Broyage des solides

Le broyage des solides est souvent requis pour réduire la taille des particules afin de:

• augmenter le transfert de matière entre les particules solides et un fluide environnant dans des procédés de:
• de combustion ou toute autre réaction chimique
• de séchage
• d'adsorption
• rendre accessible une substance incluse (minerais)
• modifier l'aspect visuel (pigments, ...)
• permettre des dispersions dans un liquide

Concassage et Broyage

Le termes de concassage ou broyage sont fréquemment utilisés pour désigner l'opération de réduction de taille d'un solide. Ces termes sont assez synonymes et peuvent être utilisés indifféremment. Cependant l'usage est de réserver les termes:

• concassage à l'opération visant à obtenir des particules de plusieurs millimètres
• broyage à l'opération visant à obtenir des particules inférieures  au millimètre
• pulvérisation ou micronisation lorsqu'on vise des poudres très fines

La réduction de taille dans une grande proportion ne peut se faire dans un unique équipement. Plusieurs étapes, chacune réduisant la taille dans un rapport 10 ou 20, sont souvent nécessaires. On parlera de réduction primaire, secondaire, voire tertiaire.

Le concassage est généralement réservé aux réductions primaires.

Modes d'action des broyeurs

Il y a trois principalement trois modes d'action mis en oeuvre dans les broyeurs industriels: Compression, Percussion, Cisaillement

Broyage par compression

Les éléments à broyer sont pris "en étau" entre deux surfaces exerçant une contrainte. Les particules les plus grosses présentent souvent des amorces de fissures le long desquelles la rupture peut aisément se développer. De ce fait, la forme des particules obtenues n'est pas toujours maîtrisable.
Les broyeurs/concasseurs utilisant ce principe sont:

• les concasseurs à mâchoires
• les broyeurs à cône
• les broyeurs à cylindres
• les broyeurs à boulets
• les "Ring Roller Mills"

Broyage par percussion

Le produit à broyer est fortement accéléré puis projeté sur des éléments fixes, les écrans de choc, ou bien projeté sur d'autres particules.
L'accélération peut être obtenue par un rotor en mouvement (broyeurs à percussion) ou un jet d'air broyeurs à jet).
Pour être efficace, le matériau doit présenter un comportement dit "fragile": la déformation sous contrainte est linéaire (domaine élastique), puis la rupture se produit brutalement passé une certaine valeur de contrainte, sans déformation plastique.
Les broyeurs utilisant ce principe sont:

• les broyeurs à marteaux
• les broyeurs à percussion
• les broyeurs centrifuges
• les broyeurs à jet

Broyage par cisaillement

Les matières souples sont "découpée" plutôt que brisées.
Les broyeurs utilisant ce principe sont:

• les broyeurs à couteaux
• les déchiqueteurs
• les émotteurs

Energie de broyage

Les procédés de broyages sont énergétiquement peu efficaces.
Dans un broyeur à percussion, si l'énergie appliquée est insuffisante pour dépasser la limite élastique du matériau, celui-ci se déformera sous la contrainte sans rompre et retrouvera sa forme initiale ensuite. L'énergie appliquée est alors intégralement transformée en chaleur au sein du matériau.

L'énergie théoriquement requise pour réduire la taille des particules dépend de la réduction de taille attendue. Les relations les plus anciennes sont celles de Rittinger (1867) et celle de Kick (1885). La relation actuellement fréquemment citée est issue des travaux de Fred C. Bond dans les années 1950 (Crushing and Grinding Calculations British Chemical Engineering June 1961).

Relation de Bond

E = 10E_i (1 ⁄ √d₈₀ - 1 ⁄ √D₈₀)

avec:
E_i : Bond Work Index
D₈₀, d₈₀ : taille des particules à l'alimentation et produites [µm]

Cette relation, empirique, est largement employée et commentée. La principale critique est que, bien que présenté comme une constante caractéristique d'un matériau, l'index varie avec la granulométrie du matériau.

Exemples de Bond Work Index

Efficacité des différents types de broyeurs

Type de machine	Efficacité énergétique [%]
Concasseur à mâchoire ou à cylindres	70 - 90
Concasseur à percussion	30 - 40
Ring Roller mill	1 - 15
Broyeur à boules	5 - 10
Broyeur à impact	1 - 10

Nature du matériau à broyer

Les choix du type de machine sera fonction des caractéristiques du matériau à broyer.

Dureté

La dureté des matériaux est évaluée selon l'échelle de Mohs:

Matériau	Indice de l'échelle de Mohs
Diamant	10
Corindon/Rubis	9
Topaze	8
Quartz	7
Felspar/Orthose	6
Apatite	5
Fluorine	4
Calcite	3
Gypse	2
Talc	1

Structure

Granulaire ou fibreux

Humidité

La présence d'humidité peut conduire à une agglomération des fines particules, provoquant des encrassements et des difficultés d'évacuation.

Friabilité

Explosivité ou nocivité

Les fines particules produites peuvent générer des nuages explosifs, ou des ambiances nocives.

Domaine d'application des types de broyeurs

Broyeurs à mâchoire (jaw crusher)

Le broyeur à mâchoires est utilisé pour réduire des matières de dureté élevée dans les domaines du recyclage, des minerais et carrières et des métaux non ferreux.
Ses principaux intérêts sont un débit important produisant une granulométrie régulière, générant peu de poussière, un bon rendement énergétique et une faible sensibilité à l'abrasion.

Broyeurs à cylindres (roller mill)

Le broyeur à cylindres permet la réduction grossière ou primaire de matières dures, abrasives, éventuellement collantes.
Ses principaux intérêts sont une production granulométrique resserrée, émettant peu de poussières et échauffant peu le produit.

Broyeurs à boulets (ball mill)

Le broyeur à boulets peut être exploité en batch ou en continu, en sec ou en humide. Il peut être ventilé pour assurer simultanément un séchage ou un refroidissement.
Il autorise une multitude d'applications dans les domaines de la chimie, la pharmacie ou l'agroalimentaire, et permet d'obtenir un produit fini de grande finesse.

Broyeurs à marteaux (hammer mill)

Le broyeur à marteaux peut traiter les produits tendres, de masse faible, moyenne ou lourde, collants, abrasifs…
Le taux de réduction peut atteindre 20:1 , produisant une granulométrie uniforme.

Broyeurs à percussion (percussion mill)

Pour un usage industriel intensif de produits durs et mi-durs, humides ou secs.
Le taux de réduction peut atteindre 20:1, avec un facteur de forme optimum.

Broyeurs centrifuges

Le broyeur Centrifuge est utilisé pour réduire les matières minérales, organiques ou végétales de dureté inférieure à 3,5  Mohs. Elles peuvent être sèches, faiblement humides, ou à faible teneur en matières grasses et légèrement colmatantes.
Il est sobre en énergie, provoque peu d'échauffement du produit, avec une granulométrie fine et homogène.

Broyeurs à jet (jet mill)

Les particules sont mis en mouvement par un jet d'air ou d'azote comprimé. La collision des particules entre elles provoque leur fragmentation.
Les broyeur à jet permettent d'obtenir des poudres très fine (de l'ordre du micron), sans contamination due à l'abrasion de la machine, sans élévation de température du produit. La consommation énergétique est par contre importante. Cette technique est appréciée dans l'industrie pharmaceutique.

Broyeurs à couteaux et déchiqueteurs

Pour les matières souples, son fonctionnement est simple, peu bruyant et d'un entretien facile.

Emotteurs

Pour une désagglomération, un émiettement ou un affinement des produits, l’émotteur assure l’émottage des matières particulièrement dures à émietter.

Broyeurs humides

Le broyage humide permet de capter dans le liquide les fines particules formée et de se prémunir d'un éventuel risque explosif par exemple.
Le broyage humide est particulièrement adapté à la chimie organique, pour des substances de haute valeur ou présentant un risque particulier.

Broyage cryogénique

Le froid apporté par de l'azote liquide ou de la glace carbonique, permet de durcir et rendre plus "fragiles" des matériaux difficiles à broyer (plastiques, caoutchoucs, cires ...).
Il permet d'obtenir des poudres fines et régulières avec une plus faible consommation d'énergie, et de faciliter les nettoyages