Comment passer du mélangeur de laboratoire à l'installation de production en métallurgie des poudres sans perdre en qualité de mélange ?
La montée en échelle du laboratoire vers l'installation de production en métallurgie des poudres est exigeante, parce que la qualité de mélange dépend des tailles de particules, des différences de densité, de la cohésion, du taux de remplissage, de la géométrie du mélangeur et du principe de mélange. Un simple agrandissement géométrique ne suffit souvent pas, car les mécanismes de mélange, les tendances à la ségrégation et la répartition des éléments d'alliage ou des lubrifiants de compression peuvent alors changer. Une montée en échelle solide repose donc sur des principes de similitude, une évaluation reproductible de la qualité de mélange et une validation progressive.
1. Maintenir le principe de mélange et la géométrie cohérents
Dans la mesure du possible, le même type de mélangeur devrait être conservé de l'échelle du laboratoire à celle de la production, parce qu'un changement de principe de mélange modifie les mécanismes dominants. Pour la montée en échelle, il faut alors transposer les rapports géométriques ainsi que les grandeurs d'exploitation pertinentes, au lieu de seulement augmenter le volume.
Pour les mélangeurs à tambour et à mouvement oscillant, le nombre de Froude est un nombre caractéristique central, parce qu'il décrit le rapport des forces d'inertie aux forces de gravité. Il est fréquemment utilisé pour la mise à l'échelle, mais il ne remplace pas la vérification expérimentale de la qualité de mélange à l'échelle supérieure.
2. Comparer les nombres caractéristiques importants
Pour la montée en échelle des mélangeurs horizontaux, le nombre de Froude, le taux de remplissage, la vitesse de rotation ou la vitesse périphérique et le temps de mélange devraient être autant que possible comparables entre l'échelle du laboratoire et celle de la production. Lorsque l'échelle augmente, un nombre de Froude constant peut être judicieux ; le temps de mélange nécessaire n'est cependant pas obligatoirement transposable de façon proportionnelle.
Le nombre de Froude se rapporte en cela aux mélangeurs rotatifs à chute libre, à tambour et à projection ainsi qu'aux systèmes à outil de mélange monté horizontalement. Pour les mélangeurs verticaux à remaniement forcé, il n'est ni un critère de dimensionnement ni un critère de montée en échelle. Ce qui compte là, c'est que le principe de mélange reste identique sur toutes les tailles et que le remaniement couvre toute la chambre de mélange indépendamment du taux de remplissage ; la transposabilité est sécurisée en halle d'essais avec le produit d'origine.
La vitesse périphérique est utile là où le cisaillement et la sollicitation des particules doivent être limités. Le taux de remplissage devrait rester autant que possible constant dans la plage validée, parce qu'il influence nettement les trajectoires des particules, la fréquence de contact et le comportement de ségrégation.
3. Évaluer quantitativement la qualité de mélange
La qualité de mélange devrait être évaluée au moyen d'une grandeur caractéristique clairement définie, le plus souvent le coefficient de variation (CV) d'un composant clé. Un CV faible indique une distribution plus étroite des valeurs d'échantillon et donc un mélange plus homogène.
Il est important que l'échantillonnage soit représentatif : les échantillons de poudre devraient être prélevés autant que possible dans de la matière en mouvement, et cela sur plusieurs positions ou instants. Pour les poudres métalliques, des procédures d'échantillonnage normalisées ou au moins reconnues font autorité.
La masse d'échantillon doit être suffisamment grande pour représenter utilement la dispersion naturelle des particules ; des échantillons trop petits conduisent sinon à une qualité de mélange apparemment mauvaise, alors que le problème réside dans l'échantillonnage.
4. Sécuriser la montée en échelle par l'expérience
Un saut direct de l'échelle du laboratoire à la production est risqué. Il est judicieux dans la pratique de prévoir une étape pilote ou en halle d'essais, dans laquelle les paramètres de mise à l'échelle sont vérifiés et le temps de mélange, la vitesse de rotation, l'ordre de dosage et la conduite de la température sont ajustés.
Il ne faudrait pas seulement évaluer la qualité de mélange à la sortie du mélangeur, mais aussi le comportement dans les étapes situées en aval, telles que le transport, le stockage et le remplissage. C'est précisément là que naissent fréquemment des effets de ségrégation qui ne sont pas encore visibles dans l'essai de laboratoire.
5. Maîtriser la ségrégation et la température
Lorsque l'échelle augmente, le risque de ségrégation croît, surtout en cas de grandes différences de densité, de taille de particules ou de propriétés d'écoulement. Le transport, la décharge et le stockage intermédiaire doivent donc être conçus de manière que l'homogénéité atteinte dans le mélangeur ne soit pas perdue de nouveau.
Pour les mélanges sensibles à la température ou aux liants, l'apport de chaleur devrait en outre être surveillé. Un apport d'énergie trop élevé peut provoquer une agglomération ou une modification des propriétés d'écoulement et dégrader ainsi la reproductibilité.
6. Évaluer aussi les propriétés du produit fini
Une montée en échelle réussie ne se démontre pas seulement sur le mélange de poudres lui-même, mais aussi sur les propriétés en aval du mélange cru et des pièces finies. En font partie le comportement d'écoulement, la masse volumique apparente et tassée, la résistance à cru, la répartition de la densité et la reproductibilité des propriétés de frittage ou des pièces.
Ce n'est que lorsque ces caractéristiques restent comparables entre les échelles du laboratoire, du pilote et de la production que la montée en échelle est réellement sécurisée sur le plan du génie des procédés.
Message central
Une montée en échelle à faibles pertes en métallurgie des poudres ne réussit pas par le seul agrandissement du volume, mais par la combinaison d'un principe de mélange identique, de nombres caractéristiques de procédé transposables, d'un échantillonnage représentatif, d'un pilotage expérimental et de la maîtrise de la ségrégation et de la température.
Ainsi amixon® résout la montée en échelle en métallurgie des poudres sans que la qualité de mélange soit altérée
La similitude géométrique et cinématique règne sur toutes les tailles
- Le cœur de l'approche amixon® : les mélangeurs de laboratoire, de halle d'essais et de production travaillent selon le même principe de mélange. L'outil à ruban hélicoïdal SinConvex® transporte le produit vers le haut dans la périphérie et le laisse s'écouler vers le bas au centre en suivant la gravité. Il en résulte un écoulement total tridimensionnel qui présente la même caractéristique indépendamment de la taille.
- La mise à l'échelle se fait par la vitesse périphérique et non par la vitesse de rotation : les mélangeurs amixon® sont exploités sur toutes les tailles dans la même fenêtre d'environ 0,8 à 3,5 m/s, en règle générale à faible vitesse. L'image de projection, la sollicitation mécanique des particules et la similitude de Froude sont ainsi préservées entre les échelles.
- La qualité de mélange est indépendante du taux de remplissage. Des qualités de mélange maximales sont déjà obtenues avec un faible taux de remplissage d'environ 10 %. Les tailles de charge les plus diverses peuvent ainsi être mélangées dans le même mélangeur de production, sans que l'homogénéité doive être validée de nouveau, un avantage déterminant par rapport aux systèmes à fenêtre de travail étroite.
Cela a également fait ses preuves avec les poudres métalliques et les dérivés céramiques
- Les mélangeurs à deux arbres amixon® (type HM) homogénéisent en métallurgie des poudres, par exemple, des poudres de fer, de chrome, de cuivre, de magnésium, de silicium et de carbone présentant des masses volumiques apparentes d'environ 4 kg/dm³ et des tailles de particules de 0,02 à 100 µm. Les installations de référence vont jusqu'à la taille HM 16000 avec un volume de charge de 16 m³.
- La tâche critique consistant à répartir de façon homogène des lubrifiants de compression tels que l'acide stéarique ou le stéarate de zinc, dont la masse volumique apparente représente souvent moins d'un vingtième de celle de la poudre métallique, est résolue par l'outil de mélange contrôlant tout l'espace, avec un apport d'énergie minimal et sans ségrégation.
- Pour les poudres métalliques abrasives, des matériaux résistants à l'usure tels que le Hardox ou des blindages céramiques sont disponibles. Toutes les chambres de mélange sont conçues pour la zone ATEX 20, ce qui est pertinent pour les poussières fines et inflammables.
Une trame de tailles continue au lieu de sauts d'échelle
- Sur demande, amixon® fabrique les tailles de mélangeur par pas de 100 litres, de 100 à 50 000 litres (VM, HM). Le pas de l'échelle d'essai validée à la taille de production est ainsi librement choisi avec la finesse souhaitée, puisqu'il n'y a pas de saut imposé vers la « taille de catalogue suivante ».
- Pour les charges très grandes, le silo mélangeur Gyraton® (type GM) est utilisé, avec un volume de 10 à environ 100 m³ par pas de 1 m³. Il permet un mélange précis et doux avec une puissance d'entraînement minimale. Il est employé entre autres pour les stabilisants, les épaississants, les minerais, les grenailles métalliques, les poudres métalliques et les masses de batterie.
Validation en halle d'essais avant l'investissement
- amixon® accorde une importance particulière au pilotage dans sa propre halle d'essais : des essais de mélange avec la poudre d'origine, y compris la répartition des lubrifiants de compression, l'échantillonnage et l'évaluation de la qualité de mélange, ont lieu dans les centres techniques du groupe en Allemagne, au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis. Les paramètres qui y sont déterminés (vitesse périphérique, temps de mélange, taux de remplissage) peuvent être transposés directement sur la machine de production, puisque le système de mélange est identique.
- Le résultat est une transposition sécurisée géométriquement au lieu d'une extrapolation risquée. La qualité de mélange démontrée en laboratoire représente ainsi aussi à l'échelle de production le mélange aléatoire techniquement idéal, qui ne peut plus être amélioré dans la pratique.