GOLDEN, Colorado — CoorsTek est un leader mondial dans le domaine des céramiques techniques, des matériaux présentant une grande résistance à la dégradation mécanique, chimique, électrique et thermique. Leurs applications couvrent de nombreux secteurs, notamment l'aérospatiale et la défense, l'industrie chimique, l'électronique, l'énergie, le secteur médical et celui des semi-conducteurs.
En 2019, CoorsTek a inauguré son Centre des matériaux avancés (CCAM) à Golden, dans le Colorado. Ce centre regroupe un pôle de recherche et développement, un laboratoire d'analyse et une usine de fabrication de matériaux. Le CCAM a pour mission d'accélérer la production de céramiques destinées au marché en s'appuyant sur les technologies les plus récentes.
Son site de production est dédié à la manipulation de l’alumine (oxyde d’aluminium, Al₂O₃), dont la dureté sur l’échelle de Mohs est de 9, juste en dessous de celle du diamant. « C'est un matériau extrêmement abrasif », explique Andrew Harm, ingénieur des procédés chez CoorsTek, qui a dirigé la mise en service des huit systèmes de transport pneumatique de CCAM. Ces lignes en phase diluée ont été conçues pour acheminer l'alumine d'une opération à l'autre, du déchargement des wagons au mélange, au broyage, au séchage par atomisation et au stockage. Malheureusement, les coudes des systèmes de transport n'ont pas résisté à l'abrasivité de l'alumine.
« Je ne pense pas que l’on ait clairement expliqué à quel point nos matériaux sont abrasifs », explique Harm. « Ils ont très vite commencé à percer des trous dans les coudes. » Dans certains cas, les coudes ont cédé après avoir manipulé seulement 20 000 à 30 000 lb (9 100 à 13 600 kg) d’alumine. « Notre lot fait 100 000 lb (45 400 kg), c’était donc un problème majeur pour nous. »
Outre les temps d’arrêt, l’usure prématurée a entraîné une contamination des produits par jusqu’à 150 ppm de fer magnétique provenant de l’usure des canalisations et des coudes. « Nous sommes très attentifs à la présence de fer dans nos matériaux, en particulier ceux destinés à l’industrie des semi-conducteurs et au secteur de la défense », explique M. Harm. « La composition chimique et la pureté sont extrêmement importantes. »
Empêcher l'alumine abrasive de heurter la paroi du coude
Les revêtements en céramique des coudes d'origine présentaient une dureté selon l'échelle de Mohs de seulement 5 à 6. À mesure que ceux-ci s'usaient, Harm et son équipe ont testé d'autres types de coudes. Ce sont les coudes de déviation SmartElbow® de la société HammerTek Corp. qui se sont révélés les plus efficaces.
Ces coudes spéciaux sont dotés d'une chambre de tourbillon sphérique faisant saillie sur la branche d'entrée. Lorsque le matériau pénètre dans le coude, une partie du flux est automatiquement déviée vers la chambre de tourbillon, où elle forme une masse peu compacte qui tourne lentement dans le sens du flux. Cela permet de dévier en douceur les particules entrantes autour du coude. Comme une partie du matériau s'écoule en continu de la chambre à mesure que du nouveau matériau y pénètre, la masse rotative de matériau est constamment renouvelée. De plus, le matériau sort de manière uniforme par la sortie du coude sans glisser le long du rayon extérieur, comme c'est le cas avec les coudes à balayage.
Bien que les coudes de déviation soient initialement plus chers que d’autres modèles testés par Harm, tels que les tés borgnes, ils ont permis de réduire les coûts et d’améliorer la qualité. « Les coudes de déviation s’usent très peu, ce qui évite que des particules métalliques ne se retrouvent dans notre produit. Cela suffit à lui seul à justifier leur coût. » L’élimination des fuites, des salissures et des arrêts imprévus a constitué un avantage supplémentaire. « Nous pouvons également justifier ce choix d’un point de vue purement technique », ajoute Harm.
Remplacer les coudes de balayage de manière préventive
CoorsTek a d’abord installé les coudes de déviation par étapes, après la mise en service de chaque système de convoyage, lorsque les coudes d’origine s’usaient. « Nous avons procédé ainsi pour quelques systèmes, mais lorsque nous avons commencé à exploiter le cinquième ou le sixième système, nous avons franchi le pas », explique M. Harm. « Attendre [une panne] entraînait trop d’arrêts imprévus. Si l’on dispose déjà de la pièce en stock et que l’on s’y prépare, le temps de remplacement est minime, peut-être une demi-heure. »
Le remplacement des coudes difficiles d’accès nécessite toutefois davantage de temps et de préparation. Les plus difficiles à atteindre étaient ceux situés au sommet des silos extérieurs de CCAM, hauts de 90 pieds (27,4 m). Cela a pris deux jours et a nécessité la location d’une grue ainsi que la mise en place d’échafaudages spéciaux, mais il n’y avait pas d’autre solution, explique Harm. « Nous ne pouvons pas laisser notre produit se disperser à l’air libre. »
Il s'agissait des derniers des 65 coudes « Smart Elbow » installés par CoorsTek. Certains de ces coudes sont en fonte, mais la plupart sont fabriqués à partir du HammerLoy™ de HammerTek, un matériau plus résistant à l'abrasion.
Réduire la perte de charge de la moitié à un tiers
Outre la prévention de la contamination et des débordements, les coudes de déviation ont permis de réduire la perte de charge. « Avec les coudes en T borgnes, on observe une perte de charge de 0,2 à 0,3 psi (1,38 à 2,1 kPa) au niveau du coude lui-même. Avec les coudes HammerTek, la perte de charge est d’environ 0,1 psi (0,69 kPa) », explique M. Harms. « C’est une différence assez significative. Si nous utilisions quatre ou cinq de ces autres coudes, cela pourrait entraîner une perte de charge de 20 % rien qu’au niveau des coudes. Le débit pourrait baisser au point de nous empêcher de faire passer le matériau. »
Les débits des huit systèmes varient entre 4 000 et 20 000 lb (1 800 à 9 000 kg) par heure. La longueur des lignes de transport est comprise entre 80 et 300 pieds (24,4 à 91,4 m) et le diamètre des conduites est de 4, 5 ou 6 pouces (100, 125 ou 150 mm). À l'extrémité de décharge, la vitesse du matériau peut dépasser 100 mph (161 km/h).
Le plus ancien des coudes HammerTek, installé il y a deux ans, fonctionne toujours. Dans les zones non critiques, CoorsTek dispose encore de quelques tés borgnes et coudes courbes à double paroi. « Si on peut s'en sortir sans les remplacer, tant mieux », déclare Harm. « Mais dès que l'un d'entre eux présentera une défaillance, on n'hésitera pas à les remplacer eux aussi. »
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