Brevet FR2615412A1 — publié le 19881125

PIECE D'USURE COMPOSITE POUR BROYEURS HORIZONTAUX La présente invention concerne une pièce d'usure composite pour broyeurs horizontaux, constituée d'un socle non-métallique coiffé, au moins sur la majeure partie de sa surface exposée, d'un chapeau constitué d'une matière résistante à l'usure. Quoique n'y étant pas limitée, l'invention vise plus particulièrement les releveurs dans les broyeurs horizontaux en broyage humide. Ces releveurs forment des nervures disposées longitudinalement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe de rotation sur la paroi intérieure du broyeur et sont radialement en saillie par rapport à celle-ci. Le but de ces releveurs est de brasser et de relever, lors de la rotation du broyeur, la charge constituée de boulets de broyage, ainsi que la matière à broyer pour favoriser le broyage de la matière entre les boulets sous l'action des chocs et, de préférence, les frictions se produisant entre les boulets en mouvement. L'invention s'applique toutefois également aux plaques de blindage disposées entre les releveurs. Les pièces de blindage et les releveurs classiques sont des pièces coulées à base d'alliages ayant nécessairement de bonnes propriétés de résistance à l'usure. L'inconvénient de ces pièces est leur poids élevé et le dégagement et la transmission de bruit lors de l'opération de broyage. Pour remedier à cet inconvénient, on a déjà tenté de remplacer les releveurs métalliques par des releveurs en caoutchouc. Dans ce cas il est toutefois difficile de concilier les formes des pièces imposées par le besoin d'une diminution de l'usure et celles imposées par la recherche d'une trajectoire de chute idéale des boulets. Pour un fonctionnement efficace du broyeur, il est en effet souhaitable que la charge glisse ou roule dans le broyeur, car, si les boulets retombent après avoir été remontes par les releveurs, ltefficacité du broyage diminue et les risques d'usure et de casse des releveurs et du blindage augmentent. Or, les releveurs en caoutchouc ont soit une forme appropriée à une résistance à l'usure, mais, dans ce cas, la trajectoire de chute est mauvaise. Inversément, si la forme des releveurs convient pour la trajectoire des boulets, soit ils s'usent trop vite, soit ils sont déjà usés. Pour remédier à ce problème, on a proposé des releveurs dont la forme convient pour les mouvements de la charge et pour lesquels on a essayé de résoudre les problèmes d'usure en coiffant la surface exposée des releveurs d'un chapeau métallique ayant de bonnes pro priétés de résistance à l'usure. Toutefois, cette proposition a créé un nouveau problème causé par la structure légèrement déformable du caoutchouc. Les impacts locali sés des boulets sur les chapeaux métalliques entrarnent, en effet, rapidement des fissurations et des ruptures des chapeaux métalliques, car les supports en caoutchouc n'offrent pas une résistance suffisante à la déformation. Le but de la présente invention est de proposer de nouvelles pièces d'usure pour broyeurs horizontaux qui permettent une diminution sensible du poids et du bruit dégagé, sans pour autant souffrir des inconvénients des pièces réalisées, au moins partiellement, en caoutchouc. Pour atteindre cet objectif, la présente invention propose une pièce d'usure composite qui est caractérisée en ce que le socle est-essentiellement constitue d'une résine réactive polymérisant, in situ, au contact de la surface adjacente du chapeau. L'un des avantages des résines par rapport au caoutchouc est d'être beaucoup moins déformables et de constituer, par conséquent, un meilleur support pour les chapeaux d'usure, permettant à ceux-ci de mieux résister aux impacts. Les plaques d'usure constituant les chapeaux des releveurs peuvent, de ce fait, être relativement minces, ce qui offre la possibilité d'utiliser des matériaux très performants et plus chers sans pour autant augmenter sensiblement le prix de revient global. Les matériaux utilisables sont, bien entendu, des alliages résistants, mais également des matières céramiques. Dans une variante de la présente invention, le chapeau résistant à l'usure peut être constitué de la même résine réactive avec dispersion de particules résistantes. L'utilisation des résines garantit également le maintien des avantages offerts -par le caoutchouc, à savoir l'amortissement des vibrations et la diminution du bruit et du poids. Les résines ont, en outre, l'avantage d'un meilleur comportement lorsque la température s'élève, contrairement au caoutchouc qui a tendance à vieillir avec l'augmentation de la température. Les résines offrent, en plus, des facilités de fabrication. I1 est rappelé que les pièces en caoutchouc sont fabriquées par injection de caoutchouc dans une forme. Le caoutchouc est ensuite durci par vulcanisation. C'est pendant cette opération que les parties métalliques sont solidarisées au caoutchouc. Les résines, par contre, sont coulées directement sur les plaques d'usure à une température d'environ 800c. dans un moule de conception beaucoup plus simple. La fixation de la résine sur la plaque, ainsi que le durci sement irréversible de la résine sont la conséquence naturelle et automatique de la polymérisation de la résine. On va maintenant décrire, en référence aux figures 1 et 2 annexées, deux modes de réalisation avantageux de releveurs pour un broyeur horizontal, réalisés conformément à la présente invention. Le releveur représenté en coupe transversale sur la figure 7 présente globalement la forme d'un p?ralléli- pipède à section trapézoldale qui est monté dans un broyeur de manière à tourner dans le sens de la flèche A, c'est-à-dire que sa face inclinée est celle qui est exposée et qui sert â relever la charge et la matière à broyer. La partie représentée par la référence 1 est le socle en résine qui est coiffé sur la surface exposée d'une plaque d'usure 2 en alliage résistant ou en céramique. Cette plaque 2 peut être relativement mince et présente globalement une section en aile d'avion. La base du releveur est, de préférence, pourvue d'une rainure longitudinale 3 en forme de glissière pour permettre la fixation du releveur sur la paroi 4 d'un broyeur à l'aide de boulons 5 ou par d'autres moyens connus en sOi. Dans le mode de réalisation de la figure 2 qui comporte les mêmes chiffres de référence pour désigner les éléments correspondants à ceux de la figure 1, le chapeau d'usure 2 de la figure 1 a été remplacé par une dispersion des particules 6 métalliques résistantes ou de céramique dans la partie exposée du socle en résine. Les socles ou éléments non métalliques du blindage ont la caractéristique d'être fabriqués en présence et au contact des éléments durs. Cette solidarisation se fait soit en appliquant la matière devant former ces éléments non métalliques au contact direct du chapeau dur correspondant, devant préférentiellement être exposé à la charge à broyer, soit en y dispersant, alors qu'elle est toujours à légat liquide, une matière dure finement divisée. Pour l'une et l'autre de ces deux variantes, on a d'abord constate que l'adhérence entre la partie non métallique et la partie dure est déterminante et que cette adhérence n'est obtenue de manière efficace et économique qu a condition de mettre en oeuvre la partie non métallique au départ de résines liquides réactives durcissant sous l'effet de la chaleur et/ou d'un catalyseur de polymérisation. Un état liquide peu visqueux de ces resines permettant d'assurer le mouillage correct des éléments durs et une interface exempte de poches d'air susceptibles d'amorcer le décollement, a été obtenu en sélectionnant ces résines parmi les polyisocyanates et les polyols de masse moléculaire inférieure à 4000 formant après réaction des réseaux polymères réticulés de types polyuréthane. La présente invention ne se limite pas à ces résines mais s'étend aux autres résines ayant un comportement physiochimique similaire, telles que les résines époxydes avec durcisseur de type amine ou anhydride ou encore les résines thermodurcissables de types polyesters modifiées ou non. On comprend aisément que des élastomères tels que le caoutchouc naturel ou le caoutchouc synthétique vulca nisés par le soufre, qui ont déjà été envisagés dans ce type d'application, n'offrent pas les avantages décrits ci-dessus. En effet, la viscosité extrêmement élevée du caoutchouc compromet le mouillage correct d'une surface étrangère. S'il s'agit d'appliquer la matière non métallique sur la face qu-asiment plane et relativement importante d'un chapeau métallique de releveur par exemple, il est toutefois possible de mettre en oeuvre du caoutchouc vulcanisable et d'assurer une interface valable à condition de recourir à des techniques fastidieuses et onéreuses telles que le moulage sous pression très élevée, qui implique notamment que la partie métallique soit exactement rapportée au moule et que la face de contact soit uniforme. La présente invention supprime ces diffi cultés et permet l'application des résines liquides, à pression atmosphérique, sur des éléments métalliques aux tolérances variables et dont la face de contact peut présenter d'importantes irrégularites de surface, ce qui est le cas quand cette partie métallique est obtenue par un procédé de fonderie. S'il s'agit de disperser une matière dure finement divisée dans la partie non métallique des éléments de blindage, le recours au caoutchouc vulcanisable entraînerait un endommagement excessif par abrasion des équipements de compoundage et cette approche n'a même pas été envisagée. On a par contre constaté que des charges minérales à dose élevée de l'ordre de 25% en poids et plus peuvent être correctement dispersées dans les résines liquides réactives de la présente invention et surtout ne compromettent pas l'utilisation efficace des techniques économiques de mise en oeuvre de ces résines par pompage, dosage et mélangeage en continu, ce qui est surprenant. Outre la bonne adhérence résultant du mouillage parfait entre les constituants non métalliques des elle ments de blindage, la présente invention offre des avantages substantiels au niveau du comportement intrinsèque de ces nouveaux éléments dans un broyeur de service. S'il s'agit de releveurs hybrides formés d'une base en résine et d'un chapeau métallique, on n'a enre gistré aucune fissuration du chapeau métallique pourtant fragile et relativement mince après 2.000 heures de fonctionnement dans un broyeur à sable de quartz d'un diamètre de 2.200 mm, alors que des cas de fragmentation de la pièce métallique ont été rapportés lorsque la base est en caoutchouc vulcanisé. On doit admettre que les propriétés viscoélastiques particulières de la résine, soit son module d'é lasticité et son facteur d'amortissement, sont spécialement bien adaptées à la protection du chapeau métallique vis-à-vis des chocs répétés avec la charge, ce qui est inattendu sachant que le facteur d'amortissement de ces résines est sensiblement inférieur à celui du caoutchouc vulcanisé. L'avantage décisif de la présente invention vis-à-vis du savoir-faire antérieur est évidemment de pouvoir moduler la composition de la résine de maniere à adapter ses propriétés viscoélastiques à une protection optimale des segments métalliques vis-à-vis de l'impact, sachant que ces parties métalliques peuvent varier par leur dureté, leur fragilité et leur géométrie.Il est bien connu en effet que les propriétés viscoélastiques du caoutchouc vulcanisé ne peuvent être contrôlées que dans des limites étroites, le module d'élasticité est toujours faible et le facteur d'amortissement est toujours élevé. Les résines exploitées dans la présente invention permettent de fixer le facteur d'amortissement quasi indépendamnent du module d'élasticité, ce qui n'est pas le cas pour le caoutchouc vulcanisé. Elles permettent également d'atteindre des modules d'élasticité tels que la- raideur des socles non métalliques empêche toute déformation des chapeaux métalliques et protège, par conséquent, ceux-ci de la rupture. Enfin, dans une exécution particulière de la présente invention, on peut introduire dans la résine des renforts métalliques permettant de raidir les socles qui s'opposent également à la déformation des chapeaux fragiles, ce qui est technologiquement impossible dans le cas de socles en caoutchouc vulcanisé. S'il s'agit d'éléments de blindage à base de résines chargées d'éléments durs finement dispersés, on a constaté que l'usure de tels éléments est extrêmement faible alors que des éléments similaires en caoutchouc vulcanisé accusent en service une usure importante (voir exemple). Exemple 1 Un releveur constitué d'un socle non métallique et d'un chapeau métallique a été préparé comme suit. On a prépare une résine du type polyuréthane par la techique des mélanges à deux composants. La fraction polyisocyanate comprenait un mélange de méthylènediphenyldiisocyanate et de triisocyanate cyclique dont la fonctionnalité moyenne est de 2.13. La fraction polyol comprenait 54 parts de polyester diol ayant un poids équivalent de 500, 40,5 parts de polyester diol ayant un poids équivalent de 1.000, 4,6 parts de triméthylolpropane, 0,1 parts de catalyseur organo-stannique et 0,8 parts de colorant rouge pour distinguer les pièces d'essai dans un broyeur horizontal industriel. On a préparé un moule à parois verticales dont une paroi est constituée de la pièce métallique destinée à devenir le chapeau du releveur. Cette pièce a été préalablement dégraissée et séchée à la chaleur. Les autres parois intérieures du moule sont rendues antiadhérentes vis-à-vis de la résine par un dépôt de téflon. Enfin on a fixé sur la paroi du moule opposee à la partie métallique de la pièce un profilé d'acier à section rectangulaire, destiné à la fixation du releveur sur la virole du broyeur. La fraction polyol est dadditionnée de 25t de carbonate de calcium précipité calculé sur la partie non métallique de la pièce et est mélangée en continu à la fraction polyisocyanate dans le rapport pondéral 4 à 1 avant d'être introduite dans le moule. La résine liquide dont la temperature a été portée à 400C a une viscosité de 2.400 cpS telle que mesurée à l'aide du viscosimètre rotatif Brookfield à la vitesse de 12 rpm. Après 11 minutes, la résine a complètement durci. Le moule est ouvert et le chapeau métallique adhère parfaitement à la partie non métallique. Ce releveur est monté dans un broyeur horizontal de type FLS diamètre 2.200 mm. On relève au cours du temps l'usure du chapeau métallique. Les valeurs enregistrées sont données au tableau 1. Exemple 2 Un élément de blindage de broyeur horizontal constitué d'une résine additionnée d'une charge dure finement divisée a été préparé comme suit. La résine de type polyuréthane est préparée selon la technique de l'exemple 1. Les fractions polyols et polyisocyanates sont identiques à celles décrites à l'exemple 1. Au moment du mélange, on introduit dans le flux de polyol 31t de calcaire par rapport à la résine et le dosage des deux fractions est réglé de manière à obtenir un excès de 5 de fonctions isocyanates par rapport à la quantité stoechiométrique d'hydroxydes. Le mélange des fractions et de la charge est introduit dans le moule garni d'un tube d'acier à section rectangulaire pour la fixation, comme dans le cas du releveur de l'exemple-1. Après 10 minutes, la résine a complètement durci. Après l'ouverture du moule, on obtient la pièce prête à être déposée sur la virole du broyeur. TABLEAU 1 Heures de Usure du chapeau fonctionnement en pourcentage 380 h. 3,67 % 813 h. 9,2 2, 1.168 h. 19,48 , 1.709 h. 34,19 % 2.066 h. 39,70 t REVENDICATIONS 1. Pièce d'usure composite pour broyeurs horizon taux constituée d'un socle non-métallique (1), coiffé, a moins sur la majeure partie de sa surface exposée, d'u chapeau (2) constitué d'une matière résistante à l'usure caractérisée en ce que le socle (1) est essentiellemen constitué d'une résine réactive polymérisant, in situ, a contact de la surface adjacente du chapeau. 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chapeau (2) est constitué d'un alliag métallique. 3. Pièce selon la revendication 1, caracterisé en ce que le chapeau (2) est constitué de matière céra mique. 4. Pièce selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chapeau est constitue de la même matière nc métallique que le socle dans lequel est dïspersée un matière dure finement divisée (6). 5. Pièce selon l'une quelconque des revendi cations 1 à 4, caractérisée en ce que la résine contier une dispersion de calcaire. 6. Pièce selon l'une quelconque des revendicc tions 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est conçue comn releveur. 7. Broyeur horizontal équipé de releveurs sel la revendication 1.