Brevet FR2817173A1 — publié le 20020531

1i 2817173 CORPS BROYANT PRESENTANT DES PORTIONS CONCAVES La présente invention concerne un corps broyant du type sphérique destiné à être utilisé dans un broyeur dit broyeur à boulets. La présente invention concerne plus particulièrement un corps broyant du type sphérique qui peut avantageusement être utilisé dans un broyeur dont la surface interne est formée d'un blindage dit à distribution de charge broyante. La présente invention concerne également un procédé broyant mettant en oeuvre le corps broyant précité. De manière générale, dans un broyeur dit à boulets, le broyage est réalisé par deux actions. La première action est la comminution. Elle correspond à la réduction grossière de la matière première à broyer; elle absorbe de 35% à 40% de l'énergie du broyeur et est réalisée principalement par la chute des boulets sur la matière première à broyer et sur le mélange de matière première à broyer et de boulets restant dans le bas de la virole du broyeur. Environ 1/3 des boulets contenus dans le broyeur sont soulevés et retombent sous l'effet de leur propre poids sur la matière première à broyer et/ou sur les boulets restant dans le secteur inférieur du broyeur. L'énergie dégagée par leur chute permet d'écraser grossièrement la matière première à broyer. Pour une comminution efficace, on met en oeuvre dans un premier compartiment du broyeur ou en tête du broyeur monocompartiment des boulets de plus grands diamètres, par exemple 90 à 60. La seconde action est l'attrition. Elle correspond à une réduction fine de la matière première à broyer. L'attrition est réalisée principalement par les frictions entre les boulets restant au fond du broyeur et qui sont recouverts de particules de matière première à broyer et par les frottements de ces mêmes boulets sur le blindage interne du broyeur. L'attrition absorbe de 60% à 65% de l'énergie nécessaire au broyage de la matière première. 2 2817173 Afin d'augmenter l'efficacité du broyeur, il a déjà été préconisé d'augmenter la surface de contact des corps broyants avec la matière première à broyer. Ainsi, le document FR 2 062 716 décrit un corps broyant qui comporte des portions concaves et convexes. Il est décrit dans ce document que les portions convexes de ce corps broyant vont coopérer avec les portions concaves d'un autre corps broyant du même type en sorte de réduire la matière première à broyer à la manière d'un pilon et d'un mortier. L'usure des parties convexes de ce corps broyant étant supérieure à celle des parties concaves, il est nécessaire selon le document précité d'utiliser pour la formation des parties convexes un matériau présentant une dureté plus importante que celle du matériau utilisé pour la formation des parties concaves. L'utilisation de deux matériaux différents ou le traitement nécessaire pour l'obtention d'une dureté différenciée selon les parties du corps broyant rend nécessairement difficile et coûteuse la fabrication d'un tel corps broyant. Par ailleurs, les risques de coincement du corps broyant précité, soit par des corps broyants cassés ou déformés, soit par des corps étrangers ne sont pas négligeables du fait de la présence des parties concaves et convexes précédemment décrites ce qui peut conduire à une impossibilité de fonctionnement du broyeur. Dans l'exemple préféré décrit et illustré dans le document précité, le corps broyant présente des parties concaves dont la profondeur est de l'ordre de 20 % du rayon de la sphère dans laquelle peut être inscrit le corps broyant. De plus ces parties concaves représentent de l'ordre de 50 % de la surface totale de ladite sphère. Or, le Demandeur a mis en évidence que la présence de telles parties concaves bien qu'augmentant en théorie la surface de contact ou surface active entre les corps broyants et la matière première à broyer provoque la formation d'une couche épaisse de matière première à broyer, venant se loger dans les parties concaves des corps broyants. Cette couche épaisse a un effet amortisseur et donc dissipateur d'énergie, ce qui nuit grandement à l'efficacité de l'action de comminution. De plus, il se produit un tassement, un compactage de cette couche épaisse de matière première à broyer 3 2817173 logée dans les portions concaves des corps broyants, formant ainsi des bouchons de matière compactée, qui restent bloqués dans les portions concaves, ce qui nuit au rendement et aux performances du broyeur. Le but que s'est fixé le Demandeur est de proposer un corps broyant du type sphérique comportant des portions concaves, un broyeur équipé de tels corps broyants et un procédé de broyage mettant en oeuvre de tels corps broyants qui remédient aux inconvénients précités. Ce but est tout d'abord obtenu grâce à un corps broyant qui, de manière connue s'inscrit dans une sphère de rayon R et comporte en périphérie des portions concaves; de manière caractéristique selon l'invention, la profondeur maximale des portions concaves est sensiblement comprise entre 1/12 et 1/18 du rayon R de la sphère. Les portions concaves sont bien sûr disposées sur la périphérie du corps broyant en sorte de ne pas modifier son centre de gravité. Le Demandeur a constaté qu'une faible profondeur des portions concaves permet d'une part d'obtenir une usure uniforme du corps broyant de l'invention sans nécessiter une dureté différenciée entre les parties convexes et concaves et d'autre part d'obtenir une couche mince de matière première à broyer au niveau des portions concaves permettant d'améliorer les performances du broyeur dans l'action d'attrition sans générer d'inconvénient dans l'action de comminution. Ces portions concaves étant de faible profondeur, elles ne risquent pas d'être comblées par de la matière fine compactée et permettent ainsi dans tous les cas le relevage d'une partie de la matière première. En effet, les portions concaves se remplissent de matière première fine qui lors du relevage des corps broyants est entraînée et retombe avec eux, conduisant ainsi à une meilleure homogénéisation de la matière première à broyer. De plus grâce au système de ventilation interne du broyeur, les fines ainsi relevées sont évacuées, ce qui permet de maintenir, dans le broyeur, une quantité et une granulométrie de la matière première à broyer optimales. Avantageusement, selon l'invention, s'agissant de portions concaves en calottes sphériques la surface totale desdites portions 4 2817173 concaves est comprise entre 5 et 25 % de la surface totale de la sphère. Ainsi, selon l'invention la surface active totale, c'est-à-dire de l'ensemble des corps broyants utilisés dans le broyeur, est augmentée mais sans engendrer les inconvénients liés à l'utilisation des corps broyants de l'art antérieur. Dans un broyeur à corps broyants sphériques, classiquement on utilise des lots de corps broyants de diamètres différents, par exemple de à 60 mm pour le premier compartiment ou le premier secteur qui privilégie l'action de comminution et de 50 à 17mm pour le second compartiment ou le second secteur du broyeur qui privilégie l'action d'attrition, soit globalement un gammage de 90 à 17 mm. On constate qu'avec la mise en oeuvre de corps broyants selon l'invention, on a un excellent rendement du broyeur avec un gammage beaucoup plus réduit, de préférence de 90mm à 60 mm voire même de 70 mm à 60 mm. De préférence, le corps broyant de l'invention comporte un nombre impair de portions concaves supérieur ou égal à trois et inférieur ou égal à sept. Ce petit nombre de portions concaves de faible profondeur n'empêche pas la capacité de roulement du corps broyant. La forme des portions concaves n'est pas obligatoirement sphérique. Ainsi, les portions concaves peuvent former des chemins de roulement. Selon un mode préféré de réalisation, les portions concaves étant de forme sphérique, elles sont définies par l'intersection de la sphère de rayon R dans laquelle s'inscrit le corps broyant avec une sphère ayant un rayon R' légèrement supérieur à R. Cette disposition particulière permet d'obtenir avec certitude l'encastrement de portions sphériques (de rayon R) d'un corps broyant dans les portions concaves (de rayon R') d'un corps broyant de l'invention notamment dans l'action d'attrition, quelles que soient les variations de diamètre dues aux problèmes de tolérance lors de la fabrication des corps broyants. Une difficulté relevée dans les corps broyants du document FR 2 062 716 peut résider dans les risques importants d'éclats provoqués au niveau des arêtes bordant les portions concaves. Selon l'invention, les 2817173 bords des portions concaves sont courbes et la zone de jonction de la surface des portions concaves avec la sphère présente un rayon de raccordement r d'environ 5mm. Dans une première variante de réalisation, le corps broyant d'un diamètre sensiblement égal à 90 mm, comporte trois portions concaves de profondeur maximale comprise entre 2,5 et 3,5 mm. Selon une seconde variante, le corps broyant a un diamètre compris entre 50mm et 60 mm, de préférence égal à 50mm ou à 60mm, et comporte trois portions concaves de profondeur maximale comprise entre 2mm et 3mm. La présente invention propose également un procédé de broyage selon lequel, de manière caractéristique la matière première est introduite dans un broyeur dans lequel est contenue une multiplicité de corps broyants tels que précédemment définis et selon lequel on fait passer dans le broyeur un flux de fluide de ventilation ayant une vitesse comprise entre 2,5 m/s et 5 m/s. En effet, le Demandeur a également mis en évidence que l'utilisation des corps broyants de l'invention nécessite une ventilation plus forte afin d'éviter tout engorgement du broyeur et/ou toute diminution de débit. La mise en oeuvre d'une ventilation telle que précitée permet d'extraire du broyeur les particules les plus fines dès leur formation et/ou lors de leur relevage et de ce fait de maintenir une quantité et une granulométrie de la matière première à broyer optimales à l'intérieur du broyeur. De préférence, le broyeur mis en oeuvre dans le procédé de I'invention présente un blindage à distribution de charge permettant de mettre à profit la propriété des corps broyants de l'invention de pouvoir être partiellement classés selon leur taille. Ceci permet d'adapter la surface active de la multiplicité de corps broyants (encore appelée masse broyante) à la granulométrie de la matière première à broyer. Selon une première variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention, la matière première à broyer contient de 0 à 6% en masse d'eau. 6 2817173 Selon une seconde variante de mise en oeuvre, la matière première à broyer contient 25% ou plus en masse d'eau. La présente invention concerne également un broyeur équipé d'une charge broyante qui comprend un mélange de corps broyants sphériques connus et de corps broyants à portions concaves selon l'invention. De préférence le mélange comprend de 25 à 50 % de corps broyants de l'invention. La présente invention sera mieux comprise et ses caractéristiques et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit et fait référence aux dessins annexés représentant un mode de réalisation préféré d'un corps broyant de la présente invention présenté à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels: - la figure 1 représente une vue générale d'un mode de réalisation préféré d'un corps broyant de la présente invention; - les figures 2 à 5 représentent un exemple de disposition des cavités du mode de réalisation représenté sur la figure 1; - la figure 6 représente plus en détails une portion concave du corps broyant de la figure 1; et - la figure 7 représente une vue partielle d'une seconde variante de réalisation du corps broyant de l'invention En référence à la figure 1, le corps broyant 1 de l'invention s'inscrit dans une sphère S de rayon R. Des portions concaves 2 sont formées à la périphérie du corps broyant selon une disposition qui ne modifie pas le centre de gravité de la sphère S. Les portions concaves 2 peuvent être définies comme l'intersection de la sphère S avec une sphère S' présentant un rayon R' qui peut en théorie être égal à R (visible sur la figure 3), mais qui en pratique est prévu, lors de la fabrication pour être légèrement supérieur au rayon R en sorte de permettre, lors du fonctionnement du broyeur, d'obtenir avec certitude l'encastrement d'une portion courbe convexe d'un premier corps broyant dans la portion concave 2 d'un second corps broyant. Par exemple, le rayon R' de la sphère S' est prévu d'être égal à R plus 1 mm. Dans le premier exemple 7 2817173 de la figure 1, les portions concaves 2 présentent donc un bord 2a circulaire. Dans l'exemple représenté et en référence aux figures 2 à 5, le corps broyant 1 présente trois portions concaves 2 dont la position peut être définie en fonction des trois méridiens M1, M2 et M3, décalés l'un par rapport à l'autre d'un angle at de 120 et visibles sur la figure 2. En référence à la figure 3, le fond 2b de la première portion concave 2 est situé sur un rayon de la sphère S situé dans le plan du premier méridien M1 et formant un angle ó de 45 avec l'axe central commun B-B aux trois méridiens. De la même manière, en référence aux figures 4 et 5, les fonds 2b respectivement de la seconde et de la troisième portion concave 2 sont situés respectivement sur des rayons situés dans les plans du second et du troisième méridien M2 et M3 et forment un angle respectivement 6 et y de respectivement 90 et de 135 avec l'axe central B-B. Le fond 2b de chacune des portions concaves 2 est défini comme le point de rayon minimum par rapport au centre de la sphère S. En référence à la figure 6, la profondeur maximale h des portions concaves 2 est mesurée comme étant la distance séparant le fond 2b de la portion concave 2 avec une droite D reliant deux points 3 et 4 diamétralement opposés du bord 2a de la portion concave 2. Au niveau du bord 2a, la zone de jonction 5 de la surface définissant la portion concave 2 avec la surface de la sphère S est arrondie et présente un rayon de courbure r de l'ordre de mm. Dans un premier exemple, un broyeur est équipé d'une masse broyante comportant une multiplicité de corps broyants selon l'invention ayant un rayon maximum RM de 45mm et un rayon minimum Rm de 30mm. Les portions concaves de chaque corps broyant sont définies par l'intersection de la sphère dans laquelle est inscrite ledit corps broyant avec une sphère S' de rayon égal à 46mm. Ainsi, quel que soit le rayon du corps broyant la sphère S' présente un rayon de 46mm c'est-à- dire sensiblement supérieur au rayon maximum RM. La profondeur maximale des portions concaves est de 3,5mm pour un corps broyant présentant un rayon de mm, de 3mm pour un corps broyant présentant un rayon de 40mm, de 2,5 8 2817173 mm pour un corps broyant présentant un rayon de 35mm et de 2mm pour un corps broyant présentant un rayon de 30mm la tolérance pour toutes ces dimensions étant de 0,5mm. Dans un deuxième exemple, les corps broyants présentent soit un rayon de 30mm soit un rayon de 35mm. Dans ce cas, les portions concaves sont définies quel que soit le rayon du corps broyant comme l'intersection de la sphère S délimitant le corps broyant avec une sphère S' de rayon égal à 36mm. La profondeur maximale des portions concaves est dans ce cas de 3, 5 mm pour un corps broyant présentant un rayon de 35mm et de 3mm pour un corps broyant présentant un rayon de 30mm; la tolérance pour toutes ces dimensions étant de 0,5mm. Pour les deux exemples d'ensembles précités, les autres caractéristiques des corps broyants à savoir le rayon de courbure des bords 2a des portions concaves et la disposition de ces dernières sont telles que définies en référence aux figures 1 et 2. Le choix de telles proportions pour les portions concaves 2 permet d'obtenir un roulement de corps broyants sphériques standards à l'intérieur des portions concaves des corps broyants de l'invention et un roulement des corps broyants de l'invention à l'intérieur des portions concaves d'autres corps broyants de l'invention ceci quel que soit leur rayon respectif. En référence à la figure 7, selon une seconde variante de réalisation, les portions concaves forment des chemins de roulement allongés 2 qui recouvrent chacun sensiblement une demi-sphère. La section transversale de ces chemins de roulement est définie comme une calotte sphérique. La profondeur maximale de ces chemins de roulement 2 est de l'ordre de 1/15 du rayon R. Par exemple cette profondeur est de l'ordre de 2mm pour un corps broyant s'inscrivant dans une sphère S de rayon 30mm. De même, le bord 2a délimitant ces chemins de roulement est arrondi comme précédemment décrit. La forme et notamment la largeur des chemins de courbure est choisie en sorte d'obtenir l'effet de couche mince entre deux boulets, c'est-à-dire qu'un boulet adjacent peut coopérer avec les chemins de roulements 2 en sorte de contribuer à l'attrition de la matière première à broyer. La largeur du chemin de roulement (corde) est fonction de la flèche 9 2817173 de ce dernier. Par exemple, pour une flèche de 3mm, la corde est égale à 32,25mm. La disposition des chemins de roulement 2 sera en sorte de ne pas modifier le centre de gravité de la sphère S. Ces chemins de roulement peuvent par exemple être disposés comme précédemment décrit en référence à la figure 2, par rapport aux méridiens M1, M2 et M3 de la sphère S. Le fond des portions concaves dans le cas des chemins de roulement 2 n'est plus limité à un point mais à une ligne courbe 2c ce qui permet lors d'une coopération avec un autre corps broyant adjacent de broyer finement la matière première sur une plus grande surface que dans le cas de portions concaves circulaires. Le corps broyant de l'invention peut également comporter les deux types précités de portions concaves. 1 0 2817173 REVENDICATIONS 1. Corps broyant du type sphérique s'inscrivant dans une sphère (S) de rayon R et comportant des portions concaves (2), disposées en sorte de ne pas modifier le centre de gravité de ladite sphère, caractérisé en ce que la profondeur maximale (h) desdites portions concaves (2) est sensiblement comprise entre 1/12 et 1/18 dudit rayon R de ladite sphère (S). 2. Corps broyant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface totale desdites portions concaves (2) est comprise entre 5% et 25 % de la surface totale de ladite sphère. 3. Corps broyant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre impair de portions concaves (2) supérieur ou égal à trois et de préférence inférieur ou égal à sept. 4. Corps broyant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites portions concaves (2) forment des chemins de roulement 5. Corps broyant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites portions concaves (2) sont définies par I'intersection de ladite sphère (S) avec une sphère (S') ayant un rayon (R') sensiblement supérieur au rayon (R) de ladite sphère (S). 6. Corps broyant selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les bords (2a) desdites portions concaves sont courbes, la zone de jonction de la surface desdites portions concaves (2) avec la sphère S présentant un rayon de courbure (r) d'environ 5mm. 7. Corps broyant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite sphère (S) présente un diamètre sensiblement égal à 90 mm, la profondeur maximale desdites portions concaves étant supérieure ou égale à 2,5 mm et inférieure ou égale à 3,5 mm. 8. Corps broyant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite sphère (S) présente un diamètre l 2817173 sensiblement égal à 60 mm, la profondeur maximale desdites cavités étant supérieure ou égale à 2mm et inférieure ou égale à 3 mm. 9. Corps broyant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte trois portions concaves (2) dont les fonds (2b) sont disposés sur un rayon de la sphère (S) situé respectivement dans le plan d'un premier, d'un second et d'un troisième méridien (M1, M2, M3) définis par rapport à l'axe central (B-B), ledit premier méridien (M1) formant un angle (3) de 45 avec ledit axe central (B-B), lesdits second et troisième méridiens (M2; M3) formant un angle de respectivement (6; y) de 90 et de 135 avec ledit axe central (B-B) 10. Procédé de broyage d'une matière première, caractérisé en ce que ladite matière première est introduite dans un broyeur contenant une multiplicité de corps broyants tels que définis dans l'une quelconque des revendications 1 à 9, et en ce que l'on fait passer dans ledit broyeur un flux de fluide de ventilation ayant une vitesse comprise entre 2,5 m/s et m/s. 11. Broyeur à boulets garni d'une masse broyante comportant des corps broyants sphériques et des corps broyants sphériques à portions concaves selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 12. Broyeur selon la revendication 1 1 garni de corps broyants de diamètres différents, caractérisé en ce que les portions concaves (2) des corps broyants à portions concaves sont définies par l'intersection de la sphère (S) de rayon R de chacun de ces dits corps broyants avec une sphère (S') ayant un rayon (R') sensiblement supérieur au rayon (RM) des corps broyants de plus grand diamètre. 13. Broyeur selon la revendications 12, caractérisé en ce que le rayon des corps broyants de plus grand diamètre (RM) est de 45mm, le rayon des corps broyants de plus petit diamètre (Rm) étant de 30mm. 14. Ensemble de corps broyants selon la revendication 12, caractérisé en ce que le rayon des corps broyants de plus grand diamètre (RM) est de 35mm, le rayon des corps broyants de plus petit diamètre (Rm) étant de 30mm.