35 7 7MB
République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Cycle de Formation d’Ingénieurs dans la Discipline Génie Matériaux
ST-EN07/00 Projet de Fin d’Etude N° d’ordre: 2013 GMAT33
Université de Sfax École Nationale d’Ingénieurs de Sfax
MEMOIRE Présenté à L’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax (Département de Génie des matériaux) En vue de l’obtention Du Diplôme National d’Ingénieur en Génie des matériaux Par
Naima KARMADI & Mahdi KHARRAT
Etude, Conception et Réalisation d’un broyeur de verre à marteaux
Soutenu le 17 juin 2013, devant la commission d'examen: M.
Khaled ELEUCH
Président
M.
Noamen GUERMAZI
Examinateur
M.
Farid TAKELI
Encadrant académique
M.
Lasaad MADANI
Encadrant industriel
Dédicaces Je dédie ce travail de fin d'études à : A mes parents Qui m'ont toujours poussé et motivé dans mes études. Sans eux, je n'aurais certainement pas fait d'études longues. Ce projet représente donc l'aboutissement du soutien et des encouragements qu'ils m'ont prodigués tout au long de ma scolarité. Qu'ils en soient remerciés par cette trop modeste dédicace. A mes frères Les plus proches qui, avec leurs sens de l'humain, est pour moi un soutien inestimable. A mes sœurs Au quelles je souhaite une longue vie pleine de bonheur, de santé et de réussite. A mes amis, mes collègues Pour leurs encouragements et pour tout ce qu’ils ont fait pour moi. Aux enseignants du département Génie Matériaux Qui m’ont tout donné et pour tout ce qu’ils ont fait pour moi.
Naima
Dédicaces A mon père A ma mère En témoignage de ma profonde affection et mon infinie reconnaissance, pour la gentillesse, les grandes sacrifices déployées à mon égard et le dénouement qu’ils ont porté pour moi. Qu’ils veulent bien, eux qui ‘ont jamais rien demandé, trouver dans ce travail une modeste récompense pour leurs efforts et leurs sacrifices. Je leurs souhaite du fond du cœur une bonne santé, une longue vie et beaucoup de bonheur. A mon frère Avec tout, mon soutien, mon affection et mes vœux de réussite, je lui souhaite beaucoup de bonheur et la réussite dans sa vie. A tous mes amis et leurs familles A tous ceux qui me sont chers Qu’ils acceptent ce modeste geste comme témoignage de gratitude, de respect et d’une grande amitié.
Mahdi
REMERCIEMENT Nous tenons au début de ce mémoire à exprimer nos respects les plus distingués ainsi que nos remerciements à Mr Farid TAKKALI pour son encadrement, ses conseils considérables, ses encouragements et ses contributions efficaces. Qu’il trouve ici l’expression des immenses gratitudes pour la confiance qu’il nous a témoignée. Nous lui sommes reconnaissants pour avoir enrichit et développé notre formation. Nous remercions Mr Saïd TAKTAK Gérant de la Société RISEL INDUSTRIES qui a accepté de nous accueillir dans son honorable entreprise pendant notre période de stage en le félicitant de son initiative, son amour du travail bien fait et son intérêt d’une coopération continue et une ouverture permanente entre les industriels et les jeunes universitaires pour leur intégration professionnel : Bravo pour son esprit et son souci Nous remercions Mr. Lasaad MADDANI notre encadrant industriel ingénieur de la société RISEL INDUSTRIES, pour nous avoir consacré son temps précieux, pour sa gentillesse et pour l’honneur de sa présence à la soutenance. Nous remercions vivement Mr. Radhouane MASMOUDI, Hédi TOUMI et tout le personnel de RISEL INDUSTRIES pour leurs aides et conseils. On est également très sensible à l’’honneur que nous ont fait Mr. Khaled ELLEUCH président de jury et Mr. Noeman GUERMAZI membre de jury, d’avoir accepté de juger notre mémoire. Espérons que ce rapport que nous allons présenter sera à la hauteur de vos attentes. Enfin , nous remercions sincèrement tous les membres du département de Génie Matériaux de l’’ENIS , de RISEL INDUSTRIES et tous ceux qui ont contribué , de près ou de loin , à l’élaboration et la réussite de ce travail.
Systèmes de manutention et convoyage, Travaux en aciers Inoxydables
Site Web: www.risel-industries.com.tn
Nous avons le plaisir de vous présenter la société RISEL INDUSTRIES dans laquelle nous avons fait notre projet de fin d’étude. Cette société est de type s.a.r.l de construction métallique et mécanique, spécialisée dans la fabrication de tout équipement industriel en mécano-soudure en acier inoxydable ou ordinaire. Précurseur dans son domaine, RISEL INDUSTRIES compte parmi les leaders de la construction mécanique et métallique par sa large gamme de produits comprenant notamment : Le convoyage continu de matière en vrac : Transporteurs à bandes, à tabliers métalliques, à chaînes, à rouleaux, tambours, vis sans fin, sauterelles, des trémies, rouleaux étanches, en inox selon les normes pour l’agroalimentaire, pharmaceutiques, pétroles et autres, en acier ordinaires pour les autres secteurs d’activités. Des produits écologiques : à savoir le capotage des convoyeurs et des transporteurs. Manutention industrielle : table élévatrice, monte charges industriel, rampe de chargement mobile certifiée, Niveleur de quai hydraulique. Les équipements pour l’industrie alimentaire ou chimique tels que cuve agitée en acier inoxydable ou ordinaire etc.… Panneaux et marches d’escaliers en caillebotis métallique et en résine iso phtalique. Palans et ponts roulant. Construction de réservoirs et citernes, tuyauteries etc. …. Charpentes métalliques Et en général tous travaux de chaudronnerie, fabrication et remplacement d’équipements.
Site Web: www.risel-industries.com.tn
Pour toutes ces activités, RISEL INDUSTRIES dispose d’un personnel hautement qualifié et performant de production et de services. La société est réputée par la bonne finition de son produit, exigée par l’industrie. Ses équipements et son savoir faire la permettent de s’adapter aux demandes les plus exigeantes et de dépasser le stade de fabrication à celui de conception et d’assistance à la conception. La Société « RISEL INDUSTRIES » est agrée du ministère de l’équipement en B8 et B9 catégorie 2. Voici quelques réalisations faites par « RISEL INDUSTRIES »
Convoyeur
Caillebotis
Rampe de chargement
Sauterelle
Sommaire 1
MEMOIRE
Etude, Conception et Réalisation d’un broyeur de verre à marteaux
1
CAHIER DE CHARGE
2
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE :
4
VERRES ET BROYEURS
4
1. Introduction :
5
2. Introduction sur les verres plats :
5
2.1. Définition : ............................................................................................................ 5 2.2. Les propriétés du verre : ....................................................................................... 6 3. Situation des verres :
7
3.1. La situation nationale : ......................................................................................... 7 3.2. Situation mondiale des verres plats :.................................................................... 8 4. Recyclage de verre :
8
4.1. Calcin interne : ..................................................................................................... 8 4.2. Calcin externe : ..................................................................................................... 9 4.3. Avantages : ............................................................................................................ 9 4.4. Définition du broyage : ....................................................................................... 11 5. Différents Types des verres plats :
12
5.1. Le verre clair: ...................................................................................................... 12 5.2. Le verre teinté ...................................................................................................... 12 5.3. Le verre imprimé : ............................................................................................... 13 5.4. Le verre feuilleté: ................................................................................................ 13 6. Technique de broyage:
15
6.1. Technique à marteaux : ...................................................................................... 16 6.2. Broyage à barres ou plaques de choc : .............................................................. 16 6.3. Broyage à billes et boulets : ................................................................................ 16 6.4. Broyage à cylindres : .......................................................................................... 17 9. Conclusion:
22
1. Description du fonctionnement :
24
2. Schématisation :
24
2.1. Introduction : ..................................................................................................... 25
2.2. Schéma cinématique : ......................................................................................... 25 3. Démarche d’obtention de la solution finale :
26
3.1. Première solution : Montage impossible: ......................................................... 26 3.1.1. Arbre :
27
3.1.2. Matrice :
27
3.1.3. Indication sur la conception de la trémie :
28
3.1.4. Montage impossible :
29
3.2. Deuxième solution :
29
3.2.1. Au niveau de la matrice :
31
3.2.3. Réduction du nombre de rangée des marteaux :
31
3.3. Solution finale :................................................................................................... 32 3.3.1. Séparation arbre porte marteau :
32
3.3.2. Assemblage matrice :
34
3.3.3. Nouvelles composantes :
34
3.3.4. Système de séparation :
35
4. Conclusion :
36
CALCUL ET DIMENTIONNEMENT
36
1. Introduction :
37
1.1. Etude du système du broyage : ............................................................................ 37 1.2. Motorisation de La machine : .............................................................................. 37 2. Calcul RDM :
38
2.1. Calcul de la Force nécessaire pour faire pivoté les marteaux : ............................ 38 2.2. Calcul du couple de broyage : .............................................................................. 38 2.3. Calcul de la puissance nécessaire : ...................................................................... 38 2.4. Calcul de la puissance moteur : ........................................................................... 39 2.5. Transmission par courroies : ................................................................................ 39 3.4.1. Vérification de la résistance de la matrice :
50
3.4.2. Vérification de la résistance des marteaux :
50
PRESENTATION DE LA MACHINE DE CALCUL DE FORCE
50
1. Introduction :
51
2. Choix des matériaux :
51
2.1. Les aciers à très haute résistance à l'usure : ..................................................... 51 2.2. Les aciers résistant aux chocs : .......................................................................... 51
3. Caractérisation mécanique des verres :
53
3.1. E, module de Young :.......................................................................................... 53 3.2. Coefficient de frottement : .................................................................................. 53 3.3. Coefficient de Poisson µ : ................................................................................... 54 3.4. La résistance aux chocs du verre : ..................................................................... 55 3.4.1. Essai de chocs de corps durs :
55
3.4.2. Essai de chocs de corps mous :
56
3.4.3. La résistance à la flexion du verre: ................................................................. 56 4. Calcul de force résistante de verre :
57
4.1. Pose du Problème : ............................................................................................ 57 4.2. Démonstration : .................................................................................................. 58 4.3. Résultat et application numérique : ................................................................... 59 5. Réalisation :
60
6. Conclusion :
61
Références Bibliographiques
62
Annexe A : Caractéristiques des broyeurs
1
ANNEXE B
1
ANNEXE B1
6
ANNEXE C
1
ANNEXE D
1
ANNEXE D1 : Transmissions par poulies et courroies
4
Liste de figures : Figure 1.1 Répartition de la production de verre en 2000.
6
Figure 1.2.Déchet de verre.
8
Figure 1.3.Exemple de verre clair.
12
Figure 1.4. Exemples de verres teintés.
12
Figure 1.5. Quelques exemples de verres imprimés.
13
Figure 1.6. Verre feuilleté.
14
Figure 1.7.Concasseur à Percussion.
17
Figure 1.8. Composition du broyeur à marteaux.
18
Figure 1.9.Concasseur à mâchoires.
19
Figure 1.10. Broyeur centrifuge à axe verticale.
20
Figure 2.1. Actigramme A-0 du broyeur de verre.
24
Figure 2.2. Schéma cinématique.
26
Figure 2.3. Pyramide de rentabilité technico-économique;
27
Figure 2.4. Assemblage arbre marteau.
27
Figure 2.5. Matrice.
28
Figure 2.6. Système d’alimentation.
28
Figure 2.7. Montage impossible.
29
Figure 2.8. Réduction du diamètre de l'arbre.
29
Figure 2.9. Changement des positions des couvercles.
30
Figure 2.10.Trou de démontage de la tige.
30
Figure 2.11. .Assemblage matrice.
31
Figure 2.12.Vue d’ensemble de la solution finale.
32
Figure 2.13.Arbre en bloc (solution primaire).
32
Figure 2.14. Assemblage arbre porte marteaux.
33
Figure 2.15. Porte marteau.
33
Figure 2.16. Arbre du broyeur.
33
Figure 2.17. Assemblage matrice.
34
Figure 2.18.a. chapeau exterieur.
Figure 2.18.b. Chapeau interieur.
Figure 2.19. Système de séparation. Figure 2.20.a. Système de guidage. Figure 3.1. l’arbre moteur.
35 35
Figure 2.20.b. Assemblage du système.
35 43
Figure 3.2. Clavette parallèle [B].
44
Figure 3.3. Maillage de l’arbre.
48
Figure 3.4. Déformé de l’assemblage arbre marteau.
49
Figure 3.5. Vérification de la matrice par la méthode des éléments finis.
49
Figure 3.6. Vérification de la matrice par la méthode des éléments finis.
50
Figure 3.7. Vérification des marteaux par la méthode des éléments finis.
50
Figure4.1. Module de Young.
53
Figure 4.2. Coefficient de poisson.
54
Figure 4.3. Résistance aux chocs du verre.
55
Figure 4.4. Essai de choc de corps durs / mous.
55
Figure 4.5. Résistance à la flexion.
56
Figure 1. Différentes composantes de la machine.
60
Liste de tableau : Tableau 1.1. Dates clés du verre. .............................................................................................. 5 Tableau 1.2. Propriétés des verres. ........................................................................................... 6 Tableau 1.3. Tonnage collecté et taux de recyclage, en 2005. .................................................. 9 Tableau 1.4. Les différents types de broyeurs . .............................................................. …….15 Tableau 3.1. Choix du coefficient de sécurité..........................................................................47 Tableau 3.2.Caractéristiques mécaniques du XC48................................................................48 Tableau 4.1. Choix des Aciers suivant les propriétés spécifiques...........................................52 Tableau 4.2. Contraintes de travail habituelles.......................................................................57 Tableau 4.3. Essai de résistance des verres.............................................................................59
Introduction Générale
Naima KARMADI & Mahdi KHARRAT
INTRODUCTION GENERALE Notre projet consiste à étudier et à concevoir un broyeur de déchet de verre. Ce travail s’inscrit dans le cadre de la collaboration du département de Génie Matériaux de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax avec la société RISEL INDUSTRIES.
Conformément aux exigences du cahier de charges, notre tâche consistera à concevoir un broyeur qui garantira la granulométrie demandée du verre afin d’aboutir une qualité optimale du verre pour le réutiliser.
Pour ce faire, on commence par une étude bibliographique dans le premier chapitre sur le verre et ses types, la nécessité de recyclage, les différents types de broyeurs, enfin on s’intéresse au choix de la solution technologique.
Au deuxième chapitre on s’intéresse à la présentation de la machine et les différentes étapes qu’on a suivies pour obtenir la conception de cette solution technologique en utilisant le logiciel SolidWorks.
Au troisième chapitre, on développe le calcul et le dimensionnement de notre solution. On vérifie la résistance mécanique des différentes pièces les plus sollicitées de la machine à l’aide des logiciels de dimensionnement Abaqus, SolidWorks, Catia…
Au quatrième chapitre nous nous intéressons au choix des matériaux utilisés dans la machine principale : le broyeur de déchet de verre et la machine secondaire : La machine de calcul de force résistante de verre.
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Cahier de Charge
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CAHIER DE CHARGE Sujet
Broyeur à marteaux pour déchet de verre. Activités Façonnage et transformation du verre plat. Produits Verres de sécurité, trempés ou contrecollés - Miroirs en verre - Autres verres plats façonnés.
Industrie
Adresse usine RTE DE BIZERTE Z.I. - 2062 - CITE IBN KHALDOUN Gouvernorat : Tunis SIALA INDUSTRIE DU VERRE est spécialisée dans le secteur et offre les produits suivants Verres de sécurité, trempés ou contrecollés - Miroirs en verre - Autres verres plats façonnés.
Besoin industriel Produit traité
Traitement des déchets de l’industrie -
Verre Simple (seule couche)
-
Verre multicouche (séparé par une couche de résine).
-
Raison de recyclage : De granulométrie fine < 0,2mm
Utilisation du produit
Raison décorative avec de la peinture : De granulométrie moyenne [0,2mm-0,7mm]
-
La séparation des deux produits finis sera réalisée par deux tamis.
REMARQUELe refus de granulométrie > 0,7mm nécessite un broyage de nouveau.
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Cahier de Charge
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-
Rentabilité 100kg/h/j
-
Efficacité du tamis :
Exigences
70% pour granulométrie moyenne.
industrielles
20% pour granulométrie finesse.
10% pour broyage de nouveau
Etude
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-
Utilisation d’un moteur de vitesse de rotation 3000 tr/min
-
Propriétés des verres étudiés.
-
Choix des matériaux.
-
Solution pour lutter contre le rejet du produit broyé à l’entrée et à la sortie du broyeur.
-
Durabilité des marteaux (surface utile, durée de vie,…).
-
Réglage de granulométrie et efficacité des tamis.
-
Dimensionnement et études du comportement mécanique.
-
Réalisation.
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Etude bibliographique: Verres et broyeurs
Naima KARMADI & Mahdi KHARRAT
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE : VERRES ET BROYEURS Sommaire 1. Introduction 2. Introduction sur les verres plats 3. Situation des verres 4. Recyclage des verres 5. Différents types des verres plats 6. Techniques de broyage 7. Différentes solutions proposées 8. Critères de choix 9. Conclusion
Résumé :
Ce chapitre est consacré à l’étude bibliographique sur les verres et les mécanismes utilisés pour le broyage.
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Etude bibliographique: Verres et broyeurs
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1. Introduction : Dans ce chapitre, nous allons présenter, un flash sur l’historique du verre, une introduction générale sur la production des verres spécialement le verre plat qui est notre produit à traiter, procédés de fabrication, recyclage et son importance, broyage, différents techniques et les machines existantes à l’échelle industriel pour aboutir ce but.
2. Introduction sur les verres plats : 2.1. Définition : Le verre est un matériau dur, fragile, amorphe (non cristallin), qui provient du refroidissement rapide de certaines substances après fusion présentant le phénomène de transition vitreuse. Il peut être opaque, translucide ou transparent. Il est malléable à chaud et aussi susceptible d'un poli parfait. Tableau 1.1. Dates clés du verre. 3000 avant J.-C.
Perles de verre, colliers (Égypte).
1700 avant J.-C.
Texte relatif à la fabrication d'un verre (Mésopotamie).
1500 avant J.-C.
Objet en verre creux par moulage autour d'un noyau de sable.
Ier siècle avant J.-C.
Invention du soufflage en bouche à la canne et fabrication de vases utilitaires.
Ier siècle après J.-C.
Premières feuilles de verre utilisées en vitrage (Pompéi).
Xe
siècle Développement du vitrail.
XVIe
siècle Développement de la verrerie à Venise.
XVIIe
siècle Découverte du cristal au plomb en Angleterre e
Début du XX siècle 1960
Fabrication du verre à vitre par étirage vertical.
Fabrication automatique de bouteilles.
Découverte du procédé Float-glass (Angleterre).
Le Verre est parmi les matériaux les plus familiers. Il est utilisé sous plusieurs formes et pour des applications multiples, allant des verres creux (bouteilles) aux pares brises des automobiles en passant par le verre plat pour le bâtiment ou la miroiterie. PFE 2012/2013
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Etude bibliographique: Verres et broyeurs
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Figure 1.2 Répartition de la production de verre en 2000.
2.2. Les propriétés du verre : Tableau 1.2. Propriétés des verres. Propriété
Valeur
Masse volumique à 18°C(*) Module de Young E (*) Coefficient de Poisson (*)
2500 kg/m3 70 000 N/mm2 0,2
Dureté Mohs (*) Température de fusion (***)
6 1500°C
Température de ramollissement (***) Coefficient de dilatation linéaire (*) Conductivité thermique (*)
600°C 9.10-6 m/ (m.K) 1 W/ (m.K)
Capacité thermique massique “c” (*) Résistance à la rupture par flexion :
700 J/ (kg.K)
- verre recuit (**)
41,2 N/mm2
- verre durci (**)
(****)
- verre trempé thermiquement (**)
196,0 N/mm2
Valeur considérée pour les calculs de flexion: - verre recuit (**)
16,5 N/mm2
- verre durci (**)
(****)
- verre trempé thermiquement (**) Résistance à la compression (***) Coefficient de transmission thermique (verre simple de 4 mm) (*) Indice de réfraction “n” par rapport à l’air (*)
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49,0 N/mm2 1000 N/mm2 5,8 W/ (m2.K) 1,5 Page 6
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Transmission lumineuse (verre simple de 4 mm) (***)
0,90
Facteur solaire (verre simple de 4 mm) (***)
0,87
Emissivité normale d’un verre sans couche ou avec couche sans influence sur l’émissivité(*)
0,88
(*) Valeur extraite des normes NBN EN 572 [49] et NBN EN 673 [50]. (**) Valeur extraite de la norme NBN S 23-002 (STS 38) [61]. (***) Valeur extraite d’autres sources (non normatives) que les NBN EN 572, NBN EN 673 et NBN S 23-002. (****) La norme NBN S 23-002 (STS 38) ne donne pas de valeur de résistance à la rupture par flexion pour le verre durci; cette valeur ainsi que le coefficient de sécurité à appliquer doivent être précisés dans un agrément technique ou, à défaut, sont les mêmes que pour le verre recuit.
3. Situation des verres : 3.1. La situation nationale : En 2001, la Branche du verre comptait 45 entreprises, employant environ 1900 personnes, dont 24 entreprises sont dans la transformation industrielle du verre plat. La fabrication industrielle du verre creux est assurée par 5 entreprises. Le reste des entreprises opère dans des activités variées comme la décoration sur verre creux, la transformation du verre technique, le verre artistique soufflé, etc. [3] Pour la transformation du verre plat, on atteint un volume de production de :
350 000 m2 de double vitrage contre, 177 000 m2 en 2000.
130 000 pares brises dont 15% à seraient destinés à l’exportation, contre 90 000 pièces en 2000.
145 000 Vitres latérales pour automobiles, contre 104 000 pièces en 2000tique soufflé, etc.
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3.2. Situation mondiale des verres plats : La demande mondiale en verre plat représente environ 45 millions de tonnes par an, dont environ 50 % provient d’Asie, 27 % d’Europe et 15 % d’Amérique du Nord. Elle se répartit à raison de 70 % pour le bâtiment, 20 % pour l’ameublement et la décoration intérieure et 10 % pour l’automobile et les transports. Au sein de la filière verre, le verre plat est le secteur d’activité ayant le mieux résisté à la crise. Après une année 2009 difficile (-17% en volume), la production a atteint 890.000 tonnes en 2010 soit une progression de 9% (1). Cette embellie est due principalement au dynamisme du marché de la rénovation dans le secteur de la construction résidentielle. Le chiffre d’affaires des fabricants de verre plat est estimé à 840 Millions d’Euros (2).
4. Recyclage de verre :
Figure 1.3.Déchet de verre. Le verre est un matériau qui se recycle à l’infini : il suffit de trier et de broyer le verre collecté pour obtenir du "calcin", c’est-à-dire des débris du verre qui, ajoutés à du sable, de la soude et de la chaux, serviront à fabriquer de nouveaux emballages. [4]
4.1. Calcin interne : De tout temps, les verriers ont recyclé leurs rebuts de fabrication dans les fours. Les quantités introduites, appelées de nos jours calcin interne, restaient modestes, de l’ordre de 10 % en poids de la composition vitrifiable. À partir des années 70Ce système fonctionne très bien et a permis d’accroître, de façon importante et régulière, le taux de recyclage du verre usagé dans les fours jusqu’à des valeurs proches de 90 %, par exemple, sur certains fours bouteilles en verre coloré. PFE 2012/2013
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4.2. Calcin externe : Il est devenu progressivement une véritable matière première avec des exigences de qualité élevées pour permettre l’élaboration d’un verre de qualité identique à celui obtenu avec des matières premières conventionnelles. Aujourd’hui, cette pratique continue à progresser dans le cadre des impératifs du développement durable : on considère désormais le recyclage comme un outil stratégique pour l’industrie du verre. [4] Recyclage en Europe : Total : 9 893 000 t. en 2005. Tableau 1.3. Tonnage collecté et taux de recyclage, en 2005.
Allemagne
France
Italie
Royaume-Uni
Espagne
Pays-Bas
2 521 000 t (86 %) 2 021 000 t (62 %) 1 312 000 t (62 %) 1 259 000 t (53 %) 745 000 t (45 %) 423 000 t (78 %)
Belgique
Suisse
Autriche
Portugal
Suède
Danemark
318 000 t (92 %) 308 000 t (95 %) 207 000 t (83 %) 156 000 t (41 %) 155 000 t (96 %) 140 000 t (70 %)
Soit un taux de recyclage moyen de 64 % pour l'Union Européenne.
4.3. Avantages : Economie d'énergie : environ 1 % par 4 % de calcin utilisé Protection de l'environnement :
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- elle réduit la quantité de matières premières avant d’être extraites : chaque tonne de calcin utilisé permet d'économiser 1,2 tonne de matières premières. - il va permettre de faire face aux contraintes environnementales, en particulier sur les émissions de gaz à effet de serre, qui touchent cette industrie. Préservation de la couche d’Ozone : Moins d’émission de CO2 : jusqu'à 45% en moins de CO2 est produit. Emissions de gaz carbonique : trois facteurs pris en compte : Recyclage et pureté atmosphérique font bon ménage : en supprimant les matières premières carbonatées, chaque tonne de calcin enfournée permet de réduire de 200 kg les émissions de gaz carbonique d’origine minérale fossile. Amélioration du rendement énergétique : sous l’impulsion des chocs pétroliers des années 70, la conception des fours verriers a intégré les considérations d’économie d’énergie, ce qui permet à l’industrie française du verre d’emballage de se situer, au plan mondial, au meilleur niveau des performances énergétiques. Des gains supplémentaires sont encore possibles par le remplacement progressif des fours les moins performants et par une maîtrise optimisée de l’exploitation. Utilisation des différentes sources d’énergie : l’équipement des fours en système biénergie et l’augmentation de la proportion du gaz naturel dans le mix de combustion contribue aussi à la réduction des émissions de co2. L'utilisation du calcin et les différentes mesures prises au plan énergétique diminuent la quantité du gaz carbonique émise par l’industrie du verre d’emballage. Recyclage : Le verre peut être fondu et refondu à l’infini sans perte de qualité. amélioration sensible des mécanismes de fusion de la composition vitrifiable. La quantité de déchets reste limitée.
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4.4. Définition du broyage : Le broyage est un traitement s'appliquant à des déchets solides, en général relativement friables. Il ne nécessite aucune préparation particulière des déchets (à part une certaine homogénéité de taille). Le broyage consiste à réduire des morceaux de matériaux solides d'une taille donnée à une taille plus petite. Le principe est la fragmentation des morceaux par l'action mécanique de pièces plus résistantes, généralement métalliques. Un broyage est caractérisé par différents paramètres : La capacité d'admission (taille des plus gros blocs pouvant être traités par la machine). Le rapport optimal de réduction, c'est à dire le rapport de la taille des pièces à la sortie sur la taille des pièces à l'entrée. Comme toutes les pièces ne sont pas de même taille, on raisonne à partir d'une taille seuil, obtenue pour 85% des pièces. La distribution granulométrique en sortie. Le coefficient de forme moyen, qui permet de caractériser la sphéricité des particules à la sortie. Le coût de la maintenance. Il existe plusieurs niveaux de broyage, dont les équipements utilisés produisent la granulométrie souhaité. Le concassage : il permet d'obtenir des particules de taille au cm, et il est souvent utilisé en pré-broyage. Il se subdivise en concassage primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. Ce dernier est assimilable au broyage grossier. Le broyage grossier : il permet d'obtenir des particules de l'ordre du mm. Le broyage fin : les particules obtenues varient de 10 à quelques centaines de micromètres. Le broyage ultrafin : il est peu utilisé et n'est nécessaire que pour certains types de recyclage, très spécifiques.
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5. Différents Types des verres plats : 5.1. Le verre clair: Le verre plat est fabriqué actuellement selon la technique dite du "flottage". Le verre s’obtient par fusion d’un mélange de matières minérales dans un four "float". La particularité de ce procédé est de réaliser la coulée du verre en fusion sur une surface parfaitement plane et sans défaut : un bain d’étain en fusion. Le verre ainsi produit est un verre dit "recuit", n’ayant pratiquement aucune tension interne.
Figure 1.4.Exemple de verre clair. Il existe 2 types de verres :
le verre float clair qui garde une teinte légèrement verdâtre.
le float extra clair qui a un aspect plus blanc.
5.2. Le verre teinté Les verres teintés sont des verres float teintés dans la masse. Comme le verre float on retrouve différentes épaisseurs (de 3 à 12mm) pour des réalisations plus ou moins cossues.
Figure 1.5. Exemples de verres teintés. On distingue 4 couleurs de verre teinté, à savoir : bronze, bleu, gris et vert. PFE 2012/2013
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5.3. Le verre imprimé : Les verres imprimés sont des verres de 4 mm, plus ou moins translucides en fonction du motif et de la teinte choisie. Ils sont généralement utilisés dans les menuiseries intérieures comme les portes de séparations d’habitation ou dans les verrières de toitures comme les marquises [1].
Figure 1. 6. Quelques exemples de verres imprimés.
5.4. Le verre feuilleté: Le verre feuilleté est un assemblage de feuilles de verres et d'intercalaires de nature plastique. Les intercalaires peuvent se présenter sous forme de film, généralement en PVB (Poly-Vinyle-Butyral) ou EVA (Ethyle-Vinyle-Acétate), ou bien sous forme liquide, coulée entre deux verres (résine). Le verre feuilleté pour bâtiment fait l'objet de la norme EN ISO 12543. Ce verre de sécurité, composé de 2 vitrages collés par un film PVB, résiste à l'impact. Lors d'un choc avec un corps étranger, le verre se fendille, la fracture est localisée au point d'impact sans altérer la visibilité. L'intercalaire P.V.B. maintient les morceaux de verre en place, ce qui diminue le risque de coupure par éclats de verre. Il garde l'étanchéité de la paroi. De plus, l'énergie résiduelle du corps est absorbée par cet intercalaire ; le vitrage empêche donc le passage du corps si l'impact n'est pas disproportionné.
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Figure 1.7. Verre feuilleté. Applications : Selon la nature des intercalaires, le verre feuilleté peut être: Résistant
au vandalisme, à l'effraction ou aux tirs d'armes à feu, voire aux ouragans ou
aux explosions. Utilisé
pour protéger les personnes de risques accidentels (pare-brise automobile,
protection contre la chute dans le vide en cas de bris du vitrage, etc.). Une protection
contre les risques de coupure.
Une protection
contre les rayons U.V.
Utilisé
dans des parois pare-flammes ou coupe-feu jusqu'à deux heures (verre feuilleté
à intercalaire intumescent). De
plus, le film P.V.B. peut constituer un élément décoratif très important soit en étant
lui-même coloré, soit en étant associé à un support polyester décoré, soit en incorporant divers matériaux à effet décoratif (tissus, feuillage…) ou à caractère fonctionnel. Il
est utilisé également comme élément acoustique en assemblage double vitrage
"asymétrique". Dans ce cas, on utilise un ¨P.V.B. ayant subi un traitement spécifique qui, en doublant ses capacités d'amortissement, améliore les performances acoustiques du verre feuilleté. PFE 2012/2013
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6. Technique de broyage: Tableau 1.4. Les différents types de broyeurs [10].
Type de broyeur
Produits broyées
broyeur à deux
engrais, sels, coke,
cylindres lisses
charbon, verre
broyeur à deux
Engrais, produit chimique
étages broyeur à un
et sel Charbon, calcaire, gypse,
broyeur à cylindre denté cylindre
sel et scories
broyeur à deux
Calcaire, gypse,
cylindres dentés
charbon, coke,…
broyeur à trois
Engrais, charbon, coke
cylindres dentés
et produit chimique
broyeur à quatre
Charbon, coke, calcaire,
cylindres
gypse et sel
Débit (T/h)
Rapport de réduction
250
1 :5
30
1 :4
1200
1 :6
2000
1 :6
50
1 :4
200
1 :4
1000
1 :6
5000
1 :4
2500
1 :20
1000
1 :20
300
1 :8
broyeur à agglomère chaud/
Aggloméré chaud
hérisson broyeur à double Rollsizer
Broyeur primaire à Broyeur à percussion percussion
lignite, charbons, roches tendres à mi-dures, minerais, craie, gypse, calcaire, … Calcaire, gypse, potasse, stériles de découverte, scories.
Broyeur
calcaire, gypse, charbon, sels,
secondaire à
céramique.
percussion Broyeur giratoire
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Granite, Basalte, Diabase, broyeur giratoire
Roches dures, Calcaire, Minerais, Scories.
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Broyeur à broyeur à mâchoire mâchoire simple effet
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granite, basalte, diabase, calcaire, minerais, scories
Broyeur centrifuge Produits alimentaires :le sel… Broyeur centrifuge
à axe vertical Broyeur centrifuge à broches
Matières minérales…
Broyeur à
Broyeur à
Matières durs, mi-durs, rebuts
marteaux
marteaux
de céramiques, verres, gypse
400
1 :7
15
Variable
15
Variable
300
1 :8
Broyeur sécheur à
Matières très humides,
400
marteaux Suivant le
Broyeur à meules
Produits alimentaires
diamètre
Variable
de la meule
6.1. Technique à marteaux : Broyeurs à marteaux : ils comportent un ou deux rotors équipés de marteaux en acier à haute teneur en manganèse. Ce sont les seuls équipements utilisés pour le broyage des ferrailles, des carcasses automobiles et des ordures ménagères. Ils sont parfois utilisés également pour le concassage de produits moyennement abrasifs, durs ou semi durs, mais résistent moins bien à l'usure, dans ce cadre d'utilisation, que les concasseurs à cylindres.
6.2. Broyage à barres ou plaques de choc : Ils sont constitués d'acier à haute résistance, et des plaques d'usure interchangeables qui recouvrent les plaques de choc. Ils sont utilisés pour le broyage grossier (concassage quaternaire), en particulier pour les produits durs et abrasifs (roches par exemple). [8]
6.3. Broyage à billes et boulets : Les matériaux constituants les billes ou boulets sont variés (cuves en acier revêtu de Corindur à haute teneur en alumine, en porcelaine ou en manganèse, billes en alumine frittée,
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porcelaine ou acier revêtu de Corindur). Ils sont utilisés pour les gros débits de broyage. Ils servent au broyage grossier comme au broyage fin.
6.4. Broyage à cylindres : La matière passe entre deux cylindres et ressort sous forme de plaquette friable. Ce type d'appareil est souvent utilisé en pré-broyage ou en broyage hybride. Outre le concassage des produits moyennement abrasifs, il peut servir pour le concassage de produits mous, collants, élastiques ou fibreux.
7. Différentes solutions proposées 7.1. Première solution : Broyeur à Percussion Principe de fonctionnement : Le Concasseur à percussion, souvent utilisé pour le concassage secondaire. Parmi les séries existantes on peut citer la série PF qui est le concasseur à percussion le plus récent et le plus populaire et qui fournit une solution cliente à faible coût, des performances exceptionnelles, un bon aspect esthétique, un faible coût à l‘échelle des autres matériaux. Concasseurs à percussion sont mieux adaptés aux traitements de calcaire et largement utilisé dans le concassage du minerai, ferroviaire, produits chimiques, du ciment, de construction et autres industries.
Figure 1.8.Concasseur à Percussion.
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Avantages :
Grande ouverture d’alimentation.
Forme cubique du produit final et la taille réglable de sortie.
Marteau en Chrome et plaque spéciale de choc.
Adoption de la technologie de bras hydraulique, entretien facile.
Inconvénients : Importante consommation de Puissance. Faible capacité de broyage. Faible précision du Système de réglage de granulométrie.
7.2. Concasseur à marteaux : -
Principe de fonctionnement : Le concasseur à marteaux est largement utilisé dans une variété d'industries. Il peut être
utilisé pour concassage primaire, concassage secondaire, voire dans un troisième stade de concassage. Il peut séparer la grande taille et de petite taille en deux parties directement.
Figure 1.9. Composition du broyeur à marteaux.
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Avantage :
Structure simple.
Facile à utiliser et à entretenir.
Rentabilité financière (Economie et à moindre cout).
Avec une grande taille d'alimentation à l’entrée comme à la sortie.
- Lacunes du concasseur à marteaux:
Usure des marteaux.
Contrôle et suivie des grilles du tamis.
Surtout dans les conditions suivantes :
Matériaux à broyer en substance dure.
Matériaux à broyer humides et/ou collants.
Ces conditions favorisent le bouchage des mailles du tamis pouvant atteindre 90% de la surface de tamisage, et le disfonctionnement du système de broyage (Marteaux et Matrice) causant ainsi un frottement intensif arrivant parfois à l’arrêt de la machine.
7.3. Troisième solution : Concasseur à mâchoires -
Principe de fonctionnement : Le concasseur à mâchoires s'adapte au concasseur moyen dont les matériaux de taille
moyenne ayant une résistance à la compression de 320 Mpa (maximum). Il est considérablement utilisé dans le domaine des minerais, des métallurgie, des matériaux à construction, la fusion, la route, l'industrie chimique, le chemin de fer, les travaux hydrauliques et d'autres industries etc.[5]
Figure 1.10.Concasseur à mâchoires. PFE 2012/2013
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Avantages :
Cette série dispose de la plus large ouverture d'alimentation et des plus longues mâchoires ainsi que d'une plus grande course de concassage, haute fiabilité et efficacité. Fiabilité du Système de Lubrification, et facilité d’entretien. Structure simple. Stabilité du système avec faible coût. Système de réglage rapide et sûr. Économie d'énergie. Commodité d’installation et de désinstallation grâce aux Crochets de levage prévues dans la machine. -
Inconvénients :
Sensible à l’abrasivité du produit à concasser. Difficulté de passage en cas de matériaux collant. [5]
7.4. Quatrième solution : Broyeur centrifuge à axe vertical : -
Principe de fonctionnement : L’alimentation en matière se fait à partir de la zone (A), puis le broyage se fait dans la
zone (B) par un rotor et sous l’effet de force centrifuge. La matière passe à travers la grille de sélection (C) dont elle subit un nouveau broyage pour aboutir à la granulométrie désirée.
Figure 1.11. Broyeur centrifuge à axe verticale.
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Avantages
Il peut produire diverses granulométries grâce à la facilité de changement de la grille. Il est caractérisé par des dimensions réduites. La capacité de broyage importante.
-
Inconvénients
Importante Puissance consommée. La fabrication de la grille de sélection est assez délicate. Possibilité de bouchage et de colmatage au niveau de la grille de sélection.
8. Critères de choix du broyeur : Performance, usage et prix : Le rapport de réduction de destruction des matériaux varie selon la technique utilisée. Il est de 10 à 12 pour le broyeur à barres ou plaques de choc, par contre, de 20 à 30 pour le broyeur à marteaux. Le débit est lui aussi très variable : de 100 à 2000 t/h pour les broyeurs à marteaux, de 40 à 800 t/h pour les broyeurs à barres ou plaques de choc et seulement de 150kg/h à 120t/h pour les broyeurs à galets. Capacité d'admission : Les dimensions de la chambre d’alimentation varient selon le type de broyeur utilisé : pour les broyeurs à marteaux ils peuvent arriver à H=1000 ; l= 1800 ; L=3200 mm, pour les broyeurs à plaques de chocs H=400 ; l=1200 ; L=2900mm. Après cette étude, on a retenu la solution d’un broyeur à marteaux vu qu’elle répond aux exigences demandées. Les avantages de ce système sont :
Longue durée de vie.
Facilité de remplacement des pièces de rechange.
Simplicité de la réalisation et de la maintenance.
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Rendement du produit fini assez important grâce à la précision de système de réglage de granulométrie.
9. Conclusion: Dans ce chapitre nous avons introduit le verre plat en terme historique. Dans ce contexte la nécessité de recyclage devient évidente. Donc, nous avons mentionné les avantages du recyclage et l’étape principale sur laquelle est fondée : le broyage des déchets de verre. Outre, nous avons présenté les différents types des verres plats ainsi que les machines existantes à l’échelle industrielle dont on puisse choisir selon des critères bien définis la solution technologique la plus adéquate répondant aux exigences industrielles.
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PRESENTATION DE LA MACHINE
Sommaire 1. Description du fonctionnement. 2. Schématisation. 2.1. Introduction. 2.2. Schéma cinématique. 3. Démarche d’obtention de la solution finale. 3.1. Première solution : Montage impossible. 3.2. Deuxième solution : Récupération du montage. 3.3. Troixième solution : Solution finale. 4. Conclusion.
Résumé :
Ce chapitre est consacré à la présentation de la machine est les différents démarches d’obtention.
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1. Description du fonctionnement : L’alimentation des déchets de verres se fait à travers la trémie concernée par l’étude. La partie supérieure de trémie est couverte pour empêcher l’éclaboussement aléatoire des grains de verre broyé. Donc le verre entrant va être guidé par la trémie pour passer entre les marteaux et les matrices afin d’être broyé puis transporté par l’évacuateur à travers des tamis pour le tamisage. Le broyeur est actionné par un moteur électrique et l’entrainement de cylindre se fait par une transmission par poulies et courroies. La distance entre les deux tamis est réglée afin de contrôler la taille du grain. Pour cela, un moteur vibratoire est monté pour assurer le bon fonctionnement des tamis. Une recherche a été faite pour déterminer la granulométrie demandée, sur laquelle se déclenche notre étude de ce type de broyeur.
2. Schématisation : La machine comprend 3 sous-systèmes : • Système de Remplissage : assurant le remplissage du déchet de verre. • Système d’entrainement : assurant la réduction de taille de verre. • Système de tamisage : assurant la séparation des différents produits.
Actigramme A-0 :
Verre plat
Verre broyé
Broyer le verre
Broyeur de verre
Figure 2.12. Actigramme A-0 du broyeur de verre.
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2.1. Introduction : La schématisation est l’opération qui consiste à tracer dans un but précis, une figure simple, condensée, mais cependant fidèle à la réalité d’un objet technique. L’intérêt que présente la schématisation pour une rapide et efficace communication est souvent justifié par : - Son aspect graphique : C’est une figure, donc facile à lire. - Son aspect didactique : A l’effet de montrer, de faire saisir rapidement, d’un seul coup d’œil. - Son aspect méthodologique : Faire abstraction des particularités (jugées non significatives par rapport au but didactique). - Son champ d’application : Disposition générale d’un appareil (ensemble) ou succession d’états (schéma évolutif) d’un être.
2.2. Schéma cinématique : - C’est le seul schéma normalisé. Il représente de manière symbolique les degrés de liberté entre les différents éléments du mécanisme. - Les différentes liaisons élémentaires sont le sujet de la norme E04.105. Cependant la modélisation des liaisons n’est pas toujours évidente. Certains problèmes peuvent être rencontrés lors du choix du modèle.
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Figure 2.2. Schéma cinématique.
3. Démarche d’obtention de la solution finale : Dans cette partie nous introduirons les différents essais préliminaires de conception du système de broyage à marteaux. Les défis des différents modèles et les leurs corrections seront indiqués.
3.1. Première solution : Montage impossible: La première conception de la machine a été comme étant un prototype. En vérifiant la démarche de montage après la conception de la partie motrice de la machine, nous avons constaté les problèmes suivants : Usinage de l’arbre (partie porte marteaux) : Fraisage impossible à cause de la profondeur très important par rapport à la longueur d’outil. Perte de matière : L’excès de la matière première, au niveau de l’arbre et porte marteaux, est indésirable industriellement.
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excé de matière
cout plus élevé
moin de profit
Figure 2.3. Pyramide de rentabilité technico-économique. Epaisseur des marteaux très faible : Une telle épaisseur risque de détériorer le système de broyage. Cette constatation est conclue. 3.1.1. Arbre :
Figure 2.4. Assemblage arbre marteau. 3.1.2. Matrice : Les problèmes trouvés vis-à-vis la matrice sont comme suit : La matrice ne peut pas résister de point de vue résistance au choc. Les nervures soumises ne peuvent pas résister aussi. En point de vue matière utilisée, nous avons remarqué une perte de matière. La non existence d’un porte marteau séparée peut provoquer que tout endommagement du marteau va provoquer une infection immédiate de tout le système.
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Figure 13.5. Matrice. 3.1.3. Indication sur la conception de la trémie : De point de vue conception mécanique, il faut que l’ouverture de la trémie soit adéquate à la zone occupé par la série des marteaux afin d’assurer le broyage de tout le produit versé. Un système d’anti rejet de verres broyés est demandé (résolution du système de rejet des débris à partir de l’entrée).
Figure 14. Système d’alimentation.
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3.1.4. Montage impossible : Le diamètre de l’arbre est de 180 mm (couleur bleu) et l’ouverture du bâti et des couvercles sont de diamètre 160 (figure 2.7). Donc on ne peut pas démonter l’arbre.
Figure 2.7. Montage impossible. D’où il faut chercher une autre solution afin de se débarrasser de ce problème : Montage impossible.
3.2. Deuxième solution : Réduction du diamètre de l’arbre à 120 mm au lieu de 180mm.
Figure 2.15. Réduction du diamètre de l'arbre. Déplacement des deux couvercles à l’extérieur du bâti (solution: Couvercle intérieur et extérieur de part et d’autre du bâti).
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Figure 2.16. Changement des positions des couvercles. Perçage d’un trou à travers les couvercles afin de permettre le démontage de la tige de fixation des marteaux.
Figure 2.10.Trou de démontage de la tige.
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3.2.1. Au niveau de la matrice :
Figure 2.11.Assemblage matrice. - L’ajout d’une pièce en U soudée pour fixer la matrice comme la montre la figure 2.11 : Porte matrice. - Augmenter l’épaisseur de la matrice pour assurer la résistance mécanique. - L’utilisation des cales comme étant deux butés pour centrage de la matrice. 3.2.3. Réduction du nombre de rangée des marteaux : La réduction de nombre de rangée, choisi arbitrairement, de 12 à 6 rangées a pour but la réservation d’un espace de montage et de démontage des tiges de fixation des marteaux.
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3.3. Solution finale :
Figure 2.12. Vue d’ensemble de la solution finale.
-
L’arbre (en bleu) a été en un seul bloc dans les solutions précédentes.
Figure 2.17.Arbre en bloc (solution primaire). 3.3.1. Séparation arbre porte marteau : - La cause de séparation de l’arbre et portes marteaux est que la fabrication de l’arbre en bloc est très difficile (figure 2.14).
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Figure 2.14. Assemblage arbre porte marteaux. - La couleur bleu dans la figure 2.14 et figure 2.15 se réfère aux portes marteaux :
Figure 2.18. Porte marteau. Les trous percés à travers les portes marteaux sont les trous de passage des tiges de fixation des marteaux. L’épaulement exécuté sur les portes marteaux est calculé de telle sorte que les marteaux se déplacent librement et sans coincement. Epaulement = épaisseur du marteau + 0.2 mm. Ainsi nous évitons toute possibilité de détérioration du système de broyage, précisément l’alignement entre les marteaux et les dents de la matrice. - La couleur marron dans la figure 2.16 se réfère à l’arbre :
Figure 2.16. Arbre du broyeur.
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La conception de l’arbre a été modifié de manière quelle serait proportionnelle aux nouvelles dimensions. La réduction de nombre de rangé des marteaux modifie le positionnement de clavette est la dimension de l’arbre. 3.3.2. Assemblage matrice :
Figure 2.197. Assemblage matrice. Cet assemblage est composé de trois pièces (figure 2.17) la matrice, porte matrice et le bâti. Ils sont assemblés deux à deux respectivement.
Les deux premiers par des vis et pieds de centrage.
Les deux derniers sont soudés. - Pieds de centrage : Comme son nom l’indique les pieds de centrage sont conçus pour centrer la matrice par
rapport aux marteaux. La symétrie des vis de fixation des matrices et des pieds de centrage a pour but de faire renverser les deux matrices pour un deuxième usage. 3.3.3. Nouvelles composantes : Pour assurer un broyage complet pour le verre on a constaté beaucoup d’espace libre dans la partie dédié pour le système de broyage. Donc on a créé une forme cylindrique (figure 2.18.a) pour éliminer les espaces non fonctionnels (zones mortes). L’espace consacré pour le réglage a besoin aussi d’être recouvert. Comme nous illustre la figure 2.18.b. La solution la plus adéquate pour empêcher le verre de descendre sans être broyé. Le chapeau extérieur est fait aussi pour protéger le verre de ne pas rester de part et d’autre des dents de la matrice.
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Figure 2.18.a. chapeau exterieur.
Figure 2.18.b. Chapeau interieur.
3.3.4. Système de séparation :
Figure 2.19. Système de séparation.
Porte tamis :
Figure 2.20.a. Système de guidage.
Figure 2.20.b. Assemblage du système.
Un système de guidage est nécessaire pour le montage et le démontage des tamis. Pour ceci nous avons conçu un système de guidage oblique (figure 2.19.a) pour faciliter l’opération, et pour minimiser le nombre de pièces à démonter lors de leurs remplacements.
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4. Conclusion : Nous avons conçues à la réalisation d’un broyeur à marteaux pour verre
dont les
caractéristiques sont :
Type du verre : verre plat.
Dimension : 470 x 230.
Taux de production : 100 kg/h.
Granulométrie : - Granulométrie moyenne comprise entre [200µm, 500µm]. - Granulométrie fine inférieure à 200µm.
Coût minimum.
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Calcul et Dimensionnement
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CALCUL ET DIMENTIONNEMENT
Sommaire 1. Introduction 1.1 Etude du système de broyage 1.2. Motorisation de la machine 2. Calcul RDM 3. Modélisation 3.1. Introduction 3.2. Modélisation par éléments finis 3.3. Vérification de la résistance mécanique de l’arbre 3.4. Vérification de la résistance mécanique de la matrice et du Marteau 4. Conclusion
Résumé : Ce chapitre est consacré au calcul dimensionnels des composantes de la machine aussi que la simulation des pièces les plus sollicitées.
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1. Introduction : Le broyage est une opération qui a pour but de réduire la granulométrie du verre avec des contraintes obéissantes à la demande de l’industrie. Comme les contraintes industrielles nous exigent d’utiliser le broyeur à marteaux, lors de ce chapitre on aborde une étude détaillée du mode du broyage concernant le calcul d’effort en définissant les notions des forces, de pression, du couple, du choix du moteur, et des courroies… On va présenter les différentes études faites sur la structure interne et externe du broyeur afin d’avoir une machine qui est rigide et résistante aux contraintes mécaniques, pour cela on utilise les outils classiques de calcule RDM ainsi que les logiciels de la CAO.
1.1. Etude du système du broyage : Le système étudié est constitué d’un broyeur à une série de marteaux pour le traitement des déchets de verre plats, assurant la réduction de taille des grains par passage de la matière entre les marteaux et les deux matrices. Le cas étudié est celui d’aboutir à des petits grains d’ordre de 0.7 mm destinés pour la décoration, et des grains inférieurs à 0,2 mm pour le recyclage. Ce broyage est effectué à partir du verre plat d’épaisseur et de taille différents.
1.2. Motorisation de La machine : Les fabricants industriels et les installations tertiaires font appel à une grande variété de machines, alimentées par des énergies diverses. Toutefois, l’énergie électrique est prépondérante car pour des raisons techniques ou économiques, la plupart des dispositifs mécaniques mis en œuvre dans l’industrie sont entraînés par des moteurs électriques. Les moteurs asynchrones triphasés sont les plus utilisés, notamment les moteurs à M90L2 comptent parmi les plus utilisés pour l’entraînement des machines. Ces moteurs s’imposent en effet dans un grand nombre d’applications en raison des avantages qu’ils présentent : Robustesse, simplicité d’entretien, facilité de mise en œuvre et faible coût. [Annexe C]
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Calcul et Dimensionnement
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2. Calcul RDM :
2.1. Calcul de la Force nécessaire pour faire pivoté les marteaux : La détermination de la force est détaillée dans le chapitre qui suit : PRESENTATION DE LA MACHINE DE CALCUL DE FORCE.
2.2. Calcul du couple de broyage : Le couple de broyage est obtenu à partir de l’effort radial des marteaux sur le verre. Le calcul du couple de broyage peut se décomposer comme suit : C= F.d
(3-1)
C=44,46 * 0.137
A.N :
C=6.091 N.m
2.3. Calcul de la puissance nécessaire : La transmission est assez facile à concevoir et souple à être employer, elle donne une grande liberté pour positionner les organes moteur et réducteur de vitesse économique. Elle remplace de plus en plus souvent les engrenages, les arbres, les paliers et diverses transmissions rigides. De plus, dans la mesure où ces éléments présentent une certaine élasticité, elles réduisent et amortissent les vibrations, atténuent les chocs et les à-coups de transmission, ce qui augmente la durée de vie de n’importe quelle machine. Silencieuses, elles sont surtouts utilisées aux vitesses élevées avec de grands entraxes possibles entre poulies. La tension initiale des courroies est indispensable pour garantir l’adhérence et assurer la transmission du mouvement. La puissance est donnée par la formule suivante : P = C.w = C
πN 30
(3-2)
Pour un choix de vitesse de rotation du moteur : N=2850 tr/mn on a : AN
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2.4. Calcul de la puissance moteur :
Calcul du couple moteur : (3.3)
Calcul de force motrice : (3.4)
AN :
Le moteur à utiliser est de puissance :
P= 3.6 kW
2.5. Transmission par courroies : Les conditions à remplir par la transmission : - Moteur électrique : P =3.6 kW n =2850 tr /min Service : 1 heures par jours, avec capacité de 100 kg/heure, démarrage fréquent. -Broyeur : Vitesse de broyage : N=2850tr /min
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Calcul de la puissance corrigée P’ : Pour répondre aux conditions de travail, l’abaque (Annexe D1) permet de choisir le
coefficient de service : S =1,25 (couple très variable). Sachant que :
(3.5)
P’= 4.5 kW
On trouve :
Calcul du rapport de transmission R : Le rapport de transmission est donné par : R=
(3-6)
Sachant que vitesse de rotation de l’arbre du broyeur est égale à la vitesse de rotation de l’arbre du moteur.
N=n=2850 tr/min
On trouve : R=1
Choix de la section de la courroie : On a P’ =4.5kW et N=2850tr /min. Ainsi l’abaque (Annexe D1) nous offre le choix
entre les courroies de type SPC, SPB ou SPZ. Les données qu’on dispose ne nous permettent pas de conclure sur un type précis.
Choix du diamètre de la poulie réceptrice :
On a : D=R*d
(3.7)
Avec d=120mm diamètre de la petite poulie et R représente le rapport de transmission, ainsi on trouve : D=d=120mm D’après l’abaque (Annexe C2), la valeur de diamètre normalisé la plus proche à celle calculée nous permet de choisir les courroies de type SPZ, de diamètre D=204mm
Calcul de la vitesse de la courroie : (3.8) D=120 mm N=2850 tr /min AN:
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V=17,9 m/ s
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Choix de la longueur de la courroie : La longueur de la courroie est donnée par la formule : [2] (3-9) A.N:
L'=1265 mm
CL = 1 (Facteur de correction)
Calcul de l’entraxe E correspondant -
L’entraxe minimal : (3.10)
-
L’entraxe maximal : (3.11)
L’entraxe est donné par : E = E' + A.N:
(3-12)
E=466.5 mm.
Puissance admissible Pa : (3-13) (3-14)
.
Détermination du facteur a : Le facteur a est déterminé par l’abaque en connaissant :
Ainsi on trouve: a =0.96 De plus : α= 180 – 60
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= 180°
(3-15)
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Calcul de la puissance par courroie Pc La puissance par courroie est donnée par la formule : [2] Pc= a * Pa A.N:
(3-16)
Pc= 6.144 kW
* Nombre de courroies : X=
A.N:
(3-17)
X =2
Ainsi, on conclut que notre transmission nécessite 2 courroies.
2.6. Calcul du diamètre de l’arbre moteur : L’arbre est soumis à une double sollicitation flexion-torsion, pour une sollicitation fictive de flexion simple telle que le moment fléchissant fictif appelé moment idéal de flexion et donnée par la relation suivante:
mfidéal =0.5mf +0.5 mf 2 +mt 2 -
m f= moment de flexion.
-
m t= moment de torsion.
(3-18)
Le moment idéal de torsion peut se calculer au moyen du moment fictif de torsion par la formule suivante qui est déduite des théories de Coulombs et de Guest.
mtidéal = mf 2 +mt 2
(3-19)
Il faut que l’arbre vérifie: Les conditions de résistance d’après : mfidéal :σ max =
mfi .V.Rp I
(3-20)
Les conditions de résistance d’après : mtidéal : tmax =
. R .Rpg
(3-21)
On développe les deux conditions de telle façon qu’on cherche le diamètre de l’arbre moteur ( voir dessin d’ensemble),
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Figure 3.1. L’arbre moteur.
d 3
32m Fidéal ΠR p
d 3
32m tidéal ΠR pg
(3-22)
(3-23)
Avec : Rp =
Re : Résistance pratique S
(3-24)
Le matériau de l’arbre est l’acier X200Cr12(Z200) qui a une Re = 340Mpa On adopte un coefficient de sécurité S=6 : Cas de choc (5≤ S≤ 8). (Annexe B) D’où R p = 57,5 Mpa Résistance pratique au glissement du matériau (Z200), Rp g
0.7 Re S
(3-25)
Rpg =40.25Mpa mt = C
(3-26)
mf =
(3-27)
A.N : mt = 671.53N.m mf =16337 N.m m F(idéal) =18303.8N.m mT (idéal)= 20270.6N.m
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D’où dt ≥23.53mm df ≥14.93mm dT ≥20.21mm dF ≥15.5mm d =40mm
2.7. Calcul de la clavette :
Figure 20. Clavette parallèle [D]. Les dimensions de la section a et b sont déterminées pour le diamètre de l’arbre d=40mm; a=12, b=8, la longueur l est calculée au cisaillement (résistance) et au matage (pression de contact).
Contrainte au cisaillement : Moment du couple est défini par : M=Fr * R
(3-28)
Fr : effort tangentiel (en N). R: rayon de l’arbre (en mm). La contrainte de cisaillement dans la clavette se calcule par la relation suivante: τ=
Fr τp a.l
(3-29)
τ p : est la contrainte pratique de cisaillement : τ p = R pg / s PFE 2012/2013
(3-30) Page 44
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Or S=6 τ p = (0.5* R p)/6
AN:
τ p = 300 N/mm². On peut tirer l à partir de la relation (3-30) :
AN:
Pression de matage : La pression spécifique qui se développe d’une part entre la clavette et l’arbre et d’autre
part entre la clavette et le moyeu ne doit pas dépasser une valeur admissible.
p
Fr Fr pad l b / 2.l b / 2.pad
(3-32)
Pad : la pression de matage admissible : Pad =150 N/mm², Lmat=2F/Pad *b
(3-33)
AN: Lmat=3.75mm
Clavette pour l’arbre moteur :
N/mm2
Lsic=3.809 mm
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2.8. Choix des roulements : Les facteurs qui peuvent intervenir lors du choix des roulements sont :
Charge et direction de la charge.
vitesse de rotation.
température de fonctionnement.
Frottement de roulement, de glissement et influence du lubrifiant.
Rigidité des roulements.
Dans notre cas on a une charge radiale importante et une charge axiale négligeable. Vue que le diamètre de l’arbre choisi, d=40mm, on a choisi des roulements SKF série 302, (Voir annexe B).
3. Modélisation : 3.1. Introduction Afin d’assurer une bonne tenue en service du système étudié, une vérification des conditions de résistance mécanique des différentes pièces fonctionnelles sollicitées à des efforts importants est nécessaire. Pour cela, nous procédons dans ce chapitre à une modélisation en utilisant d’une part la méthode des éléments finis et d’autre part les formules de la résistance des matériaux pour la vérification des dimensions de certaines pièces.
3.2. Modélisation par éléments finis : Dans cette partie, les pièces seront étudiées par les logiciels de conception Solid Works et le logiciel de dimensionnement par éléments finis Abaqus. Le critère de Von Mises est utilisé pour la vérification de résistance des diverses pièces du système. En effet, en chaque partie de la structure, on doit vérifier que la contrainte équivalente de Von Mises est inférieure à la contrainte admissible. σéq= ß >60°
30> = ß >=0°
Verre recuit
20Mpa
10Mpa
Verre semi trempé
35Mpa
17,5Mpa
Verre trempé thermique
50Mpa
25Mpa
Verre armé
16Mpa
8Mpa
Verre recuit d'aquarium
6Mpa
6Mpa
Verre trempé d'aquarium
30Mpa
25Mpa
Le système de broyage étudié, comporte une combinaison d’essais étudiés précédemment :
Essai de choc
Essai de flexion
Pour cette raison nous procédons à concevoir un mécanisme tout entier pour la caractérisation des verres traités.
4. Calcul de force résistante de verre : 4.1. Pose du Problème : La partie à étudier comprend des marteaux de poids P =0.138 Kg pour chacune. Elles pivotent verticalement autour d’un axe à l’aide des deux roulements à bille à contacte radiale Type BC. Les organes qui sont liés aux marteaux ont les poids comme suit : Un arbre de 3.83 kg
Une tige 0.16 kg
….
NOTATION : On néglige les poids de la visserie, des ressorts et des roulements.
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4.2. Démonstration : Dans le cas d’une augmentation de la vitesse de zéro à une vitesse v avec une accélération ɣ constante sur une longueur l, cette accélération est donnée par la relation :
ɣ
(4.13)
C’est l’accélération d’un corps en chute libre. La deuxième loi de Newton, ou principe fondamental de la dynamique de translation, établit que :
ɣ
(4-14)
Ce qui signifie que la force g agissant sur un corps est égal à la masse m du corps multipliée par son accélération. D’après les équations (4.13) et (4.14) la force f sera : (4.15) Or la vitesse est le rapport de la distance parcourue et le temps de chute : (4.16) D’où la force résistante se traduit par : (4.17)
(4.18)
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4.3. Résultat et application numérique : Tableau 4.3. Essai de résistance des verres. Hauteur
67-16
67-10
Masse (kg)
Temps (s)
1
0.53
1.5
0.43
E
2
0.4
E
2.5
0.37
S
4.75
B
E
6.5
0.35
E
7
0.33
S
10.5
0.3
S
3 67-19
E
0.36
E
3.5
0.36
E
4
0.36
E
4.5
0.35
E
5
0.35
S
Pour le verre le plus résistant, dans notre cas c’est le verre feuilleté (5mm*2) d’après le tableau 3, la force résistante devient pour un seul marteau et ayant les paramètres de réglage suivants :
h=57mm
m0=1.2 kg : Masse de la partie mobile
m1=m0+10.5.
t=0.3 s.
AN :
Cette force est la force nécessaire pour un seul marteau pour le concassage du verre en un seul coup.
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Présentation de la machine et calcul de force
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Pour les six rangers et à travers les deux matrices, la force nécessaire sera : (4.19) AN :
5. Réalisation :
Figure 22. Différentes composantes de la machine.
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Présentation de la machine et calcul de force
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6. Conclusion : La détermination de la force résistante de verre est le pas le plus important pour l’entrainement du système de broyage. La prédiction d’une telle force garantie le fonctionnement normale de la machine sans causer la détérioration de tout le broyeur. Les essais de caractérisation mécanique des verres à l’échelle industrielle sont tous des essais préliminaires. Pour cette raison, la nécessité d’inventer un nouveau mécanisme similaire à la caractérisation issu de notre machine a été primordiale.
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CONCLUSION GENERALE
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CONCLUSION GENERALE Dans ce rapport, nous avons effectué l’étude théorique et la conception d’un système de broyage de déchet de verre. Dans le premier chapitre, nous avons effectué une étude bibliographique qui nous a permis de connaître les caractéristiques de verre ainsi que les différentes solutions proposées afin de choisir la solution la plus favorable. Dans le deuxième chapitre, nous avons contribué à l’étude du système de broyage et les étapes aboutissants à la dernière tâche de conception de cette machine. Au
troisième
chapitre,
nous
avons
développé
le
calcul,
le
dimensionnement de notre solution obtenue et nous avons vérifié la résistance des différentes pièces les plus sollicitées de la machine à l’aide du logiciel de dimensionnement Abaqus. Au quatrième chapitre nous avons introduit la caractérisation mécanique de verre et la présentation de la machine de calcul de force de verre. Le dossier technique proposé comporte des dessins de définition des différentes pièces et un dessin d’ensemble. Nous tendons à l’avenir de fabriquer des broyeurs industriels de grande capacité et que le présent travail sera le socle rigide pour entamer l’initiation d’une unité de recyclage de verre.
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REFERENCES BIBLIOGRAPHES
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Références Bibliographiques [1] Portail de l’industrie du verre française, Institut du verre. [2] Gérard Pajean : UNE PETITE ENCYCLOPEDIE DU VERRE. [3] Textes de Mario Moretti : Maison de verre. [4] Le Centre Technique des Materiaux dDe Construction, de la Ceramique et du Verre (CTMCCV) [5] Cahier du CEPI N° 17 : Etude de positionnement stratégique de la branche Verre. [6] Publication : Geotechnology; I36: Aggregates Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux (IFSTTAR). [7] A. CHEVALIER, Guide de dessinateur industriel, édition HACHETTE 2003-2004. [8] C. BARLIER et R. BOURGEOIS, Mémotech : conception et dessin, édition 2003. [9] D. SPENLE, R. GOURHANT, Guide du calcul en mécanique, édition Hachette 2003-2004. [10] G. BERANGER, J. CROLET ET P. CUNAT, Technique de l’ingénieur ; Matériaux. [11] Technique de l’ingénieur Génie mécanique ; Laminage : objectif et modélisation M 3065-5 Edition Paris 1991. [12] Technique de l'ingénieur. traité métallurgique M300 [13] www.techniques-ingénieurs.fr [14] www.sciencesdirect.com [15] www.indusupply.com [16] http://www.verre-avenir.fr/ [17] http://www.ustverre.fr/site/ [18] www.verreonline.fr [19] Le logiciel de CAO : SolidWorks 2012 [20] Le logiciel de dimensionnement : Abaqus 6.8
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ANNEXE A
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Annexe A : Caractéristiques des broyeurs Tableau 1. Caractéristiques de concasseur SKJ. SKJ630×1000
SKJ870×1100
SKJ1000×1200
SKJ1100×1300
630×1000
870×1100
1000×1200
1100×1300
580
720
880
960
75-160
85-150
105-175
125-260
Capacité (t/h)
100-195
125-350
260-480
350-720
Moteur (km)
75
110
132
160
Dimensions (mm)
2310×2250×2385
2850×2360×3180
3930×3260×2965
4050×3630×3800
Modèle Taille d'ouverture d'alimentation (mm) Taille max. d'ouverture d'alimentation (mm) Taille de la sortie d'alimentation (mm)
Tableau 2. Caractéristiques des concasseurs à mâchoires. Taille de l'entrée Modèle
d'alimentation (mm)
Dimension max. Taille de la sortie de l'entrée
d'alimentation
(mm)
(mm)
Puissance de capacité
moteur
Dimensions de
(t/h)
électrique
l'extérieur(mm)
(kw)
PE-250×400
400×250
200
20-50
5-20
15
1430×1310×1340
PE-400×600
600×400
350
40-100
15-60
30-37
1700×1732×1653
PE-500×750
500×750
425
50-100
40-110
45-55
2035×1921×2000
PE-600×900
900×600
480
65-160
90-180
55-75
2290×2206×2370
Tableau 3. Caractéristiques du concasseur à percussion. Dimension
Taille Maximale
Capacité
Puissance
de l'entée (mm)
d'alimentation (mm)
(t/h)
(kw)
1000×700
400×730
300
25-60
55-75
PF-1010
1000×1050
400×1080
350
50-80
55-75
PF-1210
1250×1050
400×1080
300
70-130
110-132
PF-1214
1250×1400
400×1430
300
90-180
132-160
PF-1315
1320×1500
860×1520
350
120-250
180-220
Modèle
Format (mm)
PF-1007
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ANNEXE A
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Tableau 4. Caractéristiques des différents modèles du broyeur ultrafin. Modèle
HGM60
HGM80
HGM100
Moyen Diamètre(mm)
600
800
1000
Taille d'alimentation(mm)
≤10
≤10
≤10
Μm
5~45
5~45
5~45
Mesh
2500~325
2500~325
2500~325
Production(kg/h)
350~2500
600~4000
900~6000
Dimension(L×W×H)(m)
10×2×5.53
11.9×2.7×5.8
14.5×3.8×6.
Poids concentrateur principal(kg)
5200
7000
9500
Granularité de produit fini
Tableau 5. Caractéristiques des Moulins de broyage grossier. Modèle
PC4008-75
PC4012-90
PC4015-132
Diamètre du routeur (mm)
750
900
1150
Longueur du routeur (mm)
800
1200
1500
Vitesse du routeur (r/min)
800-1000
800-1000
550-800
Taille d’entrée d’alimentation (mm)
320×930
400×1200
500×1500
Taille max d’alimentation (mm)