Réduire la taille du minerai ou de la roche : qu'est-ce que le concassage ? Pourquoi et comment le réalise-t-on ?

L'objectif de la réduction de taille

L'opération de réduction de taille est réalisée dans trois buts fondamentaux :

i. Obtenir la taille ou la surface spécifique nécessaire à l'utilisation du minerai ou du matériau :

À cette fin, l'opération de réduction de taille permet généralement de préparer le matériau de remplissage nécessaire aux travaux de céramique, de routes, de construction et d'asphalte, ainsi que la matière première utilisée dans la production de ciment.

La granulométrie peut se présenter sous forme de blocs, mais des minerais comme le ciment, le feldspath céramique, la calcite, le quartz et la barytine doivent être broyés jusqu'à des niveaux de 10 µ pour pouvoir être utilisés.

ii. Séparer les différents minéraux contenus dans le minerai afin de libérer l'un de l'autre :

La taille supérieure à laquelle les grains se séparent les uns des autres à l'issue de la réduction de taille est définie comme la maille de libération.

Pour l'enrichissement des minerais qui se présentent en particulier à l'état composite et qui contiennent un ou plusieurs minéraux précieux ainsi que des impuretés indésirables dans leur structure, les minéraux associés doivent être séparés les uns des autres. Dans la préparation du minerai, les opérations de concassage et de broyage sont réalisées à cette fin.

Fournir la taille ou la surface spécifique requise par la méthode d'enrichissement à appliquer :

La maille de libération peut ne pas toujours être suffisante pour l'opération d'enrichissement à appliquer.

En flottation, un minéral libéré peut devoir être rebroyé pour pouvoir être transporté jusqu'à la surface par la mousse, pour que le minerai enrichi puisse être utilisé à l'étape suivante, ou pour enrichir davantage le concentré produit.

Qu'est-ce que l'opération de concassage ?

Le concassage est l'opération de réduction de la taille du minerai ou de la roche. L'opération de réduction de taille commence sur le site par la production de minerai à l'aide d'explosifs. Lors des étapes ultérieures, l'opération de réduction de taille réalisée avant le broyage dans les broyeurs, à l'aide de concasseurs, est appelée « concassage ». Bien qu'il n'existe pas de limite définie, la réduction de taille au-dessus de 3 mm est considérée comme du « concassage » et celle en dessous de 3 mm comme du « broyage ». Même si le minerai est réduit en dessous de 3 mm avec des concasseurs coniques et certains concasseurs à percussion, cette opération est appelée concassage.

L'opération de réduction de taille s'exprime par la formule de transformation suivante :

Minerai à réduire + Énergie = Minerai réduit + Son + Chaleur

L'énergie nette utilisée dans la réduction de taille est calculée en soustrayant de l'énergie totale consommée l'énergie transformée en son et en chaleur. En 1964, Bake a soutenu que l'énergie consacrée à la réduction de taille ne représentait que 0.6% de l'énergie totale, tandis qu'Austin affirmait qu'elle était inférieure à 3%.

Bien que ces proportions ne soient pas exactes, il est un fait connu que l'énergie consommée dans l'opération de réduction de taille ne représente qu'une très faible part de l'énergie totale consommée à cette fin.

Le broyage est la dernière étape de la réduction de taille après le concassage. Le broyage est réalisé pour libérer les différents minéraux contenus dans le minerai et pour fournir la taille et la surface spécifique adaptées à l'opération d'enrichissement ou à l'objectif d'utilisation. Selon le procédé d'enrichissement, le broyage est effectué à sec ou par voie humide, et différents broyeurs adaptés à l'objectif de broyage sont utilisés.

Les forces appliquées lors de l'opération de concassage

L'opération de réduction de taille s'exprime par la formule de transformation suivante :

Minerai à réduire + Énergie = Minerai réduit + Son + Chaleur

Dans l'opération de réduction de taille ;

Torsion
Compression, pression ou écrasement
Cisaillement
Impact
des forces de choc sont appliquées.

L'opération de concassage est réalisée à l'aide de machines dans lesquelles une ou plusieurs de ces forces sont appliquées ensemble.

Dans les machines de concassage, les forces de compression, d'impact et de choc sont couramment appliquées. Bien qu'il n'existe pas de machines de concassage appliquant les forces de torsion et de cisaillement, ces forces peuvent se produire lors du concassage.

Dans les concasseurs où la force de frottement est appliquée, la distance entre les marteaux de concassage et les grilles du corps du concasseur est assez étroite. Le minerai est concassé et évacué du milieu par la force de frottement générée sous l'effet des forces d'impact et de cisaillement.

Lorsque les minerais sont fragiles, à faible teneur en silice, et que l'on vise l'obtention d'un produit de plus grande taille après concassage, on utilise des concasseurs fonctionnant par force de cisaillement. La force de cisaillement est le plus souvent appliquée conjointement aux forces d'impact et de compression.

Pour obtenir un produit de grande taille à partir de minerais durs, abrasifs, difficiles à concasser et non collants, on a recours à des concasseurs fonctionnant par force de compression. Dans ces concasseurs, le minerai est comprimé entre deux surfaces dont l'une ou les deux sont mobiles.Les concasseurs à mâchoires sont les machines de réduction de taille les plus couramment utilisées pour le concassage de ce type de minerais. Toutefois, on utilise également des concasseurs à mâchoires dans lesquels, outre la force de compression, une force de frottement est appliquée grâce au mouvement horizontal de la mâchoire. Ce type de concasseur ne convient pas au concassage des minerais abrasifs.

Pour le contrôle de la taille supérieure des minerais fragiles et non abrasifs après concassage, on prépare des circuits fermés de concassage-criblage. Le plus souvent, la première étape de concassage est réalisée en circuit ouvert. Après la première étape de concassage, faire fonctionner en circuit fermé les concasseurs situés avant le broyeur facilite la gestion du broyage et réduit également de manière significative le coût de la réduction de taille.

Le choix correct des concasseurs et des circuits de concassage-criblage revêt une importance particulière, car il influence directement le broyage et les opérations ultérieures de préparation du minerai. Pour accroître l'efficacité de l'opération de concassage réalisée en plusieurs étapes, des cribles placés avant le concasseur permettent de retirer du circuit le minerai de taille appropriée avant qu'il n'entre dans le concasseur, évitant ainsi une réduction inutile. Cette opération augmente également la capacité des concasseurs et des circuits de concassage-criblage. La quantité de minerai à concasser, ses propriétés et la destination du produit concassé sont des facteurs déterminants dans le choix des concasseurs et des circuits de concassage.

Les propriétés du minerai à concasser

Chaque minerai à concasser possède ses propres caractéristiques de concassabilité. Certains minerais se concassent facilement, tandis que d'autres nécessitent plus d'énergie pour être concassés. La structure physique du produit obtenu après concassage peut également varier : le minerai concassé peut se réduire en poudre comme il peut rester sous forme de gros fragments. Chaque minerai, lors de son concassage, use également dans une certaine mesure les revêtements du concasseur.

Ce sont les propriétés du minerai qui sont déterminantes dans le choix du concasseur :

La taille souhaitée après concassage, P80
La capacité de concassage, Q
La densité en place et en vrac du minerai, ρ
L'indice de travail du minerai à concasser, Wi, et l'indice d'abrasion, Ai
La dureté du minerai
L'humidité du minerai
La teneur du minerai susceptible de poser problème lors de la réduction de taille
Les conditions locales dans lesquelles s'effectue la réduction de taille

Les essais de réduction de taille réalisés en laboratoire sont importants pour prévenir dès le départ un éventuel mauvais choix. Trois données importantes relatives aux propriétés de concassage des minerais — l'analyse chimique de la roche, l'indice d'abrasion Ai et l'indice de travail Wi — peuvent être facilement déterminées par des essais de laboratoire.

Les propriétés du minerai à concasser sont le facteur le plus déterminant dans le choix du concasseur. Les propriétés de concassage d'un même minerai peuvent aussi varier dans certaines limites. Pour effectuer le choix, il faut connaître la taille du minerai, la taille à laquelle il sera concassé et sa quantité. Lors du choix du concasseur, la décision doit être prise en évaluant conjointement les étapes de concassage et les facteurs possibles pouvant apparaître à chaque étape.

La valeur de l'indice de travail Wi des minerais est la mesure la plus importante de leur concassabilité. Les minerais à faible indice de travail sont faciles à concasser et l'énergie nécessaire à leur concassage est faible. Pour éviter de surcharger le concasseur, les réglages nécessaires du concasseur sont maintenus élevés pour les minerais à indice de travail élevé.

Pour les minerais à indice d'abrasion élevé, comme la quartzite, l'utilisation de concasseurs à percussion n'est pas appropriée. En effet, dans les circuits de concassage, le remplacement des pièces usées et l'entretien des concasseurs sont longs et coûteux. Pour le concassage des minerais à faible indice de travail, comme la dolomie, la capacité passe au premier plan dans le choix du concasseur. Le concassage de la dolomie ne nécessite pas de gros concasseurs.

Dans les granulats destinés à la fabrication du béton, les contraintes internes ne sont pas souhaitées. Même si des concasseurs à mâchoires ont été utilisés lors de la première étape de concassage, des concasseurs à percussion doivent être utilisés lors de la deuxième étape pour réduire le matériau sortant du concasseur à mâchoires à sa taille d'utilisation.

Il a été établi que les concasseurs à mâchoires à double genouillère présentent une efficacité élevée pour le concassage des minerais dont la valeur Ai est supérieure à 0.7. Les concasseurs giratoires et coniques fonctionnent comme les concasseurs à mâchoires à double genouillère et sont considérés comme des concasseurs à faible usure.

Le taux de réduction des concasseurs à percussion est plus élevé que celui des concasseurs à mâchoires et coniques, et l'opération de réduction de taille nécessite moins d'étapes de concassage. Toutefois, l'utilisation des concasseurs à percussion pour le concassage des minerais dont l'indice d'abrasion est supérieur à 0.15 n'est pas recommandée, car elle entraîne une usure excessive.