Qu'est-ce qu'un broyeur à boulets ?

En fonction du mode de transmission du mouvement à la charge, les broyeurs sont généralement classés en deux types : les broyeurs à tambour et les broyeurs à agitation. Dans les broyeurs à tambour, l’enveloppe du broyeur est mise en rotation et le mouvement est transmis à la charge par l’intermédiaire de cette enveloppe. Les corps de broyage peuvent être des tiges d’acier, des billes ou des roches elles-mêmes. La taille des billes de broyage, par exemple, varie d'environ 20 mm pour le broyage fin à 150 mm pour le broyage grossier. Les broyeurs à tambour sont généralement utilisés dans l'industrie minière pour le broyage primaire, au cours duquel des particules d'une taille comprise entre 5 mm et 250 mm sont réduites à une taille comprise entre 25 μm et 300 μm. Dans les broyeurs à agitation, l’enveloppe du broyeur est fixe, montée soit horizontalement, soit verticalement, et le mouvement est transmis à la charge par le déplacement d’un agitateur interne. Les corps de broyage (25 mm ou moins) à l’intérieur du broyeur sont agités ou mis en rotation par l’agitateur, qui comprend généralement un arbre central auquel sont fixés des vis, des broches ou des disques de conceptions diverses. Les broyeurs à agitation sont utilisés pour le rebroyage, le broyage fin (15-40 μm) et le broyage ultrafin (-15 μm).

On distingue trois types fondamentaux de broyeurs à tambour : les broyeurs à tiges, les broyeurs à billes et les broyeurs autogènes/semi-autogènes (AG/SAG), en fonction du type de corps de broyage utilisé (les broyeurs SAG sont des broyeurs AG contenant également quelques billes de broyage). Sur le plan structurel, chaque type de broyeur se compose d’une enveloppe cylindrique horizontale, équipée de revêtements d’usure remplaçables et d’une charge de corps de broyage. Le tambour est supporté de manière à tourner sur son axe grâce à des tourillons creux fixés aux parois d’extrémité. Le diamètre du broyeur détermine l’impact que les corps de broyage peuvent exercer sur les particules de minerai et, en général, plus la taille des matières premières est importante, plus le diamètre du broyeur doit être grand. La longueur du broyeur, associée à son diamètre, détermine son volume et, par conséquent, sa capacité.

Les broyeurs à tiges et les broyeurs à boulets sont classés en fonction du mode de décharge. Le type de broyeur à tiges le plus couramment utilisé dans l'industrie minière est le modèle à débordement par tourillon (fig. 5.9), dans lequel la matière à broyer est introduite par un tourillon et évacuée par l'autre. Un gradient d'écoulement est ainsi créé

Broyeur à boulets à débordement

en augmentant le diamètre du tourillon de décharge (débordement) de 10 à 20 cm par rapport à celui de l'ouverture d'alimentation. Le tourillon de décharge est souvent équipé d'un crible à spirale (trommel) permettant d'éliminer les matières étrangères.

Les dernières étapes du broyage primaire sont réalisées dans des broyeurs à tambour utilisant des billes d'acier comme milieu de broyage ; c'est pourquoi on les appelle “ broyeurs à billes ”. Les billes présentant une surface spécifique par unité de poids supérieure à celle des tiges, elles sont mieux adaptées au broyage fin. Le terme « broyeur à boulets » est réservé aux appareils dont le rapport longueur/diamètre est inférieur ou égal à 2 pour 1. Les broyeurs à boulets dont le rapport longueur/diamètre est compris entre 3 et 5 sont appelés « broyeurs tubulaires ». Ces derniers sont parfois divisés en plusieurs compartiments longitudinaux, chacun contenant une composition de charge différente ; les charges peuvent être des boulets ou des tiges d’acier, ou encore des galets, et ils sont souvent utilisés à sec pour broyer le clinker de ciment, le gypse et le phosphate. Les broyeurs tubulaires ne comportant qu’un seul compartiment et utilisant comme milieu de broyage des particules de minerai dur tamisées sont appelés « broyeurs à galets ». Ils présentent un avantage par rapport aux broyeurs à boulets lorsqu’il est nécessaire d’éviter toute contamination par le fer. Étant donné que le poids des galets par unité de volume représente environ 35% à 55% de celui des billes d’acier, et que la puissance absorbée étant directement proportionnelle au poids de la charge, la puissance absorbée et la capacité des broyeurs à galets sont proportionnellement plus faibles. Ainsi, dans un circuit de broyage donné, pour un débit d’alimentation donné, un broyeur à galets serait beaucoup plus grand qu’un broyeur à billes, avec un coût d’investissement proportionnellement plus élevé.

Les broyeurs à boulets peuvent être de simples broyeurs à débordement sur tourillon, fonctionnant en circuit ouvert ou fermé, ou des broyeurs à décharge par grille (décharge à bas niveau). Ce dernier type est équipé de grilles de décharge situées entre le corps cylindrique du broyeur et le tourillon de décharge. La pulpe peut s'écouler librement à travers les ouvertures de la grille, puis est remontée jusqu'au niveau du tourillon de décharge (fig. 5.10). Ces broyeurs présentent un niveau de pulpe plus bas que les broyeurs à débordement, ce qui réduit le temps de séjour des particules dans le broyeur. Par conséquent, le surbroyage est limité et le produit contient une forte proportion de matière grossière, qui est renvoyée vers le broyeur par un dispositif de classification. Les broyeurs à décharge par grille acceptent généralement une charge plus grossière que les broyeurs à débordement et ne sont pas tenus de broyer aussi finement, la raison principale étant que, lorsque la charge est constituée de nombreuses petites billes, la surface ouverte de la grille se bouche très rapidement. Le broyeur à débordement à tourillon est le plus simple à utiliser et est employé pour la plupart des applications de broyage à billes, en particulier pour le broyage fin et le rebroyage. Sa consommation d’énergie serait inférieure d’environ 15% à celle d’un broyeur à décharge par grille de même taille, bien que les rendements de broyage des deux broyeurs soient similaires.

Broyeur à décharge par grille

Les circuits de broyage offrant le plus haut débit dans l'industrie minière utilisent des broyeurs autogènes (AG) ou semi-autogènes (SAG). Un broyeur AG est un broyeur à tambour qui utilise le minerai lui-même comme corps de broyage. Le minerai doit contenir suffisamment de fragments solides pour servir de corps de broyage et présenter de préférence une densité élevée, ce qui favorise, par exemple, le broyage AG des minerais de fer (densité de 4 contre 2,7 pour les minerais riches en silicates). Un broyeur SAG est un broyeur autogène qui utilise des billes d’acier en complément des agents de broyage naturels. Dans les broyeurs SAG, les charges de billes se sont généralement révélées les plus efficaces dans une fourchette comprise entre 4% et 15% du volume du broyeur, vides compris. En Afrique du Sud, les broyeurs SAG peuvent présenter une charge de billes pouvant atteindre 35% du volume du broyeur.

Les broyeurs AG/SAG remplacent généralement les deux dernières étapes de concassage (secondaire et tertiaire) ainsi que le broyage à tiges du circuit traditionnel. Cela présente plusieurs avantages par rapport au circuit traditionnel : un coût d’investissement moindre, la capacité de traiter une large gamme de types de minerais, y compris les charges collantes et argileuses, des schémas de traitement relativement simples, des équipements de grande taille, des besoins en main-d’œuvre réduits et une consommation d’acier moindre. L’utilisation du broyage AG/SAG s’est tellement généralisée que de nombreuses usines existantes procèdent à leur modernisation, tandis que les nouvelles usines envisagent rarement une conception qui ne les inclut pas. Cette tendance pourrait ne pas se poursuivre à l’avenir, car de nouvelles technologies telles que le concassage fin, les broyeurs à rouleaux haute pression et le broyage ultrafin (broyage agité) offrent des options alternatives pour les schémas de traitement. La figure 5.11 présente un schéma des différentes sections d’un broyeur autogène. Les broyeurs AG ou SAG se définissent par le rapport d’aspect de l’enveloppe du broyeur et par le mécanisme de décharge du produit. Le rapport d’aspect est défini comme le rapport entre le diamètre et la longueur. Les rapports d’aspect se répartissent généralement en trois groupes : les broyeurs à rapport d’aspect élevé, dont le diamètre est compris entre 1,5 et 3 fois la longueur ; les “ broyeurs carrés ”, dont le diamètre est approximativement égal à la longueur ; et les broyeurs à faible rapport d’aspect, dont la longueur est comprise entre 1,5 et 3 fois celle du diamètre. Les broyeurs SAG les plus grands peuvent atteindre 12 m de diamètre pour 6,1 m de longueur et sont entraînés par un moteur d’une puissance supérieure à 20 MW. De nombreux broyeurs à rapport d’aspect élevé, en particulier les unités de grand diamètre, présentent des extrémités coniques plutôt que plates. Il convient donc d’accorder une attention particulière à la définition de la longueur du broyeur. À l’intérieur de la chambre de broyage, le broyeur est revêtu de plaques d’usure maintenues par des barres de levage boulonnées à l’enveloppe. Les barres de levage sont essentielles pour réduire le glissement de la charge du broyeur, qui provoque une usure rapide des revêtements et nuit également à l’action de broyage. La forme et la géométrie des barres de levage, en particulier leur hauteur et l’angle de leur face, ont une influence significative sur les performances de broyage et les taux d’usure. La grille sert à retenir les corps broyants et les gros morceaux de roche, tout en laissant passer les particules fines et la boue

Schéma illustrant différentes sections d'un broyeur AG

pour permettre le passage. Les ouvertures de la grille peuvent être carrées, rondes ou en fentes, leur taille variant de 10 mm à 40 mm. Dans certaines installations, la grille comporte de grands orifices de 40 mm à 100 mm, appelés « orifices à galets », qui permettent d’extraire les galets et de les broyer (à une taille de 12 à 20 mm) avant de les renvoyer vers le broyeur.

La boue composée de particules plus petites que les ouvertures de la grille est évacuée vers les chambres du relevage de pâte.

Les élévateurs de pulpe, disposés radialement comme le montre la figure 5.12, tournent avec le broyeur et acheminent la boue vers le tourillon de décharge, puis hors du broyeur. Chaque chambre de levage de la pulpe est vidée avant le cycle suivant afin de créer un gradient à travers la grille permettant le transport de la boue de la chambre de broyage vers les chambres de levage de la pulpe. Il existe deux types de conception de levage de la pulpe : radiale et courbe, également appelée spirale (voir fig. 5.12). Le modèle radial (ou de type droit) est plus courant dans l’industrie du traitement des minéraux. Alors que la majeure partie de la boue passant à travers la grille est évacuée du broyeur via le tourillon de décharge, une partie de la boue présente dans la chambre de l’élévateur de pulpe reflue dans le broyeur à mesure que celui-ci tourne.

Modèles classiques de relevage de pâte à papier