Broyeur à billes On effectue généralement le broyage des pigments utilisés dans les peintures et certaines encres d'imprime rie au moyen de broyeurs à boulets dont le cylindre par tiellement rempli est mis en rotation autour d'un axe horizontal. Les boulets entraînés par frottement contre la paroi du cylindre forment un talus incliné et retom bent constamment de la partie haute à la partie basse de ce talus.
On connaît également des broyeurs contenant des billes (ou boulets de diamètre réduit) qui sont soumises à une agitation forcée par des pales tournantes et non par la simple rotation du cylindre. Des broyeurs de ce second type comprennent un bol fixe rempli de billes et dont l'axe vertical est occupé par un arbre tournant muni de plusieurs agitateurs superposés. Ils présentent l'inconvénient primordial que les pigments à broyer, qui sont relativement denses, tendent naturellement à se déposer au fond du broyeur, même si une hélice est pla cée au voisinage du fond pour relever ces pigments com me cela. existe généralement dans les malaxeurs à pein ture.
Un tel artifice est peu efficace dans le cas d'un broyeur rempli de billes. Le broyage est irrégulier et varie de bas en haut et de l'axe à la périphérie du broyeur. En outre, les hélices ou agitateurs qui doivent tourner très vite pour brasser efficacement les pigments, tendent à s'user rapidement au contact des billes. Enfin, plus le broyeur est grand et plus l'uniformisation du broyeur requiert une agitation puissante. Il en résulte un échauffement important et le refroidissement d'un tel broyeur est rendu difficile et en tout cas inégal.
Ces inconvénients ont naturellement limité la taille maximum des broyeurs à axe vertical et agitateurs, pou vant être remplis de billes.
L'invention a pour but d'éliminer lesdits inconvé nients et elle permet en particulier de construire aisé ment des broyeurs ayant une capacité et une rapidité de broyage supérieures. Elle a pour objet un broyeur à billes comportant au moins une cellule élémentaire de broyage, cette cellule comprenant un récipient dont deux parois sont verticales et parallèles, au moins un arbre tournant horizontal per pendiculaire à ces deux parois, des bras agitateurs fixés sur cet arbre et passant dans leur rotation à proximité des parois du récipient, et des billes remplissant la quasi- totalité du volume disponible dans le récipient,
qui est caractérisé en ce que la distance séparant les deux parois verticales du récipient est inférieure au quart de la hau teur du récipient, et en ce que la somme des épaisseurs des bras agitateurs est supérieure ou égale à la moitié de la distance susdite.
Le cylindre peut être stationnaire durant le broyage et muni de fonds verticaux à double paroi refroidis par circulation d'eau. L'arbre tournant peut porter seulement deux bras agitateurs disposés diamétralement ou trois bras agitateurs décalés à 120 .
Pour réaliser une broyeur de grande capacité, on peut associer plusieurs cellules de broyage plates cons tituant des portions juxtaposées d'un même cylindre et séparées par des parois verticales doubles dans lesquelles on peut prévoir une circulation d'un réfrigérant.
Comme le broyage au moyen de petites billes néces site, pour être efficace, que le matériau à broyer soit assez fluide, c'est-à-dire qu'il contienne en pratique une proportion appréciable de solvant, le broyeur de l'inven tion risquerait de ne pas convenir pour le broyage des matériaux contenant peu de solvant ou même pas du tout, comme par exemple les encres typographiques épaisses. Cet inconvénient est surmonté en diluant au préalable la pâte à broyer, ce qui permet d'effectuer le broyage de façon satisfaisante dans le broyeur objet de l'invention. On extrait ensuite le solvant excédentaire incorporé seulement pour le broyage, dans un malaxeur pour pâte consistante du genre pétrin à pale hélicoïdale, équipé d'une enveloppe résistante chauffante et d'une pompe à vide.
Le solvant utilisé peut être un solvant spécial, ne faisant pas partie de la formule du matériau à broyer mais particulièrement volatil. Après évapora tion, ce solvant peut être récupéré.
Pour obtenir en fonctionnement continu une finesse de broyage suffisante. il est avantageux d'associer entre elles plusieurs cellules plates, à arbre horizontal muni de bras agitateurs. Mais, comme ces cellules comportent un remplissage de billes bien déterminé, et que celles-ci sont de petite dimension, la difficulté est de réaliser entre les cellules une communication qui laisse passer le liquide à broyer, mais non les billes.
On pourrait penser à prévoir un tamis assez fin pour retenir les billes, mais l'expérience montre que de tels tamis se colmatent très vite en présence d'un liquide con tenant des particules de pigments.
Avantageusement, la communication entre les diver ses cellules disposées les unes à la suite des autres, de manière qu'un même arbre horizontal portant des bras agitateurs puisse les traverser toutes, est assurée par un jeu annulaire calibré entre cet arbre et les cloisons qui séparent les cellules. ce jeu ayant une dimension radiale inférieure au diamètre des billes et une section adaptée pour opposer une résistance suffisante à l'écoulement du liquide.
Un tel jeu peut avoir une surface assez grande pour permettre le débit voulu de liquide. Il suffit pour cela de donner une valeur convenable au diamètre de l'arbre. Bien que sa largeur soit faible, la tendance au colma tage est supprimée, du fait que l'une des parois de l'ori fice annulaire, c'est-à-dire celle qui est constituée par l'arbre, est constamment en mouvement pendant le fonc tionnement du broyeur, ce qui empêche la formation de tout dépôt cohérent.
Dans un mode de réalisation avantageux, le broyeur comporte, à l'entrée de la masse liquide à broyer et à la sortie de la masse broyée, une cellule dépourvue de billes permettant de réaliser l'entrée et respectivement la sortie de la masse par un orifice ordinaire qui peut sans incon vénient être plus grand que les billes et qui peut être prévu en tout point convenable pour le débit de l'appa reil.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, une forme d'exécution du broyeur à billes selon l'invention, ainsi qu'une variante.
Les fig. 1 et 2 le représentent en élévation. selon une coupe diamétrale et selon une coupe perpendiculaire à son axe.
La fig. 3 montre, toujours en coupe diamétrale, une variante de ce broyeur comprenant plusieurs cellules de broyage juxtaposées.
La fig. 4 montre schématiquement, en élévation, une machine perfectionnée comprenant un broyeur à cellules juxtaposées et un malaxeur-extracteur, superposés.
La fig. 5 est une vue en coupe horizontale d'une va riante du broyeur.
La fig. 6 est une vue de détail à plus grande échelle et en coupe selon la ligne VI-VI de la fig. 5.
Le broyeur < c plat comprend un bâti 1 (fig. 1 et 2), un récipient cylindrique destiné à recevoir la pâte à bro yer et portant le repère général 2, ainsi qu'un arbre tour nant 3 qui sert à l'agitation de billes 15 remplissant envi ron 80 % à 90 % du volume libre du récipient 2.
Ce récipient est constitué par une paroi cylindrique 2a, dont les génératrices rectilignes ont une longueur inférieure au quart du diamètre, ainsi que deux fonds qui sont, par exemple, plans et formés chacun par deux parois 2b. 2c séparées par un petit intervalle axial 9. Ces fonds sont respectivement solidaires de deux fourreaux axiaux 5, 6 servant au support du récipient. Le fourreau 5 est muni d'un joint d'étanchéité 4 et traversé par l'arbre 3. L'autre fourreau 6 comporte un mécanisme permettant de faire tourner le récipient autour de son axe pour le chargement et le déchargement, par exemple une vis sans fin 7 actionnée par une manivelle 8.
Ces opérations sont rendues possibles par la disposition, sur la paroi cylindrique 2a, d'un tampon d'obturation 14 qu'on peut remplacer par une grille formant des mailles assez fines pour retenir les billes 15, ainsi que par le montage d'une trémie réceptrice 16, qui peut être incorporée au bâti 1, sous le récipient 2.
Le refroidissement des fonds est assuré au moyen de canalisations souples 10, 11 qui permettent à un réfri gérant tel que de l'eau de circuler dans l'intervalle 9 qui sépare deux parois 2b, 2c. Un raccord 12 permet, le cas échéant, d'écarter les points de départ et d'arrivée du liquide de refroidissement. Bien entendu, d'autres rac cords, non figurés en détail sur la fig. 1 mais dont la fig. 3 donne une idée, permettent le refroidissement du fond opposé au fourreau 6.
L'arbre 3 porte, par exemple. trois bras agitateurs 3a, à section arrondie, montés radialement. Ces bras sont séparés l'un de l'autre ainsi que des parois par des inter valles pouvant être égaux. La section des bras agitateurs est avantageusement circulaire et leur extrémité arrondie. L'entraînement de l'arbre 3 est effectué par un moteur 13, par exemple à l'aide d'une poulie 3b sur laquelle passe une courroie trapézoïdale.
A titre d'exemple, le diamètre du cylindre est com pris entre 60 et 90 cm et sa longueur est de 15 cm. Les bras 3a ont 3 cm de diamètre. Ils sont écartés axiale- ment l'un de l'autre de 1,5 cm et à la même distance des fonds. L'arbre 3 tourne à environ 60-70 tlmn, vitesse inférieure au tiers de celle d'un broyeur usuel d'axe ver tical.
Le dispositif ainsi décrit fonctionne par la rotation de l'arbre 3 et des bras 3a.
La rotation des bras 3a entraîne un broyage très homogène du matériau introduit dans le récipient, en raison principalement du frottement des billes 15 entre elles mais également de la disposition de ces bras au voisinage immédiat des fonds. le passage d'un des bras produisant une pbussée des billes contre lesdits fonds. La pression hydrostatique rend le frottement des billes l'une contre l'autre d'autant plus grand qu'on se rap proche du bas du récipient, ce qui accroît l'efficacité du broyage à la partie inférieure du broyeur et contreba lance la tendance qu'ont les matériaux denses à déposer.
L'échauffement peut être facilement contrôlé en rai son du grand développement relatif des parois du réci pient 2, notamment les fonds. D'ailleurs, les problèmes d'échauffement et d'usure ont une importance faible car l'homogénéité du broyage permet de pratiquer de faibles vitesses de rotation, ce qui réduit la puissance nécessaire à l'entraînement de l'arbre 3 et facilite par ailleurs la construction mécanique du broyeur.
Les billes sont de préférence très petites, leur dia mètre étant avantageusement inférieur à 1 cm, et de l'ordre de 2 mm. Elles sont en tout matériau usuel, par exemple en stéatite ou en verre durci, ce qui convient aux peintures claires. Le broyage terminé, il suffit de remplacer le tampon 14 par une grille capable de retenir les billes 15, puis d'orienter le récipient 2 de manière que son ouverture occupe sa partie inférieure, pour que le matériau broyé s'écoule naturellement dans la trémie réceptrice 16.
La fig. 3 montre, en variante, un broyeur de grande taille comprenant cinq cellules juxtaposées, séparées par des cloisons refroidies comme les fonds. Le récipient 2 peut, si on le désire, tourner de manière continue sous l'action d'un moteur 18 qui l'entraîne par l'intermédiaire d'une vis sans fin 17 et du fourreau 5, de préférence en sens inverse de l'arbre 3. L'alimentation en liquide de refroidissement et l'évacuation de ce dernier s'effectuent au moyen de raccords tournants 21, 22 portés par le fourreau 6 et alimentés par les canalisations 10 et 11. Des raccords 19, 20 répartissent le.liquide de refroidis sement entre les diverses parois refroidies.
La fig. 4, enfin, montre une machine formée en dis posant sous un broyeur 25, tel qu'il vient d'être décrit, un malaxeur 26 pour pâte consistante qui comprend une enveloppe étanche 27, une pompe à vide d'extraction 28 et un dispositif de chauffage, électrique ou réalisé par circulation de vapeur dans l'enveloppe 27, à double paroi dans ce cas et munie de canalisations d'alimentation et d'écacuation 31, 32. Ce malaxeur est avantageusement du type connu qui comprend une pale hélocoïdale 29. et la pâte en provenance du broyeur y passe par simple gravité après ouverture d'un tampon étanche 30.
Pour la préparation d'une encre synthétique ou d'une pâte glycérophtalique, par exemple, qui comprennent seulement une faible proportion de solvant dense et peu volatil tel que le white spirit, on remplit le broyeur plat de l'invention d'un mélange contenant la totalité du pig ment, le cas échéant une partie seulement du liant en trant dans la composition finale de l'encre ou pâte qu'on veut préparer, et un solvant auxiliaire qui est avanta geusement bien plus volatil que le premier nommé. Le broyeur est fermé de manière étanche après avoir éven tuellement été purgé d'air par soufflage d'un gaz inerte (azote ou gaz carbonique), afin d'éviter tout danger d'explosion.
Le broyage est alors effectué et dure un temps relativement bref.
On transfère la pâte fluide résultant de ce broyage dans le malaxeur, par gravité, de préférence, après quoi on met en route la pompe à vide et le chauffage, et on triture la pâte pendant un temps suffisant pour extraire le solvant auxiliaire incorporé uniquement pour le broyage. Les matériaux destinés à compléter la formule définitive de la pâte peuvent être ajoutés avant ou après l'extrac tion.
En variante, et dans le cas où la formule du matériau à broyer contient un solvant assez volatil, .on peut mettre dans le broyeur une quantité excédentaire de ce solvant qu'on évapore après broyage.
Le rendement du dispositif et du procédé ainsi décrit est, à finesse égale, bien supérieur à celui que permettent d'atteindre des broyeurs usuels à cylindre et l'usage d'un solvant auxiliaire, qui peut d'ailleurs être récupéré et servir plusieurs fois, permet d'obtenir des produits cou vrant une gamme étendue de viscosité. Parmi les solvants utilisés on peut citer notamment les solvants aromatiques ou aliphatiques (essence légère) ainsi que le méthanol, dont le point d'ébullition est très bas, ou même les sol vants chlorés (ininflammables).
Le broyeur pour fonctionnement continu représenté sur les fi,-. 5 et 6 comporte un carter fixe 41, de forme cylindrique, qui peut être muni d'une enveloppe 42 pour former une chemise 43 destinée à être parcourue par de l'eau de refroidissement. Dans l'axe de ce cylindre, est monté un arbre 44, tournant dans des paliers 45 portés par les fonds respectifs 46 du carter. A l'une de ses extrémités (celle de gauche sur le dessin), l'arbre se pro longe à l'extérieur du cylindre pour être accouplé à un moteur non figuré, qui sert à le mettre en rotation. A l'autre extrémité, l'arbre peut ne pas traverser le fond. comme figuré, ce qui évite des dispositifs d'étanchéité.
Des cloisons 4.7 divisent l'intérieur du cylindre et un cer- tai nombre de cellules, ayant chacune une largeur (di mension parallèle à l'arbre 44) de préférence inférieure au quart du diamètre du cylindre 41 et pouvant même être beaucoup plus petite, de sorte que chacune des cel lules comprises entre deux cloisons successives 47 pos sède une forme essentiellement plate.
Dans chacune des cellules, l'arbre 44 porte des bras agitateurs radiaux 48, de sorte que dans la rotation de l'arbre, ces bras agita teurs qui tournent avec lui imposent des mouvements horizontaux alternés aux petites billes qui garnissent pra tiquement 80 % à 90 % du volume de chaque cellule (les billes ne sont pas figurées sur le dessin).
Dans l'exemple de la fig. 5, il y a deux bras agita teurs 48 par cellule, ces bras étant sur un même dia mètre et constitués par une broche ou barre ronde enfi lée dans un trou diamétral 49 de l'arbre 44 et maintenus dans ce trou, par exemple par serrage d'une vis 50. Le diamètre d'une telle barre de forme ronde doit être déter miné pour obtenir dans les billes l'agitation voulue. Ce diamètre sera, de préférence, supérieur à la moitié de la largeur de chaque cellule, ce qui suppose naturellement une adaptation convenable entre les trois grandeurs sui vantes : diamètre de l'arbre 44 portant les trous 49 dans lesquels les barres 48 sont enfilées, diamètre de ces bar res 48, largeur des cellules.
Cette adaptation est facile, car il y a intérêt à rapprocher les cloisons successives 47 pour rendre les cellules très plates, leur largeur pouvant être inférieure au huitième du diamètre du cylindre 41, tandis que l'arbre 44 peut avoir un diamètre important pour éviter toute flèche nuisible entre les deux paliers 45 qui le portent. Les bras 48 pourraient être aussi fixés sur l'arbre par vissage dans des trous filetés de cet arbre.
Les cloisons 47 séparant les diverses cellules sont fixées à la surface interne du carter cylindrique 41 et ces cloisons sont arrêtées à une certaine distance de l'arbre 44, de manière à laisser entre chacune d'elles et cet arbre un jeu annulaire 51, dont la dimension radiale h (fig. 6) est largement inférieure au diamètre d'une bille. Par exemple, avec des billes ayant un diamètre de 2 mm, la dimention radiale h pourra être de 5/10 de mm.
C'est par ce jeu annulaire que se fait la progression du liquide à broyer d'une cellule à la suivante, le liquide à broyer étant refoulé dans l'appareil par une pompe (éventuellement à débit variable pour tenir compte de la finesse de broyage désirée) à travers un raccord tubu laire 52 débouchant sur l'un des fonds du cylindre 41, tandis que le liquide broyé s'échappe par un raccord tubulaire 53 prévu sur le fond opposé. Ces jeux annu laires peuvent avoir chacun une section de passage con venable en raison du fait déjà signalé que l'arbre 44. a un diamètre relativement important, de l'orde, par exem ple, de 60 mm.
Néanmoins, ils retiennent les billes qui ne peuvent ainsi passer d'une cellule à l'autre de sorte que chacune des cellules garde le volume de billes qui y a été placé, ce qui est important pour le bon fonc- tionnement de l'appareil. De plus, comme les orifices ainsi constitués sont délimités d'un côté par la surface de l'arbre 44 qui est en rotation continue pendant le broy age, aucun dépôt cohérent ne peut se former dans ces orifices, qui ne sont donc pas colmatés malgré la peti tesse d'une de leurs dimensions.
De préférence, la première cellule dans laquelle dé bouche le conduit 52 d'amenée du liquide à broyer, ne comporte pas de billes. Elle peut être réalisée avec une largeur plus petite que celle des autres cellules garnies de billes. On pourra y placer un agitateur 48a, moins gros que les agitateurs 48 et ayant, par exemple, une forme plate.
Une disposition semblable sera adoptée du côté de la sortie.
On a représenté sur la fig. 5, pour l'une des cellules, un bouchon vissé 47a, qui permet l'introduction des bil les et la vidange (en faisant tourner l'appareil d'un demi- tour). Un bouchon semblable sera de préférence prévu pour chacune des cellules.
Le fonctionnement du broyeur se comprend aisé ment. le liquide entrant en 52, chargé de particules plus ou moins grosses. par exemple des particules de pig ments, se trouve simplement agité et brassé dans la pre mière cellule dépourvue de billes. Son débit, qui est fonc tion de la section des jeux annulaires 51 et de la pression de la pompe qui refoule dans le tuyau 52, passe dans la première cellule et vient y remplir le volume laissé par les billes dans celle-ci et les interstices entre les billes, en raison de la résistance qui est opposée par les pertes clé charge à travers les cellules suivantes et leurs orifices annulaires.
De proche en proche, le liquide passe de cellule en ccllule par les jeux annulaires 51, en remplis sant chacune des cellules. Dans chacune de celles-ci, les particules en suspension dans le liquide sont broyées au cours des déplacements relatifs des billes, qui sont impo sés à celles-ci par les bras agitateurs tournants 48.
II a été réalisé un broyeur dans lequel le cylindre 41 a un diamètre de 500 mm et contient dix cellules rem plies de billes, ayant chacune une largeur de 50 mm. Chacune de ces cellules comporte un bras diamétral 48. de forme ronde. ayant un diamètre de 28 mm. Le volume de chacune de ces dix cellules est rempli à 90 % par des billes en verre ay-nt un diamètre de 2 mm et ces cellules communiquent entre elles par un jeu annulaire ayant une largeur radiale de 5110 de mm pour un diamètre de 80 mm de l'arbre portant les bras agitateurs. A l'extré mité d'admission et à l'extrémité d'évacuation, le cylindre comporte en outre une cellule de 25 mm de large sans billes. avec un agitateur de 10 mm de largeur. La lon gueur de l'appareil est ainsi d'environ 550 mm.
Un tel appareil. dans lequel l'arbre portant les agitateurs est entraîné à une vitesse relativement faible, de l'ordre de 100 à 150 t; mn, ne prend qu'une puissance d'environ 4 CV. alors que sa production. dans le broyage d'une pâte pigmentée destinée à la fabrication d'une peinture est d'environ 200 kg à l'heure, permettant l'obtention de 5i)0 kg de peinture. par exemple.
Le broyeur présente ainsi un avantage de rendement considérable par rapport à la puissance consommée. Il a. en outre, l'avantage d'avoir des dimensions très petites et un prix de construction faible et de ne demander qu'une vitesse de rotation relativement petite, de sorte que l'échauffement est faible, le tout avec une excellente finesse de broyage qui augmente de cellule en cellule. Le carter cylindrique, les cloisons, l'arbre et les agi tateurs pourront être réalisés en acier inoxydable ou en acier spécial dur. Par exemple, on pourrait utiliser avec avantage l'acier fourni par les Aciéries de Pompey sous la dénomination PM 35 et contenant: C = 0,18 % > Mn = 1.5%; Cr = 1.5%; Mo = 0,15%;V = 0,10%: P = 0,03 % ; S = 0,03 %.
Cet acier permet d'obtenir une dureté de 110 kg. ce qui, avec des billes en verre, évite pratiquement toute usure. Comme les agitateurs tournent à des vitesses relativement petites, les altérations des teintes claires sont évitées.
On pourrait revêtir les cloisons 47 séparant les cel lules de disques en verre, en émail ou en céramique, et réaliser les agitateurs par des barres en verre ayant des extrémités soigneusement arrondies, ou par des bras en acier revêtus de verre, d'émail ou de céramique. L'arbre et le cylindre pourraient également être revêtus d'une fourrure en verre, en émail ou en céramique.