Concasseurs

Les concasseurs de roches peuvent se classer en deux grandes catégories : d'un côté, les concasseurs à compression, qui compriment les matériaux jusqu'à leur rupture, de l'autre les concasseurs à percussion, qui délivrent des impacts rapides sur les matériaux à broyer. Les concasseurs à mâchoires, les concasseurs giratoires et les concasseurs à cône fonctionnent sur le principe de la compression. Les concasseurs à percussion, pour leur part, fonctionnent sur le principe de l'impact.

Concasseurs à mâchoires

Les concasseurs à mâchoire sont principalement utilisés à l'étape primaire. Leur rôle essentiel consiste à réduire les matériaux à une taille suffisamment petite pour qu'ils puissent être acheminés par des convoyeurs vers les étapes de concassage / broyage suivantes.

Comme le suggère leur nom, ils disposent de mâchoires – l'une fixe, l'autre mobile – qui écrasent les roches et autres matériaux pris entre elles. La mâchoire mobile est montée sur une bielle à mouvement elliptique, tandis que la mâchoire fixe ne se déplace pas. Lorsque les matériaux passent entre les deux mâchoires, celles-ci compriment les larges roches en morceaux de plus petite taille.  

Il existe deux types basiques de concasseurs à mâchoires : à simple effet ou à double effet. Dans les concasseurs à simple effet, un arbre excentrique est monté au sommet de la machine. Sa rotation entraîne la bielle qui effectue l'action de compression.

Un concasseur à double effet possède deux arbres et deux bielles. Le premier arbre est un arbre pivotant monté au sommet de la machine, tandis que le second est un arbre excentrique qui entraîne les deux bielles.

Le mouvement de « mastication », qui cause la compression à la fois à l'entrée des matériaux et à l'extrémité de décharge, permet une meilleure capacité du concasseur à simple effet par rapport à un concasseur à double effet de taille équivalente. Les concasseurs à mâchoire proposés par Metso sont donc tous à simple effet.

Concasseurs giratoires

Les concasseurs giratoires sont fréquemment utilisés à l'étape de broyage primaire et un peu moins fréquemment à l'étape secondaire.

Les broyeurs giratoires sont dotés d'un arbre oscillant. Les matériaux sont broyés dans une chambre, entre un élément extérieur fixe (la mâchoire fixe) et un élément intérieur mobile (la mâchoire mobile) monté sur l'ensemble d'arbre oscillant.

La compression continue ainsi générée entre les mâchoires de la chambre entraîne la fragmentation des matériaux. Un effet de broyage supplémentaire se produit entre les particules compressées elles-mêmes, ce qui se traduit par une usure moins importante des mâchoires.

Les concasseurs giratoires sont équipés d'un système de réglage hydraulique, qui permet de réguler la granulométrie des matériaux broyés.

Concasseurs à cône

Les concasseurs à cône sont utilisés dans les étapes de broyage secondaire, tertiaire et quaternaire. Il arrive cependant, lorsque la granulométrie naturelle des matériaux traités est suffisamment petite, que l'étape de broyage primaire classique ne soit pas indispensable. Dans un tel cas, les broyeurs à cône peuvent alors assurer l'étape primaire du process de concassage.     

Les concasseurs à cône posés sont dotés d'un arbre fixe et les matériaux sont broyés dans une chambre, entre un élément extérieur fixe (la mâchoire fixe) et un élément intérieur mobile (la mâchoire mobile).

Un excentrique emmanché sur l’arbre fixe génère le mouvement d'oscillation de la mâchoire mobile entre la position ouverte et la position fermée, ainsi que l'ouverture de décharge.

La compression continue ainsi générée entre les mâchoires de la chambre entraîne la fragmentation des matériaux. Un effet de broyage supplémentaire se produit entre les particules compressées elles-mêmes, ce qui se traduit par une usure moins importante des mâchoires. On parle alors d’auto-concassage.

Le réglage de la machine est assuré en faisant tourner un bol afin de modifier la position verticale de la pièce d'usure supérieure (mâchoire fixe). L'un des avantages de ce type d'ajustement est une usure très régulière des mâchoires.

Afin d'optimiser les coûts et d'améliorer la forme des produits, il est recommandé de toujours alimenter les broyeurs à cône à plein, c'est-à-dire que la chambre doit toujours être aussi pleine de matériaux que possible. Cela peut se faire facilement en utilisant une trémie tampon pour réguler les inévitables fluctuations du débit d'alimentation en matériaux. Des dispositifs de surveillance du niveau permettent de détecter les niveaux maximum et minimum de matériaux et de réguler l'alimentation du broyeur en fonction.

Concasseurs à percussion

Les concasseurs à percussion sont des matériels de concassage polyvalents, qui peuvent être utilisés à diverses étapes du process de concassage. Toutefois, les caractéristiques et capacités des différents types de broyeurs à percussion varient considérablement.

Les concasseurs à percussion se déclinent habituellement en deux types principaux: les concasseurs à arbre d'impact horizontal (HSI) et les concasseurs à arbre d'impact vertical (VSI). Ces différents types de broyeurs à percussion fonctionnent sur le même principe de broyage par impact afin de réduire la granulométrie des matériaux, mais leurs caractéristiques, leurs capacités et leurs applications de prédilection sont très différentes.

Les concasseurs à arbre d'impact horizontal (HSI) sont utilisés dans les étapes de broyage primaire, secondaire et tertiaire. Les concasseurs HSI broient les matériaux alimentés par des impacts très intenses, générés par la rotation rapide de percuteurs fixés à un rotor. Les particules produites sont ensuite fragmentées plus finement à l'intérieur du broyeur, par collision contre la chambre et entre elles, permettant l'obtention d'un produit plus fin et mieux formé.

Les concasseurs à arbre d'impact vertical (VSI), pour leur part, sont utilisés dans la dernière étape du process de concassage – en particulier lorsque le produit recherché doit avoir une forme cubique précise. 

Les concasseurs VSI peuvent être considérés comme des « pompes à pierres » qui fonctionnent comme une pompe centrifuge. Les matériaux sont alimentés par le centre du rotor, où ils sont accélérés à haute vitesse avant d'être déchargés à travers les orifices pratiqués sur la périphérie du rotor. Les matériaux sont broyés lors de leur projection à haute vitesse contre le corps extérieur et lors de la collision des particules entre elles.

Sélectionner l'équipement de concassage le plus adapté peut être une tâche compliquée. Heureusement, il existe des outils et des logiciels qui permettent de simplifier l'étude des options existantes et de faciliter la prise de décision. À la racine de ces analyses se trouvent des calculs précis, qui tiennent compte des capacités et des contraintes des différents broyeurs et des exigences opérationnelles.

Chaque chantier de broyage est différent et les résultats optimaux sont généralement obtenus en associant les conclusions théoriques à l'expérience des différents matériaux, des conditions d'exploitation, des besoins en maintenance et des aspects économiques des diverses alternatives.

Nous présentons brièvement ci-dessous certaines considérations essentielles relatives aux étapes de broyage. Bien qu'il convienne de définir la meilleure solution technique répondant à vos exigences, il convient de se rappeler que de nombreux broyeurs sont disponibles aussi bien dans des versions fixes que mobiles ou portables – ce qui vous permet de déplacer régulièrement vos équipements d'un emplacement ou d'un site à l'autre.

Si vous souhaitez obtenir des analyses plus détaillées propres à vos opérations de broyage, nous vous invitons à contacter les experts Metso. Nous disposons d'une expérience pratique couvrant des milliers d'applications de broyage différentes dans le monde entier et serons ravis de vous aider à trouver l'équipement le plus adapté à vos besoins.

La mission principale d'un concasseur primaire consiste à réduire les matériaux en particules d'une taille permettant leur transport par bande transporteuse. Dans la plupart des installations de concassage, cette étape fait appel à un concasseur à mâchoire. Les installations de très haute capacité, communes dans l'exploitation minière mais moins répandues dans la production de granulats, font habituellement appel à un concasseur giratoire. Lorsque les matériaux à traiter sont faciles à broyer et peu abrasifs, un concasseur à percussion pourra s'avérer le meilleur choix pour l'étape de concassage primaire.

L'une des caractéristiques les plus importantes d'un concasseur primaire est sa capacité à accepter l'alimentation en matériaux sans blocage. Un concasseur primaire de grande taille sera évidemment plus coûteux qu'un modèle de plus petite taille. Par conséquent, les calculs du coût d'investissement relatifs aux concasseurs primaires doivent être comparés aux coûts totaux des étapes primaires, intégrant notamment les coûts associés au minage. Dans la plupart des cas, des camions transportent les roches vers un concasseur primaire fixe. Cette solution peut s'avérer coûteuse. Les coûts d'amortissement des véhicules, de carburant, de pneumatiques et de maintenance peuvent être pris en compte lorsque ceux-ci sont fortement sollicités. Dans les opérations modernes de production d'agrégats, l'utilisation de concasseurs primaires mobiles capable de se déplacer le long du front d'abattage représentera, dans de nombreux cas, la solution la plus économique.

Concassage primaire par concasseur à mâchoires

En termes de taille de l'ouverture d'alimentation, le client obtiendra un meilleur retour sur investissement en optant pour un concasseur à mâchoires comme concasseur primaire. Ce choix se traduira par moins de perçage et de dynamitage, le concasseur acceptant des roches de plus grande taille. L'inconvénient de ce type de broyage, lorsqu'une capacité élevée est requise, étant sa largeur de décharge relativement réduite, qui limite sa capacité comparativement au circuit de décharge d'un concasseur giratoire. Les concasseurs à mâchoires sont principalement utilisés dans les installations produisant jusqu’à 1600 t/h.

Concassage primaire par concasseur giratoire

L'utilisation d'un concasseur giratoire dans l'étape primaire permet une capacité élevée grâce à la large ouverture de décharge circulaire (d'une surface bien supérieure à celle d'un concasseur à mâchoires) et au principe de fonctionnement continu – là où le mouvement d’aller-retour du concasseur à mâchoire effectue une action de concassage par intermittence. Le concasseur giratoire ne connaît aucun rival pour les grandes installations de capacité supérieure à 1200 t/h. Afin de proposer une ouverture d'alimentation équivalente à celle d'un concasseur à mâchoire, un concasseur giratoire primaire devra être bien plus haut et lourd. En outre, il nécessitera une fondation relativement importante.

Concassage primaire par concasseur à percussion

L'utilisation d'un concasseur à percussion dans l'étape primaire permet une capacité élevée et l'acceptation d'une alimentation à la granulométrie élevée. Les concasseurs à percussion primaires sont utilisés pour des débits de 200 t/h jusqu'à 1900 t/h, avec une granulométrie d'alimentation jusqu'à 1830 mm pour le modèle le plus large. Les concasseurs à percussion primaires sont généralement employés dans les applications non abrasives et lorsque la production de fines n'est pas un problème. De tous les types de concasseurs primaires existant, le concasseur à percussion est celui qui donnera les produits les plus cubiques.

La phase de concassage intermédiaire vise à produire plusieurs produits de type grossier, comme par exemple des granulats destinés à la fondation des routes, ou à préparer les matériaux en vue de leur broyage final. En général, les étapes de broyage secondaire, tertiaire et quaternaire permettent d'obtenir la meilleure réduction possible au coût le plus faible.

Si le concassage intermédiaire vise à produire du ballast pour les chemins de fer, la qualité du produit sera importante. Dans les autres cas, il n'existera généralement pas d'exigences de qualité – excepté l'adéquation des produits à la production de fines.

Les concasseurs à cône sont souvent utilisés pour le broyage intermédiaire du fait de leur capacité élevée et de leur faible coût d'exploitation

Concassage fin à l'aide de concasseurs à cône

De par leur conception, les concasseurs à cône représentent généralement un investissement plus important que les concasseurs à percussion. Toutefois, lorsqu'ils sont correctement employés, les concasseurs à cône offrent un coût d'exploitation inférieur à celui d'un concasseur à percussion conventionnel. Par conséquent, il est recommandé aux clients appelés à broyer des matériaux durs ou abrasifs d'installer des concasseurs à cône pour leurs étapes de broyage finale et de mise en forme cubique. Les concasseurs à cône peuvent, dans la plupart des cas, conférer une bonne forme cubique aux produits fins. Ils peuvent en outre être adaptés à différentes applications. Il s'agit d'un facteur important, les besoins des clients changeant souvent au cours de la vie d'un concasseur.
Afin d'obtenir une forme cubique optimale avec les concasseurs à cône, certaines règles doivent être respectées. Voici ces « règles d'or » :

1. La chambre de broyage doit être pleine. Cela signifie que la tête de cône doit être couverte de roches.
2. L'alimentation doit être stable et continue.
3. Les matériaux de taille inférieure au réglage doivent représenter 10 à 30 % du volume d'alimentation.
4. La granulométrie maximum de l'alimentation doit être respectée. Le rapport de réduction doit être limité à 3 (-4). La granulométrie maximum recommandée est de 50 mm.
5. L'alimentation doit être correctement distribuée. La distribution de l'alimentation doit se faire sans ségrégation et de manière uniforme dans la chambre de broyage.
6. Le réglage doit être proche du produit recherché.
7. Le point d'étranglement doit être correct. Cela impose la juste sélection des chambres en fonction de l'alimentation.
8. Le concasseur joue également un rôle. Les cônes de nouvelle génération permettent d'obtenir une forme considérablement meilleure que les machines d'ancienne génération. Cela s'explique par l'amélioration de la cinématique des concasseurs et de la forme de leur chambre.
9. Le fonctionnement doit s'effectuer en circuit fermé. Cela améliore la forme par un effet d'attrition, permet une courbe d'alimentation constante et autorise le rebroyage des produits friables. Dans l'étape secondaire, le circuit fermé calibre l'alimentation en vue de l'étape tertiaire.
10. Le flux de travail global doit être bien conçu. Il est important, en particulier dans la production d'agrégats de très haute qualité (forme précise), d'utiliser des circuits sélectifs – ce qui signifie que les produits secondaires et tertiaires ne doivent pas être mélangés.

Broyage fin à l'aide de concasseurs à percussion

Les concasseurs à percussion se distinguent en deux principaux types.
Le type conventionnel fait appel à une configuration d'arbre horizontale, dite « HSI ». L'autre type est un concasseur centrifuge à arbre vertical, communément appelé « VSI ». Le fonctionnement des concasseurs à percussion repose sur le principe d'un transfert rapide de l'énergie d'impact aux roches. Les concasseurs à percussion produisent des agrégats cubiques et permettent d'obtenir des rapports de réduction élevés, à condition que les matériaux alimentés ne soient pas trop fins. Cela signifie qu'il est possible, dans certains cas, d'utiliser un seul concasseur à percussion pour effectuer une tâche nécessitant normalement plusieurs étapes de broyage faisant appel à des concasseurs par compression (c.-à-d. des concasseurs à mâchoire, des concasseurs giratoires et/ou des concasseurs à cône). Les concasseurs à percussion sont principalement utilisés pour les matériaux non abrasifs.
Les deux principaux types de concasseur à percussion peuvent se subdiviser en plusieurs groupes.
Les concasseurs à percussion conventionnels à arbre horizontal sont proposés en diverses tailles et modèles, des concasseurs primaires haute capacité pour les grandes carrières de calcaire aux machines spécialisées dans le broyage de matériaux tels que le laitier.
Il existe deux principales catégories de concasseurs VSI – l'une faisant appel à des pièces d'usure à l'impact situées autour du corps, et l'autre qui utilise une couche de matériaux accumulés. À de nombreux égards, la première catégorie s'apparente aux concasseurs à percussion conventionnels à arbre horizontal et rotor. La seconde catégorie a gagné en popularité au cours de la dernière décennie, sous le nom de « concasseur Barmac ». La différence entre un concasseur à percussion conventionnel et un concasseur VSI de type Barmac, est que ce dernier permet un plus faible coût d'exploitation, en contrepartie d'un rapport de réduction moins élevé toutefois. Dans un concasseur VSI Barmac, les matériaux sont soumis à un intense process de concassage roche contre roche. Dans les autres concasseurs, la majeure partie de la réduction se fait à travers l'impact de la roche contre le métal.

Les clients utilisant des installations anciennes, remises en condition ou développées, rencontrent souvent des problèmes de forme des produits. Dans de tels cas, l'ajout d'un concasseur VSI Barmac au niveau de l'étape de broyage final permet d'apporter une solution à ce problème. Il en va de même pour bon nombre d'unités de broyage mobiles. Le nombre d'étapes de broyage étant généralement réduit pour ce type d'installation, il est quasiment impossible d'obtenir une forme de produit satisfaisante si la roche n'est pas relativement tendre et donc plus adéquate à la formation de produits cubiques. Un concasseur centrifuge à l'étape finale permet de répondre à ce problème.

La capacité de l'installation et la granulométrie de l'alimentation sont les principaux facteurs intervenant dans la sélection d'un concasseur primaire. Afin d'assurer les bonnes performances de l'installation primaire et d'éviter les pertes de production, il est nécessaire d'établir une corrélation adéquate entre la granulométrie des matériaux alimentés et les dimensions de l'ouverture d'alimentation du concasseur. Cela signifie que la granulométrie maximum des matériaux alimentés doit être de l'ordre de 60 à 80 % de l'ouverture d'alimentation du concasseur. Les facteurs pouvant affecter le choix incluent le type d'alimentateur utilisé, le débit de matériaux vers le concasseur, ainsi que la disponibilité des moyens nécessaires (tels que des brise-roches) à l'élimination des roches de trop grande taille en cas de blocage au niveau de l'ouverture d'alimentation. Lorsque les exigences en termes de capacité sont très élevées, le choix naturel s'orientera vers un concasseur primaire de type giratoire.

Évidemment, une grande ouverture d'alimentation sera toujours un avantage. Toutefois, en pratique, la limite sera définie par la capacité de l'installation et le budget alloué aux investissements.