CHAPITRE I. GENERALITES SUR LA FRAGMENTATION
I.1. INTRODUCTION
La matière abattue au cours de l'exploitation du
gisement est constituée de blocs plus ou moins volumineux en fonction
des caractéristiques du gisement (nature de la minéralisation,
compacité, fracturation naturelle...) et du mode d'abattage
utilisé.
Pour différentes raisons, il est
généralement important de poursuivre la réduction
dimensionnelle des blocs :
? permettre la manutention, le stockage et le transport plus
aisé du minerai abattu ;
? les matériaux utilisés en génie civil
(granulats pour bétons,...) doivent avoir des caractéristiques
granulométriques bien déterminées.
? les minerais métalliques font l'objet de traitements
chimiques (pyro et hydro) et certaines substances minérales sont
utilisées dans des processus chimiques. Une augmentation de la surface
spécifique permet d'accroitre la cinétique des réactions
chimiques ou de donner accès aux phases minérales à mettre
en solution (Hydro métallurgie). (NDOLWA.C ; 2014)
Le terme fragmentation définit toute opération
conduisant à la réduction dimensionnelle des grains d'un
matériau. Elle se fait souvent en deux grandes opérations : le
concassage et le broyage.
- Le concassage
On utilise souvent le terme concassage lorsque
l'opération de fragmentation des minéraux de roches s'effectue
sur de dimensions métriques aux centimétriques. Ce type de
fragmentation qui constitue la première partie du processus de
fragmentation d'un matériau après l'extraction du gisement, est
généralement obtenu par la compression et flexion de la
matière entre les surfaces rigides ou bien encore par l'impact de
celle-ci sur de telles surfaces. Le concassage se fait souvent dans un milieu
sec. (Corneille EK et Al. Masson ; 1973)
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- Le broyage
Le broyage est utilisé lorsque l'opération
concerne des particules dont la taille maximale est située aux alentours
du centimètre. Le broyage est obtenu par impact ou par abrasion entre la
matière à fragmenter et des corps broyant libres dans l'appareil
(boulet, barres...). Le broyage est souvent réalisé en deux
grandes étapes et avec un appoint d'eau pour palier à des
problèmes environnementaux et à des pertes des particules.
Un circuit de fragmentation peut comporter 3 à 6 stades
et ceci est lié à la granulométrie recherchée du
minerai. Dans le cas du concentrateur de Kolwezi, nous avons cinq stades qui
sont dans plusieurs usines de concentration ; on distingue :
- le concassage primaire : il fait la réduction
jusqu'à des dimensions de l'ordre de 100 à 150 mm. A ce niveau le
concentrateur de Kolwezi utilise un concasseur à mâchoires du type
Arbed ;
- le concassage secondaire : à ce niveau nous avons la
réduction de 150 mm jusqu'à une dimension de 50 mm ;
- le concassage tertiaire : il fait aussi office d'une
granulation, à ce stade, au Concentrateur de Kolwezi on a une dimension
de d80 qui vaut 19mm. Les moins de 19 mm sont envoyés au stockage et le
plus forment un circuit fermé au concassage ;
- le broyage grossier : depuis environ 12 à 25 mm
jusqu'à des dimensions de l'ordre de 1mm. A ce stade, le concentrateur
de Kolwezi utilise le broyeur à barres (Road-Mill 45) ;
- le broyage fin : depuis environ 1mm jusqu'à des
dimensions de l'ordre de 200 microns. Le broyage fin appelé aussi
broyage secondaire ; est l'étape finale de la fragmentation au
concentrateur de Kolwezi.
I.2. OBJECTIFS ET PROCESSUS DE LA
FRAGMENTATION
I.2.1. OBJECTIFS DE LA FRAGMENTATION
La fragmentation a pour objectif la conduite à un
état granulométrique acceptable à une utilisation
spécifique et à un traitement ultérieur à
appliquer. En traitement des minerais, la fragmentation a aussi comme objectif
la conduite à une libération satisfaite des différents
minéraux pour mieux exécuter l'opération de
séparation.
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En métallurgie, la fragmentation est d'une importance
capitale car elle conditionne la cinétique des opérations pour
lesquelles une finesse de minerai est souvent requise. (Corneille EK et Al.
Masson ; 1973).
I.2.2. PROCESSUS DE LA FRAGMENTATION
La fragmentation résulte des chocs, des impacts des
corps broyant, des frottements sur les grains de minerais. Un meilleur
rendement énergétique, la suppression des poussières sont
les principaux avantages qui poussent le broyage qui est souvent l'étape
qui précède la concentration par flottation à se faire en
voie humide sur une pulpe.
Pour sa réalisation, la fragmentation fait intervenir
un équipement et un appareillage qui exécutent différentes
tâches spécifiques et arrivent à fournir un résultat
meilleur en cas de contrôle parfait des paramètres fixés.
Il est important en préparation des minerais de limiter au maximum le
surbroyage qui est un problème sérieux car il conduit souvent
à l'utilisation des broyeurs courts en circuit fermé avec un
recyclage trop élevé de la charge circulante par les
classificateurs. (Corneille EK et Al .Masson ; 1973)
I.3. PROBLEME DE LA FRAGMENTATION
La fragmentation ne sait pas fournir des matériaux
ayant une même dimension ainsi qu'une même forme. Souvent elle
donne des particules de toutes formes dont les dimensions s'échellent
entre la dimension voulue et la dimension non désirée.
Les fines particules formées lors de la fragmentation
peuvent varier largement et dépasser le minimum inévitable quand
les contraintes appliquées au matériau pour le fragmenter sont
très énormes ou s'exercent sur des particules déjà
fragmentée ou quand les particules subissent une abrasion par
frottement. Ce phénomène de production excessive des fins est
appelé surbroyage. (Blazy P ; 1970)
En préparation des minerais, quelques raisons nous
montrent que le surbroyage
est très nocif :
- Une grande consommation inutile d'énergie : le
concentrateur dépense une quantité importante d'énergie
pour la production de fines particules ;
- avec des fines particules, les opérations de
concentration ne sont pas bien assurées.
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Une usine de préparation des minerais peut fonctionner
à perte par un surbroyage surtout si cette dernière traite les
minerais pauvres. On peut avoir un surbroyage considérable lorsque la
fragmentation s'effectuerait de telle sorte qu'à la sortie de l'appareil
utilisé tous les grains du matériau soient réduits en
dessous de la limite fixée. (Corneille EK et Al. Masson ; 1973)
Pour éviter ces problèmes de surbroyage, il
convient :
- D'opérer la fragmentation non pas un une seule
étape mais plutôt en plusieurs étapes dès que la
réduction volumétrique à obtenir est importante. Chaque
appareil pourra ainsi être bien adapté aux dimensions des grains
qu'il doit réduire ;
- A chacune des étapes préliminaires, de ne
laisser entrer dans l'appareil que les morceaux qui doivent y être
broyés et d'éliminer préalablement par une série de
tamisage les particules dont les dimensions sont déjà
inférieures à celle que l'on se propose avoir à cette
étape ;
- Laisser sortir du broyeur une quantité des grains
trop gros, non encore réduits à la dimension voulue puis de les
séparer des autres et de les rebroyer soit dans un autre broyeur.
La marche avec retour dans le même appareil s'appelle
circuit fermé et la proportion de matière recyclée est la
charge circulante. Celle-ci est d'une importance capitale que la
quantité d'alimentation nouvelle ; le rapport entre les deux peut
atteindre et même dépasser 400%.
Le problème fondamental de la fragmentation consiste
dès lors dans le choix du circuit opératoire qui permettra de
réduire économiquement la matière à la dimension
voulue sans un surbroyage excessif.
I.4. APPROCHE DU PROCESSUS DE FRAGMENTATION
L'impact économique de la fragmentation est très
considérable. Le coût des opérations est
élevé et la matière qu'il faut fragmenter est de nature
variée. En minéralurgie il faut en outre fragmenter toute la
gangue qui accompagne les utiles. Dans ces conditions, l'étude
scientifique du processus de fragmentation présente un
intérêt de grande importance car il n'est pas douteux qu'une
connaissance plus approfondie du phénomène permettrait
d'améliorer les méthodes et d'obtenir des rendements meilleurs
à moindres frais.
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Cette étude se révèle forte complexe et
difficile, elle est loin d'être terminée car l'évolution
scientifique fait toujours des merveilles chaque jour.
De ce fait, quelques horizons s'ouvrent aux chercheurs :
- La recherche d'un modèle mathématique de la
fragmentation par l'étude de la cinétique de l'opération
;
- La recherche d'une relation entre l'énergie
nécessaire à la fragmentation et la réduction
volumétrique obtenue ;
- L'étude de la structure de la matière, de la
thermodynamique de la fragmentation et de la propagation des fractures.
I.5. EVALUATION DU RENDEMENT D'UN CIRCUIT
BROYAGE-CLASSIFICATION
Fixer un schéma type universel des opérations de
fragmentation n'a jamais été possible. Chaque traitement des
matières minérales est un cas particulier et les schémas
varient suivant la nature des matériaux, les tonnages à
alimenter, les opérations de concentration envisagées. Il est
fréquent par ailleurs que les circuits de fragmentation et de
concentration se fusionnent l'un en l'autre.
La nécessité de la marche en circuit
fermé au stade ultime du broyage a été longuement
explicitée. Il subsiste cependant encore une controverse auprès
des théoriciens et praticiens du broyage quant à la proportion
optimale de charge circulante, à savoir celle qui rend la
capacité maximale et la dépense énergétique
minimale. D'aucuns sont partisans d'une forte charge circulante (400% et plus),
d'autres d'une faible charge circulante (100 à 200%).
Une étude basée sur la transposition des
résultats obtenus dans un circuit ouvert au circuit fermé partant
des courbes de débits d'alimentation et de charges circulantes pour les
différents tonnage de production d'un broyeur laisse voir qu'à
une augmentation de la charge circulante correspond une alimentation
parallèle du rendement de classification, si bien qu'au-dessus de 200%
de charge circulante, l'avantage devient insignifiant. Cette étude qui
tente d'apporter une solution au problème de la charge circulante est
dite ? étude de HUKKI ?. (Corneille EK et Al. Masson ; 1973).
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I.6. OBJECTIFS ET APPAREILLAGE DE LA
CLASSIFICATION
I.6.1. OBJECTIFS DE LA CLASSIFICATION
La classification est réalisée pour une
séparation des particules ayant une dimension inférieure à
une dimension de référence par une voie indirecte sur le plan
industriel. La sédimentation, l'élutriation différentielle
suivant la dimension des particules sont les propriétés sur
lesquelles la classification est basée.
La classification donne un classement par équivalence
de vitesse de dépôt où interviennent concurrentiellement la
dimension mais aussi la forme et la masse spécifique. Dans les
classificateurs, les particules fines à vitesse de sédimentation
lente sont entrainées par le débordement de la pulpe ; ce produit
s'appelle la surverse (OF). Au contraire les particules de grande dimension
sédimentent vers le fond dans un produit dénommé sous
verse (UF).
I.6.2. APPAREILLAGE DE LA CLASSIFICATION
Il existe plusieurs catégories d'appareil pour
effectuer une classification en voie humide ou voie sèche. Lors d'une
préparation des minerais, nous faisons recours aux classificateurs en
pulpes à savoir :
? Classificateurs hydrauliques à sédimentation ;
? Classificateurs mécaniques ;
? Les classificateurs hydrauliques à élutriation
;
? Les classificateurs hydrauliques à centrifugation :
deux grandes types d'appareils appartiennent à cette classe de
classificateurs, il s'agit des centrifuges et des hydrocyclones.
Au concentrateur de Kolwezi, l'hydrocyclone est l'appareil de
classification utilisé. I.6.2.1. LES HYDROCYCLONES
L'hydrocyclone est constitué d'un cylindre court
plongé vers le bas par un cône. Le produit à classer est
injecté en pulpe sous une pression tangentielle à la partie
supérieure de l'appareil et suit une trajectoire en spirale. (NDOLWA C ;
2014)
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