Cours de fragmentation des solides: introduction

Les opérations de fragmentation, qui conduisent à réduire les dimensions caractéristiques d'un matériau solide, peuvent avoir divers objectifs parmi lesquels on peut citer de faciliter le stockage, le transport, le triage, le mélange ou la dissolution, la réactivité chimique (liste non limitative).

On distingue les termes suivants relatifs à cette réduction de taille:

• débitage: réduction des gros blocs issus de mine ou de carrière en éléments de dimensions supérieures à 100 mm
• concassage: réduction à des dimensions allant de 25 à 100 mm
• granulation: réduction à des dimensions allant de 6.3 à 25 mm
• broyage: réduction à des dimensions comprises entre 0.4 et 6.3 mm
• pulvérisation: production de particules inférieures à 0.4 mm
• micronisation: réduction à des dimensions de l'ordre du micron
• défibrage: fragmentation des matières fibreuses (bois, végétaux, ...)
• déchiquetage: réduction par hachage des matières flexibles
• découpage: sciage ou cisaillement pour obtenir des fragments réguliers.

Autres définitions:

• Taux de réduction : c’est le rapport des dimensions moyennes avant et après fragmentation. Le taux de réduction varie de 5 à 100 environ.
• Dureté : elle est définie par rapport à un autre matériaux. Un solide est plus dur qu’un autre si il le raye et n’est pas rayé par lui. L’échelle de dureté couramment utilisé est l’échelle de MOHS : Talc 1, Gypse 2, Marbre,-calcaire-soufre 3, Fluorine 4, Apatite-bauxite 5, Feldspath 6, Quartz-granit 7, Topaze 8, Corindon-saphir-Emeri 9, Diamant 10. Cette dureté est moins importante pour la broyabilité que pour l’usure.
• Friabilité : sans rapport avec la dureté, c’est la facilité avec laquelle une substance est brisée par percussion. Le charbon et le diamant sont, des substances friables, les matières plastiques ne sont pas friables.
• Taux d’humidité : un taux d’humidité généralement admis est de 1 à 4%. Au delà, il y a un risque de formation de pâte avec blocage du broyeur

Voie sèche ou voie humide : la voie humide est utilisée lorsque le produit se présente à l’état mouillé ou si il sera utilisé humide. La voie sèche est préférée si le produit doit ensuite être séché, et également pour éviter son agglomération.

Consommation d’énergie : la consommation d’énergie lors d’un broyage est importante, et augmente avec la finesse désirée. Lors du broyage à sec, la consommation énergétique supplémentaire peut atteindre 30%, mais l’avantage du broyage humide est perdu si le produit doit ensuite être séché ou désaggloméré.

Différentes opérations mécaniques sont utilisées pour la fragmentation des solides:

• écrasement des particules entre une plaque fixe et une plaque mobile (1 m.s^-1)
• percussion par projection des grains sur des surfaces fixes (100 m.s^-1)
• percussion des particules fixes par un corps broyant se déplaçant à des vitesses > 100 m.s^-1 
• percussion entre particules
• cisaillement
• attrition, abrasion, usure par frottements entre deux corps rigides entre lesquels sont placées les particules solides

On classe en général les appareils de fragmentation en fonction des dimensions des solides qu'ils traitent:

• concasseurs pour l'obtention de gros fragments
• broyeurs pour la production de poudre
• pulvérisateurs, microniseurs ou super-broyeurs pour la préparation de poudres très fines
• désintégrateurs pour fragmenter les matières fibreuses.

Parmi les nombreux types d'appareils industriels, on peut citer:

• Concasseurs à machoires
• Concasseurs giratoires
• Concasseurs à cylindres
• Broyeurs à cylindres
• Broyeurs à meules
• Broyeurs à disques
• Broyeurs rotatifs à percussion (à marteaux, à broches)
• Broyeurs rotatifs à barres, à boulets
• Superbroyeurs, microniseurs

Nombres caractéristiques

Rapport de réduction

n=D/d

avec D dimension initiale caractéristique, et d dimension finale caractéristique.

Chaque appareil est spécialisé pour une gamme de rapport de réduction déterminée. Si l'on souhaite réduire un minerai dont les blocs font 30 cm en fragments de 0.4 mm, le rapport de réduction vaut 300/0.4 = 750, ce qui est trop élevé pour être réalisé dans un seul appareil. On opérera donc par exemple en 3 étapes:

concassage pour fournir des fragments de dimension moyenne 3 cm

granulation pour fournir des particules de 6 mm

broyage pour obtenir la dimention finale de 0.4 mm.

Energie de broyage

E = k ( 1/d - 1/D )

k dépend du produit et du broyeur. L'énergie de broyage est proportionnelle à la somme des nouvelles surfaces crées au cours de l'opération. Mais son calcul reste aléatoire. Il faut noter que l'énergie de broyage est faible (~3%) devant l'énergie nécessaire à l'ensemble de l'installation de broyage, notamment en raison des frottements et de l'énergie nécessaire au transport des solides.