Extrusion : une introduction

1. Qu'est-ce que l'extrusion ?

Les procédés d'extrusion sont utilisés dans diverses industries, notamment dans l'industrie pétrochimique/plastique pour le compoundage des plastiques et la production de granulés utilisables par le client, ou encore dans l'industrie agroalimentaire pour fabriquer des pièces comestibles de différentes formes.

L'extrusion consiste à transformer...

L'extrusion est un procédé très efficace, car plusieurs opérations unitaires peuvent se dérouler dans le même équipement : mélange, chauffage, fusion, cuisson, réaction chimique, granulation, etc. Cela en fait cependant un procédé difficile à maîtriser, car il implique de nombreuses transformations chimiques et physiques.

Un procédé d'extrusion typique comprend les étapes suivantes :

• Alimentation en matière première : généralement des solides en vrac (poudres ou granulés)
• Extrusion
• Filière
• Granulation

Les broyeurs à marteaux font partie de la famille des broyeurs à impact, ce qui signifie que l'effet de broyage est obtenu grâce à la vitesse à laquelle les particules sont percutées, ici, par un ou plusieurs rotors.

2. Comment fonctionne un broyeur à marteaux ?

Les broyeurs à marteaux sont conçus avec un arbre sur lequel sont montés plusieurs "marteaux", qui ont généralement la forme de plaques épaisses. L'arbre tourne à l'intérieur d'un carter, et à la sortie du broyeur est montée une grille dont la taille déterminera quelles particules sont suffisamment fines pour quitter le broyeur. Le broyeur peut être alimenté et déchargé par gravité lorsqu'il est utilisé comme concasseur, tandis que les produits broyés peuvent être transportés pneumatiquement, en utilisant le grand volume d'air déplacé par le broyeur, pour des applications de broyage fin.

Figure 1 : Composants d'un broyeur à marteaux (décharge par gravité)

2.1 Marteaux

Le nombre de marteaux dans un broyeur est variable, en fonction de la finesse recherchée ainsi que de la capacité du broyeur. Cependant, en général, plus le nombre de marteaux est élevé, plus le produit sera fin, mais la capacité diminuera également.

Le broyeur peut être plus ou moins large selon le nombre de rangées de marteaux montées sur l'arbre. Chaque rangée de marteaux est séparée des autres par une plaque d'espacement.

La longueur des marteaux peut également être ajustée. Si la longueur des marteaux est augmentée, en se rapprochant de la grille, le produit résultant sera plus fin, mais la capacité diminuera. Des marteaux plus courts produiront un produit plus grossier, mais permettront une capacité plus élevée.

2.2 Vitesse de rotation de l'arbre

Le deuxième aspect clé de la conception et du fonctionnement d'un broyeur à marteaux est la vitesse de rotation. Comme le principe de broyage repose sur l'énergie de l'impact, plus la vitesse est élevée, plus le produit peut être fin, car les particules percutent les marteaux à haute vitesse et sont également projetées les unes contre les autres ou contre la grille à haute vitesse.

Il faut cependant veiller à ne pas augmenter la vitesse sans raison spécifique et sans précaution, car une vitesse élevée augmente l'apport d'énergie, l'élévation de température et la fatigue mécanique de l'ensemble du broyeur, ce qui peut entraîner des besoins de maintenance accrus. Les vitesses de rotation très élevées seront réservées aux matériaux tendres pour un broyage fin, tandis que des vitesses plus faibles seront utilisées pour le concassage de produits plus gros ou plus durs.

2.3 Taille de la grille

La taille de la grille permet de contrôler la granulométrie du produit broyé en empêchant les particules trop grosses de quitter le broyeur avant d'être fragmentées. Réduire la taille de la grille permet ainsi de réduire la distribution granulométrique du produit final, mais cela se fera au détriment de la capacité du broyeur.

2.4 Entraînement

Un broyeur à marteaux doit être équipé d'un variateur de fréquence afin de pouvoir contrôler la vitesse et ainsi ajuster la capacité et la finesse résultante des matériaux.

2.5 Alimentation en produit

L'alimentation du broyeur doit être contrôlée (au moins de manière approximative) par un équipement de dosage tel qu'un tube vibrant, un convoyeur à vis ou une vanne rotative à sas. Si le broyeur est large, avec plusieurs rangées de marteaux séparées par des plaques d'espacement, le système d'alimentation doit permettre une bonne répartition de l'alimentation sur toute la longueur du broyeur. Comme le broyeur nécessitera beaucoup d'air, il est également crucial de prévoir une entrée d'air.

2.6 Évacuation du produit

Si le broyeur est utilisé comme concasseur, c'est-à-dire que la granulométrie du produit fini est assez grossière (>> 1 mm), alors le broyeur peut être déchargé par gravité. Cependant, pour des tailles cibles plus fines, nécessitant des vitesses très élevées et donc un déplacement important d'air, le produit final peut être transféré pneumatiquement. Dans tous les cas, il est nécessaire de prendre en compte les besoins en air du broyeur et de prévoir des filtres à l'aspiration d'air et à la sortie d'air (dans la trémie de décharge pour une décharge par gravité, ou dans la trémie de réception après transport pneumatique).

La gestion de l'air dans un broyeur à marteaux doit être soigneusement étudiée. [Liu] mentionne qu'un débit d'air incorrect peut faire perdre jusqu'à 50 % de la capacité d'un broyeur. La règle empirique suivante est donnée :

• 260 m³/h à 775 m³/h pour 1 m² de surface de grille
• 1350 m³/h à 2050 m³/h pour 1 t/h d'alimentation

Ce ne sont que des règles empiriques ; l'assistance d'un fournisseur de broyeurs est indispensable pour la conception détaillée.

2.7 Sécurité

Les broyeurs à marteaux comportent des éléments rotatifs, les marteaux, à très haute vitesse (jusqu'à 120 m/s). L'introduction de corps étrangers, tels que des particules métalliques, peut donc avoir des conséquences mécaniques et de sécurité graves (explosions de poussière). Le broyeur doit donc être protégé par un tamisage de l'alimentation et par la mise en place d'un aimant puissant, voire d'un détecteur de métaux, à l'entrée. Le risque d'explosion de poussière doit également être traité en utilisant un broyeur résistant aux explosions ou en mettant en place des protections (panneaux anti-explosion, systèmes de suppression, etc.).

3. Broyeurs à marteaux industriels

Les broyeurs à marteaux sont typiquement utilisés dans des procédés industriels de grande envergure nécessitant un débit élevé tout en garantissant un produit relativement fin.

Les grands broyeurs à marteaux peuvent atteindre des débits de 20 à 50 t/h selon la granulométrie souhaitée (plus fin, capacité moindre ; plus grossier, capacité accrue). Les matériaux ayant une taille allant jusqu'à 60 mm peuvent être broyés jusqu'à ~1 mm, tandis que, si l'alimentation est déjà plus fine (10 mm), les broyeurs à marteaux peuvent atteindre des tailles inférieures à 500 microns.

Source

[Liu] Fondamentaux du broyage à marteaux et du broyage par jet, Gary Liu, CEP, 2017