Tous les matériaux en vrac ne sont pas aussi difficiles à retirer d’un silo. Certains s'écoulent avec une intervention minimale. D'autres nécessitent des jours de martelage, de découpe et d'excavation. Comprendre pourquoi les matériaux diffèrent en termes de difficulté de nettoyage est la première étape vers la conception de stratégies de nettoyage efficaces et la sélection de méthodes d'intervention appropriées.
Cet article fournit un guide de référence pratique sur les propriétés des matériaux qui déterminent la difficulté de nettoyage. Il explique comment chaque propriété affecte le comportement d'accumulation et les exigences de nettoyage. Il propose des tests simples que les ingénieurs d'usine peuvent effectuer pour caractériser leurs matériaux. Il fournit également des conseils pour adapter les méthodes de nettoyage aux propriétés des matériaux.
Taille et distribution des particules
La taille des particules est la propriété la plus visible du matériau et elle a un effet direct sur la difficulté de nettoyage.
Les matériaux grossiers, contenant des particules de plus de cinq millimètres environ, sont généralement plus faciles à nettoyer que les matériaux fins. Les particules ont moins de surface par unité de masse, ce qui signifie moins de surface disponible pour les forces d'adhésion. Ils sont également moins susceptibles de former des arcs cohésifs. Des arcs mécaniques peuvent se produire lorsque de grosses particules s'emboîtent, mais celles-ci sont généralement plus faciles à briser que les arcs cohésifs dans les matériaux fins.
Les matériaux fins, dont les particules sont inférieures à cent microns, sont nettement plus difficiles à nettoyer. La surface élevée par unité de masse permet le développement de fortes forces de Van der Waals et d'attractions électrostatiques. Les matériaux fins se consolident sous pression et gagnent en résistance avec le temps. Ils forment des dépôts denses et durs qui résistent aux perturbations mécaniques.
La distribution granulométrique, et pas seulement la taille moyenne, est également importante. Les matériaux à large distribution granulométrique, c'est-à-dire un mélange de grosses et petites particules, sont souvent plus difficiles à nettoyer que les matériaux à distribution étroite. Les petites particules remplissent les espaces entre les grosses particules, créant un emballage dense et hautement cohérent.
L'évaluation pratique de la taille des particules ne nécessite pas d'équipement de laboratoire. Une simple analyse granulométrique à l’aide de tamis standards fournit des données utiles. Pour la plupart des ingénieurs d'usine, la distinction pertinente est de savoir si le matériau est suffisamment grossier pour être manipulé avec des outils simples ou suffisamment fin pour nécessiter un équipement motorisé ou un jet d'eau.
Teneur en humidité
L’humidité est le facteur le plus important de difficulté de nettoyage pour la plupart des matériaux en vrac. Un matériau sec et fluide peut devenir collant et immobile lorsque l’humidité augmente.
L'effet de l'humidité dépend du matériau. Pour de nombreuses poudres, il existe une teneur en humidité critique au-dessus de laquelle l’écoulement devient peu fiable. En dessous de ce niveau, le matériau se comporte comme un solide s'écoulant librement. Au-dessus, le matériau développe une force de cohésion qui augmente avec l’humidité. Le niveau d’humidité critique varie considérablement. Le ciment peut présenter des effets à des niveaux d'humidité aussi faibles que 1 pour cent. D'autres matériaux peuvent tolérer dix pour cent ou plus avant de devenir problématiques.
L’humidité affecte également le nettoyage de manière secondaire. Lorsque de l’eau est ajoutée pour éliminer un blocage, soit par jet d’eau, soit par condensation, le matériau restant peut durcir ou durcir. Le ciment et la chaux sont des exemples classiques où l’ajout d’eau aggrave le problème au lieu de l’améliorer.
La mesure de la teneur en humidité nécessite un équipement simple. Un humidimètre ou un four de laboratoire peuvent fournir des données quantitatives. Même une évaluation qualitative, comme le fait de presser une poignée de matériaux et d'observer s'ils tiennent ensemble, fournit des informations utiles pour les décisions stratégiques de nettoyage.
Pour les installations qui manipulent des matériaux sensibles à l’humidité, contrôler l’humidité est souvent plus efficace que gérer le nettoyage. Une meilleure étanchéité du toit, de meilleures étanchéités d’entrée et de sortie et un air conditionné peuvent réduire la pénétration d’humidité et diminuer la fréquence de nettoyage.
Cohésion et angle de repos
La cohésion est la résistance interne d'un matériau en vrac. Les matériaux à haute cohésion collent ensemble et résistent à l’écoulement. Les matériaux à faible cohésion s'écoulent facilement.
La cohésion est souvent corrélée à la taille des particules et à l’humidité, mais il s’agit d’une propriété distincte. Certaines matières fines et sèches ont une faible cohésion et s’écoulent librement. D'autres, même secs, ont une cohésion élevée en raison de la forme des particules ou des effets électrostatiques.
L'angle de repos est un indicateur pratique de cohésion. Il s’agit de l’angle maximum auquel un tas de matériaux peut être empilé avant de s’effondrer. Les matériaux avec de faibles angles de repos, inférieurs à trente degrés, ont une faible cohésion et s'écoulent facilement. Les matériaux présentant des angles de repos élevés, supérieurs à quarante-cinq degrés, ont une cohésion élevée et sont difficiles à couler.
Pour mesurer l'angle de repos, il suffit de verser le matériau sur une surface plane et de mesurer l'angle du cône obtenu. Ce test peut être effectué avec un petit échantillon dans le laboratoire de l'usine ou même dans l'atelier de maintenance.
Les matériaux à haute cohésion nécessitent des méthodes de nettoyage plus agressives. De simples vibrations ou tiges peuvent ne pas suffire. Des marteaux motorisés, des jets d'eau ou des équipements de démolition télécommandés peuvent être nécessaires. Les matériaux à faible cohésion peuvent souvent être éliminés par vibration ou par tiges.
Dureté et abrasivité
La dureté est la résistance du matériau aux perturbations mécaniques. Les matériaux durs sont difficiles à briser. Les matériaux souples se cassent facilement.
La dureté devient significative lorsque le matériau s'est consolidé en dépôts durs. Les dépôts de ciment peuvent atteindre une dureté comparable à celle du béton. Certains intermédiaires chimiques peuvent former des croûtes extrêmement dures qui résistent aux casseurs mécaniques.
L'abrasivité est liée à la dureté mais fait référence à l'effet du matériau sur l'équipement. Les matériaux abrasifs usent les pointes des brise-roches, les outils de coupe et les revêtements des silos. Une abrasivité élevée augmente le coût du nettoyage et les dommages au silo.
Les tests de dureté ne nécessitent pas d’équipement spécialisé. Un simple test de rayure, similaire au test de dureté minérale, peut fournir une estimation approximative. Les matériaux pouvant être grattés avec un couteau de poche sont mous. Les matériaux qui émoussent le couteau sont durs. Les matériaux qui ne peuvent pas du tout être rayés sont très durs et nécessitent un équipement spécialisé pour être retirés.
Les matériaux durs nécessitent souvent un jet d’eau comme principale méthode d’élimination. Le jet d’eau coupe les dépôts durs sans l’usure que subissent les marteaux mécaniques. La pression de l'eau doit être adaptée à la dureté du matériau. Les matériaux plus mous peuvent être endommagés par une pression excessive.
Fonction d'écoulement et compressibilité
La fonction d'écoulement est la relation entre la contrainte appliquée à un matériau et sa capacité à s'écouler. Il s’agit de la caractérisation la plus complète du comportement de l’écoulement, mais elle nécessite des tests en laboratoire pour le déterminer avec précision.
Pour des raisons pratiques, la compressibilité sert de proxy pour la fonction de flux. La compressibilité est la réduction de volume qui se produit lorsqu'un matériau est soumis à une pression. Les matériaux à haute compressibilité sont généralement difficiles à fluidifier car les particules se consolident étroitement.
Un simple test de compressibilité consiste à placer un échantillon de matériau dans une éprouvette graduée, à appliquer un poids connu et à mesurer la réduction de volume. La réduction de volume en pourcentage du volume d'origine est la compressibilité. Les matériaux dont la compressibilité est supérieure à trente pour cent sont considérés comme hautement compressibles et difficiles à couler.
Les matériaux hautement compressibles nécessitent une attention particulière à la conception des silos et à la fréquence de nettoyage. Ils ont tendance à se consolider pendant le stockage et peuvent nécessiter un nettoyage plus fréquent que les matériaux moins compressibles. Les aides à l'écoulement telles que les canons à air ou les fluidiseurs sont souvent bénéfiques pour les matériaux compressibles.
Sensibilité à la température
La température affecte à la fois les propriétés du matériau et le processus de nettoyage. Certains matériaux deviennent plus faciles à manipuler lorsqu’ils sont chauffés. D'autres deviennent plus difficiles.
Les matériaux qui ramollissent avec la chaleur, comme certaines résines ou asphaltes, peuvent devenir plus difficiles à nettoyer lorsqu'ils sont chauffés car ils deviennent plus collants. Les matériaux qui se dilatent sous l’effet de la chaleur peuvent devenir moins denses et s’écouler plus facilement. L'effet de la température est spécifique au matériau et doit être déterminé pour chaque situation.
La température affecte également la sécurité. Les silos contenant des matières chaudes, telles que les cendres volantes des centrales électriques, présentent des risques thermiques pour les travailleurs et les équipements. Le nettoyage des silos chauds nécessite des précautions de sécurité supplémentaires.
L'implication pratique de la sensibilité à la température est que la stratégie de nettoyage peut devoir varier en fonction de la température. Une méthode qui fonctionne à température ambiante peut échouer à température élevée. Les installations qui manipulent des matériaux sensibles à la température doivent tenir compte de la température dans leur planification de nettoyage.
Propriétés chimiques
Les propriétés chimiques du matériau affectent à la fois son comportement d'écoulement et la sécurité des opérations de nettoyage.
Les matériaux qui réagissent avec l’eau, comme le ciment, la chaux ou certains catalyseurs chimiques, deviennent plus difficiles à nettoyer lorsque de l’humidité s’y introduit. Le jet d'eau, efficace pour de nombreux matériaux, n'est pas adapté à ces matériaux. L'élimination mécanique est la méthode préférée.
Les matériaux corrosifs nécessitent une manipulation particulière. Les matériaux acides ou basiques peuvent endommager les équipements et nuire aux travailleurs. L'équipement de nettoyage utilisé pour les matériaux corrosifs doit être fabriqué à partir de matériaux compatibles et peut nécessiter des procédures de nettoyage spéciales.
Les matériaux toxiques ou dangereux nécessitent des procédures de sécurité strictes. La méthode de nettoyage doit empêcher la génération et l’exposition de poussière. Les équipements télécommandés sont souvent préférés pour les matières dangereuses afin de minimiser l'exposition du personnel.
Comprendre les propriétés chimiques du matériau est essentiel pour sélectionner des méthodes de nettoyage sûres. La fiche de données de sécurité fournit ces informations et doit être consultée avant toute opération de nettoyage.
Méthodes d'évaluation pratiques
Les ingénieurs d'usine peuvent évaluer leurs matériaux à l'aide de méthodes simples et peu coûteuses qui fournissent des informations utiles pour la planification du nettoyage.
Le test de poignée est l’évaluation la plus simple. Prenez une poignée de matériau et pressez-la. S'il se désagrège une fois relâché, sa cohésion est faible. S’il tient ensemble, il a une cohésion élevée. Le test à la poignée indique également la teneur en humidité. Si le matériau laisse de l’humidité sur la main, elle est mouillée.
Le test des pieux fournit des données sur l'angle de repos. Versez le matériau sur une surface plane et mesurez l'angle du tas. Un faible angle indique un bon écoulement. Un angle élevé indique un mauvais débit.
Le test de rayure indique la dureté. Essayez de gratter le matériau avec un couteau de poche. S'il se raye facilement, il est mou. S'il résiste aux rayures, c'est dur. Si on ne peut pas le rayer, c'est très dur.
Le test de l'eau indique une sensibilité à l'humidité. Ajoutez une petite quantité d'eau à un échantillon. Si le matériau prend ou durcit, le jet d’eau n’est pas approprié. Si le matériau reste meuble, un jet d'eau peut être efficace.
Le test de tassement indique la compressibilité. Remplissez un récipient transparent avec du matériau, appliquez une pression et mesurez la réduction de volume. Une réduction de volume élevée indique une compressibilité élevée et une difficulté d'écoulement.
Ces tests ne sont pas précis. Ils ne remplacent pas les tests en laboratoire. Mais ils fournissent des conseils utiles pour la sélection des méthodes de nettoyage et sont disponibles gratuitement.
Faire correspondre les propriétés aux méthodes de nettoyage
Les conseils ci-dessous fournissent un cadre pour faire correspondre les propriétés des matériaux aux méthodes de nettoyage.
Les matériaux secs, à faible cohésion, comportant de grosses particules et une faible humidité, sont les plus faciles à nettoyer. Les vibrations ou les tiges sont généralement suffisantes. Si un nettoyage est nécessaire, il peut être effectué avec des outils simples.
Les matériaux secs et fins avec une faible humidité mais de petites particules peuvent encore être difficiles à coller en raison des forces de cohésion. Les canons à air ou fluidiseurs sont souvent efficaces. Un équipement télécommandé peut être nécessaire en cas de blocages tenaces.
Les matériaux humides à forte teneur en humidité sont difficiles à nettoyer mécaniquement car ils adhèrent aux outils et à l'équipement. Le jet d’eau peut être efficace, mais seulement si le matériau ne réagit pas avec l’eau. Pour les matériaux sensibles à l’eau, un retrait mécanique avec un contrôle minutieux de l’humidité est nécessaire.
Les matériaux durcis à haute dureté nécessitent des méthodes puissantes. L’équipement de démolition télécommandé avec marteaux hydrauliques est la méthode privilégiée. Le jet d’eau à haute pression peut également être efficace. La saisie manuelle avec des outils manuels n'est pas appropriée pour les matériaux durcis.
Les matériaux abrasifs nécessitent un équipement durable. Les pointes des brise-roche et les outils de coupe s'usent rapidement. L’entretien du matériel est essentiel. Le jet d'eau, sans pièces d'usure en contact avec le matériau, peut être préféré.
Les matières dangereuses nécessitent des méthodes à distance. L’entrée du personnel doit être évitée. L’équipement télécommandé, correctement entretenu et exploité, constitue l’approche standard.
Utilisation de l'évaluation des matériaux dans la planification préventive
L'évaluation matérielle n'est pas une activité ponctuelle. Les propriétés des matériaux changent en fonction des conditions d'approvisionnement, de traitement et de stockage. Une évaluation régulière garantit que les méthodes de nettoyage restent appropriées.
Lorsqu'une nouvelle source matérielle est introduite, effectuez les tests simples décrits dans cet article. Comparez les résultats aux matériaux précédents. Si le nouveau matériau est très différent, ajustez la fréquence et les méthodes de nettoyage.
Lorsque les changements saisonniers affectent la teneur en humidité, ajustez les procédures de nettoyage. Les matériaux secs en été peuvent être humides en hiver. Le plan de nettoyage doit tenir compte de ces variations saisonnières.
Lorsque la durée de stockage du matériau change, réévaluez ses propriétés. Les matériaux stockés plus longtemps peuvent devenir plus durs et plus difficiles à nettoyer. Si la durée de stockage augmente, le nettoyage devra peut-être devenir plus agressif.
Documenter les résultats des évaluations des matériaux. Tenir un registre des propriétés des matériaux pour chaque silo et chaque type de matériau. Utilisez ce dossier pour guider les décisions de nettoyage et pour identifier les tendances qui peuvent indiquer des problèmes en développement.
Conclusion
Les propriétés des matériaux déterminent la difficulté du nettoyage. Comprendre ces propriétés permet aux ingénieurs d'usine de sélectionner les méthodes de nettoyage appropriées, d'estimer le temps et le coût du nettoyage et de planifier la maintenance préventive.
Les méthodes d'évaluation simples décrites dans cet article sont accessibles à tout ingénieur d'usine ne disposant pas d'équipement spécialisé. Le test de poignée, le test de pieux, le test de rayure, le test d'eau et le test de tassement fournissent des informations pratiques qui guident les décisions de nettoyage.
La propriété la plus importante de la plupart des matériaux est la teneur en humidité. Les matières sèches s’écoulent plus facilement que les matières humides. Le contrôle de l’humidité est souvent la mesure préventive la plus efficace. Pour les matériaux dont l'humidité ne peut pas être contrôlée, les méthodes de nettoyage doivent être sélectionnées en fonction de leurs autres propriétés.
La taille des particules, la cohésion, la dureté, la compressibilité, la sensibilité à la température et les propriétés chimiques affectent toutes la difficulté de nettoyage. Faire correspondre la méthode de nettoyage à ces propriétés augmente la probabilité de succès et réduit le temps et le coût du nettoyage.
Les ingénieurs d’usine qui comprennent leurs matériaux prennent de meilleures décisions en matière de nettoyage. Ils nettoient en cas de besoin, et non selon un horaire fixe. Ils sélectionnent les méthodes qui fonctionnent et non les méthodes disponibles. Et ils préviennent les problèmes en anticipant l’impact des propriétés des matériaux sur les performances des silos.
