Brevet FR2819737A1 — publié le 20020726

APPAREIL POUR LE BROYAGE D'UN MATERIAU Domaine Technique La présente invention concerne un appareil pour le broyage d'un matériau tel que roche, minerai, charbon, pierre et analogue. On obtient ainsi un matériau de dimension réduite qui peut être stocké ou à nouveau traité. L'appareil de broyage de matériau s'applique en particulier au broyage de roche et de minerai dans des applications minières. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à de telles applications et elle est utilisable pour le broyage de divers matériaux du type indiqué ci-dessus, pour différentes applications. Arrière-Plan Le broyage à rouleaux lisses est une technique d'utilisation d'un appareil qui comprend deux rouleaux opposés entre lesquels est défini un intervalle de broyage du matériau. Chaque rouleau a une section transversale circulaire et s'étend longitudinalement pour former un cylindre. La surface de broyage cylindrique de chaque rouleau est habituellement lisse, mais on peut également appliquer des cordons de matière soudée à la surface de broyage. En fonctionnement, une source d'énergie extérieure entraîne chaque rouleau en sens inverse, c'est-à-dire qu'un rouleau tourne dans le sens des aiguilles d'une montre et que l'autre rouleau tourne en sens inverse, et les gros morceaux du matériau à broyer sont amenés au pincement conduisant à l'intervalle entre les deux rouleaux. La rotation des rouleaux applique des pressions élevées aux gros morceaux de matériau en contact avec les surfaces de broyage, de sorte que le matériau est soumis à des contraintes internes et se fragmente. Seuls les fragments qui ont une dimension plus petite que l'intervalle défini entre les rouleaux traversent cet intervalle, ce qui permet d'obtenir le matériau de dimension désirée. On utilise habituellement le broyage à rouleaux lisses lorsqu'on désire un matériau de dimension fine car il n'est pas habituellement facile de traiter des morceaux de matériau de grosse dimension. Plus précisément, le broyage à rouleaux lisses nécessite généralement des rouleaux très massifs fonctionnant à des vitesses élevées, pour traiter les morceaux de matériau brut de grande dimension. Habituellement, on peut obtenir une réduction de dimension du matériau d'environ 3 : 1 seulement. On rencontre un problème en ce que, pour une plus grande dimension du matériau d'entrée, une forte augmentation de diamètre des rouleaux est nécessaire, ce qui entraîne une augmentation correspondante de la masse des rouleaux et du couple nécessaires. La description de l'arrière-plan de l'invention est incluse pour expliquer le contexte de l'invention. Cela ne doit pas être considéré comme une reconnaissance de ce qu'une partie quelconque de cette description a été publiée, connue ou fait partie de la connaissance générale commune dans ce domaine en Australie à la date de priorité de la présente demande. Description de l'invention La présente invention procure un appareil pour le broyage de matériaux, comprenant : deux rouleaux qui sont montés en parallèle pour définir un intervalle entre eux, de sorte que les surfaces des rouleaux définissent un pincement conduisant à l'intervalle, les rouleaux pouvant tourner en sens inverse pour broyer le matériau dans le pincement ; dans lequel les deux rouleaux sont semblables et présentent un gradin longitudinal constitué par une face s'étendant vers l'extérieur, chaque rouleau présentant une surface courbe lisse entre l'extrémité extérieure de la face et l'extrémité intérieure de la face, et dans lequel les rouleaux sont placés de sorte que, lors de la rotation en sens inverse à la même vitesse, l'intervalle entre les rouleaux reste sensiblement constant et se déplace transversalement en va-et-vient en position entre des limites définies lorsque l'extrémité extérieure de la face du gradin sur un rouleau se trouve en regard de l'extrémité intérieure de la face du gradin sur le rouleau opposé. On a trouvé qu'un appareil de broyage de matériau conforme à la présente invention peut broyer des gros morceaux de matériau dur au moyen de rouleaux de plus petit diamètre, d'un équipement plus léger et à des vitesses plus faibles que des rouleaux lisses connus. Il en résulte que l'équipement est moins coûteux, plus léger et d'une dimension qui est plus facile à manipuler et à installer. En outre, pour une dimension donnée du matériau d'alimentation, l'invention procure un plus grand rapport de réduction de la dimension du matériau broyé, comparativement aux rouleaux lisses de l'art antérieur de même dimension. De préférence, chaque rouleau comporte au moins deux gradins, chaque rouleau présentant des segments de surface à courbure lisse qui s'étendent de l'extrémité extérieure de la face d'un gradin à l'extrémité intérieure de la face d'un gradin suivant. Ainsi, chaque rouleau peut avoir un seul gradin, bien que de préférence chaque rouleau comporte au moins deux gradins dans ses surfaces de broyage. Idéalement, chaque rouleau comporte quatre gradins, bien que tout autre nombre de gradins soit possible en fonction des exigences et limitations de fonctionnement. De préférence, chaque gradin s'étend longitudinalement sur toute la longueur d'un rouleau. De préférence, chaque rouleau comporte des gradins sensiblement équidistants sur la périphérie. De préférence, chaque segment de surface à courbure lisse est défini, dans une section transversale des rouleaux, par un arc de rayon constant dont le centre de courbure est décalé du centre du rouleau. De préférence, tous les rayons de ces arcs sont de même grandeur et tous les centres des arcs sont décalés d'une même quantité par rapport au centre du rouleau et ils sont radialement espacés de façon égale. Dans au moins un mode de réalisation de la présente invention, la face du ou de chaque gradin est alignée le long d'un rayon du rouleau et par conséquent les extrémités intérieure et extérieure de la face ou de chaque face sont également alignées le long du même rayon. En variante, la face s'étendant vers l'extérieur d'un gradin peut être sensiblement perpendiculaire aux segments de surface adjacents, de sorte que les extrémités intérieure et extérieure d'une face d'un gradin peuvent ne pas être exactement alignées le long d'un rayon du rouleau Sinon, l'invention englobe d'autres angles de la face d'un gradin par rapport aux segments de surface adjacents, pourvu qu'un gradin soit ainsi formé. Chaque rouleau de l'invention peut comprendre un noyau sensiblement cylindrique sur lequel sont montés des segments de coquille qui définissent le ou les gradins longitudinaux et les segments de surface à courbure lisse entre ces gradins. De préférence, chaque segment de coquille présente chaque segment de surface, et un gradin est défini par des segments de coquille adjacents. Pour le montage de ces segments de coquille sur un noyau, chaque segment de coquille peut comporter une saillie et chaque noyau peut comporter des évidements de forme complémentaire, de sorte qu'on peut monter un segment de coquille sur le noyau par introduction coulissante de la saillie dans un évidement de forme complémentaire, dans la direction longitudinale du noyau, chaque ensemble de saillie/évidement étant configuré pour empêcher un mouvement d'un segment de coquille dans la direction radiale du noyau. De préférence, on prévoit au moins deux saillies pour chaque segment de coquille. Dans l'appareil de l'invention, au moins un des rouleaux peut être rappelé élastiquement vers l'autre rouleau de sorte que, lorsque des forces excessives sont engendrées dans le pincement, le dit un rouleau est déplaçable, contre la force de rappel, de manière à s'éloigner de l'autre rouleau. Pour une meilleure compréhension de la présente invention et pour illustrer sa mise en oeuvre, on décrit maintenant des modes de réalisation de l'invention à titre d'exemple non limitatif seulement, avec référence aux dessins annexés. Brève Description des Dessins La figure 1 est une vue de côté schématique d'un appareil de broyage de matériau conforme à un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe d'un rouleau de l'appareil de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe des deux rouleaux parallèles de l'appareil de la figure 1. La figure 4 représente un agencement de deux segments de coquille pour montage sur un noyau de rouleau, dans un autre mode de réalisation de la présente invention. La figure 5 est une vue en coupe de deux rouleaux parallèles dans un autre mode de réalisation de l'invention, comportant des segments de coquille comme représenté sur la figure 4. Description des Modes Préférés de Réalisation Un appareil de broyage 10 (voir la figure 1) comprend deux rouleaux 16A, 16B qui sont montés en parallèle pour définir entre eux un intervalle 18. Les surfaces des rouleaux, par exemple 31A, 31B respectivement, définissent un pincement 14 qui conduit à l'intervalle 18. Les gros morceaux de matériau 11, par exemple un minerai à broyer, sont distribués par l'intermédiaire d'un premier convoyeur 12 à partir d'une alimentation, par exemple une trémie (non représentée), et tombent dans le pincement 14 au-dessus des rouleaux 16A et 16B. Les arbres 15A et 15B respectivement des rouleaux 16A et 16B sont entraînés par des moyens 17 (illustrés seulement schématiquement et qui peuvent comprendre un moteur électrique et un réducteur à engrenages) en rotation en sens inverse, pour broyer le matériau 11 en fragments plus petits 20. Seuls les fragments 20 qui sont assez petits pour traverser l'intervalle 18 tombent sur un deuxième convoyeur 22 et sont transportés vers un stockage ou un autre traitement. Le rouleau 16B peut être rappelé élastiquement par des moyens 19, tels qu'un piston chargé par un ressort agissant sur l'arbre 15B, vers le rouleau 16A de sorte que les forces excessives engendrées dans le pincement 14 ont pour effet d'éloigner le rouleau 16B du rouleau 16A, contre l'action de rappel, ce qui réduit les forces dans le pincement 14. En variante, on peut associer des capteurs aux rouleaux 16A, 16B pour détecter un ralentissement prédéterminé des rouleaux, et dans ce cas l'appareil de broyage 10 s'arrête automatiquement. Des niveaux supplémentaires de protection peuvent également être inclus dans l'appareil de broyage 10, par exemple, deuxièmement, des contacts à déclenchement mécanique associés à des coupleurs à fluide des moyens d'entraînement 17 qui répondent à l'échauffement excessif du fluide dans les coupleurs. Troisièmement, ces coupleurs à fluide comprennent des bouchons fusibles dans les carters de coupleur, qui fondent en cas d'échauffement excessif, ce qui permet la purge du fluide et la perte de l'entraînement. Un quatrième niveau de protection peut être de prévoir des dispositifs de coupure thermique associés au moteur électrique. Les rouleaux 16A et 16B sont semblables et on décrit maintenant un des rouleaux avec référence à la figure 2 mais les indices A ou B étant omis dans les repères. La figure 2 est une vue en coupe d'un rouleau 16. Le rouleau 16 comporte quatre gradins constitués par des faces 30, 32,34 et 36 qui s'étendent vers l'extérieur du rouleau 16 (il faut noter que, sur toutes les figures, la dimension des gradins est exagérée par rapport au diamètre du rouleau). Les gradins sont également espacés autour de la périphérie du rouleau 16 et ils s'étendent sur toute la longueur du rouleau 16. Entre gradins successifs, il y a des segments de surface convexes 31,33, 35 et 37 dont chacun s'étend de l'extrémité intérieure 38 de la face 30 d'un gradin à une extrémité extérieure 39 de la face 32 du gradin suivant (le gradin 32"suit"le gradin 30 lorsque le rouleau 16 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre). Chaque segment de surface 31,33, 35,37 a le même profil circonférentiel (c'est-à-dire la même longueur d'arc et la même attitude) et le même rayon par rapport au point central correspondant de chaque segment de surface, de sorte que le rayon R du segment de surface 31 est centré sur un point central 41, le rayon R du segment de surface 33 est centré sur un point 43, le rayon R du segment de surface 35 est centré sur un point 45 et le rayon R du segment de surface 37 est centré sur un point 47. Les centres 41,43, 45 et 47 sont espacés de façon égale du centre 40 du rouleau 16. Plus la distance de chaque centre 41,43, 45 et 47 au centre 40 est grande, plus la hauteur de chaque gradin comme défini par les faces 30,32, 34 et 36 est grande. Il est entendu que les gradins constitués par les faces 30, 32,34 et 36 ne s'étendent pas nécessairement sur toute la longueur du rouleau 16 et également qu'on peut prévoir un seul gradin au lieu de quatre et, dans ce cas, il y a une surface de courbure lisse qui s'étend de l'extrémité intérieure 38 de la face du gradin à son extrémité extérieure 39. La figure 3 est une vue en bout et en coupe des deux rouleaux 16A et 16B de l'appareil de la figure 1 en position. Chaque rouleau est aligné de sorte que les faces 30A, 32A, 34A, 36A des gradins du rouleau 16A s'alignent avec les faces correspondantes respectives 30B, 32B, 34B, 36B des gradins du rouleau 16B, lorsque les faces correspondantes respectives tournent à l'endroit de l'intervalle 18. Dans cet exemple, le rouleau 16A est entraîné en rotation par un dispositif 17 (voir la figure 1) dans une direction 48 (dans le sens des aiguilles d'une montre) autour d'un axe passant par son centre 40A, et le rouleau 16B est mis en rotation dans une direction 49 (en sens inverse des aiguilles d'une montre) autour d'un axe passant par son centre 40B. Puisque les rouleaux 16A et 16B tournent en sens inverse à la même vitesse, les faces 30A et 30B s'approchent l'une de l'autre et les segments de surface opposés 37A et 37B (comme représenté sur la figure 3) sont tels que l'intervalle 18 rèste en fait de dimension constante mais se déplace transversalement dans la direction 50, du rouleau 16A vers le rouleau 168. Les gros morceaux de matériau 11 qui tombent dans le pincement 14 sont attaqués par les segments de surface 37A et 37B qui exercent une pression pour broyer le matériau 11 et le fragmenter. Lorsque les gradins de la face 30A et de la face correspondante 30B tournent de manière à être sensiblement en regard les uns des autres (c'est-à-dire juste avant que les gradins soient directement en opposition mutuelle), l'intervalle 18 est à sa position extrême vers le rouleau 16B. Un moment après que les gradins des faces 30A et 30B aient franchi la position d'opposition mutuelle directe, l'intervalle 18 revient à sa position extrême vers le rouleau 16A. Ensuite, lorsque les gradins suivants de la face 32A et de la face correspondante 32B s'approchent les uns des autres, l'intervalle 18 se déplace à nouveau dans la direction 50 vers sa position extrême vers le rouleau 16B puis revient brusquement à sa position extrême vers le rouleau 16A lorsque les gradins des faces 32A et 32B tournent au-delà de leur position en opposition directe. Cela se poursuit de sorte que l'intervalle 18 se déplace en fait alternativement dans la direction transversale entre deux positions extrêmes, et les gros morceaux de matériau 11 sont en contact constant avec, successivement, les surfaces opposées 31A et 31B, 33A et 33B, 35A et 35B, et 37A et 37B, pour un broyage dans le pincement 14 défini par ces surfaces. Les limites pour la position de l'intervalle 18 sont définies par l'extrémité extérieure 39 d'une face d'un gradin 30A sur le rouleau 16A, lorsque cette extrémité se trouve en regard de l'extrémité intérieure de la face du gradin 30B sur le rouleau 16B, au moment où les gradins franchissent leur position d'opposition mutuelle directe. On considère que ce mouvement de l'intervalle 18, c'est-à-dire son mouvement dans une direction latérale avec inversion brusque à sa position extrême dans la direction opposée, puis à nouveau un mouvement dans la dite une direction latérale, en combinaison avec la configuration "à gradins" des rouleaux qui engendre ce mouvement, contribue notablement à accroître le rapport de réduction dans le broyage de matériau selon la présente invention. La figure 4 est une vue de côté de deux segments de coquille 60 utilisables dans un autre mode de réalisation de l'invention. Chaque segment de coquille 60 a une surface de roulement 62, des faces d'extrémité 64 et 66, et une surface intérieure cylindriquement concave 76 à partir de laquelle s'étendent deux saillies 68. La surface de roulement convexe 62 est un arc lisse et elle correspond à un segment de surface 31, 33,35 ou 37 sur un rouleau 16 comme représenté sur la figure 2. Lorsque deux segments de coquille 60 sont montés sur un noyau de rouleau 72 (décrit plus loin avec référence à la figure 5), on les place l'un à côté de l'autre, de sorte que la face d'extrémité 64 d'un segment de coquille 60 est en regard de la face d'extrémité 66 de l'autre segment de coquille 60. La différence de hauteur à l'endroit de cette interface 64-66 définit une face 30 (ou 32,34 ou 36) d'un gradin sur le rouleau 16, comme sur la figure 1. En outre, le bord supérieur de la face d'extrémité 64 correspond à une extrémité intérieure décrite plus haut d'une dite face, et le bord supérieur de la face d'extrémité 66 correspond à une extrémité extérieure déjà décrite 39 sur un rouleau 16 comme sur la figure 2. Les saillies 68 de chaque segment de coquille 60, au moyen desquelles les segments de coquille sont montés sur un noyau de rouleau 72, comprennent des parties opposées évasées vers l'extérieur 70. Chaque noyau de rouleau 72 d'une paire de rouleaux (voir la figure 5) comporte des évidements longitudinaux 74 dans sa surface cylindrique extérieure 73, qui sont de forme complémentaire aux saillies 68 des segments de coquille 60, pour un ajustement glissant des saillies 68 dans les évidements 74 à partir d'une extrémité d'un noyau de rouleau 72. Après montage, la surface concave 67 de chaque segment de coquille 60 est en contact avec la surface cylindrique 73 d'un noyau de rouleau 72, et les parties évasées vers l'extérieur 70 des saillies à l'intérieur des parties complémentaires en retrait des évidements 74 empêchent tout mouvement (en dehors de celui qui résulte des tolérances de fabrication) des segments de coquille 60 radialement vers l'extérieur des noyaux de rouleau 72. Les segments de coquille 60 ont habituellement une largeur de 10cm (ou une largeur appropriée en fonction du diamètre du rouleau) de sorte qu'une pluralité de segments de coquille sont placés côte à côte dans chaque évidement 74 afin de constituer les gradins qui s'étendent sur la longueur d'un rouleau. Les segments de coquille 60 aux extrémités de chaque rouleau sont empêchés de se déplacer dans la direction longitudinale des noyaux de rouleau 72. Dans un mode de réalisation représenté sur la figure 5, on monte quatre segments de coquille 60 sur chaque noyau de rouleau 72, ce qui crée quatre gradins entre lesquels s'étendent des segments de surface (on notera que, sur la figure 5, les intervalles entre les faces d'extrémité en regard 64 et 66 de segments de coquille adjacents 60 sont représentés de façon exagérée). Les saillies 68 et les évidements complémentaires 74 peuvent être configurés autrement que ce qui est illustré sur les figures 4 et 5, pourvu qu'ils remplissent la fonction requise de maintien de l'intégrité des rouleaux ainsi formés pour le broyage de matériaux durs, tels que roche, minerai, charbon, pierres et analogues. Chaque segment de coquille peut également comporter une seule saillie de verrouillage au-lieu de deux, ou éventuellement trois saillies ou plus, si nécessaire, bien que cela soit improbable. Dans des tests au moyen d'un appareil prototype conforme à un mode de réalisation de l'invention, on a obtenu des rapports de réduction de 6 : 1 ou 7 : 1. Par exemple, pour des rouleaux de 600 mm de diamètre ayant une hauteur de gradin de 20 mm, on peut broyer des morceaux de matériau atteignant 150 mm tandis que, pour des rouleaux lisses de même dimension de l'art antérieur, une dimension d'alimentation de 25 mm environ seulement est possible. En outre, un rouleau de 600 mm de diamètre conforme à un mode de réalisation de l'invention peut être mis en rotation au huitième de la vitesse des rouleaux lisses de l'art antérieur pour le matériau de même dimension. Le diamètre plus petit et les vitesses de rotation plus faibles donnent un rouleau qui est moins lourd que les rouleaux de l'art antérieur. Les matériaux qui ont été broyés au moyen de cet appareil pour obtenir des rapports de réduction de 6 : 1 environ comprennent des matériaux tels que charbon, bauxite, blocs d'anode en carbone, nickel, minerai d'or, béton recyclé, briques, granit, dolarite, minerai de fer, calcaire, niobium, clinker et basaltes. L'invention décrite ici peut admettre des variations, des modifications etlou des additions autres que celles qui ont été spécifiquement décrites et il est entendu que l'invention inclut toutes ces variations, modifications et/ou additions qui entrent dans le cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Appareil (10) pour le broyage de matériaux (11), comprenant : deux rouleaux (16A, 16B) qui sont montés en parallèle pour définir entre eux un intervalle (18) de sorte que les surfaces (31A, 31B) des rouleaux définissent un pincement (14) conduisant à l'intervalle, les rouleaux pouvant tourner en sens inverse pour broyer le matériau dans le pincement, dans lequel les rouleaux sont semblables et comportent chacun un gradin longitudinal qui est défini par une face (30) s'étendant vers l'extérieur, chaque rouleau présentant une surface courbe lisse (31) entre l'extrémité extérieure (39) de la face (30) et l'extrémité intérieure (38) de la face (30), et dans lequel les rouleaux sont placés de sorte que, lors d'une rotation en sens inverse à la même vitesse, l'intervalle entre les rouleaux est maintenu sensiblement constant et se déplace transversalement en va-et-vient en position entre des limites définies lorsque l'extrémité extérieure (39) de la face (30) du gradin sur un rouleau (16A) se trouve en regard de l'extrémité intérieure (38) de la face (30) du gradin sur le rouleau opposé (16B). 2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel chaque rouleau (16A, 16B) comporte au moins deux gradins longitudinaux définis par des faces (30,32, 34,36) s'étendant vers l'extérieur, et dans lequel chaque rouleau présente des segments de surface à courbure lisse (31,33, 35,37) qui s'étendent entre l'extrémité extérieure (39) de la face (30) d'un gradin et l'extrémité intérieure (38) de la face (32) d'un gradin suivant, de sorte que l'intervalle (18) reste sensiblement constant lorsqu'il se déplace transversalement en va-et-vient pendant la rotation en sens inverse des rouleaux. 3. Appareil selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le ou chaque gradin s'étend longitudinalement sur toute la longueur des rouleaux (16A, 16B). 4. Appareil selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel les gradins sur chaque rouleau sont sensiblement équidistants sur la périphérie du rouleau. 5. Appareil selon la revendication 2, dans lequel chaque segment de surface (31) est défini, dans une section transversale des rouleaux, par un arc de rayon constant (R) dont le centre de courbure (41) est décalé du centre de rotation (40) d'un rouleau. 6. Appareil selon la revendication 5, dans lequel les rayons des arcs définissant les segments de surface (31,33, 35,37) sont égaux et dans lequel leurs centres de courbure (41, 43,45, 47) sont décalés de façon égale par rapport au centre de rotation (40) d'un rouleau. 7. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la face (30) du ou de chaque gradin s'étend vers l'extérieur le long d'un rayon d'un rouleau 8. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la face (30) du ou de chaque gradin s'étend vers l'extérieur sensiblement perpendiculairement aux parties adjacentes de la surface courbe lisse (31) ou des segments de surface (31,33, 35,37). 9. Appareil selon une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chaque rouleau comprend un noyau sensiblement cylindrique (72) sur lequel sont montés des segments de coquille (60) qui définissent le ou les gradins longitudinaux (30, 32, 34, 36) et la surface ou les segments de surface courbe lisse (62) entre les gradins. 10. Appareil selon la revendication 9, dans lequel il y a au moins deux gradins (30, 32,34, 36) sur chaque rouleau et les segments de coquille (60) constituent les segments de surface (31,33, 35,37) entre les gradins, les segments de coquille adjacents étant dimensionnés de sorte que leurs surfaces d'extrémité en regard (64,66) définissent la face (30) d'un gradin. 11. Appareil selon la revendication 9 ou la revendication 10, dans lequel chaque segment de coquille (60) comporte au moins une saillie (68) pour montage sur les noyaux sensiblement cylindriques (72), les noyaux comportant des évidements longitudinaux (74) pour recevoir les saillies, dans lequel les saillies et les évidements ont des formes complémentaires de sorte que les segments de coquille sont retenus en position dans la direction radiale des noyaux.