Brevet FR2826299A1 — publié le 20021227

Procédé et dispositif de broyage fin de particules minérales. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un procédé de broyage fin de particules minérales au moyen d'un broyeur renfermant des corps de broyage comprenant des boulets en acier ou en fonte, ayant des dimensions comprises entre 20 mm et 120 mm. Etat de la technique Il est classique d'utiliser des boulets de broyage dans des broyeurs rotatifs horizontaux pour réduire la granulométrie de particules minérales concassées préalablement. Les tailles de ces boulets à t'état neuf sont rarement inférieures à 22,5 mm. La résistance mécanique de ces boulets de grandes tailles reste néanmoins limitée à cause de la répartition radiale inégale de la dureté et de la structure métallique obtenues lors des traitements thermiques. La dureté est souvent inférieure au centre, ce qui entraîne une usure accélérée et irrégulière des boulets. Un autre inconvénient est l'énergie importante nécessaire au broyeur pour obtenir une granulométrie prédéterminée à la sortie, et cela d'autant plus que cette granulométrie est fine. Il est en effet déjà prouvé et décrit dans de nombreuses publications, que plus a granulométrie du produit d'entrée est fine, plus il est favorable de diminuer la taille des boulets pour obtenir une efficacité de broyage donnée avec le minimum d'énergie dépensée. Le facteur déterminant devient alors la surface des médias de broyage qui augmente à mesure que leurs tailles diminuent. Dans un broyeur rotatif, l'essentiel de l'énergie variable est celle qui est nécessaire pour mettre la charge des corps broyants en mouvement, alors que l'énergie d'entraînement en rotation du broyeur lui-même, est prédéterminée. En cas de diminution de la charge des corps broyants, on diminuera l'énergie nécessaire (à productivité égale). Cette diminution de la charge est possible avec un média de broyage de taille réduite, qui permet un broyage plus efficace, toutes choses égales par ailleurs. Objet de l'invention L'objet de l'invention consiste à élaborer un procédé de broyage fin de particules minérales permettant d'obtenir un rendement optimum du broyeur avec une économie d'énergie et une augmentation de la productivité. Le procédé selon l'invention est caractérisé par les étapes suivantes consistant à : - fabriquer par atomisation des billes d'acier à haute teneur en carbone ou de fonte dans une gamme de granulométrie restant inférieure à 15 mm, et mélanger les billes avec les boulets à l'intérieur du broyeur selon une proportion pondérale prédéterminée dépendant de la granulométrie des particules minérales à broyer, et du rapport de réduction souhaité entre l'alimentation et le produit final. Selon une caractéristique de l'invention, la proportion pondérale des billes dans le mélange augmente en cas de diminution de la granulométrie des particules à l'entrée, et inversement diminue en cas d'augmentation de ladite granulométrie. L'acier ou la fonte des billes possèdent une teneur en carbone de l'ordre de 0,6% à 3,5%, et peuvent être alliés avec du Cr et/ou du Mo. Selon une autre caractéristique de l'invention, les billes subissent après atomisation, un traitement thermique pour une trempe à coeur destinée à renforcer la résistance mécanique et la tenue à la corrosion. 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 aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique du circuit de broyage équipé d'un broyeur primaire en amont d'un broyeur secondaire pour le broyage fin des particules ; - la figure 2 illustrent deux diagrammes du rapport de réduction des particules du produit à broyer en fonction de la proportion pondérale des billes dans le mélange de broyage. Description d'un mode de réalisation préférentiel. L'invention concerne le broyage fin de particules minérales, notamment de roches, de minerais, de concentré de sulfures ou autres minéraux à forte teneur métallique, ou encore de minéraux industriels, ayant subi au préalable une première réduction de tailles dans un broyeur primaire 10. Les dimensions des particules minérales obtenues à la suite de ce broyage préalable sont généralement supérieures à 50 ou 100 microns. Le broyage fin ultérieur est opéré par la suite dans un broyeur secondaire 12 rotatif à recirculation (circuit fermé) pour réduire la granulométrie des particules à la sortie 14. Il est également possible de faire usage d'un broyeur sans recirculation (circuit ouvert non représenté à la figure 1). Le broyeur primaire 10 du type autogène est associé à un crible 16 surmonté d'une rampe d'arrosage 18 pour séparer selon leur grosseur les fragments solides de roches. Les plus gros fragments sont recyclés dans le broyeur primaire 10, et les plus fins sont envoyés dans le circuit de broyage secondaire. La base du crible 16 est reliée par une conduite 18 à un bac de récupération 20, lequel est branché par une pompe 22 à au moins un dispositif de séparation à cyclone 24. Le cyclone 24 comporte une sous-verse 26 de recyclage et une sur-verse 28 d'évacuation pour le produit fini correspondant à un broyage fin dont la granulométrie est inférieure à 100 microns. Une canalisation 30 relie la sous-verse 26 à une trémie 32 d'alimentation du broyeur secondaire 12 pour assurer le recyclage des particules trop grosses. Le broyeur secondaire 12 à tambour 33 horizontal rotatif, comporte une entrée 34 en liaison avec la trémie 32, et une chambre 35 longitudinale renfermant des corps ou médias de broyage constitués par un mélange de boulets 36 et de billes 38 en acier. La sortie 14 du broyeur secondaire 12 est décalée vers le bas par rapport au niveau de l'entrée 34, et comprend une grille 40 disposée au-dessus du bac de récupération 20. A l'intérieur du tambour 33, les boulets 36 et les billes 38 sont répartis sur toute la longueur de la chambre 35 en restant stockés par gravité à un niveau de remplissage en retrait par rapport à l'entrée 34 et la sortie 14, ledit niveau dépendant du coefficient de remplissage de la charge. Les particules à broyer sont injectées dans la chambre 35 dans le sens axial indiqué par la flèche F. Les boulets 36 de la charge de broyage sont utilisés d'une manière classique dans les broyeurs, et sont généralement en acier ou en fonte avec des tailles comprises entre 20 mm et 120 mm. La forme des boulets 36 peut être sphérique ou cylindrique avec des diamètres précis. Le système de broyage en phase liquide décrit précédemment peut également être remplacé par un broyage à sec en circuit ouvert ou fermé avec recirculation. Dans ce cas, le fluide est de l'air. Un tel dispositif est particulièrement adapté au broyage de ciment. L'innovation consiste à mélanger les billes 38 de tailles inférieures avec les boulets 36 pour optimiser le rapport de réduction des particules à l'intérieur du broyeur secondaire 12. Les billes 38 présentent des formes sphériques ou légèrement aplaties, avec des diamètres inférieurs à 15 mm. La composition chimique des billes 38 peut être celle de la grenaille d'acier ou de fonte, avec une teneur en carbone de l'ordre de 0, 6% à 3,5%. L'acier ou la fonte peuvent être alliés avec du Cr et/ou du Mo, ou tout autre élément susceptible de renforcer la résistance à l'usure, à la corrosion et aux chocs mécaniques intervenant lors du broyage. Les billes 38 d'acier ou de fonte sont obtenues avantageusement par atomisation à l'eau ou par centrifugation, avec une gamme de granulométries variables restant inférieures à 15 mm. Après la phase d'atomisation, les billes 38 subissent une sélection de la forme, un tri par tailles, et ensuite des traitements thermiques pour réaliser des trempes à coeur destinées à uniformiser la dureté à la périphérie et au centre. Lors de la phase d'atomisation, la vitesse de refroidissement minimum dans la masse d'une bille 38 est de préférence supérieure à 10 C/seconde. La proportion en poids des billes 38 dans le mélange avec les boulets 36 dépend de la granulométrie des particules à l'entrée 34 du broyeur secondaire 12. Elle sera d'autant plus grande que la granulométrie des particules à l'entrée est fine. Inversement, en cas d'augmentation de la granulométrie des particules du produit à broyer, il est nécessaire de diminuer la proportion des billes 38 par rapport aux boulets 36. Lors de la rotation du tambour 33 de broyage, les billes 38 attaquent les petites particules, alors que les boulets 36 se chargent des plus grosses particules. La broyabilité du produit à broyer peut également influer sur ta proportion des billes 38. Les billes 38 et les boulets 36 des corps broyants possèdent une densité réelle supérieure à 7,5. Les plus petites billes 38 vont occuper les interstices entre les boulets 36 de manière à augmenter la densité apparente de la charge, et à libérer du volume pour la pulpe 42. La densité apparente des billes (38) doit être supérieure à 4. Le diamètre des billes (38) sphériques est de préférence compris entre 1 mm et 12 mm. Lors du broyage, la couche de pulpe 42 dépasse le niveau de la charge de broyage, à un niveau sensiblement coplanaire avec la sortie 14, et en-dessous de l'entrée 34. La figure 2 montre deux diagrammes du rapport de réduction des particules du produit à broyer en fonction de la proportion pondérale des billes 38 dans le mélange de broyage correspondant à deux granulométries de 160 microns et 370 microns des particules, et à un même temps de broyage de l'ordre de 30 minutes. Pour la courbe F80 de 160 microns de granulométrie, le rapport de réduction des particules est optimum (environ 7,5) lorsque le pourcentage de billes 38 dans le mélange est de 60%. Le rapport de réduction croît linéairement de 40% (de 5,3 à 7,5) pour un pourcentage de billes 38 variant de 0 à 60%. Pour la courbe F80 de 370 microns de granulométrie, le rapport de réduction des particules est optimum (environ 6,2) lorsque le pourcentage de billes 38 dans le mélange est de 30%. Il décroît ensuite avec une faible pente (jusqu'à 5,8) lorsque le pourcentage de billes 38 varie de 30% à 60%. Le rapport de réduction croît linéairement de 16% (de 5,3 à 6,2) pour un pourcentage de billes 38 variant de 0 à 30%. Les sommets A et B des deux courbes correspondent au degré de broyage maximum du broyeur pour des granulométries prédéterminées à l'entrée. La granulométrie finale optimum à la sortie du broyeur secondaire 12 est alors de l'ordre de 20 microns suite au rapport de réduction de 7,5 pour une granulométrie d'entrée de 160 microns, et de 60 microns suite au rapport de réduction de 6,2 pour une granulométrie d'entrée de 370 microns. Il est bien entendu possible de choisir le pourcentage de billes 38 de 10% à 80% en fonction de la granulométrie finale souhaitée. Les avantages qui en découlent pour un même produit à broyer (nature et granulométrie) à l'entrée du broyeur 12, sont les suivants : - économie d'énergie de l'ordre de 10% à 20% pour un broyeur rotatif horizontal, et 30% à 300% pour un broyeur rotatif vertical, notamment du type Vertimill, à flux égal de matière solide traversant le broyeur ; - augmentation de la productivité pouvant atteindre 30% à énergie égale et à finesse égale du produit broyé à la sortie ; - amélioration de la finesse du produit broyé à énergie égale et à débit égal. Lors de la rotation du broyeur 12 horizontal de la figure 1, on a noté que les billes 38 ne s'échappent pas à travers la grille 40, et restent stockées par gravité à l'intérieur de la chambre 35 en se plaçant sous les boulets 36 de manière à former une couche inférieure d'épaisseur progressive le long de la direction longitudinale. Au cours du broyage, la plupart des billes 38 s'accumulent du côté de la sortie 14, sans dépasser le niveau de la couche de pulpe 42. Les billes 38 restent néanmoins protégées par une couche de boulets 36. Revendications 1. Procédé de broyage fin de particules minérales au moyen d'un broyeur (12) rotatif renfermant des corps de broyage comprenant des boulets (36) en acier ou en fonte ayant des dimensions comprises entre 20 mm et 120 mm, caractérisé par les étapes suivantes consistant à : fabriquer par atomisation des billes (38) d'acier à haute teneur en carbone, ou de fonte dans une gamme de granulométrie restant inférieure à 15 mm, et mélanger les billes (38) avec les boulets (36) à l'intérieur du broyeur (12) selon une proportion pondérale prédéterminée dépendant de la granulométrie des particules minérales à broyer, et du rapport de réduction souhaité. 2. Procédé de broyage fin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion pondérale des billes (38) dans le mélange augmente en cas de diminution de la granulométrie des particules à l'entrée, et inversement diminue en cas d'augmentation de ladite granulométrie. 3. Procédé de broyage fin selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la teneur en carbone des billes (38) est de l'ordre de 0,6% à 3,5%. 4. Procédé de broyage fin selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'acier ou la fonte des billes (38) peut être allié avec du Cr et/ou du Mo. 5. Procédé de broyage fin selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les billes (38) subissent après atomisation, un traitement thermique pour une trempe à coeur. 6. Procédé de broyage fin selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des billes (38) sphériques est de préférence compris entre 1 mm et 1 2 mm. 7. Procédé de broyage fin selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les particules minérales à broyer présentent à l'entrée (34) du broyeur secondaire (12), une granulométrie supérieure à 50 microns, laquelle est obtenue après une première réduction de tailles dans un broyeur primaire (10). 8. Procédé de broyage fin selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le broyage intervient dans un broyeur horizontal ou vertical. 9. Procédé de broyage fin selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les billes (38) et les boulets (36) des corps broyants possèdent une densité réelle supérieure à 7,5. 10. Procédé de broyage fin selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la densité apparente des billes (38) doit être supérieure à 4. 11. Procédé de broyage fin selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lors de la phase d'atomisation des billes (38), la vitesse de refroidissement minimum dans la masse est de préférence supérieure à 10 C/seconde.