Guide complet des concasseurs à cône et à percussion à axe vertical, et raison de leur utilisation conjointe dans les installations de concassage-criblage de granulats et de minerai
Dans cet article, nous examinerons les principes de fonctionnement, la structure, les composants ainsi que les calculs de capacité et de puissance des concasseurs à cône et des concasseurs à percussion à axe vertical de type tertiaire, qui forment un duo indissociable en tant que concasseurs secondaires et tertiaires dans les installations de granulats où sont concassées principalement des roches volcaniques telles que le basalte, le granite, le diabase et similaires. Nous expliquerons la raison de leur utilisation conjointe. Nous donnerons des exemples d'installations où ils sont utilisés.
Concasseurs à cône Hidrokon
Les concasseurs à cône sont des concasseurs à compression.
Figure 1 nous voyons la vue en coupe du concasseur à cône de type Hidrokon ainsi que les principaux composants qui constituent ce concasseur. L'arbre principal du concasseur est monté de façon excentrée à l'intérieur de la pièce appelée excentrique, laquelle est logée dans le bâti inférieur, entraînée par un système d'engrenages coniques et mise en rotation à une certaine vitesse de giration. L'arbre principal est également monté dans le palier en araignée situé dans la partie supérieure du bâti supérieur. L'arbre principal repose sur le palier de butée situé au-dessus du piston hydraulique (hydroset) fixé au bâti inférieur du concasseur. Ce palier reprend les charges axiales appliquées à l'arbre principal. La mâchoire mobile conique (mantle) est fixée sur le moyeu conique lié à l'arbre principal du concasseur. Sur la partie intérieure du bâti supérieur est fixée la mâchoire fixe conique (concave), également conique et de forme spéciale.
Le système hydroset est un vérin hydraulique qui règle l'ouverture entre la mâchoire mobile (mantle) et la mâchoire fixe (concave), c'est-à-dire qu'il contrôle la taille du produit.
Pendant le fonctionnement, la mâchoire mobile s'approche et s'éloigne de la mâchoire fixe sur toute la circonférence de 360°, appliquant ainsi une pression sur le matériau. Autrement dit, nous pouvons définir le concasseur à cône comme un concasseur à mâchoires ayant un nombre infini de mâchoires.
Nous voyons le principe de concassage du concasseur à cône sur la Figure 2.
Formule de capacité de Rose & English
Wi: Indice de travail de Bond
D: Diamètre du bol
LMAX: Valeur de réglage côté ouvert (OSS)
LMIN: Valeur de réglage côté fermé (CSS)
R: Taux de réduction granulométrique
K: Facteur statistique. Pour les matériaux tendres comme le charbon et le coke K = 0,5, pour les matériaux durs comme le quartz et le granite K = 1
ρs: Densité du matériau concassé
Formule de puissance moteur de Rose & English
P: Puissance du moteur, KW
Wi: Indice de travail de Bond
Q: Capacité, TPH
F80: Dimension au travers de laquelle passe 80% du matériau d'alimentation, micron
P80: Dimension au travers de laquelle passe 80% du matériau concassé, micron
Formule de la vitesse de giration du concasseur à cône :
n: Régime de giration du concasseur à cône, RPM
μ: Coefficient de frottement entre l'acier et le matériau concassé (compris entre 0,2 et 0,3)
d: Taille maximale du produit, cm
α: Angle formé par la surface du cône de concassage avec l'horizontale
Calcul de la force de concassage
n: Vitesse de giration, RPM
FB: Force de concassage, kN
N: Puissance du moteur, KW
x: Distance entre les génératrices du cône, mm
α: Moitié de l'angle du cône
β: Angle de giration
Concasseurs à percussion à axe vertical de type tertiaire
Principe de fonctionnement des concasseurs à percussion à axe vertical de type tertiaire
Le rotor de ces concasseurs est fermé et entièrement revêtu d'une boîte à pierres. Le rotor fonctionne comme une pompe à pierres à haute vitesse : il confère une vitesse élevée au matériau qui y pénètre et fournit un flux de pierres à grande vitesse vers le groupe de plaques de concassage constitué de l'étagère à pierres fixée au bâti, assurant ainsi un concassage pierre contre pierre (rock on rock). La vitesse des particules projetées par le rotor peut atteindre 100 m/s.
En plus du matériau qui pénètre dans le rotor, une certaine quantité de matériau est également envoyée de façon contrôlée depuis l'extérieur du rotor, ce qui crée une densité dans la chambre de concassage et améliore ainsi le transfert d'énergie. En contrôlant cette quantité de matériau envoyée depuis l'extérieur du rotor, et en utilisant également des variables telles que le diamètre du rotor et la vitesse du rotor, on maîtrise des variables comme la granulométrie du produit, la capacité et le taux d'usure.
Figure 3 présente le principe de concassage des concasseurs tertiaires à axe vertical.
Composants principaux des concasseurs à percussion à axe vertical de type tertiaire
Figure 4 présente les composants principaux du concasseur à percussion à axe vertical de type tertiaire. En résumé, les composants principaux de ces concasseurs sont :
- Groupe de la couronne de concassage
- Groupe du toit
- Groupe de l'arbre principal
- Groupe de la base
Il se compose de ces groupes.
Le rotor est comme le « cœur » d'un concasseur à percussion à axe vertical de type tertiaire. Son rôle est de conférer au matériau alimenté l'énergie cinétique qui se transformera en l'énergie de contrainte nécessaire à son concassage, c'est-à-dire de l'accélérer. La particularité des rotors de concasseurs de type tertiaire est que leurs rotors sont de type fermé : les accumulations de pierres formées à l'intérieur du rotor remplacent les sabots éjecteurs des rotors ouverts. Le rotor comporte généralement 3 ports formant entre eux un angle de 120°. Les accumulations de pierres se forment aux sorties des ports, sur le bord où le matériau est projeté à grande vitesse, entre les pointes en carbure de tungstène et les plaques d'usure.
Figure 5 présente la vue du rotor et les composants du concasseur à percussion à axe vertical de type tertiaire, et la Figure 6 présente la vue générale et les composants de la chambre de concassage du concasseur à percussion à axe vertical de type tertiaire.
Analyse de la capacité et de la puissance des concasseurs à percussion à axe vertical de type tertiaire
Analyse avec la formule de Bond
Dans le calcul de la puissance de concassage unitaire des concasseurs à axe vertical de type tertiaire, la formule de Bond donne un résultat assez différent de la valeur réelle. C'est pourquoi, comme on le sait, il s'agit d'une formule qui repose sur l'indice de travail Wi.
W: Besoin énergétique spécifique approximatif nécessaire au concassage, Kwh/t
Wi: Indice de travail
P: Ouverture de maille carrée au travers de laquelle passe 80% du produit (le matériau sortant du concasseur) – micron
F: Ouverture de maille carrée au travers de laquelle passe 80% du matériau alimenté au concasseur – micron (les fines doivent avoir été criblées hors du matériau alimenté)
N: Puissance moteur requise, KW
Q: Capacité, tonne/heure
Si l'on examine les courbes de produit dans les concasseurs à percussion à axe vertical de type tertiaire, la courbe progresse en grande partie avec une faible pente dans la première partie, c'est-à-dire que dans cette partie le taux de réduction granulométrique est faible ; vers la dernière partie, la pente augmente et le taux de réduction granulométrique augmente. Pour cette raison, lors de l'application de la formule de Bond, P80, une valeur comprise entre P35 – P40 doit être utilisée à la place.
Pour des calculs rapides, on peut utiliser le Graphique 1.
Tableau 1 présente l'indice de travail et d'autres propriétés physiques de divers matériaux.
| NOM DE LA ROCHE |
TYPE DE ROCHE |
INDICE DE TRAVAIL Wi |
POIDS SPÉC. (t/m³) ρ |
DENSITÉ APPARENTE (t/m³) γ |
INDICE D' ABRASION Ai |
RÉSISTANCE À LA COMPRESSION MPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Andésite | Volcanique | 16 ± 2 | 2,6-2,8 | 1,6 | 0,5 | 170 - 300 |
| Amphibole | Métamorphique | 16 ± 3 | 2,8 – 3,0 | 1,7 | 0,2 - 0,45 | - |
| Grès | Sédimentaire | 10 ± 3 | 2,7 | 1,6 | 0,1 - 0,9 | 30-180 |
| Basalte | Volcanique | 20 ± 4 | 2,9 – 3,0 | 1,8 | 0,2 ± 0,1 | 300 – 400 |
| Calcaire | Sédimentaire | 12 ± 3 | 2,7 | 1,6 | 0,001 – 0,03 | 80 - 180 |
| Carbone | Sédimentaire | 14 ± 4 | 1,0 – 1,8 | 0,8 | - | - |
| Clinker | - | - | - | 1,2 | - | - |
| Coke | - | - | - | 0,6 | - | - |
| Diabase | Volcanique | 19 ± 4 | 2,8-2,9 | 1,7 | 0,3 ± 0,1 | 250 - 350 |
| Diorite | Volcanique | 19 ± 4 | 2,7 – 2,8 | 1,6 | 0,4 | 170 – 300 |
| Dolomie | Sédimentaire | 12 ± 3 | 2,7 | 1,6 | 0,01 – 0,05 | 50 - 200 |
| Gabbro | Volcanique | 20 ± 3 | 2,9-3,0 | 1,8 | 0,4 | 170 – 300 |
| Gneiss | Métamorphique | 16 ± 4 | 2,7 | 1,6 | 0,5 ± 0,1 | 200 – 300 |
| Granite | Volcanique | 16 ± 6 | 2,7 | 1,6 | 0,55 ± 0,1 | 200 – 300 |
| Hématite | Sédimentaire | - | 5,1 | 2,2 – 2,4 | 0,35 ± 0,2 | - |
| Magnétite | Sédimentaire | - | 5,7 | 2,2 – 2,4 | 0,50 ± 0,2 | - |
| Marbre | Métamorphique | 12 ± 3 | 2,7 | 1,6 | 0,001 – 0,03 | 80 - 180 |
| Porphyre | Volcanique | 18 | 2,7 | 1,6 | 0,1 – 0,9 | 180 – 300 |
| Quartzite | Métamorphique | 16 ± 3 | 2,7 | 1,6 | 0,75 ± 0,1 | 150 – 300 |
| Syénite | Volcanique | 19 ± 4 | 2,7 – 2,8 | 1,6 | 0,4 | 170 – 300 |
| Silex (Hornfels) |
Métamorphique | 18 ± 3 | 2,8 | 1,65 | 0,7 | 150 - 300 |
Tableau 1 Indice de travail et autres propriétés physiques de divers matériaux
Raison de l'utilisation d'un concasseur à cône comme secondaire et d'un concasseur à percussion à axe vertical comme tertiaire
Comme le concasseur à cône est un concasseur à compression, le produit issu de ce concasseur présente des contraintes internes et des microfissures capillaires. Il a en outre une structure feuilletée ; ses indices de planéité et d'allongement ne sont pas au niveau souhaité. Pour ces raisons, il n'est pas possible de le cribler et de l'utiliser directement dans la construction de bétons et de routes. Le produit issu du concasseur à cône doit être de nouveau concassé au troisième étage avec un concasseur de type à percussion afin d'être débarrassé de ses contraintes internes et rendu cubique.
Comme nous l'avons déjà indiqué, les concasseurs à cône sont utilisés comme concasseurs secondaires efficaces pour les roches volcaniques dures et abrasives telles que le basalte, le granite, le diabase et les galets de rivière. Après ces concasseurs, on n'utilise généralement pas un concasseur à percussion à axe horizontal. À sa place, on utilise des concasseurs à percussion à axe vertical conçus selon le principe du concassage pierre contre pierre.
Exemples d'installations où un concasseur à cône est utilisé comme secondaire et un concasseur à axe vertical comme tertiaire
1- Installation de concassage et de criblage de basalte d'une capacité de produit de 200 TPH destinée à produire des granulats pour béton
L'installation utilise un concasseur à mâchoires 1100*900 à moteur de 132 KW, un concasseur à cône équivalent au METSO HP 300 à moteur de 200 KW et un concasseur à axe vertical à rotor de ∅990 avec des moteurs de 2*250 KW.Figure 5 présente le schéma de flux de l'installation, et le Graphique 2 présente la courbe de produit pour une vitesse en bout de 60 m/s.
2- Installation de concassage, criblage et lavage de matériau de rivière avec une taille d'alimentation de 0-300 mm
Dans l'installation, on concasse du matériau de rivière d'une taille d'alimentation maximale de 300 mm et on produit des granulats pour béton. Il s'agit de matériau de rivière courant, peu sale. Après séparation du sable naturel, un concasseur à mâchoires et un concasseur à cône sont utilisés pour réduire la pierre à une taille que le concasseur à axe vertical peut concasser. La capacité d'alimentation de l'installation est de 300 TPH ; après prélèvement de 108 TPH de sable naturel 0-4, on produit 192 TPH de granulats pour béton en pierre concassée.
Graphique 3 présente la courbe d'alimentation du matériau de rivière, la Figure 6 le schéma de flux de l'installation, et le Graphique 4 présente la courbe de sortie du concasseur à axe vertical.
Suphi Yavuz
Ingénieur mécanicien (Master)
MMO N° d'enregistrement : 9219
