FICHE TECHNIQUE / INGÉNIERIE
Masse volumique apparente, angle de talus, coulabilité : ce qui décide la conception
Ce que masse volumique apparente, granulométrie, angle de talus, humidité, abrasivité et cohésion déterminent dans une conception de manutention en vrac, comment les mesurer, et des valeurs indicatives.
Fait partie du guide: Comment spécifier un système de convoyage de matières en vrac
Chaque convoyeur, trémie et élévateur est dimensionné à partir d'une courte liste de propriétés de la matière, et la plupart des discussions à la mise en service remontent à l'une d'elles, supposée plutôt que mesurée. Cette fiche technique passe en revue les propriétés que nous demandons, ce que chacune détermine dans la conception, comment elle se mesure et à quoi ressemblent les valeurs typiques — avec cette réserve qu'une valeur typique est un point de départ pour une esquisse, et jamais la base d'une commande. Elle s'inscrit sous le guide de spécification d'un système, dont la première étape est exactement cette liste.
Quelles propriétés comptent, et que détermine chacune ?
- Masse volumique apparente
- La masse de matière par unité de volume, air entre les particules compris. La masse volumique non tassée (versée) est ce qu'une bande ou une vis transporte ; la masse volumique tassée est ce qui repose au fond d'un silo et charge ses parois et son extracteur. Les deux varient avec l'humidité et l'aération. Elle convertit les tonnes par heure en mètres cubes que l'équipement doit déplacer, et elle fixe les charges sur la structure.
- Granulométrie et dimension maximale des morceaux
- L'étendue des tailles issue d'une analyse par tamisage, et le plus gros morceau qui arrivera réellement — y compris celui, occasionnel, qui passe une fois les blindages du concasseur usés. La dimension maximale fixe la largeur de bande, les ouvertures de goulotte et le choix des godets d'élévateur ; la fraction de fines fixe la poussière, la cohésion et la facilité avec laquelle la matière ségrège. Donnez les deux, et précisez la fréquence des gros morceaux.
- Angle de talus et angle de surcharge
- L'angle de talus est la pente à laquelle se stabilise un tas versé librement. L'angle de surcharge est la pente plus plate que prend la charge sur une bande en auge en mouvement, une fois que les rouleaux l'ont tassée — en règle générale de 5 à 15° de moins que l'angle de talus. L'angle de talus dimensionne les stocks et la géométrie des goulottes ; l'angle de surcharge dimensionne la section transportée par une bande, donc son débit.
- Humidité
- La teneur en eau telle que manutentionnée, obtenue par séchage d'un échantillon, exprimée sur base humide ou sur base sèche — précisez laquelle. L'humidité modifie la masse volumique, la cohésion, l'adhérence aux surfaces et les angles de goulotte qui fonctionnent encore ; quelques pour cent suffisent à transformer une fine coulante en une matière qui voûte. Donnez la plage saisonnière et la condition dégradée, pas la moyenne annuelle.
- Abrasivité et dureté
- La vitesse à laquelle la matière consomme ce qu'elle touche. La dureté des particules, leur angularité et la teneur en silice sont les indicateurs habituels, et le retour d'exploitation sur une installation similaire est la meilleure preuve. Elle détermine le choix des blindages, la qualité des revêtements de bande, la surépaisseur d'usure des spires de vis et l'intervalle de maintenance auquel l'usine doit s'attendre.
- Cohésion et consolidation dans le temps
- La résistance que la matière développe sous son propre poids, et celle qu'elle gagne encore après un poste ou un week-end au repos. Un appareil de cisaillement la mesure sous forme de fonction d'écoulement — résistance non confinée en fonction de la contrainte de consolidation. C'est la propriété qui dimensionne l'orifice de sortie d'une trémie et décide si un silo voûte ; la note sur l'écoulement en silo explique pourquoi aucun essai sur tas ne la révèle.
- Frottement à la paroi
- Le frottement entre la matière et une surface de paroi candidate — acier brut de laminage, inox poli, revêtement polymère — mesuré dans le même appareil de cisaillement contre un coupon de la surface réelle. Il fixe l'angle de trémie nécessaire à l'écoulement en masse et l'angle de goulotte sur lequel une matière humide glisse encore.
- Température
- La température de manutention et sa valeur en condition dégradée. Elle décide du choix des revêtements et de la jonction de bande, de la sélection des paliers et des joints, des jeux de dilatation dans la structure et de la nécessité d'une chaîne plutôt que d'une bande pour un élévateur. Une matière chaude sèche et se consolide différemment ; ses propriétés d'écoulement s'essaient donc à chaud.
- Poussière et explosivité
- La quantité de poussière fine que la matière libère et la capacité de cette poussière à s'enflammer dans l'air. La fiche de données de sécurité est le point de départ ; une poussière combustible exige que ses caractéristiques d'explosion soient établies par essai. Elle détermine le capotage, l'aspiration, le zonage de l'usine et le confinement de chaque transfert.
Comment les mesure-t-on ?
La plupart de ces essais sont rapides et peu coûteux au regard des équipements qu'ils éclairent. Ce qui compte, c'est l'échantillon : représentatif de la condition la plus défavorable que verra l'usine, et essayé dans cet état plutôt que séché, tamisé et remis en ordre au préalable.
- Masse volumique apparente — un volume connu rempli sans tassement puis pesé, ensuite tapé ou compacté puis pesé à nouveau.
- Granulométrie — analyse par tamisage pour une matière granulaire, diffraction laser pour les poudres fines, un mètre ruban et une photographie pour les plus gros morceaux.
- Angle de talus — un tas versé ou une boîte basculante, sur la matière telle que manutentionnée ; l'angle de surcharge s'en déduit généralement avec l'écart standard.
- Humidité — perte à la dessiccation, avec la base (humide ou sèche) indiquée sur la fiche.
- Cohésion, fonction d'écoulement et frottement à la paroi — essais en cellule de cisaillement, avec une étape de consolidation dans le temps pour tout ce qui est stocké plus longtemps qu'un poste.
- Abrasivité — minéralogie et dureté, ou un essai d'indice d'abrasion, recoupés avec l'usure constatée sur l'installation existante.
- Poussière — la fiche de données de sécurité, puis des essais d'explosivité lorsqu'une poussière combustible est possible.
À quoi ressemblent les valeurs typiques ?
Les plages ci-dessous sont les valeurs de la littérature couramment citées pour le nom générique de la matière. Elles servent à une première esquisse de largeur de bande ou de volume de silo, et à vérifier la plausibilité d'un chiffre qu'on vous a communiqué. Ce ne sont pas des valeurs de conception : la matière de votre usine a sa propre humidité, ses propres fines et sa propre histoire, et l'étendue de chaque plage est justement tout le sujet.
| Matière | Masse volumique apparente non tassée, t/m³ (indicatif) | Angle de talus, ° (indicatif) |
|---|---|---|
| Ciment Portland | 1,0–1,5 | 30–40 ; bien moins une fois aéré |
| Cendres volantes | 0,7–1,1 | 35–45 ; se fluidisent facilement |
| Plaquettes de bois | 0,2–0,35 | 40–45 |
| Clinker de ciment | 1,3–1,5 | 30–40 |
| Calcaire concassé | 1,4–1,6 | 35–40 |
| Sable sec | 1,4–1,6 | 30–35 |
| Prills d'urée | 0,7–0,8 | 27–35 |
| Minerai de fer concassé | 2,2–2,7 | 35–40 |
Quelles sont les quatre propriétés qui changent la réponse ?
La plupart des propriétés affinent une conception. Quatre d'entre elles peuvent la renverser, parce que chacune fait passer la matière d'une famille de manutention à une autre.
- Humidité — transforme une matière pour bande et trémie en une matière qui exige des goulottes plus raides, une trémie à écoulement en masse et un autre extracteur ; elle exclut aussi totalement l'aéroglissière.
- Température — change la bande, les paliers, les joints et la structure, et peut transformer un élévateur à bande en élévateur à chaîne.
- Abrasivité — tranche entre une vis et une bande pour le même service, et détermine si la conception comporte des blindages, des surépaisseurs d'usure et un intervalle de maintenance compté en mois ou en années.
- Cohésion — la différence entre une trémie qui se vide et une trémie qui voûte, et la propriété la moins susceptible de figurer dans les données qu'on vous remet.
Que devez-vous nous envoyer ?
La checklist avant consultation donne l'ensemble complet ; pour la matière seule, cinq éléments font la différence entre une proposition avec des marges aux bons endroits et une proposition avec des marges partout. Les termes employés ici sont définis dans le glossaire, et notre travail de conception et ingénierie commence par transformer cette fiche en bases de conception.
LES QUESTIONS QU'ON NOUS POSE
L'angle de talus mesure-t-il la coulabilité ?
Seulement de loin, et seulement pour les matières coulantes. L'angle de talus décrit un tas versé sans charge de consolidation. La cohésion et la consolidation dans le temps, qui décident si une trémie voûte, sont invisibles dans un tas, et deux matières de même angle de talus peuvent exiger des orifices de sortie très différents. L'angle de talus sert pour les bandes et les stocks ; l'essai de cisaillement pour les trémies.
Pourquoi la masse volumique apparente est-elle donnée sous forme de plage ?
Parce que la même matière a plusieurs masses volumiques. Versée sans tassement, elle retient de l'air ; tapée, vibrée ou chargée sous plusieurs mètres de son propre poids, elle se tasse davantage ; humide, elle pèse plus lourd au mètre cube que sèche. Une plage assortie des conditions est honnête. Un chiffre unique est une moyenne qui ne s'applique à aucun état particulier de la matière.
Puis-je concevoir à partir des valeurs d'une table publiée ?
Pour une première esquisse, oui. Pour commander un équipement, non. Les valeurs publiées sont des plages typiques pour un nom générique, et la matière de votre usine a sa propre humidité, ses propres fines et sa propre histoire. Une bande dimensionnée sur le bas d'une plage de masse volumique, ou une trémie tracée d'après un angle de talus tabulé : voilà comment commencent les problèmes de mise en service.
Quelle quantité d'échantillon faut-il pour les essais ?
Généralement quelques kilogrammes pour la masse volumique, l'humidité et l'analyse granulométrique, et une quantité comparable pour l'essai de cisaillement, le laboratoire précisant ce dont il a besoin. Plus important que la quantité : l'échantillon doit être représentatif, prélevé dans le procédé à son état le plus humide ou le plus fin, pas au sommet d'un stock sec un jour de beau temps.