Types de concasseurs à marteaux

Depuis son lancement en 1924, le marteau concasseur Elle existe depuis un peu plus de 80 ans, mais elle s'est développée très rapidement. Grâce à ses avantages, tels qu’un rapport de concassage élevé (10–40), une granulométrie homogène, un faible surbroyage, une faible consommation d’énergie, un faible coût d’équipement et une maintenance aisée, il est largement utilisé dans des secteurs tels que le ciment, les matériaux de construction, le charbon, la chimie et l’exploitation minière métallurgique.

Précautions relatives à l'installation, au fonctionnement et à l'entretien d'un concasseur à marteaux

Les concasseurs à marteaux peuvent être classés en deux types selon le nombre de rotors : à rotor unique et à double rotor. Le type à rotor unique peut lui-même être subdivisé en deux catégories : réversible et non réversible. Cette classification est détaillée dans le tableau 5-1.

En Chine, le développement des concasseurs à marteaux a été lent avant les années 1970. Ce n’est qu’au cours des dix dernières années environ que des progrès significatifs ont été réalisés, ce qui a conduit à la création de gammes de concasseurs à marteaux à usage général pour le concassage moyen et fin, ainsi que de gammes spécifiques au charbon pour le concassage moyen et fin, comprenant plus de dix modèles. Marteau non réversible concasseurs sont généralement utilisés pour le concassage intermédiaire, tandis que les concasseurs à marteaux réversibles sont généralement utilisés pour le concassage fin. Il existe par ailleurs des concasseurs à marteaux à un seul étage capables de réduire des matériaux tels que le calcaire, dont la taille d’alimentation est de 1 900 mm, à moins de 25 mm en une seule étape, ce qui simplifie le concassage traditionnel en deux ou trois étapes en une seule étape et permet de réaliser d’importantes économies en termes de coûts d’investissement et d’exploitation. Ces dernières années, des concasseurs à marteaux annulaires, principalement utilisés pour le concassage du charbon, ont également été mis au point. Il s’agit d’un nouveau type de concasseur doté d’une structure relativement avancée, disponible dans plus de dix spécifications. Cependant, à ce jour, la Chine n’a pas encore produit de concasseurs à marteaux à double rotor ; seuls des modèles à rotor unique sont fabriqués.

La méthode utilisée pour désigner le modèle et les caractéristiques techniques des concasseurs à marteaux n'est pas encore normalisée et varie légèrement d'un fabricant à l'autre. La notation courante repose sur l'utilisation de lettres en pinyin associées au diamètre du rotor. D et la longueur L, où D est le diamètre du cercle décrit par les pointes des marteaux, et L correspond à la longueur effective de travail des marteaux disposés dans le sens axial. Voici un exemple d'interprétation des spécifications du modèle :

Les concasseurs à marteaux à usage général (types PC et PCK) peuvent être utilisés dans les secteurs de la métallurgie, du charbon, des matériaux de construction, de l’industrie chimique, de l’énergie électrique et dans d’autres secteurs industriels. Ils conviennent au concassage de divers matériaux cassants tels que le calcaire, le feldspath, le charbon, le sel, la brique, le gypse et les granulats. La résistance à la compression du matériau à broyer ne doit pas dépasser 150 MPa, et la teneur en humidité superficielle doit être inférieure à 2% (pour le type PCK, la teneur en humidité superficielle peut aller jusqu’à moins de 9%). Les concasseurs à marteaux destinés au charbon (types PC-M et PCK-M) sont principalement utilisés pour le concassage de matériaux friables tels que le charbon et le gypse, dont la résistance à la compression est inférieure à 12 MPa et la teneur en humidité superficielle inférieure à 9%. De plus, le concasseur à marteaux de type PCB convient au concassage de divers matériaux cassants présentant une résistance à la compression inférieure à 100 MPa et une teneur en humidité ne dépassant pas 15%. Quelques fabricants nationaux produisent également le concasseur à marteaux à arbre vertical de type PCL, qui se caractérise par une bonne étanchéité, un fonctionnement stable, une faible consommation d’énergie, une grande capacité de production et une maintenance aisée. Il peut être utilisé pour broyer le calcaire, le charbon et d’autres matériaux friables.

Fabrication d'un marteau irréversible Concasseur

La conception d’un concasseur à marteaux non réversible est relativement simple. La figure 5-1 présente le concasseur à marteaux non réversible à rotor unique PC1600×1600, largement utilisé en Chine. Il se compose de plusieurs éléments : le groupe de transmission, le rotor, les paliers principaux, les barres de grille et le carter. Le moteur électrique (1) entraîne directement le rotor par l’intermédiaire d’un accouplement élastique (2). Afin d’empêcher la poussière de pénétrer dans les roulements, les paliers principaux situés aux deux extrémités de l’arbre du rotor sont placés à l’extérieur du carter. Ils sont supportés indépendamment par deux paliers à roulement (3) et sont parfaitement étanches.

Figure 5-1 Concasseur à marteaux de φ1 600 mm × 1 600 mm
1 – Moteur électrique 2 – Accouplement 3 – Carter de roulement 4 – Arbre principal 5 – Disque 6 – Arbre à goupilles 7 – Douille d’axe 8 – Tête de marteau 9 – Volant d’inertie 10 – Entrée d’alimentation 11 – Carter 12 – Plaque d’impact 13 – Grille à barres

Le rotor se compose d'un arbre principal (4), d'une série de disques (5) montés sur cet arbre et de têtes de marteau (8). Onze disques sont disposés côte à côte sur l'arbre principal. Entre chaque paire de disques, quatre axes (6) traversent quatre têtes de marteau (8). Le rotor compte au total 40 têtes de marteau. Pour empêcher tout mouvement axial des têtes de marteau, un manchon d’axe (7) (enfilé sur l’axe) est serré entre le trou d’axe de la tête de marteau et le trou d’axe du disque, et l’écrou situé à l’extrémité de l’axe est serré pour empêcher le manchon d’axe de tourner. Un volant d’inertie (9) est monté à l’extrémité gauche de l’arbre principal afin de réduire les irrégularités de rotation du rotor et d’augmenter l’énergie d’impact des têtes de marteau.

Comme le montre la figure 5-1, les disques du rotor comportent deux rangées de trous de goupille, situés respectivement à 440 mm et 465 mm du centre de la goupille par rapport à l'axe de rotation. Cela permet de régler le jeu entre les têtes de marteau et les barres de la grille.

La grille à barres (13) est installée sous le rotor. Elle est composée de barres moulées en acier à haute teneur en manganèse, dont l'extrémité gauche est maintenue fermement par une plaque de revêtement. Une plaque d'impact (12), équipée de huit plaques de revêtement, est montée sur le côté droit du rotor. Après avoir été frappé par les têtes de marteaux, le matériau broyé tombe sur les plaques de revêtement et subit un broyage par impact secondaire.

Lorsqu'un objet incassable tombe dans le concasseur, il est acheminé par les têtes de marteaux jusqu'à l'extrémité de la grille à barres et évacué par une ouverture prévue à cet effet, ce qui permet d'éviter une usure prématurée de la paroi intérieure du carter et d'endommager certaines pièces.

Le carter du concasseur (11) est une structure de type caisson soudée à partir de tôles d'acier. Une bouche d'alimentation (10) est située au sommet du carter. Des plaques de revêtement sont installées aux endroits de la paroi intérieure soumis au frottement ou aux chocs provoqués par le matériau broyé, afin de protéger le carter contre l'usure. Pour faciliter l'inspection et les réparations, deux petites portes sont prévues sur les parois avant et arrière du carter.

Les performances techniques des concasseurs à marteaux de type PC fabriqués en Chine sont présentées dans le tableau 5-2.

Tableau 5-2 : Performances techniques des concasseurs à marteaux de type PC

Notes de bas de page :
① Pour les concasseurs à marteaux destinés au charbon, la capacité correspond au débit obtenu lors du concassage d’un matériau présentant une résistance à la compression maximale de 12 MPa, une humidité superficielle inférieure à 9% et une densité apparente comprise entre 0,8 et 1 t/m³. Pour les concasseurs à marteaux destinés au calcaire, la capacité correspond au débit obtenu lors du concassage d’un matériau présentant une résistance à la compression maximale de 120 MPa, une humidité superficielle inférieure à 2% et une densité apparente de 1,6 t/m³.
② Le diamètre du rotor correspond à la trajectoire décrite par la pointe de la tête de marteau en conditions de fonctionnement.

Construction d'un concasseur à marteaux réversible

Le concasseur à marteaux non réversible présente un inconvénient majeur : les têtes de marteaux s’usent facilement d’un seul côté. Pour retourner les têtes de marteaux afin de les réutiliser, il faut arrêter le concasseur, retirer les têtes de marteaux, puis les réinstaller dans le sens inverse. Cela prend beaucoup de temps, représente un gaspillage de main-d'œuvre et réduit le taux de fonctionnement. Dans la pratique, pour économiser de la main-d'œuvre, les têtes de marteaux sont souvent remplacées par des neuves dès qu'un seul côté est usé, ce qui entraîne un gaspillage considérable.

Pour pallier cet inconvénient, le concasseur à marteaux réversible a été mis au point. Le rotor de ce type de concasseur peut tourner aussi bien dans le sens horaire que dans le sens antihoraire. Lorsqu’un côté des têtes de marteaux est usé, il suffit d’inverser le sens de rotation du moteur électrique pour que le concasseur puisse continuer à fonctionner normalement pendant un certain temps. Cela permet de prolonger la durée de vie des têtes de marteaux, d’améliorer le taux de fonctionnement du concasseur et d’augmenter la capacité de production.

La figure 5-2 illustre la conception d’un concasseur à marteaux réversible de φ1 430 mm × 1 300 mm. Le domaine d’application de ce type de concasseur est le même que celui du concasseur à marteaux non réversible. Cependant, comme son rotor (10) peut tourner dans les deux sens, ses principaux composants sont disposés symétriquement et l’entrée d’alimentation (18) doit être placée au centre, en haut de la machine.

Figure 5-2 : Concasseur à marteaux réversible de φ1 430 mm × 1 300 mm
1 – Poignée 2 – Cage (panier) 3 – Plaque latérale 4 – Barre de grille 5 – Roue excentrique 6 – Tige de traction 7 – Ressort de tension 8 – Arbre (pivot) 9 – Plaque déflectrice (plaque réversible) 10 – Rotor 11 – Moteur électrique 12 – Accouplement 13 – Boîtier de roulement 14 – Arbre principal 15 – Disque 16 – Tête de marteau
17 – Axe de la goupille 18 – Entrée d'alimentation

Comme le montre la figure 5-2, l'arbre principal (14) du concasseur est équipé de 28 disques (15). Entre chaque paire de disques, cinq têtes de marteau (16) sont suspendues par des axes (17). Le rotor comporte au total 70 têtes de marteau. L'arbre principal (14) est supporté à ses deux extrémités par des paliers à roulement (13). Le moteur électrique (11) entraîne directement le rotor par l'intermédiaire d'un accouplement élastique (12).

Les barres de la grille de décharge (4) sont montées sur des plaques latérales courbes (3) disposées symétriquement de part et d’autre du rotor. L’extrémité supérieure de chaque plaque latérale courbe est suspendue à un axe de pivotement (8) fixé aux parois latérales du carter, tandis que l’extrémité inférieure repose sur une roue excentrique (5). En tournant les poignées (1) situées de part et d’autre de la machine, on fait tourner les roues excentriques (5) d’un certain angle, ce qui permet de régler le jeu entre les têtes de marteaux et les barres de la grille afin d’obtenir la granulométrie requise. Ce réglage peut être effectué sans arrêter le concasseur. Afin de garantir que les plaques latérales restent en contact permanent avec les roues excentriques pendant le fonctionnement, un ressort de tension (7) est fixé à l’extrémité inférieure de chaque plaque latérale. La tension du ressort empêche les plaques latérales de rebondir sur les roues excentriques sous l’effet de l’impact des matériaux sur les barres de la grille.

Afin d’éviter que des matériaux non broyés ou des corps étrangers ne soient entraînés par les têtes de marteaux vers l’autre côté du rotor et ne provoquent des accidents, les extrémités inférieures des plaques latérales gauche et droite sont espacées, sans barres de grille dans cette zone. Une cage pivotante réglable (2) (également appelée “ panier à charbon dur ”) est installée à l’extrémité inférieure. Tout matériau non broyé tombe dans ce panier. En tirant périodiquement sur la tige de traction (6) qui dépasse du carter, l’opérateur peut décharger le matériau non broyé accumulé dans le panier.

① La capacité de production correspond au débit obtenu lors du concassage du charbon, le matériau concassé présentant une résistance à la compression de 12 MPa, une humidité superficielle inférieure à 9% et une densité comprise entre 0,8 et 1 t/m³.

② Le diamètre du rotor correspond à la trajectoire décrite par la pointe de la tête de marteau en conditions de fonctionnement.

③ Les performances techniques des modèles PCK1310, PCK1312 et PCK1316 correspondent à celles obtenues lors du traitement du minerai de fer.

Construction d'un concasseur à marteaux à un seul étage

La figure 5-3 présente la structure d'un concasseur à marteaux à un étage. Il se compose principalement d'un châssis (1), de rouleaux d'alimentation (2), d'un rotor (3), d'une porte de sécurité (4), de barres de grille (5), d'un dispositif d'ouverture hydraulique, d'une fondation et d'autres composants. L’une de ses caractéristiques réside dans l’utilisation de deux rouleaux d’alimentation tournant à des vitesses différentes : le rouleau arrière tourne plus vite que le rouleau avant afin d’empêcher le sable ou les pierres de se coincer entre eux, tout en permettant aux particules fines présentes dans le matériau d’alimentation de passer directement à travers l’espace entre les deux rouleaux. Il permet de broyer des matériaux de dureté moyenne (d’une taille maximale d’alimentation de 600 à 1 900 mm et d’une résistance à la compression inférieure à 200 MPa) en un seul passage pour obtenir un produit fini d’une taille comprise entre 40 et 25 mm, voire inférieure. Ce concasseur peut être utilisé pour des matériaux de dureté moyenne et cassants, à faible teneur en humidité et en argile, tels que le calcaire et la dolomite, dans des secteurs comme le ciment, la chimie et les matériaux de construction. Cette série de concasseurs à marteaux se caractérise par une structure simple, un rapport de concassage élevé, une grande capacité de production, une faible consommation d’énergie et un faible encombrement. Elle combine le concassage en deux ou trois étapes en une seule opération, ce qui simplifie le processus de concassage et réduit l’investissement en équipement.

Figure 5-3 Schéma de principe d'un concasseur à marteaux à un étage
1 – Châssis 2 – Rouleau d'alimentation 3 – Rotor 4 – Porte de sécurité 5 – Barre de grille 6 – Groupe hydraulique (station hydraulique)

Tableau 5-4 : Performances techniques des concasseurs à marteaux à un étage

Construction d'un concasseur à marteaux en anneau

Le concasseur à marteaux annulaires est un nouveau type de concasseur à haut rendement et à faible consommation d'énergie, développé et fabriqué en Chine depuis 1982. Il se caractérise par une structure compacte, un encombrement réduit, ainsi qu'une grande robustesse et une longue durée de vie. Il convient au concassage de matériaux tels que le charbon, la stérile de charbon, le coke et le schiste, dont la teneur en humidité superficielle ne dépasse pas 15%. Ce concasseur offre des avantages tels que des économies d’énergie, un rendement de production élevé, un contrôle fiable de la granulométrie, un faible niveau sonore et une émission réduite de poussière. Il a été désigné par l’État comme produit de substitution aux produits importés.

La figure 5-4 illustre la structure du concasseur à marteaux annulaires. La machine se compose principalement d’un corps (1), d’un couvercle supérieur (2), d’un rotor (3) équipé de marteaux annulaires, d’une plaque de criblage (4), d’un mécanisme de réglage de la plaque de criblage (5) et d’autres pièces principales. Le moteur entraîne directement le rotor par l’intermédiaire d’un accouplement élastique. Le rotor est composé d’un arbre principal, de plaques d’extrémité, de plaques d’écartement, de goupilles de marteaux et de marteaux annulaires. Les marteaux annulaires sont suspendus aux goupilles de marteaux, elles-mêmes montées sur les plaques d’extrémité et les plaques d’écartement. Les plaques d’extrémité et les plaques d’écartement sont fixées à l’arbre principal à l’aide de clavettes parallèles et d’écrous.

Le corps se compose des carters supérieur et inférieur, de la plaque de concassage, de la plaque de criblage, de la plaque de support, de la plaque d'impact, des plaques de revêtement et d'autres pièces principales. La plaque de concassage et la plaque de criblage sont montées sur la plaque de support. Une extrémité de la plaque de support est suspendue à des logements d'arbre situés de part et d'autre du carter supérieur, tandis que l'autre extrémité est reliée au mécanisme de réglage par l'intermédiaire d'une plaque de liaison. Des plaques de revêtement sont installées sur les parois intérieures du carter afin de protéger celui-ci de l'usure. La plaque de concassage, la plaque de criblage et la plaque d'impact forment, avec le rotor, la chambre de concassage.

Le mécanisme de réglage se compose principalement d'une vis sans fin, d'une roue à vis sans fin, d'un indicateur, d'une plaque d'indication de jeu et d'autres composants principaux. Il sert à régler et à afficher le jeu entre le rotor et la plaque de tamisage. Le principe de fonctionnement du concasseur à marteaux annulaire est essentiellement le même que celui d'un concasseur à marteaux classique.

Figure 5-4 Concasseur à marteaux annulaires
1 – Corps 2 – Couvercle supérieur 3 – Rotor avec marteaux annulaires 4 – Plaque de tamisage 5 – Mécanisme de réglage de la plaque de tamisage

Les principaux paramètres techniques du concasseur à marteaux annulaires sont présentés dans le tableau 5-5.

Tableau 5-5 Principaux paramètres techniques du concasseur à marteaux annulaires

Conception d'un concasseur à marteaux fins anti-colmatage

Le concasseur à marteaux fins anti-colmatage, également appelé concasseur à marteaux réversible sans grille, est un nouveau type de concasseur mis au point ces dernières années en s'inspirant de références nationales et internationales. Sa conception est fondamentalement similaire à celle du concasseur à marteaux réversible, comme le montre la figure 5-5. Un rotor est disposé au centre du broyeur, et les marteaux oscillants tournent avec le rotor à grande vitesse selon un mouvement circulaire. Des plaques de broyage réglables sont disposées symétriquement de part et d’autre du rotor. Les plaques de broyage peuvent s’ouvrir vers l’extérieur en même temps que la porte. Les plaques de concassage et la trajectoire des marteaux oscillants forment une chambre de concassage hautement efficace. Le matériau tombe depuis le centre de l’orifice d’alimentation et est d’abord projeté par les marteaux oscillants tournant à grande vitesse contre les plaques de concassage, puis rebondit immédiatement depuis ces dernières vers les marteaux oscillants ou d’autres surfaces de concassage. Le matériau rebondit d’avant en arrière dans la chambre de concassage, entre en collision avec d’autres particules au cours de ces rebonds, et est progressivement concassé. Le matériau qui atteint la granulométrie requise est évacué par l’ouverture de décharge située au bas du concasseur. La granulométrie du produit peut être réglée à volonté grâce au mécanisme de réglage.

Figure 5-5 Structure d'un concasseur à marteaux réversible sans grille de type PCKW

Ses caractéristiques sont les suivantes : l’absence de barres de grille, ce qui résout le problème d’obstruction dû à une forte teneur en humidité ; un rotor réversible, qui augmente le taux d’utilisation des têtes de marteaux, réduit la fréquence de remplacement de ces dernières, améliore l’efficacité de travail et augmente le rendement du système ; l’utilisation de têtes de marteaux lourdes, qui augmente la force d’impact et double la capacité de production par rapport aux concasseurs à marteaux de mêmes spécifications ; ouverture de décharge réglable, garantissant une granulométrie uniforme du produit, avec plus de 95% de matière d’une taille inférieure à 8 mm ; les plaques de la chambre de concassage peuvent être ouvertes, ce qui facilite le remplacement des plaques de revêtement (des vérins hydrauliques sont utilisés pour les machines de grande taille) ; fonctionnement fiable, utilisation aisée et entretien simple ; exploite pleinement les caractéristiques des concasseurs à percussion, à savoir une force d’impact élevée et un rendement de concassage élevé. Il peut être largement utilisé pour le concassage fin de matériaux cassants de dureté moyenne dont la résistance à la compression ne dépasse pas 150 MPa. Les paramètres techniques des concasseurs à marteaux fins anti-colmatage fabriqués en Chine sont présentés dans le tableau 5-6.

Tableau 5-6 : Paramètres techniques des concasseurs à marteaux fins anti-colmatage

Construction d'un concasseur à marteaux à arbre vertical

Le concasseur à marteaux à arbre vertical est un nouveau type de concasseur à marteaux mis au point ces dernières années. Il se caractérise par une bonne étanchéité, un fonctionnement stable, une faible consommation d'énergie, une capacité de production élevée et une maintenance aisée. Il est adapté au concassage de matériaux cassants de dureté moyenne. La structure du concasseur à marteaux à arbre vertical est illustrée à la figure 5-6. La machine se compose d’une section d’alimentation (1), d’un tambour de concassage (2), d’une section de décharge (3), d’un moteur électrique (4) et d’autres composants. Le moteur entraîne le rotor à arbre vertical par l’intermédiaire de courroies trapézoïdales et d’une poulie. Son principe de fonctionnement et sa construction sont fondamentalement similaires à ceux d’un concasseur à marteaux classique, à la différence que l’ensemble du corps de la machine est passé d’une configuration horizontale à une configuration verticale, modifiant ainsi la configuration de base du concasseur à marteaux. Les concasseurs à marteaux à arbre vertical actuellement produits en Chine sont tous des modèles de petite taille, disponibles en quelques spécifications seulement. Leurs performances techniques sont présentées dans le tableau 5-7.

Figure 5-6 Schéma d'un concasseur à marteaux à arbre vertical de type PCL
1 – Section « Alimentation »
2 – Cylindre de broyage
3 – Section de refoulement
4 – Moteur électrique

Tableau 5-7 : Performances techniques des concasseurs à marteaux à arbre vertical de type PCL