Couche annulaire de poudre
Une couche annulaire de poudre se forme lorsqu'une poudre est fortement accélérée dans une chambre de mélange cylindrique par un outil de mélange monté au centre. L'outil de mélange tourne à une vitesse périphérique élevée. Les particules de poudre sont contraintes, par inertie, à suivre une trajectoire quasi circulaire.
Les particules subissent une accélération centrifuge. Celle-ci est approximativement égale à
az = ω2·r
- ω est la vitesse angulaire
- r est le demi-diamètre de rotation
La force centrifuge F résultante exercée sur une particule de masse m est
Fz = m·ω2·r
La poudre est ainsi pressée contre la paroi interne du cylindre de mélange. À l'état stationnaire, une zone annulaire densément compactée se forme. On parle alors d'une couche annulaire de poudre. Dans cette couche, il règne un équilibre entre la force centrifuge, la force de gravité et le frottement contre la paroi.
Les forces de contact entre les particules et la paroi entraînent une forte contrainte de cisaillement. La force de frottement contre la paroi augmente avec la force normale, qui est déterminée par la force centrifuge. En simplifiant
FR = μ·FN
- μ est le coefficient de frottement
- FN est la force normale
Plus ω et r sont grands, plus les forces normales sont élevées et donc plus la contrainte de cisaillement dans la couche annulaire est importante. L'interaction permanente entre l'accélération provoquée par l'agitateur et le freinage contre la paroi entraîne un mouvement relatif intense des particules. Les agglomérats sont désagglomérés. Parallèlement, un mélange très intense des particules primaires a lieu.
Lorsqu’une petite quantité de liant est ajoutée, le mécanisme change. Les particules en collision s’agglutinent à leurs points de contact. Des agglomérats de taille définie se forment. Dans ce cas, la couche annulaire agit comme une zone d’agglomération.
L'uniformité des agglomérats dépend fortement de la géométrie de la chambre de mélange. Un cylindre de forme très arrondie présente un rayon de paroi pratiquement constant. La distance entre l'outil de mélange et la paroi reste alors largement constante. On parle alors d'un haut degré d'équidistance. Une équidistance élevée conduit à une bande de distribution étroite des contraintes de cisaillement et normales dans la couche annulaire. Toutes les particules subissent des cycles de contrainte similaires. Cela favorise une distribution étroite du spectre granulométrique des agglomérats formés.
La dynamique dans la couche annulaire de poudre peut être décrite de manière idéalisée à l'aide d'indices sans dimension. Une grandeur importante est le nombre de Froude Fr. Il est souvent défini comme suit pour les récipients rotatifs :
Fr=ω²⋅r/g
Où g est l'accélération gravitationnelle, ω la vitesse angulaire et r le rayon caractéristique. Le nombre de Froude caractérise le rapport entre l'accélération centrifuge et la force de gravité. Si la force centrifuge domine (Fr≫1), la couche annulaire est fortement pressée contre la paroi. Pour des valeurs plus faibles (Fr<1), l'influence de la gravité augmente et la poudre peut s'écouler partiellement ou circuler sous forme de couche roulante ou glissante.