Cette page a pour objectif d'expliquer étape par étape comment déterminer les caractéristiques de flux d'une poudre à partir d'une série de tests de cellules de cisaillement.

De quoi s'agit-il

Comment mesurer la fluidité des poudres ?

Il existe différentes façons de caractériser la fluidité des poudres. De nombreuses méthodes sont plutôt empiriques et donnent une "idée" plutôt qu'une quantification de la fluidité des poudres. La seule méthode de test de fluidité des poudres reconnue à ce jour pour générer des données de fluidité qui peuvent être utilisées pour concevoir une installation est d'utiliser une cellule de cisaillement pour tester la poudre et mesurer ses caractéristiques de flux. Cette méthode est parfois appelée méthode Jenike du nom d'Andrew Jenike qui a développé les tests de cellules de cisaillement. Elle permet de calculer les caractéristiques suivantes :

• Angle de frottement interne
• Fonction de flux de poudre (MFF)
• Angle de frottement sur les parois

Qui peuvent ensuite être utilisés pour concevoir des entonnoirs garantissant débit massique (pas de blocage de flux, pas de zone morte dans l'entonnoir) avec la méthode décrite dans cette page : lien

Les paragraphes ci-dessous décriront la notion de fluidité des poudres, qui couvre en fait différentes propriétés des solides en vrac :

• Force de cohésion
• Angle de frottement sur les parois

Il sera également expliqué comment déterminer pratiquement ces propriétés avec un testeur de cisaillement.

1. Méthode Jenike : Testeur de cellule de cisaillement

Cellules de cisaillement

Le testeur de cisaillement ou cellule de cisaillement est un testeur de fluidité des poudres qui permettra d'estimer des propriétés de rhéologie des poudres très importantes comme la Force de cohésion et l'angle de frottement sur les parois qui peuvent à leur tour être utilisés pour calculer les diamètres de sortie des trémies et l'angle de déversement

2 tests de cisaillement doivent être effectués pour déterminer les propriétés. 1 test est de mesurer l'angle de frottement interne ; pour obtenir cette propriété, la cellule de test mesurera la force nécessaire pour faire glisser la poudre SUR ELLE-MÊME. D'autre part, la angle de frottement sur les parois sera déterminée grâce à une cellule qui mesure la force nécessaire pour faire glisser un échantillon de poudre sur une PLAQUE de matériau, le matériau étant généralement le métal dans lequel sera construit le silo.

Figure 1 : cellules Jenike

Le test est effectué après une étape de pré-cisaillement qui donnera une certaine densité de poudre avant d'appliquer la contrainte normale et le cisaillement. Ce pré-cisaillement peut être varié, ce qui donnera différents résultats. Ces différents résultats seront utilisés pour tracer différents locus de rendement et calculer par la suite différentes propriétés de la poudre (voir ci-dessous).

Notez qu'il est possible de faire un tel test sur des testeurs de cisaillement dédiés, mais que rheomètres de poudre ont également la possibilité d'effectuer ce type de test en montant une unité de cellule de cisaillement sur leur agitateur.

2. Que peut-on obtenir d'un test de cellule de cisaillement ?

Les propriétés de poudre suivantes peuvent être déterminées à partir du graphique obtenu (appelé "Locus de rendement") :

Tableau 1 : Sortie des cellules de cisaillement

Testeur de cisaillement	Détermination directe	Calculé
Cellule de cisaillement mesurant l'interaction matériau / poudre	Angle de frottement sur les parois Φ'	-
Cellule de cisaillement mesurant l'interaction poudre / poudre	Angle effectif de frottement interne δ Angle statique de frottement interne Φ Contraintes principales de consolidation (ou de compaction) σ1 Force de cohésion fc (également appelée contrainte de rendement non confinée UYS)	Fonction de flux de poudre (ou matériau) (en dessinant les couples UYS et σ1 obtenus à différents pré-cisaillements)

3. Méthode Jenike : Guide étape par étape

ÉTAPE 1 - Exécuter le test

2 forces sont appliquées à un échantillon de poudre. 1 normale, qui est réglée et qui augmente progressivement. Et la deuxième sur le côté (force de cisaillement). Cette 2e force est mesurée et correspond à la force nécessaire pour faire glisser l'échantillon de matériau.

Chaque couple (Contraintes normales ; Contraintes de cisaillement) est enregistré puis tracé. À partir de cette courbe, différentes caractéristiques de rhéologie de poudre peuvent être calculées. Le graphique obtenu, appelé locus de rendement sur les parois, est montré ci-dessous (exemple - pas une poudre réelle)

ÉTAPE 2 - Tracer le locus de rendement

Interaction poudre - poudre

Pour une contrainte préalable donnée, tracer le locus de rendement à partir des données obtenues à partir du test de la cellule sur les interactions poudre / poudre. Les angles de frottement interne et la contrainte principale de consolidation peuvent ensuite être déterminés géométriquement.

Figure 2 : données obtenues à partir du locus de rendement de la cellule de cisaillement poudre - poudre

Interaction poudre - matériau

Tracer le locus de rendement à partir des données obtenues à partir de la cellule testant les interactions poudre / matériau. L'angle de frottement sur les parois Φ' est alors déterminé graphiquement.

Figure 3 : données obtenues à partir du locus de rendement d'une cellule de cisaillement de poudre - matériau

ÉTAPE 3 - Calculer la fonction d'écoulement

Le locus de rendement est effectué selon un état initial de consolidation. Il est possible de varier l'état initial de consolidation. En dessinant différents locus de rendement, à différentes consolidations initiales, on obtient la base pour déterminer la fonction d'écoulement de la poudre. Un exemple illustratif, avec 3 locus de rendement est donné ci-dessous.

Figure 4 : détermination graphique de la fonction d'écoulement de la poudre

À partir des 3 différents locus de rendement, 3 couples (Major consolidation stress sigma1 ; Cohesive strength fc) peuvent être calculés. Un graphique montrant fc=f(sigma1) peut ensuite être tracé. Ceci est la fonction d'écoulement du matériau de la poudre testée (à ne pas confondre avec le facteur d'écoulement ff). La fonction d'écoulement apporte des informations clés sur le comportement de la poudre, de manière plus fiable que les méthodes de raccourci comme l'angle de repos ou certains indices. Dans l'exemple, seuls 3 couples sont considérés, mais davantage seront utilisés pour tracer la fonction d'écoulement réelle. Le graphique peut être divisé en différentes zones par des lignes droites passant par l'origine et avec la pente i=(sigma1)/fc. Les différentes valeurs de i fournissent des informations sur la fluidité, en fonction de la position de la fonction d'écoulement sur le graphique, sa fluidité peut être déterminée.

Figure 5 : fonction d'écoulement de la poudre et fluidité de la poudre

En fonction de la forme du graphique, nous pouvons déterminer si la poudre est cohésive ou non.

Figure 6 : Fonctions d'écoulement de matériau (FEM) typiques

À la fin des tests avec les cellules de cisaillement Jenike (ou équipement de test équivalent) , les propriétés de rhéologie de la poudre suivantes auront été déterminées :

• Angle de frottement interne
• Fonction d'écoulement de la poudre (FEM)
• Angle de frottement sur les parois

Note : il est alors possible de déterminer comment la poudre s'écoulera hors d'un trémie donné (ou concevoir une trémie) en déterminant la fonction d'écoulement ff liée à une conception de trémie et en traçant une ligne de pente 1/ff sur la Fonction d'écoulement du matériau MFF. La poudre s'écoulera si la ligne de pente 1/ff est au-dessus de la MFF, si elle est en dessous, des arches sont susceptibles de se former et l'écoulement sera difficile. Plus d'informations peuvent être trouvées ici sur la conception de trémie.

Figure 7 : Fonction d'écoulement et Fonctions d'écoulement du matériau pour calculer la contrainte appliquée critique