ÉTUDES DE CAS
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Déplacement de matériaux en vrac difficiles à manipuler à l'aide de convoyeurs à vis flexibles
Les systèmes de convoyeurs à vis flexibles peuvent être conçus pour le transport de matériaux en vrac ayant tendance à s'emmagasiner, à former des galettes, à s'étaler, à se briser ou à se fluidifier, et peuvent empêcher la séparation des produits mélangés.Les convoyeurs à vis flexibles (figure 1) conviennent à la plupart des produits en vrac, des poudres submicroniques aux gros pellets, qu'ils s'écoulent facilement ou difficilement. Ils sont capables de transporter des matériaux en vrac à n'importe quel angle d'inclinaison — au-dessus ou en dessous d'obstructions, et à travers de simples trous dans les murs ou les plafonds. Ils ont l'avantage d'être de construction simple, de représenter un faible encombrement, d'être fiables et intéressants économiquement parlant. Bien que d'autres méthodes de convoyage puissent être préférables selon les paramètres d'application d'un projet, cet article se limite spécifiquement à une discussion sur les convoyeurs à vis flexibles pour les matériaux qui sont problématiques à transporter.
Spécialement conçus pour les matériaux difficiles à transporter
Lors de la conception d'un convoyeur à vis flexible pour les matériaux difficiles à manipuler, il est nécessaire d'établir les caractéristiques physiques des matériaux, leurs propriétés d'écoulement, leur température, leur teneur en humidité, les dangers qui leur sont inhérents et le degré de dégradation admissible, ainsi que la source et la destination du matériau, la vitesse de convoyage, la distance, les exigences de nettoyage, la configuration du site et les aspects économiques. L'expérience montre que les convoyeurs à vis flexibles sont appropriés pour les:
- Matériaux cohésifs
- Particules ultra-fines
- Matériaux friables ou fragiles
- Matériaux abrasifs
- Matériaux qui se fluidifient
- Produits mélangés présentant des tailles de particules et des propriétés en vrac différentes
Une mise en garde pour l'ingénieur d'usine : les caractéristiques d'écoulement d'un produit en vrac transporté dans des circonstances uniques ne peuvent pas toujours être prédites avec une précision suffisante pour assurer une performance réussie. Dans ces cas, il est particulièrement recommandé de simuler les conditions de l'usine dans un convoyeur à taille réelle, dans une installation d'essai en utilisant le matériel réel de l'acheteur.
Le bon écoulement d'un matériau en vrac dans n'importe quel système de manutention de matière vrac dépend généralement des propriétés physiques du matériau, mais peut être affecté par des facteurs externes tels que le taux d'humidité et de température ambiante et la conception de l'équipement dans lequel le matériau est transporté et stocké. Bien que certains paramètres matériels, tels que «l'angle de repos», puissent être déterminés en évaluant un échantillon de matériau dans un laboratoire, ces tests en conditions contrôlées ne sont pas nécessairement prédictifs du comportement de l'écoulement dans les systèmes de production à taille réelle. Lorsqu'il s'agit de grands volumes de matériaux dans des conditions variables, la fluidité d'un matériau en vrac ne peut pas être entièrement déterminée par les seules caractéristiques physiques telles que la densité en vrac, la taille et la forme des particules, la compressibilité ou la résistance à la cohésion.
Lors de la conception d'un convoyeur à vis flexible, l'ingénieur doit donc tenir compte non seulement les propriétés physiques et les caractéristiques d'écoulement du matériau, mais aussi de la façon dont ces caractéristiques seront affectées par les conditions réelles dans l'usine et le design de l'équipement:
- S'agit-il d'un matériau à écoulement facile, semi-facile ou difficile ?L'équipement a-t-il été conçu avec des dispositifs d'aide à l'écoulement et une géométrie de trémie appropriée?
- Le matériau est-il hygroscopique et quel taux d'humidité est susceptible d'être relevé dans l'environnement de l'usine ?
- Le matériau a-t-il tendance à s'emmagasiner, à former des galettes ou à s'étaler?
- Est-ce que les particules s'imbriquent ou s'emmêlent?
- Le matériau est-il dégradable ou cassable au point que l'utilisation ou la valeur en soit affectée?
- Le matériau est-il abrasif?
- S'agit-il d'un mélange de différents types et tailles de particules qui doivent rester homogènes pendant le convoyage?
- Est-ce que le matériau à tendance à former des voutes, des dômes ou des «trous de rats» dans les cuves de stockage?
- Le matériau a-t-il tendance à s'oxygéner ou à se fluidifier lorsqu'il est manipulé?
Avec les réponses à ces questions pratiques, plus des essais dans un système à taille réelle si nécessaire, on peut prédire la performance d'un système de convoyage pour un produit en vrac spécifique dans un environnement d'usine unique.
Géométrie de la vis
La géométrie de la vis flexible est essentielle à la performance. Les vis vont de simples fils ronds qui produisent des forces radiales relativement élevées, à des vis plates qui génèrent une force directionnelle comparativement plus grande (figure 2). Cette différence dans la façon dont les forces sont distribuées à l'intérieur du convoyeur permet d'optimiser les performances du système en fonction des propriétés d'un matériau donné. Par exemple, en raison de sa plus grande force directionnelle, un modèle plat convient mieux qu'un modèle rond pour les poudres plus légères qui ont tendance à se fluidifier. Des variantes de ces deux géométries de vis basiques sont également disponibles. Par exemple, les vis plates à bords extérieurs biseautés disponibles dans une variété de designs personnalisés et brevetés, répartissent les forces à l'intérieur du convoyeur d'une manière légèrement différente par rapport à un design non biseauté. Cette variante permet un convoyage efficace de certains matériaux qui peuvent être problématiques avec d'autres designs. Une autre variante parfois utilisée avec des matériaux ayant une densité en vrac relativement élevée est une version robuste de l'un des modèles de vis basique. Les matériaux de construction et les niveaux de finition sont spécifiques à l'application requise, avec des vis en acier à ressort ou en acier inoxydable, et des tubes en acier inoxydable ou en polymère.
Équipement et systèmes
Les convoyeurs à vis flexibles sont souvent intégrés dans des systèmes avec des accessoires pour le chargement et le déchargement de matériaux en vrac. Il peut s'agir de stations de vidange de Big Bags ou de stations de vidange manuelles avec collecte pneumatique de poussière; de trémies de chargement avec ou sans dispositifs d'aide à l'écoulement tels que des vibrateurs pneumatiques ou des agitateurs mécaniques; de systèmes de pesage par lot pour un contrôle précis du chargement; d'équipements de déchargement tels que des remplisseurs de Big Bags; et de systèmes de contrôle.
Le design de la trémie de chargement est critique lorsqu'il s'agit de choisir un système de convoyage pour les produits à écoulement difficile, car la capacité de débit de n'importe quel convoyeur est limitée à la vitesse à laquelle le produit s'écoulera vers la zone de collecte du convoyeur. La contrainte de cisaillement créée par les forces gravitationnelles et les dispositifs d'aide à l'écoulement doit être suffisante pour compenser la force de cohésion statique entre les particules solides. Si ce n'est pas le cas, certaines particules dans le vaisseau resteront stationnaires et le résultat sera la formation de «trous de rat» ou «d'effets de voute» (figure 3). La restriction du débit qui en résulte peut limiter les processus en aval en raison d'une alimentation insuffisante ou provoquer le débordement du bac si le matériau pénètre plus vite qu'il ne peut en sortir.
Les problèmes causés par la formation de «trous de rat» comprennent notamment une moins bonne capacité de tampon au niveau de la trémie de chargement, une réduction du débit du système et du temps de travail supplémentaire pour l'opérateur si le produit statique doit être nettoyé manuellement de la trémie. Le principal problème causé par les effets de voute (aussi appelés arches ou dômes) est qu'une fois que la voute se forme, le matériau cesse de s'écouler. Il faut alors arrêter le processus pour retirer le matériau du convoyeur.
Les trémies de chargement pour les matériaux susceptibles de former des «trous de rat» ou des voutes devraient être conçues avec une géométrie appropriée et des parois suffisamment raides pour favoriser l'écoulement, et peuvent comporter des dispositifs tels que des vibrateurs ou des fluidiseurs à air pour décoller le matériau des parois de la trémie ou des agitateurs mécaniques pour favoriser l'écoulement.
Matériaux cohésifs
Le fait que les matériaux collent, s'emmagasinent, forment des galettes ou s'étalent est dû à la liaison des particules, qui peut être causée par des réactions chimiques, la fusion partielle, le durcissement du liant ou la cristallisation des substances dissoutes; l'adhésion/la cohésion des particules assemblées par déformation mécanique; les forces d'attraction telles que l'attraction électrostatique ou magnétique; les forces d'empiriquement résultant de formes irrégulières de particules; ou la teneur en humidité, huile ou graisse.
L'humidité est particulièrement problématique dans les matériaux hygroscopiques comme le chlorure de magnésium. Au fur et à mesure que de l'eau est absorbée dans l'atmosphère environnante, les matériaux à écoulement facile peuvent commencer à s'agglomérer. Dans certains cas extrêmes, de grands volumes de ces types de matériaux peuvent se solidifier, créant de grandes masses de matériaux qui peuvent entraver l'écoulement ou immobiliser les composants mobiles de l'équipement. Puisque les convoyeurs à vis flexibles sont totalement fermés, la température et le taux d'humidité du produit peuvent être préservés. L'équipement en amont et en aval, comme les remplisseurs de Big Bags, les stations de vidange de Big Bags, les trémies de chargement, les cribles, les mélangeurs et les cuves de déchargement, peuvent également être conçus pour être étanches à l'air.
En outre, les matériaux à haute teneur en matières grasses, tels que les mélanges à gâteaux, sont généralement à écoulement difficile, tout comme les matériaux tels que l'oxyde de zinc et le dioxyde de titane, qui sont cohésifs et compressibles par nature, ce qui en fait de bons candidats pour les convoyeurs à vis flexibles.
Un exemple de l'industrie de la peinture et des revêtements montre la conception d'un système de convoyage mobile pour les matériaux cohésifs. Un convoyeur à vis flexible transporte un mélange de cinq matériaux, qui incluent du carbonate de calcium, de la poudre de dioxyde de titane, deux talcs à écoulement semi-facile, et une résine à écoulement facile pour un producteur américain de peintures pour carrosserie automobile. Les matériaux sont particulièrement difficiles à transporter en raison de densités en vrac disparates, 260-740 kg/m3 (16-46 lb/pi3) et de caractéristiques d'écoulement allant de l'écoulement facile à l'écoulement difficile. L'entreprise est passée d'une vidange manuelle des sacs à un convoyeur à vis flexible portable à angle de 45° de 3 m (10 pi) de long, monté sur un chariot avec une trémie de chargement et un collecteur de poussière intégrés. Le design spéciale de la vis permet au système de fonctionner avec une large gamme de matériaux. La trémie de chargement a été conçue avec des parois raides et d'autres caractéristiques géométriques bénéfiques. Les dispositifs d'aide à l'écoulement combinés à des angles d'écoulement appropriés empêchent l'apparition d'effets de voute en dirigeant le matériau vers la paroi arrière et vers le bas dans le convoyeur. Les adaptateurs d'interface de convoyeur ont des parois verticales pour assurer l'écoulement des matériaux. Les essais de chargement sur des équipements grandeur nature ont été essentiels au succès de la conception.
Particules ultra-fines
Les convoyeurs mécaniques ont un avantage sur le convoyage pneumatique pour les matériaux légers et/ou poussiéreux car les particules fines peuvent rendre difficile le fonctionnement des filtres dans les filtres de réception.
Certains matériaux fins ont tendance à se fluidifier ; par exemple, les silices pyrogénées (dioxyde de silicium amorphe synthétique) sont légères et duveteuses, avec une densité en vrac de seulement 40-50 kg/m3 (2,5-3 lb/pi3) et une très petite taille de particules (0,2-0,3 microns). Elles sont non seulement sujettes faire de la poussière, mais elle peuvent aussi se fluidifier, présentant alors certaines caractéristiques d'un liquide, ce qui en fait un matériau particulièrement difficile à transporter. Une vis bien conçue avec des surfaces de déflecteur plates et d'autres modifications soulèveront les particules en limitant la capacité du matériau à se fluidifier. Les trémies vide-sacs pour ces matériaux fins doivent être équipées de collecteurs de poussière internes, y compris des cartouches filtrantes et des nettoyages de filtres par jet d'air comprimé.
De nombreux pigments sont composés de particules de moins de 5 microns, et bien que les densités en vrac puissent varier, des matériaux tels que le dioxyde de titane, l'oxyde de fer et le noir de carbone ont tous tendance à s'emmagasiner. Afin d'éviter qu'un convoyeur ne se grippe avec un tel matériau, la vis d'alimentation idéale doit avoir une géométrie qui répartit les forces à l'intérieur du convoyeur pour minimiser la compression.
Les convoyeurs à vis flexibles peuvent réduire la fluidisation et l'oxygénation des matériaux en vrac légers en utilisant des éléments de conception appropriés. Par exemple, la terre de diatomées, un matériau sec ayant tendance à faire de la poussière et constitué de particules de forme irrégulière de 5-25 microns, avec une densité en vrac typique de 164-260 kg/m3 (10-16 lb/pi3), a tendance à former des voute et des «trous de rat» dans les trémies de chargement et à se fluidifier pendant le transport. Les convoyeurs à vis flexibles pour de tels matériaux sont généralement conçus pour combattre l'oxygénation, avec une vis à spirale plate et large pour fournir une surface portante plus large avec une force positive vers l'avant et une force radiale minimale.
Matériaux friables et fragiles
Les essais sont particulièrement importants dans le cas de particules fragiles ou friables qui doivent être transportées sans rupture. L'action de centrage automatique de la vis flexible rotative permet d'assurer un dégagement important entre la vis et les parois du tube pour éliminer ou minimiser les dommages au produit.
Matériaux abrasifs
Les convoyeurs à vis flexibles sont recommandés pour les matériaux abrasifs principalement en raison de leur facilité d'entretien résultant du design qui ne nécessite pas de roulements internes et n'utilise qu'un seul composant mobile en contact avec le matériau. Par exemple, le borax anhydre est abrasif, mais léger et duveteux, avec une densité apparente de 47,6 lb/pi3 (760 kg/m3) et des particules de 74 microns (200 mesh). Il peut être transporté à l'aide d'un convoyeur à vis flexible avec une vis à fil plat pour résister à l'abrasivité du produit. La surface de transport plane minimise la force radiale pour réduire le frottement et l'usure de la paroi du convoyeur. Si nécessaire, la vis flexible peut être retirée pour inspection ou remplacement avec un temps d'immobilisation minimal.
Mélanges divers
Un convoyeur à vis flexible bien conçu peut empêcher la séparation des mélanges sur toute la longueur du convoyeur, indépendamment des différences au termes de caractéristiques d'écoulement, de densité en vrac ou de taille des particules, alors que les convoyeurs pneumatiques ou d'autres types de convoyeurs mécaniques peuvent causer la séparation des mélanges pendant le transport. Prenons l'exemple d'une grande entreprise d'épices qui a plus de 8 000 recettes différentes, chacune consistant en un mélange de 1 à 25 ingrédients, avec des tailles de particules allant de 150 microns (100 mesh) à 6,4 mm (0,25 po). L'entreprise a essayé un convoyeur pneumatique, qui séparait les produits mélangés, ainsi qu'un convoyeur à godets et un convoyeur à vis rigide, tous deux difficiles à nettoyer. L'entreprise a constaté que les convoyeurs à vis flexibles ne séparaient pas les mélanges et n'endommageaient pas les épices, dont beaucoup sont fragiles. Elle utilise aujourd'hui 15 convoyeurs à vis flexibles, tous fonctionnant quotidiennement (figure 7). Un capuchon de nettoyage amovible à l'entrée de chaque tube permet d'inverser le sens de la vis afin d'évacuer complètement le tube pour faciliter le nettoyage.
En conclusion, les convoyeurs à vis flexibles conviennent pour le transport de nombreux matériaux difficiles à manipuler. Des essais minutieux et la participation d'experts sont les clés d'une bonne conception.
Références
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Bulk Bag Unloader, Flexible Conveyor Improve Filtration Effectiveness at Winery, Water Engineering & Management, Avril 2000.
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Figure 1. Système de convoyeur à vis flexible — Les systèmes de convoyeur à vis flexible bien conçus peuvent transporter des matières en vrac à écoulement facile ou difficile dans n'importe quel angle, à travers de simples trous dans les murs ou les plafonds. Les vis et les tubes de certains designs peuvent être courbés sous, au-dessus ou autour des obstructions, éliminant ainsi le besoin d'un parcours exact du convoyeur.
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Figure 2. Vis flexibles — La géométrie des vis flexibles peut être conçue pour optimiser le rendement des matériaux en vrac à écoulement facile ou difficile, y compris les mélanges composés d'ingrédients qui ont tendance à se séparer.
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Figure 3. Restrictions d'écoulement dans les cuves et les trémies — Un «trou de rat» (à gauche) décrit un vide en forme de tunnel irrégulier dans le matériau stagnant dans la cuve. L'effet de voute (à droite), également connu sous le nom de dôme ou d'arche, décrit une zone de vide à la sortie de la cuve. Les «trous de rat» et les effets de voute empêchent tous les deux l'écoulement du matériau.
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Figure 4. Unité mobile de convoyage-vide-sacs — Ce système de convoyage-vide-sacs mobile autonome et sans poussière déplace des ingrédients adhésifs présentant des caractéristiques d'écoulement et des densités en vrac disparates.
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Figure 5. Équipement d'essai grandeur nature — Un fabricant de produits d'étanchéité devait transporter divers ingrédients du rez-de-chaussée à deux disperseurs à haute vitesse situés sur une mezzanine à 3 m (10 pi) de hauteur. Pour déplacer avec succès les matériaux difficiles à transporter, il fallait tester le fonctionnement de trémie vide-sacs et de la trémie avec des vis flexibles grandeur nature de différents diamètres, longueurs et géométries, à différentes inclinaisons et vitesses de rotation.
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Figure 6. Micrographie électronique de silices pyrogénées à un grossissement de 100 000 x — Avec une densité en vrac de 40-50 kg/m3 (2,5-3 lb/pi3), les silices pyrogénées sont des poudres ultra-légères, dont la morphologie en chaîne de particules contribue aux caractéristiques qui les rendent difficiles à manipuler.
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Figure 7. Convoyeurs à vis flexibles multiples - Les convoyeurs à vis flexibles peuvent empêcher la dégradation du produit et la séparation des mélanges composés de matériaux ayant des tailles de particules et des caractéristiques d'écoulement disparates.
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Matériaux difficiles à manipuler - Les convoyeurs à vis flexibles peuvent être conçus pour manipuler une grande variété de matériaux en vrac avec des propriétés physiques et des caractéristiques d'écoulement disparates comme ci-dessus.
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