Brevet FR2829405A1 — publié le 20030314

Corps de broyage en acier ou fonte à teneur en carbone élevée, et son procédé de fabrication. Domaine technique de l'invention Cette invention se rapporte à une grenaille d'acier coulé, à teneur relativement élevée en carbone que l'on atomise par centrifugation pour la rendre apte au broyage fin et ultrafin dans l'industrie minière et minérale. Etat de la technique Dans l'industrie minière, il est nécessaire de libérer des éléments de valeurs à partir de la roche dans laquelle ils sont incrustés. Un moyen de libération de ces éléments est la fracturation (concassage-broyage), consistant à fragmenter progressivement la roche jusqu'à atteindre la taille de libération des éléments de valeurs. En fonction de cette taille, on parlera de broyage grossier, fin ou ultrafin. Il se peut aussi que les opérations de broyage, notamment au niveau du broyage fin, ne soient pas uniquement dictées par une taille de libération, mais aussi par des contraintes liées aux opérations du procédé aval ou à l'utilisation ultérieure du produit ainsi traité, que ce soit dans l'industrie minière (par exemple la production de boulettes de minerai de fer où le concentré de minerai de fer doit atteindre une taille de l'ordre de 60um avant bouletage), ou dans l'industrie minérale (par exemple l'industrie cimentière). Pour réaliser le broyage fin du minerai, il est connu d'utiliser des corps broyants métalliques dans des broyeurs pour réduire la granulométrie des particules minérales concassées préalablement. Les types de broyeurs utilisant des corps broyants, sont variables mais reposent tous sur le principe d'une mise en mouvement des corps broyants sur le produit à broyer, mise en mouvement qui va chercher à favoriser, parmi les modes de fragmentation possible (impact, attrition) celui qui permettra d'atteindre l'efficacité de fragmentation optimale. L'impact consistera à projeter ou à laisser tomber des corps broyants sur le produit à broyer afin de permettre une cassure en profondeur, l'attrition à faire frotter les corps broyant sur le produit à broyer afin de permettre un scalpage superficiel. L'impact va privilégier des corps broyants de tailles importantes, pour avoir un poids unitaire important. L'attrition va privilégier des corps broyants de petites tailles, pour avoir une surface de contact importante avec le produit à broyer. Il est connu, qu'en dessous d'une certaine taille de fragmentation, propre au produit considéré, le produit ne peut plus être réduit efficacement par impact. En effet les défauts présents dans les particules grossières du produit (fissures, trous,..) sont de moins en moins nombreux au fur et à mesure que les particules sont fragmentées, et le broyage par impact devient de moins en moins efficace. Dans ce cas, on cherchera plus à privilégier l'attrition. C'est ainsi qu'il est admis qu'il existe une correspondance entre la taille de libération visée, et la taille du corps broyant utilisé : plus les corps broyants sont petits en taille, plus la surface de contact avec les produits à broyer est grande, et plus l'efficacité de broyage en attrition est élevée. En dehors de l'efficacité de broyage proprement dite, qui peut se résumer à l'énergie dépensée pour atteindre la taille de broyage voulue ou à la vitesse de fragmentation obtenue, un autre élément intervient dans la performance des opérations de broyage impliquant l'utilisation de corps broyants : l'usure de ces derniers. Les corps broyants sont généralement conformés selon des boulets, des cônes tronqués, ou des cylindres. Les matériaux utilisés pour les corps broyants sont soit des aciers bon marché à faible résistance mécanique, soit des fontes fortement alliées et très coûteuses ou faiblement alliées et peu résistantes à l'usure. Ces matériaux peuvent être répertoriés de la manière suivante : - des aciers faiblement alliés de structure martensitique (0, 7%-1% de carbone, alliages inférieurs à 1 %), fabriqués à partir de laminage ou forgeage suivi de traitements thermiques pour obtenir une dureté de surface de l'ordre de 60-65 HRC ; - des fontes alliées au chrome de structure martensitique (1,7%-3, 5% de carbone, 9%- 30% de chrome), fabriquées par moulage et traitement thermique pour obtenir une dureté de 60-68 HRC sur toutes les sections ; - des fontes blanches faiblement alliées de structure perlitique (3%-4,2% de carbone, alliages inférieurs à 2%), non traitées thermiquement, et ayant une dureté de 45-55 H RC obtenue lors de la coulée. Le document FR 2 405 749 décrit un corps broyant forgé en fonte blanche au chrome, dont la structure est composée d'une solution solide martensitique ou austénitique contenant des carbures secondaires de chrome et des carbures primaires ou eutectiques de chrome du type M7C3, finement divisés et répartis d'une manière homogène dans la matrice. Les corps broyants contiennent entre 1 % et 3% en poids de carbone, entre 5% et 15% en poids de carbures de chrome du type M7C3, c'est à dire entre 2% et 8% en poids de chrome, de 0 à 2% en poids de molybdène, de 0,5% à 1,5% de silicium, de 0, 1% à 2% de manganèse, de 0 à 5% de vanadium, et de 0 à 1% de cuivre. D'autres éléments peuvent être rajoutés comme le tungstène, le nickel, le bore, le niobium, le tantale et le zirconium. Le procédé de fabrication de ces corps broyants consiste à chauffer une barre de fonte blanche jusqu'à une première température de l'ordre de 900 C à 10000C permettant le cisaillage à chaud à l'état plastique, à découper la barre en plusieurs tronçons, à réchauffer les tronçons jusqu'à une deuxième température comprise entre 1000 C et 1150 C provoquant une réausténisation et une mise en solution complète des carbures dans le domaine austénitique, à forger les tronçons à la deuxième température, et à refroidir les tronçons à une vitesse contrôlée jusqu'à une température comprise entre 6000C et 800 C. On obtient ainsi des pièces forgés de structure perlitique soumis à un traitement de réchauffe pour adapter leur structure aux conditions d'utilisation. Le document WO 95/28506 se rapporte à un procédé de fabrication de corps broyants en acier à haut carbone (de 1, 1% à 2% de C), contenant en plus du manganèse (de 0,5% à 3,5% de Mn), du chrome (de 1% à 4% de Cr), du silicium (de 0,6% à 1,2% de Si) afin de conférer une structure de perlite fine ayant une dureté se situant entre 47-54 Rockwell. Les corps broyants sont fondus en boulets de 70 à 100 mm de diamètre, et la structure perlitique est obtenue par extraction de la pièce encore chaude du moule de fonderie. L'un des inconvénients des procédés de fabrication des matériaux précités, que ce soit le forgeage, laminage ou moulage est l'augmentation significative du prix de revient lorque la taille des corps broyants visée diminue. Il est ainsi très rare de voir utiliser dans l'industrie minière et minérale aujourd'hui des corps broyants issus des procédés précédents inférieurs à 12mm en taille. Or comme indiqué précédemment, l'efficacité du broyage notamment dans le domaine du broyage fin et ultrafin, va fortement dépendre de la taille des corps broyants utilisés. La demanderesse a déjà fabriqué des grenailles pour des applications de broyage, grenailles de tailles situées entre 3.5 et 6.5mm. Le procédé de fabrication utilisé consiste à soumettre l'acier fondu à une atomisation à l'eau pour obtenir des billes sensiblement sphériques. Les grenailles ainsi formées ont une distribution granulométrique très large (de 0.3 mm à plus de 8 mm) mais au delà de 3 mm, la qualité des particules présentent des défauts majeurs de densité, notamment des creux, défauts qui peuvent s'avérer rédhibitoires dans des applications de broyage : ils peuvent non seulement entraîner une usure trop importante, mais ils peuvent aussi empêcher l'utilisation même de ces grenailles dans des broyeurs où les flux de produit à broyer sont si importants qu'ils tendraient à soulever et entraîner les grenailles dans leur passage à l'intérieur du broyeur. La densité apparente des grenailles supérieures à 3 mm obtenues par atomisation à l'eau et triées afin de n'en retenir que les formes sensiblement sphériques, est inférieure à 4.5 g/cc, la mesure étant obtenue par pesage dans une burette large d'au minimum 1 litre de contenance. L'atomisation par centrifugation est utilisée actuellement pour fabriquer des grenailles d'acier de petites dimensions notamment inférieures à 1.5mm. La demanderesse propose ainsi d'utiliser ce mode d'atomisation pour la fabrication de grenailles destinées à des applications de broyage, permettant notamment d'assurer une densité réelle supérieure à 4.5 g/cc pour les particules supérieures à 3mm. Objet de l'invention Un premier objet de l'invention consiste à réaliser des corps de broyage fin à base de grenailles d'acier à haut carbone, ayant une bonne résistance à l'usure, et une densité élevée. Les particules ou billes d'acier ou de fonte selon l'invention sont formées par atomisation centrifuge, de manière à obtenir une densité apparente supérieure à 4.5 notamment pour les particules supérieures à 3mm. La granulométrie des particules se situe de préférence entre 3 mm et 12 mm. Les particules d'acier ou de fonte possèdent une teneur en carbone comprise entre 0,6% et 3,5%, et peuvent être alliées à du chrome avec une teneur comprise entre 1% et 30%. D'autres éléments, notamment le manganèse, le silicium, le tungstène, le molybdène, peuvent être intégrés dans la composition avec une teneur globale inférieure à 10%. Un deuxième objet de l'invention consiste à élaborer un procédé de fabrication de particules d'acier ou de fonte pouvant être utilisées comme corps de broyage, lesdites particules étant obtenues par atomisation à partir d'une coulée d'acier ou de fonte en provenance d'un four de fusion. Le procédé est caractérisé par les étapes suivantes : - l'atomisation des particules s'effectue par centrifugation au moyen d'un plateau tournant à une vitesse comprise entre 250 tr/mn et 1500 tr/mn pour obtenir une granulométrie comprise entre 0,5 mm et 15 mm, et une densité apparente supérieure à 4,5, - on fait tomber par gravité les particules dans une fosse remplie d'eau, - on récupère les particules, et on effectue ensuite un traitement thermique pour des trempes à coeur destinées à obtenir une structure homogène, et une dureté prédéterminée. Selon une caractéristique de l'invention, la dureté des particules après traitement thermique est de l'ordre de 64 Rockwell. Selon une autre caractéristique de l'invention, la granulométrie des particules est inversement proportionnelle à la vitesse de rotation et au diamètre du plateau. La vitesse de refroidissement minimum dans la masse d'une particule est supérieure à 10 C/seconde, et dépend principalement de la taille des particules, de la hauteur de chute, et de la profondeur de la fosse. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté au dessin annexé qui illustre une vue schématique d'un dispositif du procédé d'atomisation selon l'invention. Description d'un mode de réalisation préférentiel. La figure 1 montre un dispositif d'atomisation 10 par centrifugation faisant usage d'un plateau 12 tournant, au-dessus duquel est placé un chenal 14 en liaison avec un four 16 de fusion de l'acier ou de la fonte. Le plateau tournant 12 est en matériau réfractaire, et la température de fusion du métal à l'intérieur du four 16 est de l'ordre de 1500 C à 1650 C. Le four 16 est du type à induction ou à arc électrique. Sous le plateau 12 tournant se trouve une fosse 18 dans laquelle tombent les particules par gravité pour y subir une trempe. La fosse 18 est remplie d'eau pour le refroidissement des particules, et une pompe 20 assure un brassage régulier de l'eau à l'intérieur de la fosse 18. Les particules d'acier ou de fonte à teneur en carbone élevée (0,6% à 3,5% de C) atomisées par centrifugation, peuvent être alliées, notamment à du chrome (1 % à 30% de Cr), et à d'autres éléments, comme le manganèse, le silicium, le tungstène, le molybdène avec une teneur inférieure à 10%. On a constaté que la granulométrie, la densité et la forme des particules obtenues par centrifugation dépendent de la température de fusion du métal, et de la vitesse de rotation du plateau 12. D'autres paramètres interviennent également, notamment le diamètre du plateau 12 tournant, la hauteur de chute h1 des particules entre le plateau 12 et le niveau supérieur de l'eau, la température de l'eau de refroidissement, et la profondeur h2 de la fosse 18. La granulométrie des corps de broyage se situe dans une fourchette allant de 0,5 mm à 15 mm, et de préférence entre 3 mm et 12 mm. Cette granulométrie est inversement proportionnelle à la vitesse de rotation du plateau 12, et au diamètre du plateau 12. Les corps de broyage présentent des formes sensiblement sphériques pour des dimensions allant jusqu'à environ 8 mm, et sont conformés selon des pastilles pour les tailles supérieures. La technique d'atomisation par centrifugation permet d'obtenir une densité réelle supérieure à 7,5 pour les particules supérieures à 3mm, soit supérieure à la densité accessible par atomisation à l'eau. La vitesse de rotation du plateau 12 peut être choisie entre 200 tr/mn et 1500 tr/mn en fonction des dimensions souhaitées. La vitesse de refroidissement minimum dans la masse d'une bille est de préférence supérieure à 10 C/seconde. Cette valeur dépend notamment de la hauteur de chute h1 et de la nature du milieu ambiant. Après la phase d'atomisation et de refroidissement, on évacue les billes hors de la fosse 18, et on effectue les opérations suivantes : - séchage des billes, - sélection de la forme et tri par tailles, - traitements thermiques pour réaliser des trempes à coeur pour obtenir une structure homogène et une dureté prédéterminée de l'ordre de 64 Rockwell. Selon un exemple de réalisation, on utilise un acier ayant une teneur de 1% C, et allié à 0,8% Mn, 0,1% AI, et 1% Si. Le plateau 12 possède un diamètre de 300 mm, lequel tourne avec une vitesse de rotation de 1000 tr/mn. La température de coulée de l'acier fondu se situe entre 1600 C et 1460 C en fin d'atomisation. La hauteur de chute h1 est de 500 mm, et la profondeur h2 de la fosse 18 est de 4 mètres. Le débit de coulée est ajusté à 340 kg/mn avec une subdivision de trois jets disposés angulairement à 1200 l'un de l'autre. La répartition dimensionnelle des billes atomisées par centrifugation est la suivante : - 36% pour des billes allant de 4 mm à 8 mm de diamètre ; - 31 % pour des pastilles supérieures à 8 mm ; - 33% pour des billes inférieures à 4 mm. La densité apparente pour toute la gamme de granulométrie est de 4,6. Le procédé par atomisation centrifuge permet d'obtenir des billes ou boulets de broyage en acier ou en fonte à teneur en carbone élevée, ayant des dimensions comprises entre 0,5 mm et 15 mm, et une densité réelle supérieure à 7,5 assurant une bonne résistance à l'usure et à la corrosion, ainsi qu'un broyage efficace. Revendications 1. Corps de broyage constitués par des particules d'acier ou de fonte à teneur en carbone élevée, caractérisés en ce que les particules d'acier ou de fonte sont formées par atomisation centrifuge dans une gamme de granulométrie comprise entre 0,5 mm et 15 mm, de manière à obtenir une densité apparente supérieure à 4,5 g/cc. 2. Corps de broyage selon la revendication 1, caractérisés en ce que la granulométrie des particules se situe de préférence entre 3 mm et 12 mm. 3. Corps de broyage selon la revendication 1 ou 2, caractérisés en ce que les particules d'acier ou de fonte possèdent une teneur en carbone comprise entre 0,6% et 3,5%. 4. Corps de broyage selon la revendication 3, caractérisés en ce que les particules peuvent être alliées à du chrome avec une teneur comprise entre 1 % et 30%. 5. Corps de broyage selon la revendication 4, caractérisés en ce que les particules peuvent être alliées à d'autres éléments, notamment le manganèse, le silicium, le tungstène, le molybdène, avec une teneur globale inférieure à 10%. 6. Procédé de fabrication de particules d'acier ou de fonte pouvant être utilisées comme corps de broyage, lesdites particules étant obtenues par atomisation à partir d'une coulée d'acier ou de fonte en provenance d'un four (16) de fusion, caractérisé par les étapes suivantes : - l'atomisation des particules s'effectue par centrifugation au moyen d'un plateau (12) tournant à une vitesse comprise entre 200 tr/mn et 1500 tr/mn pour obtenir une granulométrie comprise entre 0,5 mm et 15 mm, et une densité réelle supérieure à 7,5, - à partir du plateau (12), on fait tomber par gravité les particules dans une fosse (18) remplie d'eau, - on récupère les particules, et on effectue ensuite un traitement thermique pour des trempes à coeur destinées à obtenir une structure homogène, et une dureté prédéterminée. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que la dureté des particules après traitement thermique est de l'ordre de 64 Rockwell. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les particules récupérées dans la fosse (18) sont d'abord séchées, et triées par tailles et formes. 9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la granulométrie des particules est inversement proportionnelle à la vitesse de rotation et au diamètre du plateau (12). 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement minimum dans la masse d'une particule est supérieure à 10 C/seconde, et dépend de la hauteur de chute (h1), et de la nature du milieu ambiant. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la taille de transition billepastille des particules dépend de la nature du milieu ambiant et de la profondeur de la fosse (h2).