Des experts soviétiques en broyage ont découvert que, dans les broyeurs équipés d'un axe vertical, diaphragmes de séparation, un broyage excessif entraîne l'agglomération des particules fines et leur adhérence aux revêtements et aux corps de broyage, ce qui réduit l'efficacité du broyage. Lorsque la couche de matière adhérente sur les billes d'acier et les revêtements atteint 200 μm, l'énergie d'impact est réduite de 80%.

Les experts ont également constaté que seule la moitié environ des corps de broyage participe effectivement au processus de broyage ; le reste forme une couche dense dans la partie centrale du broyeur, tournant avec l'enveloppe pendant le fonctionnement et ne contribuant que très peu à l'action de broyage. C'est sur cette base qu'ils ont proposé et conçu le diaphragme de séparation incliné.

Ce diaphragme est constitué d'une rangée de barres rondes en acier doux A3, d'un diamètre de 90 mm chacune. Ces barres sont disposées de manière à former un plan incliné selon un certain angle par rapport à l'axe de rotation du broyeur, avec des écarts bien définis entre elles. Une fois assemblé, ce plan est fixé à l'enveloppe du broyeur à l'aide de boulons traversant des plaques à oreilles soudées aux deux extrémités.

Le principe de fonctionnement du système incliné diaphragme de séparation est illustré à la figure 2.24.

Comme le montre la figure 2.24, lorsque le broyeur équipé d’un diaphragme de séparation incliné est en fonctionnement, les positions du haut et du bas du diaphragme, ainsi que celles des corps de broyage et de la matière à broyer, varient constamment : lorsque le diaphragme se trouve en position I Sur la figure, la longueur du compartiment de broyage grossier L₁ est à son minimum, tandis que la hauteur d'empilement h₁ la concentration des corps de broyage dans ce compartiment est maximale ; parallèlement, la longueur du compartiment de broyage fin L₃ est à sa longueur maximale (L₃ = L₂ + △L), et la hauteur d'empilage h₂ la quantité de corps de broyage dans ce compartiment est à son minimum. Lorsque l'enveloppe du broyeur effectue une rotation de 180° et que le diaphragme incliné atteint la position II (comme l'indiquent les lignes pointillées sur la figure), la longueur du compartiment de broyage grossier augmente de △L et atteint sa valeur maximale (△L = D / tan α, où D est le diamètre intérieur effectif du broyeur tubulaire et α l'angle entre le diaphragme et l'axe longitudinal du broyeur). À ce stade, les corps de broyage et la matière présents dans le compartiment de broyage grossier se déplacent longitudinalement d’une distance de △L, et la hauteur d’empilement des corps de broyage dans ce compartiment atteint son minimum. La situation dans le compartiment de broyage fin est inverse : la longueur du compartiment diminue de △L et atteint son minimum, tandis que la hauteur d’empilement des corps de broyage augmente jusqu’à son maximum. Ainsi, pendant le fonctionnement du broyeur, les positions des extrémités supérieure et inférieure de la cloison inclinée changent périodiquement et en continu, et les corps de broyage présents dans les compartiments subissent également un mouvement longitudinal périodique, ce qui intensifie l’action de broyage. La raison de ce mouvement longitudinal des corps de broyage réside dans le fait que l’angle d’inclinaison de la cloison est supérieur à l’angle de repos naturel des corps de broyage, ce qui ne nécessite aucun apport d’énergie supplémentaire. Il convient de noter que l’angle de repos naturel des cylindres en acier (cylpebs) est supérieur à celui des billes d’acier ; par conséquent, un broyeur tubulaire équipé d’un diaphragme de séparation incliné ne doit pas utiliser de cylindres en acier, mais plutôt de petites billes d’acier de φ25–30 mm.

Figure 2.24 Principe de fonctionnement de la membrane à cloison inclinée

1 — Enveloppe ; 2 — Compartiment de broyage grossier ; 3 — Dispositif à diaphragme de séparation incliné ; 4 — Compartiment de broyage fin ; 5 — Grille de décharge ; 6 — Corps de broyage

Les ouvertures de la grille de la cloison inclinée sont disposées uniquement dans la zone en contact avec le matériau dans le compartiment de broyage grossier ; aucune ouverture de grille ne doit être prévue dans la zone en contact avec le matériau dans le compartiment de broyage fin. Ainsi, lors de la rotation de la cloison inclinée de la position I à la position II, tant les corps de broyage que la matière se trouvant dans la section △L du compartiment de broyage grossier sont soulevés, puis descendent le long de sa surface. À ce moment-là, les particules fines passent à travers les ouvertures de la grille pour pénétrer dans le compartiment de broyage fin, tandis que les particules grossières sont renvoyées vers la section L₁ du compartiment de broyage grossier pour être rebroyées.

En résumé, dans un broyeur équipé d'une cloison inclinée, non seulement la “ couche statique ” (couche morte) des corps de broyage est éliminée, ce qui intensifie l'impact et l'action de broyage de ces derniers, mais la classification du matériau à l'intérieur du broyeur est également améliorée, et le sur-broyage est réduit. Par conséquent, le rendement de broyage est élevé.

L'ancienne Union soviétique a mené des essais sur un broyeur à ciment de Φ4 × 13,5 m équipé d'un diaphragme de séparation incliné. L'angle d'inclinaison de la cloison était de 42,5°, le taux de remplissage du premier compartiment était de 0,30, celui du deuxième compartiment de 0,25, le rapport de vitesse du broyeur était de 76% et la vitesse de fonctionnement était de 16,3 tr/min. Avec une réduction totale de la charge en corps de broyage de 60 tonnes, le débit du broyeur a augmenté de 15,29% ; le rendement par kilogramme de corps de broyage était supérieur de 40% à celui obtenu avec un diaphragme vertical ; la consommation électrique unitaire a diminué de 25,8% ; la puissance requise a diminué de 14,51 TP3T, le courant nécessaire à l’entraînement principal est passé de 310 A à 240 A, la température du matériau à la sortie a baissé d’environ 10 °C, les températures de l’huile de lubrification et du palier principal ont baissé de 10 à 15 °C, la température des paliers du moteur de l’entraînement principal a diminué de 3 à 8 °C, et la température des enroulements du rotor et du stator a diminué de 10 à 12 °C.

L'usine de matériaux de construction de Changshu, en Chine, a réalisé des essais comparatifs de production sur des broyeurs bruts MB1577 et des broyeurs MB1870, tous deux équipés de diaphragmes de séparation verticaux et inclinés. Les résultats sont présentés dans le tableau 2.8.

Tableau 2.8 : Résultats des essais comparatifs de productivité entre la pose de cloisons verticales et celle de cloisons inclinées

Les essais en usine ont également montré que :

(1) La surface de la cloison inclinée étant supérieure de 30%–45% à celle du modèle vertical, et les espaces entre les barres inclinées étant plus larges que les fentes de la cloison verticale, la ventilation interne du broyeur s’en trouve améliorée : la dépression à l'intérieur du broyeur, initialement inférieure à 10 MPa, est passée à 30–50 MPa après l'installation du diaphragme incliné.

(2) La consommation de corps de broyage a diminué : alors qu'il fallait initialement ajouter 6 à 9 tonnes tous les 10 jours, on n'ajoute désormais plus que 6 tonnes tous les deux mois.

(3) Le taux de fonctionnement de l'usine a atteint 891 TP3T, ce qui démontre la fiabilité du diaphragme de séparation incliné.

(4) Le passage d'une membrane de séparation verticale à une membrane inclinée n'implique aucune modification des dimensions géométriques ni de la vitesse de rotation de l'enveloppe du broyeur, et ne nécessite pas non plus d'augmenter la puissance du moteur ; cette modification est facile à mettre en œuvre.

(5) Le taux de remplissage en billes d'acier dans le premier compartiment doit être réduit de manière appropriée (à environ 20%) afin de laisser suffisamment d'espace aux billes pour qu'elles puissent se déplacer librement et exploiter pleinement leur énergie cinétique. Le diamètre moyen des billes dans le premier compartiment doit être réduit de 10 à 20 mm.

(6) Le deuxième compartiment doit être chargé de billes d'acier. Si l'on utilise à la place des cylindres d'acier (cylpebs), leur charge doit être augmentée en conséquence (d'environ 10%) afin d'équilibrer la capacité de broyage du deuxième compartiment avec celle du premier. En effet, dans un broyeur à diaphragme incliné, la fluidité des cylindres est moindre, et l’amélioration de la capacité de broyage du compartiment à cylindres n’est pas aussi importante que celle du compartiment à billes.

(7) L'angle d'inclinaison de la cloison inclinée par rapport à l'horizontale doit de préférence être compris entre 42° et 60°.

(8) L'effet de classification (criblage) de la cloison inclinée n'est pas idéal : lorsque la cloison se trouve en position I sur la figure 2.24, la hauteur des corps de broyage et de la matière dans le compartiment avant est supérieure à celle du compartiment arrière, ce qui entraîne un reflux important de matière vers le compartiment arrière ; lorsque la cloison est en position II, la hauteur dans le compartiment arrière est supérieure à celle du compartiment avant, et une grande quantité de matière s'écoule vers l'avant dans le compartiment avant. Ce phénomène entraîne des conditions de broyage instables à l'intérieur du broyeur. De plus, l'angle formé entre le diaphragme incliné et l'enveloppe du broyeur crée une zone de rétention (zone morte), où le mouvement longitudinal des corps de broyage est entravé et où leur action de broyage ne peut pas se déployer pleinement.