Comparaison entre le concasseur à mâchoires primaire et le concasseur à percussion primaire dans les installations de concassage-criblage de granulats

Le choix du concasseur primaire dans la production de granulats dépend de nombreux facteurs. Dans cet article, après avoir brièvement expliqué les principes de fonctionnement, les forces de concassage et les calculs de capacité et de puissance des deux principaux types de concasseurs primaires — le concasseur à mâchoires primaire et le concasseur à percussion primaire —, nous présenterons les facteurs qui influencent le choix lors de la conception d'une installation de concassage-criblage.

Principe de fonctionnement, analyse des forces, calcul de capacité et de puissance du concasseur à mâchoires

La fonction de tout concasseur est d'appliquer au matériau à concasser une force permettant de le briser. Dans les concasseurs à mâchoires, cette force est une force de compression. Sur le plan structurel, il existe deux types de concasseurs à mâchoires.

Concasseurs à une seule plaque de butée
Concasseurs à double plaque de butée

Figure 1 Explication schématique du mécanisme des concasseurs à mâchoires à double et à simple plaque de butée

Figure 1 présente la vue schématique des mécanismes des concasseurs à mâchoires à double et à simple plaque de butée. Dans les concasseurs à simple plaque de butée, du fait de leur mécanisme, chaque point de la mâchoire décrit une trajectoire elliptique. Ainsi, outre la compression, des contraintes de cisaillement, de frottement et d'abrasion sont également appliquées au matériau à concasser.

Dans les concasseurs à double plaque de butée, chaque point de la mâchoire se déplace de façon linéaire, perpendiculairement à la surface de la mâchoire. Ainsi, seule une compression est appliquée au matériau à concasser. Grâce à cette caractéristique, les concasseurs à mâchoires à double plaque de butée sont utilisés dans le secteur minier pour le concassage de minerais très durs et abrasifs. En raison de leurs coûts d'exploitation élevés par rapport à leur capacité, ils sont rarement utilisés dans le secteur des granulats.

Les concasseurs à mâchoires utilisés dans le secteur des granulats sont majoritairement des concasseurs à simple plaque de butée. Ces concasseurs constituent essentiellement un mécanisme à quatre barres. Figure 2 présente la vue et les composants du concasseur à simple plaque de butée. Figure 3 présente schématiquement l'analyse cinématique et des forces des concasseurs à simple plaque de butée.

Figure 2 Vue en coupe et composants du concasseur à mâchoires à simple plaque de butée (MEKA)

Figure 3 Analyse cinématique et des forces du concasseur à mâchoires à simple plaque articulée

r₂ correspond à la valeur d'excentricité de l'arbre principal du concasseur et constitue la 2e barre du mécanisme. La mesure comprise entre l'extrémité de l'excentricité et la surface interne du logement de la plaque de butée, soit r₃ constitue la 3e barre du mécanisme. Cette barre se trouve sur la bielle (pitman) sur laquelle est fixée la mâchoire mobile.

La 4e barre du mécanisme est constituée par r₄ la plaque de butée. La mesure comprise entre la surface interne du logement de la plaque de butée dans le bloc de réglage et l'axe du groupe de paliers de l'arbre principal sur le corps, soit r₁ constitue la 1re barre du mécanisme et reste fixe.

L'arbre principal, P lorsqu'il est entraîné à une vitesse de n RPM par un moteur d'une puissance P, le couple sur l'arbre principal,

T_{2} = \frac{9550 P}{n}

sera. Les forces et les couples générés sur les barres du mécanisme sont :

T_{2} = F_{3} \cdot r_{2} \cdot \sin (θ_{3} - θ_{2})

F_{3} = \frac{T_{2}}{r_{2} \cdot \sin (θ_{3} - θ_{2})}

T_{3} = - F_{3} \cdot r_{3} \cdot \sin (2 θ_{3})

F_{2} = - F_{3} \cdot \cos (θ_{3} - θ_{2})

F_{4} = \frac{T_{3}}{r_{3} \cdot \sin (540 - θ_{3} - θ_{4})}

peuvent être calculés à l'aide des formules.

La barre r₃ sur la bielle (pitman) du mécanisme portant la mâchoire de concassage, r₂ du bras, pendant une rotation de 360⁰ de l'arbre principal et donc du bras, O₃ autour du centre O, d'un angle Δθ₃, la force de concassage appliquée par le mécanisme à la zone de concassage est :

F_{k} = T_{3} \cdot Δ θ_{3} / L_{p}

sera. L_p correspond à la quantité de déplacement de la mâchoire, perpendiculairement à la surface de la mâchoire. Δθ₃, θ₃ est la mesure de variation, en radians, de l'angle sur une période de mouvement.

À la figure 4, nous observons schématiquement le mouvement de la pointe de la mâchoire.

Figure 4 Trajectoire de la pointe de la mâchoire

La force de concassage peut être calculée par l'analyse cinématique et des forces du mécanisme du concasseur selon la méthode ci-dessus, mais aussi à l'aide de formules mises au point par certains chercheurs. La plus importante d'entre elles est la formule de Bonwetsch.

Figure 5 Système de paliers du concasseur à mâchoires

F_{k} = 123000 . \frac{P}{r_{2} \cdot n}

F_k: Force de concassage, kN

P: Puissance du moteur, kW

r₂: Valeur de l'excentrique sur l'arbre, mm

n: Nombre de tours de l'arbre excentrique, RPM

Pour les concasseurs dont l'ouverture d'admission est supérieure à 1200*800, P il est plus approprié de prendre environ 70 % de la puissance réelle du moteur comme valeur de puissance du moteur.

Capacité du concasseur à mâchoires

Formule de Rose & English :

Q_{M} = 2820 . L_{T}^{0,5} . W . (2 L_{M I N} + L_{T}) . {[\frac{R}{R - 1}]}^{0,5} . ρ_{s} . f (P_{K}) . f (β) . S_{c}

Q_M: Capacité maximale à la vitesse critique, TPH

Vitesse critique :

n_{c} = 47 . \frac{1}{L_{T}^{0,5}} . {[\frac{R}{R - 1}]}^{0,5}

Si le concasseur ne fonctionne pas à la vitesse critique mais à une vitesse différente, et si la vitesse réelle est n alors la capacité réelle :

Q_{A} = Q_{M} \cdot (n / n_{c}) f o r n < n_{c}

Q_{A} = Q_{M} \cdot (n / n_{c}) f o r n > n_{c}

L_T: Course

L_T = L_MAX - L_MIN

ρ_s: Densité du matériau concassé, ton/m³

f(P_K), f(β): sont tirées du Graphique 1.

S_c: Coefficient caractéristique de surface, compris entre 0,5 et 0,7

W: Longueur de l'ouverture d'admission du concasseur, m

R: Rapport de réduction granulométrique

R = \frac{G}{L_{MIN}}

L_MIN: Ouverture côté fermé de la sortie du concasseur (CSS)

L_MAX: Ouverture côté ouvert de la sortie du concasseur (OSS)

G: Taille maximale des morceaux entrant dans le concasseur

Figure 6 Géométrie de fonctionnement du concasseur à mâchoires

Graphique 1 valeurs f(P_K) et f(β) — ***Graphique 1 : f(P_K) et valeurs de f(β)***

P_{K} = \frac{d_{MAX} - d_{MIN}}{d_{MOYENNE}}

β = \frac{L_{MIN}}{d_{MOYENNE}}

d_MAX, d_MIN, d_MOYENNE: Tailles maximale, minimale et moyenne des morceaux alimentant le concasseur

La figure 6 illustre la géométrie de fonctionnement du concasseur à mâchoires. Le matériau situé dans le coin entre les niveaux A et B est celui qui quittera le concasseur au prochain retour de la mâchoire mobile, c'est-à-dire en une demi-période. La hauteur h entre les niveaux A et B :

h = \sqrt{\frac{66,4}{n}}

Rose&English En combinant la formule de Bond avec la formule de capacité, ils ont établi la formule du besoin en puissance des concasseurs à mâchoires :

P = 0,01195 \cdot W_{i} \cdot Q \cdot [\frac{\sqrt{G} - 1,054 \cdot \sqrt{(L_{M I N} + L_{T})}}{\sqrt{G} \cdot \sqrt{(L_{M I N} + L_{T})}}]

W_i: Indice de travail

l'ont formulée ainsi.

Principe de fonctionnement, analyse des forces, calcul de capacité et de puissance du concasseur à percussion

Les principaux composants des concasseurs à percussion à axe horizontal sont représentés schématiquement à la Figure 7. En résumé, ces composants sont :

Figure 7 Composants principaux et principe de concassage schématique du concasseur à percussion à axe horizontal

Tournant à une vitesse déterminée, doté d'un moment d'inertie massique élevé et comportant les palettes qui portent le premier coup au matériau alimenté par la goulotte d'alimentation, le ROTOR
Recevant le premier coup d'un certain nombre de palettes réparties autour du rotor et heurtées par les matériaux déjà partiellement fragmentés, reliées par articulation au corps supérieur, les PLAQUES DE CONCASSAGE
Le CORPS INFÉRIEUR fixe et, s'ouvrant hydrauliquement et relié par articulation au corps inférieur, le CORPS SUPÉRIEUR
Réglant l'écart entre les plaques de concassage et le rotor, le SYSTÈME DE RÉGLAGE D'OUVERTURE
SYSTÈME D'ENTRAÎNEMENT DU ROTOR

Une partie de l'énergie cinétique du rotor du concasseur, qui constitue la source d'énergie principale, est transmise au matériau entrant dans le concasseur par l'ouverture d'alimentation au moyen d'un certain nombre de palettes disposées autour du rotor. Cette énergie cinétique transmise crée des contraintes dans la particule de matériau. Ces contraintes provoquent la fragmentation de la particule ; de plus, les particules fragmentées viennent également frapper les plaques de concassage, ce qui génère des contraintes supplémentaires et de nouvelles fragmentations.

Le matériau sortant du concasseur à percussion est largement libéré de ses contraintes internes. En outre, le produit obtenu présente une structure en grande partie « cubique ».

Ces caractéristiques constituent un avantage important pour l'utilisation de ce matériau dans la fabrication du béton, des routes et des briques.

Force de concassage :

Force de concassage moyenne :

F_{a v} = \frac{w u}{g * 0,002}

Force de concassage maximale :

F_{m a x} = 1,5 \frac{w u}{g * 0,002}

w: Poids de la roche, kg

u: Vitesse périphérique, m/s

g: Accélération de la pesanteur, 9,81 m/s²

F_max: kg

Nous pouvons utiliser la même formule pour la particule qui frappe la plaque de concassage.

Pour pouvoir calculer facilement la force d'impact appliquée par la palette dans les concasseurs à percussion, ou la force appliquée à la plaque de concassage — autrement dit la force de concassage —, il nous sera utile de convertir les morceaux de roche de dimensions différentes qui frappent une palette à un instant t en une seule roche de dimensions définies.

La méthode la plus juste pour déterminer cette dimension consiste à trouver la quantité de roche frappant une palette à l'instant « t » (kg/(palette-tour)) et à convertir cette valeur en une seule particule de forme cubique. Ainsi :

Q: Capacité, TPH

n: Nombre de tours du rotor

z: Nombre de palettes du rotor, alors

Quantité de matériau frappant chaque palette, w:

w = \frac{Q * 1000}{60 * n * z}

w: Quantité de matériau par palette, kg/(palette-tour)

w = a^{3} * ρ

a: Une dimension de la forme cubique considérée

ρ: Densité du matériau

CAPACITÉ DU CONCASSEUR À PERCUSSION

Q = \frac{N}{W} * f_{t} * f_{v} * f_{m}

N: Puissance du moteur utilisée, KW

W: Puissance de concassage unitaire, KWh/ton

Matériau Type	Densité spécifique g/cm³ ρ	Bond Indice de travail W_i	Broyabilité %	Abrasivité gr/ton	Primaire concasseur conception facteur f_t	Secondaire concasseur conception facteur f_t	Tertiaire concasseur conception facteur f_t
Granite	2,7	16,16	35	1398	0,53	1,13	0,79
Basalte	2,9	21,12	25,9	1132	0,68	1,47	1,03
Diabase	2,83	20,91	26,2	924	0,67	1,46	1,02
Diorite	2,75	14,58	39,3	1543	0,49	1,02	0,71
Gabbro	2,85	14,58	39,3	1227	0,49	1,02	0,71
Gneiss	2,7	14,88	38,4	1398	0,50	1,04	0,73
Calcaire	2,6	14,35	40	434	0,48	1	0,70
Porphyre	2,65	19,56	28,24	1430,4	0,63	1,36	0,95
Quartzite	2,6	13,77	41,9	1798	0,46	0,96	0,67
Galet de rivière	2,67	13,53	42,73	1176,1	0,45	0,94	0,66

Tableau 1 Principales propriétés physiques de certaines roches importantes et f_t valeurs du facteur de conception

W = 11 * W_{i} * (\frac{1}{\sqrt{P}} - \frac{1}{\sqrt{F}})

W: Besoin énergétique spécifique approximatif nécessaire au concassage, KWh/t

W_i: Indice de travail

P: Ouverture de maille carrée que traverse 80 % du produit (matériau sortant du concasseur) – micron

F: Ouverture de maille carrée que traverse 80 % du matériau alimentant le concasseur – mikron (le matériau fin doit avoir été criblé du matériau d'alimentation)

Type de concasseur	Vitesse périphérique du rotor du concasseur m/s	Facteur de vitesse f_v
Concasseur à percussion primaire	31	1
	33	1,022
	35	1,044
	37	1,065
Concasseur à percussion secondaire	40-42	1
Concasseur à percussion secondaire	45-48	1,025
Concasseur à percussion tertiaire	40-42	1
	43-47	1,015
	48-49	1,015
	50-52	1,020
	53-58	1,025
	60	1,030

Tableau 2 Valeurs du facteur de vitesse f_v selon le type de concasseur et les vitesses périphériques du rotor

État du matériau	f_m Facteur d'état du matériau
Sec et propre	1
Humide et propre	0,90
Humide, poussiéreux et sale	0,80

Tableau 3 f_m Facteur d'état du matériau

Roche Nom	Roche Type	Indice de travail W_i	Densité spécif. (t/m³) ρ	Densité apparente (t/m³) γ	Indice d'abrasion A_i	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
Charbon	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 4 Principales propriétés physiques des roches importantes

Comparaison des coûts d'usure des concasseurs à mâchoires primaires et à percussion primaires

Les pièces les plus soumises à l'usure dans les concasseurs à mâchoires sont les mâchoires de concassage. Viennent ensuite les revêtements latéraux. Les mâchoires appliquent principalement une compression au matériau. Elles n'exercent qu'une abrasion limitée. La vitesse de rotation du concasseur étant faible, la vitesse de progression du matériau dans la zone de concassage est d'environ 0,5-1,5 m/s. L'usure augmente avec le carré de la vitesse. C'est pourquoi les taux d'usure des concasseurs à mâchoires sont nettement inférieurs à ceux des concasseurs à percussion. Sachant que les vitesses du rotor des concasseurs à percussion primaires se situent autour de 30-70 m/s, il est évident que les taux d'usure — et donc les coûts d'usure — des concasseurs à percussion primaires augmenteront considérablement, en particulier lors du concassage de matériaux abrasifs.

De façon très approximative, on peut comparer les coûts d'usure des concasseurs à mâchoires primaires et à percussion primaires comme dans le Tableau 5.

Type de matériau	Coût d'usure par tonne selon le type de concasseur (€/tonne)
	Concasseur à mâchoires primaire	Concasseur à percussion primaire
Calcaire	0,05-0,15	0,20-0,50
Dolomie	0,10-0,25	0,40-0,80
Basalte, Granite	0,20-0,40	0,80-2,50

Tableau 5 Comparaison des coûts d'usure des concasseurs à mâchoires primaires et à percussion primaires selon le matériau concassé

Comparaison des rapports de réduction granulométrique et de la structure du produit des concasseurs à mâchoires primaires et à percussion primaires

Le matériau sortant du concasseur à percussion est largement libéré de ses contraintes internes et de ses microfissures. En outre, le produit obtenu présente une structure en grande partie « cubique ». Par conséquent, le produit issu du concasseur à percussion primaire peut être directement criblé et utilisé dans la fabrication du béton, des routes et des briques. En revanche, une partie du matériau sortant du concasseur à mâchoires contient des microfissures et n'a pas une structure cubique. C'est pourquoi, pour pouvoir être utilisé dans la fabrication du béton, des routes et des briques, le matériau issu du concasseur à mâchoires doit impérativement passer par un concasseur à percussion secondaire afin d'être débarrassé de ses contraintes internes et de ses microfissures et d'acquérir une structure cubique.

Le rapport de réduction granulométrique est d'environ 1:3-1:6 pour les concasseurs à mâchoires primaires, tandis qu'il atteint des valeurs de 1:10-1:20 pour les concasseurs à percussion primaires. C'est pourquoi, lorsqu'un concasseur à mâchoires primaire est utilisé, un concasseur secondaire est toujours nécessaire. Lorsqu'un concasseur à percussion primaire est utilisé, il est en revanche possible de se passer d'un concasseur secondaire selon la capacité et la granulométrie du produit exigées de l'installation.

Comparaison du besoin énergétique unitaire des concasseurs à mâchoires primaires et à percussion primaires

Le besoin énergétique unitaire est d'environ 0,5-0,8 KWh⁄tonne pour les concasseurs à mâchoires primaires, tandis qu'il est d'environ 0,8-1,2 KWh⁄tonne pour les concasseurs à percussion primaires. Étant donné qu'un concasseur secondaire est nécessairement requis lorsqu'un concasseur à mâchoires primaire est utilisé, l'emploi d'un concasseur à mâchoires primaire ou d'un concasseur à percussion primaire dans l'installation ne présentera pas de grande différence en matière de consommation énergétique unitaire.

De façon très approximative, le coût énergétique unitaire par tonne sera d'environ 1,2-1,3 €⁄tonne pour un concasseur à mâchoires primaire + concasseur secondaire, et d'environ 1,3-1,5 €⁄tonne pour un concasseur à percussion primaire.

Conclusion et recommandations

L'utilisation des concasseurs à percussion primaires dans les installations de concassage-criblage de granulats reste limitée, malgré des rapports de réduction élevés, en raison de coûts d'usure importants. Si la perte à l'abrasion Los Angeles (LAV) du matériau à concasser est supérieure à 25, si la valeur de l'indice de travail W_i est supérieure à 14,5, ou si la valeur de l'indice d'abrasion A_i est supérieure à 0,015, l'utilisation d'un concasseur à percussion primaire n'est pas recommandée. Un concasseur à mâchoires primaire associé à un concasseur secondaire approprié est alors recommandé. Nous résumons les valeurs limites d'utilisation du concasseur à percussion primaire dans le Tableau 6.

Propriété physique du matériau	Limites d'utilisation du concasseur à percussion primaire
Propriété physique du matériau	LAV Perte à l'abrasion Los Angeles	A_i Indice d'abrasion	Taux d'usure (gr/ton)	W_i Indice de travail	Broyabilité (%)	Dureté MOHS
Valeur limite	25	0,015	500	14,5	50	3,5

Tableau 6 Limites d'utilisation du concasseur à percussion primaire

RÉFÉRENCES

Kırıcılar, basınç kırıcıları Suphi Yavuz ISBN 978-605-67925-0-2
Yatay milli darbeli ve çekiçli kırıcılar Suphi Yavuz ISBN 978-605-67925-1-9
Mineral Processing design and operations A.Gupta and Denis Yan ISBN: 978-0-444-63589-1
MEKA Kırma eleme ve madencilik ekipmanları el kitabı

Suphi Yavuz

Ingénieur en génie mécanique (M.Sc.)

Chambre des ingénieurs mécaniciens (MMO) – n° de registre : 9219