Optimisation de la conception par l'étude des comportements de dynamique des particules dans les équipements de concassage et de criblage
La croissance et le renouvellement des villes et des établissements humains, ainsi que l'augmentation des besoins en équipements sociaux au-delà des structures d'habitation, font que les activités de construction se développent avec un élan croissant à l'échelle mondiale. Parallèlement à ce développement, le besoin en matières premières de construction telles que le béton, le ciment, l'asphalte et le ballast, ainsi qu'en minerais, augmente également. Pour répondre à ce besoin sur les plans qualitatif et quantitatif et pour le recyclage des débris des anciennes structures dans les projets de rénovation, l'utilisation des installations de concassage et de criblage et des équipements associés gagne en importance.
L'application correcte de l'opération de réduction granulométrique, première étape de la préparation du minerai, dans les technologies de concassage et de criblage accroît de plus en plus son importance dans le secteur minier. Les granulats et les minerais, auxquels de nombreux procédés différents sont appliqués jusqu'à ce qu'ils deviennent utilisables comme produit final, passent lors de leur traitement par une série d'opérations d'enrichissement telles que le concassage, le broyage, la classification, le lavage et l'essorage.
C'est pourquoi il est très important de pouvoir calculer les forces qui s'exercent sur les particules et les contraintes que ces forces génèrent sur les équipements. Lors de la réalisation des calculs dans ces procédés, l'analyse numérique du comportement quasi réel des particules avec les équipements avec lesquels elles sont en contact permet, en optimisant les performances des machines et équipements concernés, de réduire les coûts de conception et d'exploitation tout en améliorant la productivité et la qualité des produits dans les processus industriels à grande échelle.
*Le comportement de fragmentation des minerais a été étudié spécifiquement pour le concasseur à mâchoires, ce qui permet d'évaluer les forces générées sur les équipements de concassage pendant la fragmentation ainsi que la distribution granulométrique après la fragmentation.
Dans cette optique, la Méthode des Éléments Discrets (DEM), développée par Cundall et Strack4 (1971), met en évidence l'interaction entre les particules et les frontières afin de calculer le comportement des particules solides, jouant ainsi un rôle essentiel dans l'acquisition de connaissances sur les processus liés à la conception. Grâce aux études de simulation réalisées par les ingénieurs du Centre de R&D de MEKA A.Ş. à l'aide du logiciel Rocky DEM :
En outre, à l'issue de ces études de simulation, une prévision de l'usure basée sur les calculs, résultant des valeurs de puissance, d'énergie et de rendement ainsi que de l'exposition des éléments de machine à de lourdes charges, est réalisée, et des propositions de solutions visant des performances optimales sont présentées.
*Pour l'opération de classification du matériau concassé selon sa taille, les différents types de cribles présents dans la gamme de produits de l'entreprise sont étudiés sous diverses conditions de paramètres telles que la fréquence, l'amplitude, la trajectoire de vibration et l'inclinaison de travail.
Ainsi, les problèmes opérationnels courants allant du colmatage à l'accumulation indésirable, et la variation de la distribution granulométrique qui en résulte jusqu'à la répartition granulométrique irrégulière, sont éliminés, ce qui permet de prévenir les arrêts non planifiés.
*Lors du transfert des matériaux en vrac entre les convoyeurs à bande, les problèmes les plus fréquemment rencontrés dans les goulottes et les chutes de transfert utilisées pour la sortie des concasseurs et des cribles sont le colmatage dû à l'accumulation de matériau, une distribution du flux ne progressant pas de manière uniforme, l'usure des goulottes et des revêtements, etc.
Pour les convoyeurs à bande utilisés comme système de transfert pour la manutention des matériaux, des propositions de solutions sont présentées afin d'éliminer les problèmes liés à la conception concernant le comportement du matériau en vrac, son acheminement efficace et la prévention des pertes de matériau lors du chargement et du déchargement. Cela permet d'augmenter la durée de vie prévue des équipements.
Pour prévenir ces problèmes, le contrôle du flux du matériau est assuré, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des équipements et d'atteindre des conditions optimales.
*Lorsque le matériau tout-venant est très humide et collant, les alimentateurs Apron & Wobbler, équipement indispensable du procédé de concassage et de criblage, permettent d'atteindre des conditions de travail idéales pour maintenir une capacité élevée en écartant les problèmes tels que le colmatage que les matériaux humides et collants peuvent provoquer aussi bien sur les cribles que sur les alimentateurs.
*Dans la conception des godets des laveurs à godets présents dans notre gamme de produits de lavage, l'obtention de l'angle de préhension assurant conjointement les valeurs de puissance et de capacité permet d'atteindre les valeurs de rendement souhaitées dans les opérations de lavage des granulats.
En outre, dans ces alimentateurs, les caractéristiques d'écoulement que le matériau en vrac doit présenter pour être alimenté à vitesse constante vers un concasseur ou un autre équipement, le mouvement des particules, le temps de séjour sur l'alimentateur et les effets de la vitesse des particules ont été étudiés afin d'optimiser le rendement.
En outre, les paramètres influençant la conception de la spire ont été étudiés afin d'obtenir conjointement des valeurs optimales de capacité et de puissance, et des améliorations de conception ont été apportées. Ainsi, des résultats aux niveaux souhaités en termes de performance et de stabilité sont obtenus. Le comportement de contact en mouvement des granulats et des minerais en vrac ainsi que le régime d'écoulement du matériau varient selon le type de matériau. Les propriétés minéralogiques des types de minerai, dont les propriétés physiques et les compositions chimiques se façonnent selon les différentes situations géographiques, présentent elles aussi une diversité. Par conséquent, en raison du traitement de matériaux aux caractéristiques différentes dans les installations, des conceptions d'équipements spécifiques au procédé apparaissent également. Selon les méthodes traditionnelles, la conception des équipements repose essentiellement sur l'expérience interne, sur des essais à l'échelle du laboratoire ou sur la variation des paramètres de procédé pendant l'exploitation. Cette approche entraîne un certain nombre de problèmes lorsqu'il s'agit de prendre en compte des conditions aux limites incertaines et des exigences changeantes, et atteint totalement ses limites lorsqu'une solution optimale doit être trouvée de manière systématique. Cela rend la conception des machines plus efficace et plus cohérente lorsqu'elle est réalisée en tenant compte des paramètres géométallurgiques d'une installation. C'est pourquoi, en raison de cette diversité, les équipements présents dans le circuit de concassage et de criblage nécessitent la réalisation d'études de conception propres au minerai ou au granulat avec lequel ils interagiront. En prenant ces facteurs comme référence, les études de conception doivent être réalisées en tenant compte des propriétés des granulats et du minerai, car les équipements de l'installation ne fonctionnent pas en fonction d'une seule variable.
Le fait que la Méthode des Éléments Discrets (DEM) permette de modéliser correctement l'écoulement granulaire d'un grand nombre de particules et qu'elle constitue une méthode efficace en mécanique des roches2 en fait l'une des avancées scientifiques les plus importantes de l'industrie minière. Par exemple, la conception des cribles, qui constituent le cœur de l'installation de concassage et de criblage, a un effet direct sur la rentabilité de l'installation de traitement du minerai en ce qui concerne l'efficacité de criblage, la quantité de produits cibles, la consommation totale d'énergie et le fonctionnement efficace des concasseurs.1 C'est pourquoi, dans les études réalisées, de nombreuses variantes de conception sont simulées au préalable afin de mieux comprendre l'effet d'une modification sur l'ensemble du processus. Par conséquent, tirer parti de la technologie et de programmes spécialement développés, en plus de l'expérience, revêt une grande importance pour l'optimisation des projets.
La plupart des solides, en particulier les minéraux, présentent un comportement de type différent car ils ne sont pas de taille uniforme. À cet égard, pour l'introduction des conditions aux limites dans les études de simulation DEM, les minerais sont soumis à divers essais de laboratoire. Ainsi, en obtenant une corrélation étroite entre les résultats expérimentaux et numériques3 pour les valeurs des paramètres d'entrée, les paramètres d'interaction des particules avec les surfaces sont calibrés. De cette manière, en reflétant les processus dynamiques des particules4 de façon à permettre une définition correcte des conditions de travail, les ingénieurs sont aidés dans leur prise de décision et, parallèlement, les équipements du système sont optimisés. Parmi ces essais figurent des essais de fragmentation de particule unique adoptant une série de modèles empiriques appelés Ab-T10 et Modèle de Fragmentation de Tavares7 pour le comportement de fragmentation sous l'effet d'un impact, des essais de résistance à la compression uniaxiale (UCS), des essais de plan incliné et d'angle de talus. Ainsi sont définis le module de Young (E) et le coefficient de Poisson (ν), qui font partie des propriétés de déformation des minerais, ainsi que le module de micro-élasticité et le rapport de rigidité.5 Le comportement à l'usure des équipements de revêtement est traité sur la base du modèle d'usure d'Archard. Afin d'améliorer la durée de service des revêtements, les quantités d'usure et, par conséquent, la durée de vie des équipements sont déterminées.
Après avoir correctement défini les données d'entrée des conditions aux limites contenant les propriétés des matériaux afin d'obtenir des résultats de simulation précis pour les granulats et les minerais, MEKA A.Ş. met en œuvre une systématique de conception optimale selon les principes de fonctionnement de tous les équipements de concassage et de criblage interagissant avec les particules, spécifique aux installations de mines et de carrières de pierre et de sable. Cela ouvre la voie au développement de produits grâce à une approche entièrement nouvelle et accélérée de la conception et de l'optimisation des procédés, réduisant au minimum la charge de travail consacrée aux essais et aux prototypes. Compte tenu de la durée de révision des équipements, on peut dire que le temps perdu en conception a diminué de 45 à 50 % par rapport à auparavant. Afin d'assurer la continuité de la production dans les installations, des prévisions sont établies sur les durées de maintenance et des délais estimés sont fournis pour l'approvisionnement en pièces de rechange, l'usure des revêtements est minimisée, et la durée de vie des machines est augmentée en prévenant les interruptions du flux de travail et de la maintenance ainsi que les facteurs négatifs que provoqueraient les pannes de machines. Ainsi, des solutions sont proposées pour obtenir des résultats stables aux valeurs souhaitées en termes de coût et de performance, en assurant la productivité et la qualité dans les conditions les plus favorables au sein des installations de concassage et de criblage. Le Centre de R&D de MEKA A.Ş. a été agréé en 2021 dans le cadre de la Loi n° 5746. Il poursuit ses travaux de R&D en coordination avec le Ministère de l'Industrie et de la Technologie, et ses moyens d'essai, ses capacités de mesure et ses moyens de laboratoire s'enrichissent dans ce cadre selon les exigences des projets. Les travaux de R&D menés au sein de l'entreprise sont réalisés à l'aide des infrastructures logicielles ANSYS MECHANICAL, ANSYS FLUENT, ROCKY DEM, SAP 2000, SOLIDWORKS et INVENTOR. Les calculs de conception et de capacité des installations de concassage et de criblage clés en main demandées par les entreprises clientes sont effectués par des ingénieurs expérimentés au moyen du logiciel AGGFLOW. Le Centre de R&D de MEKA, le plus puissant de Turquie dans son domaine, poursuit ses contributions au savoir technique et académique à la lumière de la science, en plus de la conception de produits à forte valeur ajoutée.
