Brevet FR2759610A1 — publié le 19980821

La présente invention concerne un procédé et une installation, notamment à marche continue, pour réduire un matériau brut en morceaux et obtenir un matériau en grains d'une distribution granulométrique requise ainsi qu'une application du mélange de matériau en grains obtenu par la mise en oeuvre d'un tel procédé. Dans le domaine de la fragmentation, on est souvent amené à produire, à partir d'un matériau en morceaux, des grains dont l'étagement des dimensions respecte une distribution ou fuseau granulométrique prédéterminé afin, notamment, de permettre la mise en oeuvre ultérieure de cette matière par des moyens divers de tassement par vibration, compactage ou pressage, de minimiser l'ajout de liant éventuellement requis lors de cette mise en oeuvre, et/ou d'optimiser les caractéristiques physiques de la pièce ouvrée après formage suivant des critères également prédéterminés. Une caractéristique prévalant généralement à la définition de ce fuseau granulométrique est l'aptitude des grains fins à combler le plus exactement possible les espaces intergranulaires des grains de taille supérieure, cette caractéristique concourant à une optimisation de la compacité de la pièce ouvrée, à une réduction de la consommation de liant éventuel devant combler les vides, ainsi qu'à de meilleures performances en terme de résistances mécaniques et/ou de conductivités électrique ou thermique. Une autre caractéristique souvent recherchée pour les fractions grossières de ce fuseau granulométrique est de présenter une résistance optimale à la compression, afin de ne pas être dégradées lors de la mise en oeuvre ultérieure et de renforcer les caractéristiques mécaniques de la pièce ouvrée après formage. Actuellement, on ne contrôle pas les caractéristiques des matériaux bruts employés et on ne maîtrise pas la distribution granulométrique des grains directement issus des opérations de fragmentation. Pour obtenir une distribution dimensionnelle des grains respectant le fuseau granulométrique requis, il paraît donc indispensable de décomposer le processus de préparation granulométrique en deux étapes. La première étape consiste à diviser le matériau en plusieurs fractions granulométriques au moyen d'appareils de classification, à réduire les éventuels excédents de certaines fractions au moyen d'appareils de concassage ou de broyage, à recirculer les produits fragmentés sur les appareils de classification, et à stocker les diverses fractions ainsi produites dans des silos ou trémies tampons en fonction de leur granulométrie. La deuxième étape consiste ensuite à reconstituer un mélange des différentes fractions granulométriques produites dans la première étape, afin de satisfaire au fuseau granulométrique requis, grâce à une extraction contrôlée des matières sous chacun des silos au moyen de systèmes de dosage volumétriques et/ou pondéraux. Bien que l'on connaisse des installations n'ayant recours qu'à un seul appareil de fragmentation pour la production simultanée des différentes fractions, I'ensemble de ces opérations, et plus particulièrement la classification et le mélange, nécessitent des équipements nombreux et encombrants, notamment lorsque l'on souhaite limiter au maximum les excédents de matériaux non réutilisables. De plus, elles fonctionnement en circuit fermé et impliquent une recirculation des matériaux. Elles sont donc complexes et coûteuses. Le but de l'invention est de proposer un procédé et une installation de réduction granulométrique d'un matériau brut en morceaux en un matériau en grains qui pallient les inconvénients précités et permettent la production directe, notamment en continu, d'une distribution granulométrique requise sans recirculation, sans classification ni remélange de tout ou partie des produits fragmentés. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé et une installation de réduction granulométrique d'un matériau brut en morceaux qui permettent une utilisation directe du matériau en grains obtenu sans avoir à de nouveau modifier sa distribution granulométrique en fonction de l'application recherchée. Un autre but de la présente invention est de proposer une application du mélange de matériau en grains obtenu permettant la fabrication d'objets présentant des propriétés physiques avantageuses. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. La présente invention concerne tout d'abord un procédé de réduction granulométrique d'un matériau brut en morceaux en un matériau en grains dans lequel - on soumet tout ou partie dudit matériau en morceaux à un broyage, apte à permettre l'obtention, à son issue, d'un matériau en grains, d'une distribution granulométrique requise à partir d'une granulométrie quelconque du matériau en morceaux, - on dirige en aval ledit matériau en grains exclusivement vers un contenant commun, quelle que soit la taille desdits grains, de manière à obtenir, en un seul passage, dans ledit contenant, un mélange de matériau en grains présentant ladite distribution granulométrique, pour une utilisation telle quelle. Le procédé objet de l'invention utilise un produit brut de départ dont les morceaux ont, par exemple, des dimensions inférieures ou égales à 200 mm. De manière avantageuse, on soumet lesdits morceaux à un broyage par écrasement en couche de matière. En effet, on a constaté que le choix d'une telle technique permet de sélectionner les paramètres de l'opération de broyage de telle sorte que le produit en grains obtenu satisfasse au fuseau granulométrique requis à partir de morceaux de taille quelconque, et ceci en circuit ouvert. L'expression broyage par écrasement en couche de matière désigne les procédés de broyage suivant lesquels une couche multigranulaire de produit à broyer est comprimée entre deux surfaces avec une pression suffisante pour provoquer la fragmentation des grains qui sont réduits en grains plus petits. Durant le processus de broyage par écrasement en couche de matière, I'effort de compression exercé se transmet au sein de la couche de matière de grain à grain au-travers des zones de contact entre grains. Au début de ce processus, la granulométrie grossière de la matière fait que les espaces intergranulaires sont généralement importants, et que les surfaces de contact entre grains sont limitées, ce qui génère une pression importante et provoque l'éclatement des grains les plus fragiles. Les grains de taille inférieure ainsi générés se réarrangent alors dans les espaces intergranulaires vacants, augmentant progressivement les surfaces de contact entre grains, et réduisant simultanément la pression locale dans les zones de contact. Le processus concourt en conséquence à réduire le volume des vides intergranulaires en augmentant corrélativement la compacité de la couche de matière, jusqu'à ce que la multiplication des points de contact entre grains abaisse les pressions locales en dessous du seuil de rupture par écrasement de ces derniers. De tels procédés permettent d'obtenir une distribution granulométrique des grains qui soit sensiblement indépendante de la taille initiale des morceaux employés. Pour faire varier ladite distribution et/ou pour l'adapter à la matière brute utilisée, il suffira alors de jouer sur les paramètres de réglage du broyage tels que, par exemple, la force de fragmentation et/ou la pression appliquée. Cette dernière sera fonction, notamment, de la pression d'utilisation ultérieure du matériau et sera supérieure ou au moins égale à celleci afin d'éviter une détérioration du grain dans cette étape. Les appareils connus pour la mise en oeuvre de broyage par écrasement en couche de matière sont, à titre d'exemple, les broyeurs à meule, les broyeurs verticaux à billes ou à galets, les broyeurs à anneaux, les presses à cylindres et les broyeurs vibrants à cône. Différents exemples utilisant certains de ces broyeurs sont développés dans la suite. A ce sujet, la présente invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus de réduction granulométrique d'un matériau brut en morceaux comprenant au moins des moyens pour soumettre tout ou partie dudit matériau en morceaux à un broyage, apte à permettre l'obtention, à son issue, d'une distribution granulométrique requise du matériau en grains à partir d'une granulométrie quelconque du matériau en morceaux, et des moyens pour diriger, en aval, ledit matériau en grains, exclusivement vers un contenant commun quelle que soit la taille desdits grains. Selon un exemple de réalisation avantageux, lesdits moyens pour soumettre ledit matériau en morceaux à un broyage sont constitués, par exemple, d'un appareil de fragmentation effectuant un broyage par écrasement en couche de matière. Comme évoqué plus haut, grâce au principe de fonctionnement de tels appareils, on a constaté que le matériau en grains obtenu présente des distributions granulométriques directement utilisables, car déterminées, et l'installation conforme à l'invention ne nécessite donc pas de dispositif de recirculation ou de division des produits fragmentés. L'installation conforme à l'invention comprend ainsi, avantageusement un seul broyeur par écrasement en couche de matière. Toutefois, d'autres opérations préalables, notamment de concassage et/ou de broyage, pourraient également être envisagées, à l'aide d'autres dispositifs prévus en amont. Dans le cas où le fuseau granulométrique requis nécessite la présence de grains de taille supérieure à la dimension maximale des grains produits par l'appareil de fragmentation utilisé, I'installation pourra être complétée, éventuellement, en amont de ce dernier, d'un appareil de classification qui sera généralement un crible et/ou une grille, permettant de sélecter différentes fractions du matériau brut et, notamment, de prélever parmi ses morceaux une ou plusieurs fractions grosses manquantes dans la matière en grains. Ces fractions grosses éviteront ensuite, grâce à un bipasse, en tout ou partie le broyeur. Avantageusement, ces fractions grosses seront constituées de grains dont les dimensions sont supérieures ou égales à un millimètre. La présente invention concerne avantageusement une application du mélange de matériau en grains obtenu par la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus à la fabrication, après compactage, pressage et/ou tassement par vibrations dudit mélange, d'objets présentant des propriétés mécaniques optimisées. En effet, notamment en cas de broyage par écrasement en couche de matière, les seuils de rupture entre grains lors de la fragmentation pouvant être différents selon la nature et la cohésion de ces derniers, il apparaît une fragmentation sélective intéressant prioritairement les grains fragiles. Ainsi, les gros grains du produit fragmenté sont préférentiellement issus des constituants les plus durs du produit brut. De plus, comme précédemment évoqué, la distribution granulométrique du produit broyé présente une compacité satisfaisante, les espaces intergranulaires vacants étant comblés lors du traitement. Grâce à de tels procédés, et grâce à ce choix on dispose donc, en sortie du broyeur et avant tout traitement supplémentaire, d'un produit présentant déjà des caractéristiques mécaniques avantageuses. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, accompagnée des dessins en annexe qui en font partie intégrante et parmi lesquels - la figure 1 décrit un premier exemple de réalisation du procédé conforme à l'invention, - la figure 2 décrit un second exemple de réalisation du procédé conforme à l'invention, - la figure 3 décrit un troisième exemple de réalisation du procédé conforme à l'invention, - la figure 4 décrit un quatrième exemple de réalisation du procédé conforme à l'invention. Selon l'exemple de réalisation représenté à la figure 1, I'installation conforme à l'invention est constituée, par exemple, d'un système d'alimentation de la matière brute 1, d'un broyeur 2 et d'un système de stockage 3 et chargement de camion 5. Le broyeur 2 est, par exemple, un broyeur vibrant à cône du type décrit dans les documents FR-2.702.970 et FR-2.735.402 au nom du demandeur. Le système de stockage et chargement de camion peut aussi être remplacé par tout autre système tel que dispositif de mise en tas au sol, d'ensachage ou autres. Par ailleurs, le broyeur 2 peut aussi alimenter directement un dispositif aval assurant le malaxage éventuel avec un liant et/ou la mise en oeuvre du mélange. Pour certaines applications, l'installation peut être conçue mobile, en remorque ou auto-motrice, par exemple par assemblage sur un châssis routier ou ferroviaire. Une telle installation peut être utilisée, notamment pour la production de matériau de voirie de granulométrie pouvant être un 0-30 mm. Comme représenté aux figures 2 à 4, selon une variante de réalisation, le produit brut est préalablement divisé en différentes fractions granulométriques, de sorte que, comme précédemment évoqué, certaines des fractions les plus grossières évitent, grâce à un bipasse, en tout ou partie l'étape de broyage et sont mélangées avec la matière broyée afin de compléter la teneur en grains grossiers nécessaires à satisfaire à la distribution granulométrique requise. Plus précisément, I'installation dont le schéma est représenté à la figure 2 peut être envisagée par exemple pour la fabrication de certains bétons hydrauliques. Une telle installation comprend, entre le système d'alimentation 1 et le broyeur 2, notamment, un crible 4 à deux toiles ou grilles qui vont permettre de ponctionner deux fractions grossières G1 et G2 dans la matière brute. Ces fractions grossières peuvent être par exemple un 5-20 mm et un 20 40 mm respectivement. Elles sont stockées dans les silos ou trémies 6 et 7. Un dispositif de surverse sur un ou plusieurs de ses silos ou trémies 6 et 7, suivis d'un convoyeur 8, par exemple à bande, permettent de retourner l'excédent de ses fractions vers l'entrée du broyeur 2 avec la matière brute M passante à la dernière maille du crible. Le broyeur 2 est ici, par exemple, un broyeur à anneau du type décrit dans les documents FR-90/14.004 et FR-2.679.792. La matière F fragmentée, notamment en 0-10 mm, est reprise par un système de manutention 3, tel un élévateur à godets, pour être stockée dans un silo 5. Un système d'extraction et de dosage 9, constitué ici pour l'exemple d'un extracteur vibrant, sous chaque silo ou trémie 5-7, permet de contrôler le débit de produits fragmentés extraits, et celui des ajouts correspondants des deux fractions grossières devant compléter le produit fragmenté pour satisfaire au fuseau granulométrique requis. Selon la variante illustrée à la figure 3, le mélange de grains obtenu après broyage pourra aussi être appliqué, notamment, à la préparation du coke pour la fabrication des anodes utilisées dans la production de l'aluminium par électrolyse. Outre l'utilisation d'un élévateur à godets 10 au lieu d'un convoyeur à bande pour l'alimentation de la matière brute, il ne diffère du schéma de la figure 2 que par le renvoi de la totalité de la fraction la plus grossière G2 à l'entrée du broyeur 2 avec suppression du silo correspondant et par l'utilisation d'un broyeur vibrant à cône décrit ci-dessus en référence à la figure 1. Par ailleurs, le système de dosage 9 représenté sous les silos 5 et 6 est pondéral, du type à perte en poids, tel que couramment utilisé dans les installations conventionnelles. Pour cette application, la granulométrie typique des divers flux de matière sont de l'ordre de 0-30 mm pour le coke brut, 15-30 mm pour la fraction G2, 5-15 mm pour la fraction G1 et 0-15 mm contenant une faible quantité supérieure à 5 mm pour la matière fragmentée F. La figure 4 illustre une alternative simplifiée de l'exemple précédent basé sur un simple dosage volumétrique des fractions F et G1, lorsque la précision du système pondéral n'est pas requise. En ce cas, le stockage intermédiaire en silo n'est plus nécessaire et le débit volumétrique de la fraction GI est régulé comme une proportion du débit total mesuré sur la bascule Il du convoyeur de reprise 12, en agissant sur le système d'extraction du doseur à surverse 13. Ce dernier peut être, comme représenté, un doseur par extracteur vibrant à fréquence variable. Les paramètres d'opérations du broyeur 2 sont alors régulés pour assurer le contrôle en ligne du débit total sur la bascule 11. Naturellement, les installations décrites ci-dessus ne sont données qu'à titre d'exemple non limitatif. D'autres modes de mise en oeuvre et/ou d'autres applications, à la portée de l'homme de l'art, auraient pu être envisagés sans pour autant sortir de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de réduction granulométrique d'un matériau brut en morceaux dans lequel: - on soumet tout ou parite dudit matériau en morceaux à un broyage, apte à permettre l'obtention, à son issue, d'un matériau en grains, d'une distribution granulométrique requise à partir d'une granulométrie quelconque dudit matériau en morceaux, - on dirige en aval ledit matériau en grains exclusivement vers un contenant commun, quelle que soit la taille desdits grains, de manière à obtenir, en un seul passage, dans ledit contenant un mélange de matériau en grains présentant ladite distribution granulométrique, pour une utilisation telle quelle. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on réalise un broyage par écrasement en couche de matière. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le produit brut est préalablement divisé en différentes fractions granulométriques, de sorte que certaines des fractions les plus grossières évitent, grâce à un bipasse, en tout ou partie l'étape de broyage et sont mélangées avec la matière broyée afin de compléter la teneur en grains grossiers nécessaire à satisfaire à la distribution granulométrique requise. 4. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 de réduction granulométrique d'un matériau brut en morceau comprenant au moins des moyens (2) pour soumettre tout ou partie dudit matériau en morceau à un broyage, apte à permettre l'obtention, à son issue, d'une distribution granulométrique requise du matériau en grains à partir d'une granulométrie quelconque du matériau en morceaux, et des moyens (3) pour diriger, en aval lesdits grains exclusivement vers un contenant (5) quelle que soit la taille desdits grains. 5. Installation selon la revendication 4, dans laquelle lesdits moyens (2) pour soumettre ledit matériau en morceaux à un broyage sont constitués par un appareil de fragmentation effectuant un broyage par écrasement en couche de matière. 6. Installation selon la revendication 4 comportant plus en amont de l'appareil de fragmentation (2) un appareil de classification (4), apte à sélecter différentes fractions du produit brut. 7. Installation selon la revendication 6, dans laquelle ledit appareil de classification (4) est un crible. 8. Installation selon la revendication 6, dans laquelle ledit appareil de classification (4) est une grille. 9. Installation selon la revendication 4, prévue mobile par assemblage sur un châssis routier ou ferroviaire. 10. Application du mélange de matériau en grains obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 à la fabrication, après compactage, pressage et/ou tassement par vibration dudit mélange, d'objets présentant des propriétés mécaniques optimisées.