Brevet FR2660579A1 — publié le 19911011

La présente invention concerne le domaine du broyage de matières premières tels que des minerais en vue la réduction de ces matériaux à un niveau de granulométrie approprié notamment en vue de l'obtention de fines utilisables dans les processus ultérieurs. L'invention s'applique plus particulièrement à un procédé et à un dispositif de broyage utilisant des broyeurs de type connu et constitués de deux cylindres jumelés tournant en sens inverse. La matière, déjà amenée préalablement à un niveau de fragmentation approprié, est déversée continûment entre les deux cylindres et elle subit au passage un écrasement aboutissant à -rompre les forces de liaison interne de la matière pour aboutir à une nouvelle fragmentation avec l'obtention de particules correspondant à un niveau de granulométrie inférieur au précédent. Une machine de broyage de ce type, constituée de deux cylindres tournant en sens inverse, a été utilisée depuis la plus haute antiquité puisque notamment des dispositifs de ce genre étaient utilisés pour écraser et presser les olives en vue de l'extraction de l'huile. Plus récemment au siècle dernier, ce type de machine a connu un essor important puisqu'elle était utilisée pour concasser, broyer, presser-, granuler (briquette) toutes sortes de matériaux minéraux (charbon, minerais, argile etc...) et organique (blé, orge, seigle, etc...). Pour l'opération de granulation (briquettage) les pressions utilisées étaient les plus importantes (par exemple 80 M Pa pour briquetter (agglomérer) le charbon sans liant). L'étude du processus de granulation (agglomération, briquettage) a montré que la pression relativement forte nécessaire au processus casse les grains de matériau à l'intérieur même de l'agglomérat en créant de nouvelles surfaces. Les surfaces nouvellement créées ont une grande réactivité ce qui établit des nouvelles liaisons en augmentant ainsi la cohésion mécanique de l'agglomérat. Ce phénomène de rupture des grains à leur passage dans la zone haute pression des rouleaux a été également exploité pour le broyage. On connaît ainsi actuellement de nombreuses installations et dispositifs de broyage utilisant, pour le traitement de matières diverses, des cylindres jumelés travaillant en sens inverse et provoquant par écrasement la fragmentation des particules de matière délivrées entre les cylindres. On connaît ainsi par le brevet français 78-05240 un dispositif utilisant notamment deux rouleaux pour le travail de matières minérales en vue de leur réduction en particules fines. Cependant cette technique, ainsi que clairement exposée dans le brevet français cité, a des limites dans la mesure où il est nécessaire d'appliquer une forte pression pour obtenir une rupture des forces mécaniques au sein des agrégats délivrés à la machine, alors que cette pression provoque en retour un phénomène parasite d'adhérence aboutissant à une restructu ration de la matière à partir des particules plus fines obtenues suite à la fragmentation. Ce phénomène parasite, utile dans le cas de l'utilisation de rouleaux de compression en vue du briquettage de la matière, est un inconvénient lorsque l'on veut au contraire obtenir des particules sous forme de fines. L'équilibre entre les deux phénomènes respectivement de fragmentation et de briquettage dépend de la vitesse périphérique des cylindres. Effectivement pour bien remplir la zone de pression maximale et casser ainsi les grains à l'intérieur de cette zone, la vitesse doit être relativement faible. Mais à faible vitesse, le phénomène d'agglomération est très important et par conséquent les granulés sortant ont une grande cohésion mécanique et il faut un appareil de broyage efficace pour le post-broyage (désagglomération). Si on augmente la vitesse, les granules qui sortent sont moins résistantes mais la zone de pression maximale n'est pas bien remplie et la durée de l'écrasement est trop courte et par conséquent le broyage est moins efficace. Un facteur important pour la cohésion des granules formées est l'air emprisonné lors de la forte compression du matériau nécessaire pour le broyage. La détente de cet air emprisonné après la sortie du matériau de la zone de compression diminue la cohésion des granules et peut les détruire si la détente est suffisamment rapide pour que l'air n'ait pas le temps de s'échapper en douceur. Mais comme il a été mentionné plus haut, on ne peut pas augmenter la vitesse périphérique sous peine de ne pas réaliser dans la masse du matériau les pressions nécessaires au broyage. Effectivement, ce type de broyeur à cylindres tourne beaucoup moins vite que les broyeurs à cylindres habituels (environ 1,5m/s par rapport à 3 à 5 m/s). I1 résulte de ce qui précède qu'il apparaît souhaitable, pour obtenir un effet de broyage avec un rendement utile optimal et en réduisant autant que possible le phénomène de briquettage, de provoquer une détente très rapide de l'air à la sortie de la zone de haute pression entre les deux cylindres, sans pour autant augmenter la vitesse de rotation. On a en effet clairement indiqué ci-dessus qu'un accroissement de la vitesse de rotation, si elle réduit la vitesse de détente de l'air au sein de la matière, a l'inconvénient de réduire également le temps pendant lequel les agrégats du matériau sont soumis à une forte pression, de sorte que on réduit également par là l'efficacité du broyage. Et les broyeurs tournant à faible vitesse produisent (comme clairement exposé dans le brevet français cité) un effet de compactage et de concrétion indésirable lorsque l'on vise l'obtention de particules notamment de fines. Un objet de l'invention est donc de permettre, tout en utilisant les dispositifs simples que constituent les cylindres jumelés de compression, sans augmenter pour autant la vitesse de rotation des cylindres, d'obtenir une détente rapide voire instantanée de l'air emprisonné dans les particules soumises à forte pression, cette détente provoquant la rupture des liaisons mécaniques et par conséquent le broyage et l'obtention de particules fragmentées et aboutissant au degré de granulométrie désirée. Ainsi l'invention permet, à partir d'un dispositif de type général connu, d'obtenir un broyage d'une efficacité considérablement améliorée sans rencontrer le phénomène indésirable de compactage et de briquettage de la matière traitée. On peut ainsi dans le cadre de la mise en oeuvre de l'invention traiter la matière par passage, éventuellement successif, dans des jeux de rouleaux broyeurs, avec un rendement élevé en obtention de fines de granulométrie appropriée, et en réduisant considérablement le phénomène de briquettage. A cet effet l'invention concerne un procédé de broyage de matières premières solides, tels que des minerais, dans lequel la matière traitée est soumise à l'action de compression d'un organe mobile apte à comprimer cette matière contre une surface d'appui et dans lequel on met en oeuvre deux cylindres de compression parallèles, de type connu, et tournant en sens inverse l'un de l'autre, et entre lesquels la matière est entraînée, un cylindre étant monté sur un axe fixe, l'autre cylindre étant monté sur un axe mobile en restant parallèle au premier, et cet axe mobile subit la poussée d'au moins un organe de pression et le procédé est en outre caractérisé en ce que on contrôle la poussée développée par cet organe de pression de façon à faire varier constamment la pression du cylindre mobile s'exerçant sur la matière en appui sur le cylindre d'axe fixe. Selon une forme plus particulière de réalisation de l'invention, l'organe de pression est constitué d'au moins un vérin et la pression développée dans la chambre du vérin est contrôlée de façon à faire varier constamment la pression du cylindre mobile s'exerçant sur la matière en appui sur le cylindre d'axe fixe. Selon une autre caractéristique de l'invention, on met en oeuvre deux vérins parallèles exerçant chacun une poussée sur une des deux extrémités libres de l'axe de rotation du cylindre, et on contrôle la pression interne au sein de la chambre de chacun des vérins de façon à équilibrer les poussées développées par les deux vérins, et en outre on fait varier constamment et de façon synchrone et identique les poussées développées par les deux vérins sur l'axe mobile du cylindre et ainsi répercutées par ce cylindre sur la matière traitée en appui sur le cylindre d'axe fixe. Selon une variante de réalisation, la poussée exercée sur l'axe mobile du second cylindre suit un cycle régulier en réalisant une pulsation de la pression suivant un cycle sensiblement sinusoïdal. Selon encore une autre variante, la poussée suit un cycle régulier complexe et constitué d'une succession de salves modulaires répétitives chaque salve comprenant elle-même des impulsions variables en amplitude et en fréquence. Selon une variante de réalisation du procédé ci-dessus, on adapte le cycle des impulsions de variations de pression à la nature et aux caractéristiques physiques du matériau traité. Selon encore une variante de réalisation, on utilise deux vérins jumelés, chacun exerçant une poussée sur une des deux extrémités de l'axe de rotation du cylindre mobile, et on contrôle la pression développée au sein de chaque vérin et reportée sur l'extrémité correspondante dudit axe, les pressions exercées dans chaque vérin étant as synchrones Et notamment les cycles des impulsions de variations de pression exercées sur chacune des extrémités de l'axe du cylindre mobile suivent un cycle régulier, le cycle des variations exercées sur une extrémité de l'axe étant déphasé par rapport au cycle de l'autre extrémité du même axe, en provoquant ainsi un gradient instantané de pression le long de la zone linéaire de contact entre le cylindre mobile et la matière, gradient se déplaçant constamment le long de cette zone. L'invention concerne également un dispositif de broyage dans lequel l'organe de compression est constitué d'un premier cylindre d'axe fixe et d'un second cylindre d'axe mobile, parallèle et jumelé au premier, le second cylindre subissant la poussée de deux vérins jumelés par l'intermédiaire des deux extrémités de l'axe de rotation dudit second cylindre et chaque vérin est asservi à des moyens de programmation de la pression. Et plus particulièrement, les moyens d'asservissement de la pression au sein de chacun des vérins sont constitués d'une vanne ou registre à plusieurs voies permettant la mise en communication de la chambre de chacun des vérins successivement avec une première source de pression et avec une seconde source de pression de valeur différente de la première. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit et qui est donnée en rapport avec quelques formes de réalisations présentées à titre d'exemples non limitatifs. La Figure 1 représente une vue schématique et en perspective d'un dispositif à deux cylindres à pression pulsée selon l'invention. La Figure 2 représente deux positions d'un registre de réglage de la variation de pression au sein des vérins commandant la compression du cylindre mobile selon la Figure 1. La Figure 3 représente un schéma de réalisation d'une d'installation de broyage utilisant le dispositif de l'invention. On voit en considérant l'ensemble des Figures que pour augmenter la vitesse de détente de l'air à la sortie de la zone de haute pression sans pour autant augmenter la vitesse de rotation, on fait osciller la pression en pulsant la force qui rapproche les cylindres. Ainsi la vitesse de décompression augmente puisque à la vitesse de sortie du matériau de la zone de haute pression s'ajoute la vitesse de pulsation de pression qui le décomprime brutalement. De même cette pulsation de pression a un effet bénéfique sur le broyage puisqu'elle permet un réarrangement des grains libérés et fluidisés par l'air que se dégage. La fluidisation des grains par l'air qui se dégage est un phénomène bien connu dans les presses à rouleaux pour agglomération où il joue un rôle négatif empêchant le matériau de se compacter dans la zone de haute pression. Dans le cas du broyage à pression pulsée, l'air se dégage après compression avec les deux conséquences bénéfiques mentionnées plus haut (diminution de la cohésion mécanique de l'aggloméré et réarrangement du matériau dans la zone de broyage). La pression pulsée a aussi un effet de concassage-broyage analogue à celui produit dans les machines de concassagebroyage à mouvements alternatifs, par exemple les concasseurs à mâchoires. Notamment en considérant plus particulièrement la Figure 1 on voit que l'on a réalisé dans le cadre de l'invention un premier cylindre d'axe fixe 1 coopérant avec un cylindre d'axe mobile 2 ; les deux cylindres étant disposés parallèlement et tournant en sens inverse. Ces deux cylindres peuvent être alimentés de façon connue depuis une trémie supérieure 3 elle-même alimentée depuis un convoyeur 4 déversant de façon régulière et continue entre les deux cylindres 1 et 2 un flot d'agrégats correspondant au produit à traiter. L'axe 5 du second cylindre 2 est monté sur deux paliers d'extrémité respectivement 6 et 6' eux-mêmes solidaires de la tige 7, 7' du piston déplaçable dans un vérin 8, 8' Chacun des vérins 8, 8' est alimenté par la canalisation commune 9 depuis une première source de pression P 1 et une seconde source de pression P 2. On suppose dans le cadre de la réalisation représentée aux Figures 1 et 2 que la source de pression P 1 est à un niveau considérablement supérieur à la source de pression P 2. Par exemple, la source de pression P 1 correspond à une pression exercée au niveau du cylindre 2, de l'ordre de 500 kg par cm2, tandis que la source de pression P 2 peut être considérablement inférieure voire correspondre simplement à la pression atmosphérique. Une vanne à registre coulissant par exemple telle que représentée à la Figure 2 est apte à mettre la canalisation commune 9 alimentant les deux vérins 8 et 8' successivement en communication avec la source de haute pression P 1 et la source de faible pression P 2. On voit dans ces conditions que, suivant le mouvement du registre 10, la pression développée dans chacun des vérins 8 et 8' et par conséquent reportée sur le second cylindre va varier. Il est ainsi possible par le déplacement du registre suivant un cycle régulier ou non de provoquer une pulsation de variation des pressions par conséquent une pulsation dans l'effort de compression exercé par le cylindre 2 sur la matière c'est-à-dire sur les particules et granules traitées et en appui sur le premier cylindre 1. On voit que l'ensemble du cylindre 2 se trouve ainsi soumis à une poussée et un effort de compression qui varie dans le temps. Dans une première forme de réalisation, cette poussée peut être égale sur les deux paliers respectivement 6 et 6' de sorte que c'est l'ensemble du cylindre 2 qui exerce une poussée linéaire dans la zone de contact avec les granules et particules traitées, elles-mêmes en appui sur le cylindre d'axe fixe 1. Dans ce cas, les variations de pression développées depuis les vérins 8 et 8' peuvent épouser un cycle régulier ou non ceci en fonction des caractéristiques de la matière. On peut notamment envisager une pulsation d'amplitude comprise entre une valeur maximale de pression au niveau du cylindre 2 comprise entre 500 et 1.000 kg. par cm2 et une valeur minimale qui peut aller jusqu'à la simple pression atmosphérique. La fréquence des pulsations peut être ajustée en fonction d'un dispositif de commande agissant lui-même sur le registre 10. On voit ainsi que dans la position du registre selon la Figure 2a la haute pression est en communication avec les deux vérins, tandis que dans la position représentée à la Figure 2b, les vérins sont en communication avec la source de pression plus faible en provoquant par conséquent une détente instantanée au niveau de la zone des génératrices des deux cylindres jumelles situées en regard. Ce phénomène permet d'aboutir à une détente des gaz comprimés au sein des particules de matière avec un effet d'éclatement provoquant par conséquent la fragmentation des particules en éléments plus fins. Tandis que grâce à la détente rapide ainsi obtenue on peut éventuellement adopter une vitesse périphérique de rotation des cylindres supérieure à celle usuellement pratiquée, ce qui permet de réduire voire d'éliminer le phénomène de compactage et de briquettage par concrétion des particules immédiatement après leur fragmentation. La définition du cycle des pulsations n'est pas déterminée dans le cadre de l'invention et pourra être adoptée éventuellement par essais empiriques ou tatonnements, en fonction des matériaux traités. A cet effet l'organe de manoeuvre du registre 10, qui pourrait être un simple vérin pneumatique, peut lui-même être asservi à un organe de programmation mécanique, électrique ou électronique qui pourrait par conséquent en fonction des buts recherchés provoquer les pulsations d'intensités voulues en amplitude et en fréquence. Selon une variante de réalisation du procédé, les pulsations imprimées aux paliers respectivement 6 et 6' du rouleau 2 et provoquées par l'action du piston 7 et 7' pourraient être as synchrones. Il est ainsi possible d'obtenir par un décalage de phase approprié entre les cycles de pulsations imprimés à chacun des pistons 7 et 7' , un effet de déplacement du point de pression maximum le long des génératrices des cylindres en regard. On comprend en effet que si un palier, par conséquent une extrémité du cylindre, subit une poussée maximale, tandis que le palier opposé est à son niveau de poussée minimale, la pression maximum s'exercera entre les deux cylindres du côté du palier soumis à la pression maximale. Le cycle se poursuivant, le palier soumis à une pression maximale va voir décroître sa pression, tandis que le palier opposé va voir croître la poussée qu'il subit ; ainsi dans un instant extrêmement court (en fonction du cycle et de la fréquence des pulsations) le point (ou la zone) de pression maximale va se déplacer le long des cylindres depuis un palier jusqu'à l'autre pour revenir au premier. On provoque ainsi un gradient instantané de pression le long des deux cylindres et ce gradient évolue dans le temps de façon cyclique (en fonction lui-même du cycle des pulsations), de telle façon que la zone de haute pression suit une onde qui se déplace le long des deux cylindres. On provoque dans ces conditions un effet maximum de détente de l'air emprisonné au niveau de chaque particule ou granule en cours de traitement en provoquant ainsi, grâce d'une part à un mouvement relativement lent des rouleaux, une accumulation de la pression suffisante, suivie d'une détente extrêmement rapide avec l'effet voulu d'éclatement et d'explosion des particules aboutissant à leur fragmentation sans phénomène parasite de concrétion et de réagglomération ultérieure. La Figure 4 illustre un mode de réalisation de l'invention insérée dans un circuit de broyage. On voit ainsi selon cette Figure que le broyeur à cylindres à pression pulsée peut être intégré dans un circuit de broyage complet. Le broyeur de l'invention peut ainsi être associé à des moyens de concassage, criblage avec recyclage, prébroyage, sélection avec recyclage, broyage avec le broyeur à cylindres, sélection avec recyclage sur le broyeur à cylindres et sur le broyeur finisseur, broyeur finisseur avec recyclage et, en général, toute unité de traitement des matériaux sortis du broyeur à cylindres, à pression pulsée avec recyclage. Un schéma de principe d'un circuit de broyage avec broyeur à cylindres pour la fabrication du ciment peut se présenter selon la Figure 3 dans laquelle après broyage par broyeur à cylindres à pression pulsée 11 selon l'invention on effectue un broyage de finition dans un broyeur à boulets 12, à la sortie duquel la matière est séparée par exemple dans le séparateur 13. Les fines recherchées sont évacuées en 14. Les passants de granulométrie plus élevée sont recyclés en 15 en amont de l'alimentation du broyeur à cylindre à pressions pulsées ; les particules intermédiaires sont recyclées selon 16 vers le broyeur à boulets. Il faut noter qu'en général, et notamment pour le broyage, des produits se rapprochant de la monogranularité (par exemple clinker) un recyclage améliore le fonctionnement du broyeur puisque la courbe granulométrique s'élargissant, le compactage augmente. L'ensemble peut avantageusement comporter un dispositif de débrayage du circuit hydraulique. Pour protéger le broyeur contre les dommages causés par l'introduction d'un corps étranger métallique qui peut l'endommager, on utilise actuellement des séparateurs mécaniques (crible par exemple), des séparateurs magnétiques et des détecteurs de métaux. A la suite de la détection d'un corps métallique, le broyeur à cylindre est by-passé le temps que la trémie d'alimentation se vide. On évite par ce moyen le passage du corps métallique dans le broyeur. Ce procédé a deux inconvénients majeurs - le circuit de manutention est compliqué par ce by-pass. - la quantité de produit se trouvant dans la trémie est soit perdue, soit doit être recyclée après l'extraction du corps métallique. Pour pallier à ces inconvénients, ce nouveau broyeur, objet du brevet, est équipé d'un dispositif de décharge du circuit hydraulique de maintien en pression des vérins qui pousse le cylindre mobile. Ainsi, quand un corps métallique a été détecté, la pression dans les vérins chute et le cylindre mobile peut s'écarter librement du cylindre fixe et laisser ainsi passer le corps métallique détecté sans inconvénient pour le broyeur. REVENDICATIONS 1 - Procédé de broyage de matières premières solides, tels que des minerais, dans lequel la matière traitée est soumise à l'action de compression d'un organe mobile apte à comprimer cette matière contre une surface d'appui et dans lequel on met en oeuvre deux cylindres (1 et 2) de compression parallèles, de type connu, et tournant en sens inverse l'un de l'autre, et entre lesquels la matière est entraînée, un cylindre (1) étant monté sur un axe fixe, l'autre cylindre (2) étant monté sur un axe mobile (5) en restant parallèle au premier, et cet axe mobile subit la poussée d'au moins un organe de pression (8, 8') et le procédé est en outre caractérisé en ce que on contrôle la poussée développée par cet organe de pression de façon à faire varier constamment la pression du cylindre mobile s'exerçant sur la matière en appui sur le cylindre d'axe fixe. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de pression est constitué d'au moins un vérin (8, 8') et la pression développée dans la chambre du vérin est contrôlée de façon à faire varier constamment la pression du cylindre mobile (2) s'exerçant sur la matière en appui sur le cylindre d'axe fixe (1). 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, et caractérisé en ce que l'on met en oeuvre deux vérins parallèles (8, 8') exerçant chacun une poussée sur une des deux extrémités libres de l'axe (5) de rotation du cylindre, et on contrôle la pression interne au sein de la chambre de chacun des vérins de façon à équilibrer les poussées développées par les deux vérins (8, 8'), et en outre on fait varier constamment et de façon synchrone et identique les poussées développées par les deux vérins sur l'axe mobile (5) du cylindre et ainsi répercutées par ce cylindre sur la matière traitée en appui sur le cylindre d'axe fixe. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, et caractérisé en ce que la poussée exercée sur l'axe mobile du second cylindre (2) suit un cycle régulier en réalisant une pulsation de la pression suivant un cycle sensiblement sinusoïdal. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, et caractérisé en ce que la poussée suit un cycle régulier complexe et constitué d'une succession de salves modulaires répétitives, chaque salve comprenant elle-même des impulsions variables en amplitude et en fréquence. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, et caractérisé en ce que l'on adapte le cycle des impulsions de variations de pression à la nature et aux caractéristiques physiques du matériau traité. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, et caractérisé en ce que l'on utilise deux vérins jumelés (8 et 8'), chacun exerçant une poussée sur une des deux extrémités de l'axe (5) de rotation du cylindre mobile (2), et on contrôle la pression développée au sein de chaque vérin et reportée sur l'extrémité correspondante dudit axe, les pressions exercées dans chaque vérin étant assynchrones. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, et caractérisé en ce que les cycles des impulsions de variations de pression exercées sur chacune des extrémités de l'axe (5) du cylindre mobile (2) suivent un cycle régulier, le cycle des variations exercées sur une extrémité de l'axe étant déphasé par rapport au cycle de l'autre extrémité du même axe, en provoquant ainsi un gradient instantané de pression le long de la zone linéaire de contact entre le cylindre mobile et la matière, gradient se déplaçant constamment le long de cette zone. 9 - Dispositif de broyage en vue de la mise en oeuvre du procédé, selon l'une des revendications 1 à 8 ci-dessus, et dans lequel l'organe de compression est constitué d'un premier cylindre d'axe fixe (1) et d'un second cylindre (2) d'axe mobile (5), parallèle et jumelé au premier, le second cylindre subissant la poussée de deux vérins jumelés (8, 8') par l'intermédiaire des deux extrémités de l'axe de rotation dudit second cylindre et le procédé est caractérisé en ce que chaque vérin est asservi à des moyens de programmation de la pression. 10 - Dispositif selon la revendication 9 ci-dessus, et caractérisé en ce que les moyens d'asservissement de la pression au sein de chacun des vérins (8, 8') sont constitués d'une vanne ou registre (10) à plusieurs voies permettant la mise en communication de la chambre de chacun des vérins (8, 8') successivement avec une première source de pression (P 1) et avec une seconde source de pression (P 2) de valeur différente de la première. 11 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, et caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur de corps métallique en amont des cylindres, ce détecteur étant relié à des organes de commande propres à provoquer la chute de la pression dans les vérins en permettant ainsi au cylindre mobile de s'écarter du cylindre fixe pour le passage du corps métallique sans dommage pour la surface des cylindres.