Pourquoi vos billes en zircone ne cessent de se casser et d'obstruer le tamis des broyeurs à broyage fin ?

J'ai passé douze ans dans des usines de broyage humide aux alentours de Shanghai : des usines de pigments à Songjiang, des ateliers de céramique électronique et quelques lignes de production de matériaux pour batteries dans les zones industrielles périphériques. La plainte la plus fréquente concernant les billes de zircone n'est pas qu'elles s'usent trop vite. C’est plutôt qu’elles se cassent, que le tamis de décharge se bouche, que le broyeur se met en arrêt de sécurité ou que le produit se retrouve contaminé par des éclats grossiers. Neuf fois sur dix, le problème vient de billes de broyage en zircone stabilisée à l’yttrium présentant une grande dispersion granulométrique ou un diamètre inadapté à la vitesse périphérique et à la viscosité.

Les billes en Y-TZP sont denses (environ 6,0 g/cm³) et résistantes grâce au renforcement par transformation. Dans un broyeur à billes correctement chargé, elles transfèrent plus d’énergie par collision que l’alumine et ne perdent que très peu de matière. Les taux d’usure en laboratoire sur du Y-TZP de bonne qualité (0,8–1,2 mm) se situent souvent bien en dessous de 0,01% par heure lors d’essais standard en suspension, et la contamination par le fer ou l’alumine reste faible. Le problème survient lorsque la distribution granulométrique est large ou que les billes sont trop grosses pour le broyeur. Les billes plus grosses transportent davantage d’énergie cinétique. Si la viscosité de la boue est élevée ou si le remplissage n’est pas correct, elles heurtent le tamis ou se heurtent entre elles avec suffisamment de force pour s’ébrécher. Une fois que des éclats se forment, ceux-ci agissent comme un abrasif supplémentaire, l’usure s’accélère et le séparateur se bouche. J’ai déjà ouvert des broyeurs où la moitié de la charge était encore ronde et l’autre moitié constituée de fragments qui n’auraient jamais dû s’y trouver.

L'année dernière, j'ai mené un essai dans une usine de pigments à Songjiang. Ils broyaient une suspension de pigment organique à haute teneur en solides, comprise entre environ 55 et 60%, avec pour objectif d'obtenir une granulométrie D90 inférieure à 5 µm, dans un broyeur à billes horizontal équipé de billes d'un diamètre nominal de 0,8 mm. Les billes de broyage en zircone qu’ils utilisaient étaient étiquetées « Y-TZP 0,6–1,0 mm », mais lorsque nous avons tamisé un échantillon, la distribution réelle s’étendait d’environ 0,4 mm à 1,4 mm, avec une frange notable de billes de zircone plus grosses. Au bout de 40 heures, la pression différentielle du tamis a augmenté et nous avons trouvé des billes cassées et des éclats dans le produit de décharge. L’usure mesurée sur les billes entières restantes était encore faible — environ 0,0081 TP3T en poids — mais le taux de rupture rendait le broyeur inutilisable. Des essais de compression en laboratoire sur les perles les plus grosses de ce lot ont montré qu’elles cédaient sous des charges inférieures à celles d’un lot de référence plus homogène de 0,8 mm dont nous disposions.

Nous sommes passés à une charge de Y-TZP à distribution étroite de 0,8 mm, de même densité et de composition chimique nominale identique. Le taux de remplissage a été maintenu conformément aux recommandations du fabricant du broyeur et nous avons surveillé la viscosité afin que les billes de zircone restent en suspension sans s’agglomérer. Au bout de 40 heures supplémentaires, le tamis était resté propre, aucun fragment mesurable n’a été détecté dans le produit et l’usure des billes était comprise entre 0,006 et 0,0071 TP3T. Le débit a augmenté car nous avons pu allonger les intervalles entre les nettoyages. Les contrôles de contamination (ICP sur la suspension) ont montré des teneurs en zirconium dans la fourchette basse des ppm, ce qui était acceptable pour ce pigment. L’usine a ensuite pu respecter les spécifications granulométriques plus strictes.

La densité et la résistance des billes de broyage en zircone stabilisée à l’yttrium de bonne qualité constituent de réels avantages pour le broyage fin. Elles permettent d’utiliser des billes plus petites tout en transmettant de l’énergie aux particules, et le taux d’usure reste faible, ce qui évite d’avoir à ajouter constamment de la poussière métallique ou céramique. Mais ces avantages disparaissent si les billes se brisent. Une distribution granulométrique trop large ou des billes trop grosses par rapport à la vitesse périphérique transforme la charge en une source de copeaux plutôt qu’en un outil de broyage. La résistance à l’usure des billes de zircone par rapport à celles d’alumine semble excellente sur la fiche technique ; dans le broyeur, cette comparaison ne tient que si la zircone reste intacte.

Voici quelques points que je vérifie sur place. Tamisez un échantillon de chaque nouveau lot : ne vous fiez pas uniquement à l’étiquette du sac. Adaptez le diamètre des billes de zircone à l’écartement du séparateur et à la finesse visée ; opter pour un diamètre plus grand n’apporte que rarement un avantage et augmente souvent le risque de rupture. Maintenez la teneur en solides et la viscosité dans la plage pour laquelle le broyeur a été conçu, afin que les billes ne s’agglomèrent pas et ne heurtent pas violemment le tamis. Et si vos billes de zircone utilisées pour le broyage fin obstruent la sortie ou laissent des éclats dans le produit, mesurez la distribution granulométrique et recherchez des fractures avant de rejeter la faute sur la boue ou la vitesse du broyeur. Sur la ligne de pigments de Songjiang, le passage à une charge plus fine de 0,8 mm a mis fin aux cassures et a permis au faible taux d’usure du Y-TZP de se manifester réellement lors de cycles plus longs. La plupart des broyeurs que je vois par ici obtiennent le même résultat dès lors qu’ils cessent de traiter toutes les billes de zircone comme identiques et commencent à vérifier quelle taille se trouve réellement dans la chambre.