyé Cela permet d'obtenir un broyage en régime continu améliorant notablement le rendement de production. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les diamètres des surfaces périphériques intérieures du carter peuvent augmenter soit progressive- ment soit par sauts en partant des plus petites valeurs au voisinage du passage d'alimentation pour atteindre les plus grandes valeurs au voisinage du passage d'extraction. Celà permet encore d'améliorer les performances de broyage, car les particules moulues dans le dernier étage de traitement qui sont donc les plus pulvérisées et les plus susceptibles d'être entraînées par le tourbillon ambiant, sont celles qui sont soumises à la force centrifuge maximum de sorte que la totalité du matériau se trouve ainsi pous- sée convenablement contre le pourtour intérieur du carter par une force uniformément répartie sur la totalité de ce pourtour. Dans une autre forme encore de réalisation de l'invention, on utilise des cloisons annulaires partant vers l'intérieur de la surface périphérique intérieure du carter pour servir de barrages de débordement cloisonnant la chambre de broyage en sections correspondantes dans le sens de l'axe de rotation Cela permet de ne faire avancer vers la section suivante que les particules moulues suffi- samment finement dans la section en question, de manière à améliorer encore la qualité de l'opération de broyage. L'invention sera décrite en détail au moyen des dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 est une vue de c 8 té en élévation, partiellement en coupe verticale, d'une forme de réalisation du broyeur à moudre,selon l'invention, associée à une illustration schématique des dispositifs auxiliaires utilisés dans l'ensemble de l'installation de broyage; lafigure 2 est une vue en coupe suivant le plan II-II de la figure 1; les figures 3 a et 3 b sont des vues en coupe verticale de variantes de réalisation du carter de la chambre de broyage; la figure 4 est une vue partielle, en coupe et à plus grande échelle d'une variante de réalisa- tion d'une cloison annulaire divisant en plusieurs sec- tions la chambre de broyage; les figures 5 a, 5 b, 5 c, 5 d, 5 e repré- sentent-différentes variantes des pièces de meulage, dans lesquelles 5 a et 5 b sont des vues en perspective à plus grande échelle, 5 c et 5 d sont respectivement des vues à échelle normale et à échelle agrandie et 5 e est une vue en coupe verticale et la figure 6 est une vue de c 8 té sché- matique en élévation et partiellement en coupe verticale, d'une construction de broyeur de meulage selon l'art antérieur. On décrira tout d'abord la forme de réalisation de broyeur de meulage représentée sur les figures 1 et 2. Un arbre rotatif vertical 2 est monté en rotation sur un socle 1 Une chambre de broyage 3 est définie par un carter tubulaire à fond plein 4 monté sur l'extrémité supérieure de l'arbre rotatif 2 dont l'extré- mité inférieure est accouplée à un dispositif d'entrai- nement 5 constitué d'un moteur électrique 5 a, d'un changeur de vitesse 5 b et autres Le carter 4 est ainsi destiné à être entrainé en rotation tandis qu'il reçoit le matériau à broyer, lequel se trouve donc poussé par la force centrifuge contre les surfaces périphériques intérieures 4 a, 4 b, 4 c du carter Pour adapter la force centrifuge aux caractéristiques particulières du matériau à broyer, le dispositif d'entraînement est conçu de façon qu'on puisse régler la vitesse de rotation du carter 4. Si l'on considère plus en détail le dispositif d'alimentation du matériau à moudre, une partie en saillie conique 4 d est montée, la pointe tournée vers le haut, sur la partie centrale du carter 4, et un passage d'alimentation est placé au-dessus de la pointe du c 8 ne en alignement avec celle-ci de façon que le matériau à moudre puisse descendre dans ce passage d'alimentation. Un capot extérieur 7 supportant un tuyau de passage 8 loge le carter rotatif 4 et se monte à son tour sur le socle 1 Le tuyau 8 porte de solides pièces de meulage 9 a, 9 b, 9 c montées radialement vers l'extérieur et faisant corps art&ulairement avec ce tuyau 8 Ces pièces de meulagq viennent se loger dans la chambre de broyage 3 pour moudre et broyer le matériau à traiter en coopérant avec le carter rotatif 4 Pour permettre un broyage en régime continu, le capot 7 est équipé d'un passage de communication 10 permettant d'extraire les particules moulues qui sont évacuées en rotation par le haut de la chambre de broyage 3. Le carter 4 est construit de façon que les diamètres intérieurs des surfaces périphériques intérieures croissent par sauts successifs pour passer du plus petit diamètre sité dans le bas c'est-à-dire près du passage d'alimentation 6, au plus grand diamètre situé dans le haut c'està-dire près du passage de sortie 10 En face de ces surfaces périphériques intérieures de diamètres différents 4 a, 4 b, 4 c viennent convenablement se placer les pièces de meulage respectives 9 a, 9 b, 9 c et des cloisons annulaires lia, 11 b, 11 c sont prévues intérieure- ment sur les surfaces périphériques intérieures 4 a, 4 b, 4 c du carter pour former des barrages de déversement, cloisonnant ainsi la chambre de broyage 3 en sections respectives montées en série dans le sens de l'axe de rotation. On peut ainsi ne faire avancer successivement vers la section suivante, par débordement sur les cloisons annulaires lia, 11 b, 11 c, que les particules suffisamment finement pulvérisées dans la section en question, et pous- ser convenablement la totalité du matériau contre les surfaces périphériques intérieures 4 a, 4 b, 4 c du carter grâce à l'action de la force centrifuge uniformément répartie sur tout le pourtour de la chambre de broyage 3, en tenant compte du fait que les particules moulues dans le dernier étage de traitement, qui sont les plus finement pulvérisées et par conséquent, les plus susceptibles d'être entra nées dans le tourbillon ambiant, sont celles qui sont soumises à la plus grande force centrifuge correspondant au plus grand diamètre de rotation, comme indiqué ci-dessus. Juste au-dessous et dans le prolongement du carter 4 est prévu un ventilateur 12 destiné à aspirer l'air atbiant par un orifice d'aspiration 13 percé dans le bas du capot 7 et à pousser cet air pour qu'il refroidisse l'extérieur du carter 4 et sorte par le passage de sortie f O en formant un courant d'air èntrainant avec lui les particules moulues, ce qui constitue ainsi un milieu d'en- trainement pneumatique. Dans le prolongement du passage de sortie se montent en cyclone 14 destiné à trier les particules, un collecteur de particules ultrafines 15 constitué par exemple par un collecteur électrostatique de poussières ou autre, et un ventilateur d'aspiration 16, ces différents éléments étant montés dans l'ordre illustré sur la figure 1 L'orifice de sortie des grosses particules du cyclone 14 de tri des particules est relié par un disposi- tif d'alimentation rotatif 17 au passage d'alimentation 6, de manière à recycler ainsi les particules insuffisam- ment traitées pour les broyer et les moudre de nouveau. De plus, un passage de soufflerie d'in- jection 18 destiné à amener une quantité convenable d'air, de gaz inertes ou autres, et un dispositif 19 d'alimenta- tion en matériau à broyer, sont également reliés au passage d'alimentation 6, un autre dispositif d'alimenta- tion 20 pouvant en outre être relié au passage de sortie pour y amener un matériau à broyer ayant déjà subi un broyage préliminaire convenable par un procédé séparé, de manière à réaliser ainsi la configuration d'alimenta- tion optimale correspondant aux caractéristiques spéci- fiques du matériau à broyer;en question. Les matériaux à broyer envisagés peuvent être de nature très différentes, comme par exemple diffé- rents produits minéraux, du carbonate de calcium, du talc ou autres. On décrira maintenant les formes de réali- sation des figures 3 à 5. Les formes des surfaces périphériques intérieures du carter 4 peuvent être modifiées très 1 o librement pour passer par exemple de la forme générale d'un cylindre creux uniforme représentée sur la figure 3 a à une forme s'évasant doucement de façon continue pour atteindre son diamètre maximum à l'extrémité supérieure, comme indiqué sur la figure 3 b, ou pour prendre encore toute autre forme quelconque. De plus, l'axe de rotation du carter 4 peut aussi bien être incliné ou même horizontal, et l'on peut régler de n'importe quelle manière convenable la vitesse de rotation du carter 4, suivant les conditions d'utilisation et notamment les caractéristiques du matériau à broyer et les diamètres intérieurs du carter. Les cloisons annulaires lia, 11 b, lic peuvent présenter une section telle que celle indiquée sur la figure 4 avec des flancs inclinés permettant d'a- doucir le mouvement d'avancement axial du matériau à broyer On est également libre de modifier de façon quel- conque la taille, la forme, le nombre etc des cloisons annulaires lia, 11 b, 11 c En ce qui concerne-le nombre des cloisons annulaires on pourrait même envisager dans certains cas pratiques, de les supprimer complètement. On peut également modifier de nombreuses façons les détails de structure des pièces de meulage 9 a, 9 b, 9 c Ainsi, pour améliorer le rendement de broyage, les surfaces de travail, des pièces de meulage peuvent être creusées de rainures dont deux exemples sont repré- sentés en 21 sur les figures 5 a et 5 b; la largeur la plus étroite et la profondeur la plus faible se situant dans la position la plus avancée par rapport au sens de rotation du carter, de manière à obtenir de la rainure 21 la force de broyage et d'écrasement la plus importante. La figure 5 c représente une autre possi- bilité selon laquelle un ressort de compression 22 pousse la pièce de meulage de façon qu'elle pivote en venant s'appuyer élastiquement contre le carter 4 et puisse s'é- carter élastiquement de celui-ci quand un obstacle se présente entre les deux pièces, de manière à éviter les surcharges dangereuses qui en résulteraient Le même effet peut également être obtenu en utilisant des pièces de meu- lage en forme de rouleaux comme indiqué sur la figure 5 d. Il est encore possible, comme indiqué sur la figure 5 e de munir les rouleaux de rainures périphériques annulaires dont la largeur se rétrécit vers l'intérieur. On peut encore imaginer d'autres varian- tes de formes,' de types ou de nombres de matériaux, en réalisant par exemple la surface extérieure dans un matériau très résistant à l'abrasion, ou autre On peut encore réaliser les pièces de meulage 9 a, 9 b, 9 c de façon qu'elles roulent doucement le long de la surface périphé- rique intérieure du carter 4 dans le même sens que celui- ci ou en sens inverse, de manière à permettre ainsi un réglage convenable de la vitesse de rotation relative entre les pièces de meulage 9 a, 9 b, 9 c et le carter 4 Il est encore possible et préférable de munir les pièces de meulage 9 a, 9 b, 9 c d'une chemise de refroidissement convenable permettant la circulation d'un fluide de refroi- dissement tel que de l'eau ou autre, pour obtenir ainsi un refroidissement forcé des pièces de meulage 9 a, 9 b, 9 c. Il serait également possible de construire l'ensemble du broyeur à moudre selon l'invention de manière à mettre en oeuvre un fonctionnement par fournées Enfin, il va sans dire que les dispositifs auxiliaires du broyeur 1 1 tels que ceux destinés à l'alimentation du matériau à broyer dans la chambre de broyage 3 ou à l'extraction des particules moulues etc peuvent être modifiés, ajoutés ou supprimés très librement, de n'importe quelle manière convenable. REVENDICATIONS ) Broyeur à moudre muni de pièces de meulage ( 9 a, 9 b, 9 c) montées à l'intérieur d'une chambre de broyage ( 3) de manière à tourner par rapport à un carter ( 4) définissant la chambre de broyage ( 3) dans la- quelle le matériau est broyé et moulu, broyeur caractérisé en ce que le carter ( 4) est monté de manière à pouvoir tourner librement, en ce qu'un appareil d'entralnement ( 5) permet de faire tourner le carter ( 4) à grande vitesse autour d'un axe de rotation de manière à plaquer, sous l'effet de la force centrifuge, le matériau qu'il contient contre ses surfaces périphériques intérieures ( 4 a, 4 b, 4 c) et en ce que les pièces de meulage ( 9 a, 9 b, 9 c) sont montées soit de façon fixe soit de manière à tourner à une faible vitesse absolue. 2 ) Broyeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de broyage ( 3) communique par une extrémité avec un passage d'alimentation de maté- riau ( 6) situé latéralement d'un côté, dans le sens de l'axe de rotation du carter 4, et par l'autre extrémité avec un passage d'extraction du produit moulu ( 10) situé latéralement de l'autre c 8 té dans le sens de l'axe de rotation. ) Broyeur selon l'une quelconque des revendications 1 êt 2, caractérisé en ce que les surfaces périphériques intérieures ( 4 a, 4 b, 4 c) du carter 4 pré- sentent un diamètre minimum à l'endroit le plus voisin du passage d'alimentation ( 6) et un diamètre maximum à l'endroit le plus voisin du passage d'extraction ( 10). 40) Broyeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces périphériques intérieures ( 4 a, 4 b, 4 c) du carter ( 4) sont construites de manière étagée présentant des sauts discon- tinus de diamètres. 50) Broyeur selon l'une quelconque des Z 522988 revendications l à 4, caractérisé en ce que des cloisons annulaires ( 11 a, 11 bi, 11 c) sont prévues intérieurement sur les surfaces périphériques intérieures ( 4 a, 4 b, 4 c) du carter ( 4) pour servir de barrages de débordement partageant la chambre de broyage ( 3) en sections corres- pondantes dans le sens de l'axe de rotation.