Concasseurs à cône expliqués

Concassage

‘Comminution’ est le terme utilisé pour définir le processus qui réduit les matériaux (en particulier le minerai extrait). C'est l'action de réduire un matériau en fragments ou particules minuscules. Le processus est généralement réalisé dans les opérations minières par étapes de concassage et de broyage.

Dans le passé, les activités minières étaient ardues et intensives en main-d'œuvre. La fragmentation du minerai était réalisée avec un pic de mineur, un foret, ou une masse. Jusqu'au milieu des années 1800, les opérations de dimensionnement et de concassage reposaient principalement sur le travail manuel; les marteaux pilons à eau devinrent populaires bien plus tard, pendant la Révolution industrielle. Tout au long de cette période, seuls des volumes relativement petits de roche et d'agrégats pouvaient être produits. Ces petites quantités étaient ensuite chargées dans des sacs ou des wagons pour le transport.

Bêche et pioche

Durant la Révolution industrielle, les explosifs furent utilisés pour la première fois dans l'exploitation minière commerciale. L'exploitation minière utilisant des explosifs était appelée minage. Vers le milieu des années 1800, le minage était une technique minière répandue utilisée pour l'exploitation minière en vrac et fut rapidement suivie par le creusement à vapeur. Ces nouvelles techniques minières ont révolutionné l'industrie minière, permettant la production de quantités toujours plus importantes de matériaux libérés.

L'industrie minière a connu une croissance au cours du siècle dernier en raison de l'augmentation rapide de la demande de minéraux; cette croissance a nécessité une augmentation significative des tonnages de production. L'augmentation de la demande a conduit au développement de concasseurs nouveaux et plus efficaces (machines utilisées pour la réduction de taille). À mesure que les tonnages de concassage augmentaient, les exigences pour transporter et acheminer leurs entrées et sorties augmentaient également. Pour répondre à cela, des éléments tels que les convoyeurs à plat et les camions de transport ont été introduits.

Convoyeurs à plat

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Histoire du concasseur à cône

Le concasseur à cône a été développé pour la première fois aux États-Unis dans les années 1920 par les frères Symons de Milwaukee. Les frères Symons sont crédités comme les premiers concepteurs et inventeurs du concasseur à cône à ressort. Le plus grand avantage du concasseur à cône des frères Symons était sa durabilité et sa simplicité (la machine entière ne comportait que neuf pièces mobiles). Après plusieurs années de recherche et développement (R&D), le concasseur à cône à ressort est devenu l'une des machines de concassage les plus efficaces -et par conséquent l'une des plus utilisées-.

Coupe transversale du concasseur à cône

Le design du concasseur à cône à ressort permet de faire passer des matériaux non concassables par exemple métal étranger, à travers la cavité de concassage en utilisant des ressorts. Le premier concasseur à cône hydraulique a été développé en 1948 et cela a permis l'ouverture de la cavité de concassage hydrauliquement, au lieu d'utiliser des ressorts (actionnement mécanique). Les conceptions de concasseurs à cône à ressort et hydrauliques sont encore utilisées aujourd'hui.

Les concasseurs à cône sont capables de concasser tous types de roches et pierres minérales moyennes à dures. Ils offrent également de nombreux avantages par rapport à d'autres conceptions de concasseurs, tels que faible consommation d'énergie, fiabilité, haute efficacité (comparé à d'autres concasseurs), et un taux de réduction élevé (taille d'entrée par rapport à la taille de sortie).

Bien qu'ils soient présents dans de nombreuses industries, ils sont le plus souvent utilisés dans les industries de la construction et de l'exploitation minière. Les concasseurs à cône sont généralement utilisés pour les services de concassage secondaire, tertiaire et en aval, avec concasseurs à mâchoires et concasseurs giratoires utilisés pour les opérations de concassage primaire.

Concasseurs à mâchoires, à cône et giratoires

Dans certains cas, le minerai brut (ROM) de la mine peut être alimenté à un concasseur à cône via des convoyeurs et des cribles, mais plus souvent, le matériau d'alimentation proviendra de concasseurs primaires en amont et les concasseurs à cône seront utilisés pour les étapes de concassage en aval.

Objectif des concasseurs

Un concasseur est une machine conçue pour réduire la taille de gros rochers en petits rochers, gravier, sable, ou poussière de roche; cela est essentiel pour le transport efficace du produit via des convoyeurs, etc. Le concassage est la première de nombreuses étapes qui mènent à la séparation des minéraux du matériau de déchet (gangue). Le matériau de déchet peut être éliminé ou recyclé, permettant au produit riche en minéraux d'être traité davantage à l'usine principale.

Différents types de concasseurs et de séparateurs de minéraux peuvent être utilisés en fonction du débit, de la dureté, et des propriétés du minéral traité. Dans tous les cas, l'étape de concassage est essentiellement réalisée en transférant une force mécaniquement amplifiée (via l'avantage mécanique) à un matériau, pour rompre les liaisons qui maintiennent le matériau ensemble.

Le concassage est réalisé en passant l'alimentation entre deux surfaces solides, puis en appliquant une force suffisante pour rapprocher les surfaces de sorte que les molécules du matériau concassé soient séparées de (fracture), ou changent d'alignement en relation avec (déformation), les unes par rapport aux autres.

Les concasseurs sont généralement classés par le degré auquel ils fragmentent le matériau de départ, avec des concasseurs primaires et secondaires traitant des matériaux grossiers, et des concasseurs tertiaires et quaternaires réduisant les particules à des gradations plus fines. Chaque concasseur est conçu pour fonctionner avec une certaine taille maximale de matière première, et délivre souvent son produit à une machine de criblage (cribleur), qui trie et dirige le produit pour un traitement ultérieur. Dans de nombreux cas, les étapes initiales de concassage sont suivies par d'autres étapes de broyage (si les matériaux doivent être encore réduits).

Types de concasseurs

Il existe trois concasseurs courants utilisés dans les usines minières et de traitement :

• Concasseurs giratoires
• Concasseurs à mâchoires
• Concasseurs à cône

Typiquement, l'étape initiale de concassage est réalisée à l'aide de concasseurs giratoires ou de concasseurs à mâchoires. Il est souvent le cas qu'il n'y ait qu'un seul concasseur installé, et celui-ci sera appelé le concasseur primaire.

Les concasseurs à cône sont plus souvent utilisés pour les étapes de concassage de 2e, 3e et 4e étapes (bien que pas toujours).

Composants du concasseur à cône (pièces du concasseur)

Les principaux composants d'un concasseur à cône incluent le arbre principal, la chemise, les concaves, le cône, le palier excentrique, l'entraînement, la couronne, le châssis, et le mécanisme de libération des corps étrangers (actionné mécaniquement ou hydrauliquement).

Composants du concasseur à cône

Ensemble de la coque supérieure et du capuchon d'araignée

L'alimentation est acheminée par des convoyeurs vers une trémie d'alimentation au-dessus du concasseur à cône monté verticalement. L'alimentation entre dans le concasseur via une ouverture dans la coque supérieure. Selon la conception du concasseur à cône, une plaque de distribution peut être utilisée pour répartir l'alimentation uniformément à son entrée dans le concasseur. Un capuchon d'araignée (si installé) abrite le palier supérieur de l'arbre principal; l'arbre est lubrifié avec de la graisse ou de l'huile selon la conception.

Ensemble du capuchon d'araignée

Arbre principal

L'arbre principal est normalement fabriqué en acier forgé de haute qualité (recuit pour soulager les contraintes). La partie supérieure de l'arbre est supportée par un palier auto-alignant dans le capuchon d'araignée (si installé). Le palier auto-alignant est conçu pour compenser le mouvement généré par l'arbre oscillant; ce mouvement oscillant est causé par l'agencement d'entraînement excentrique inférieur. Le journal du palier d'araignée est rétréci sur le dessus de l'arbre principal.

Palier de marche

Le bas de l'arbre principal est supporté par un agencement de palier de marche en trois parties qui oscille avec l'arbre principal. Le palier de marche supporte le poids de l'arbre.

Chemise & Concaves

La chemise est installée sur la tête/cône, qui est montée sur l'arbre principal. La chemise fait partie des surfaces d'usure remplaçables et elle oscille avec l'arbre en mouvement (surface d'usure mobile). Les chemises sont généralement fabriquées en alliage d'acier au manganèse.

Un anneau concave (doublure de bol) est logé dans le carter supérieur; il forme la surface d'usure stationnaire.

Pièces du concasseur à cône

Entraînement excentrique & Palier

Le mouvement excentrique est réalisé par le palier excentrique inférieur et l'agencement d'entraînement situé au bas de l'arbre principal. Cet agencement est similaire en conception et en principe à celui utilisé par les concasseurs giratoires. Le palier excentrique est fabriqué en acier à haute teneur en carbone équipé d'une douille d'usure intérieure en bronze. Il est possible d'ajuster le déport excentrique en installant des douilles de tailles différentes. Le ‘déport’ définit l'amplitude de mouvement de l'arbre et par conséquent la distance entre la chemise et la doublure de bol à tout moment donné, cela est particulièrement pertinent au point d'étranglement (l'endroit où le diamètre de la chemise est le plus grand et où la chemise se rapproche le plus des surfaces d'usure stationnaires).

Ensemble pignon & arbre de contre

Un pignon en acier allié est monté sur un arbre d'entraînement de pignon. L'arbre d'entraînement de pignon est supporté par des paliers d'arbre de pignon alimentés par un système de lubrification commun. Un agencement de poulie moteur externe fournit la puissance motrice à l'arbre de pignon, qui à son tour fait tourner l'arbre principal via cet agencement de pignon et de couronne.

Coque inférieure

Une coque inférieure en acier moulé recuit abrite l'agencement d'entraînement et les composants d'entraînement excentriques. Le matériau déchargé du concasseur passe à travers la coque inférieure.

Comment fonctionnent les concasseurs à cône

L'alimentation provenant d'une trémie d'alimentation est introduite dans une grande ouverture au sommet du concasseur à cône. L'alimentation tombe ensuite par gravité et est concassée entre la chemise et les concaves; le concassage a lieu dans la chambre de concassage. À mesure que l'alimentation se déplace vers l'extrémité d'entraînement du concasseur à cône, sa taille diminue (en raison de l'action de concassage), et des morceaux de plus en plus petits se déplacent vers l'extrémité d'entraînement du concasseur. Après avoir traversé le concasseur, le produit -maintenant de taille beaucoup réduite- est déchargé par une ouverture dans la coque inférieure.

Opération du concasseur giratoire

L'action de concassage est produite par l'oscillation ou le déport (ouverture & fermeture) entre la chemise mobile montée sur le cône et les doublures concaves fixées dans le carter supérieur du concasseur. La chemise et les concaves forment les surfaces de travail du concasseur, car c'est là que l'action de concassage se produit.

La largeur de l'ouverture de décharge dicte la taille de la sortie du produit d'un concasseur. La taille de la sortie du produit d'un concasseur peut être modifiée en élevant ou en abaissant le carter supérieur. Cet ajustement modifie la taille du produit d'un concasseur à cône car l'écart entre la chemise et les concaves est correspondamment augmenté ou diminué. Élever les concaves (doublure de bol) augmente ainsi la taille de sortie du produit, tandis qu'abaisser les concaves diminue la taille de sortie du produit.

Parce que le mouvement de la chemise est excentrique, l'écart entre la chemise et les concaves d'un côté est différent de l'écart du côté opposé, à tout moment donné. Lorsque l'écart entre la chemise et les concaves est à son maximum, l'écart du côté opposé est à son minimum. L'écart le plus large entre la chemise et les concaves est appelé réglage du côté ouvert (OSS), tandis que l'écart le plus étroit est appelé réglage du côté fermé (CSS). Les deux réglages sont importants car ils décrivent la plus grande taille possible de sortie de produit (OSS) et la plus petite taille possible de sortie de produit (CSS). L'OSS peut être donné comme suit :

CSS + Déport = OSS

CSS et OSS indiqués

Le mouvement excentrique est réalisé par le palier excentrique inférieur et l'agencement d'entraînement au bas de l'arbre principal. L'arbre de contre d'entraînement du pignon est supporté par des paliers de pignon et alimenté par un moteur électrique. Un réducteur externe ou un agencement de courroie réduit la vitesse du moteur au concasseur; les vitesses typiques des concasseurs varient de plusieurs centaines de tr/min jusqu'à environ 1000 tr/min. Dans certains cas, un système d'embrayage peut également être utilisé pour absorber les chocs. Le pignon sur l'arbre de contre s'engrène avec l'entraînement excentrique, ou couronne.

Couronne

La surface intérieure du palier excentrique est usinée hors centre par rapport à l'axe central du concasseur. À mesure que le palier excentrique tourne, l'arbre inférieur oscille dans une orbite elliptique autour de l'axe central du concasseur. Cette action provoque l'ouverture et la fermeture de l'écart entre la chemise et les doublures concaves à chaque rotation de l'arbre. À l'extrémité supérieure de la chemise, ce mouvement est très faible, mais à mesure que l'alimentation tombe plus bas, le déport augmente et la force de concassage augmente également en conséquence.

Trajectoire de la chemise du concasseur à cône

L'alimentation concassée tombe dans l'ensemble de la coque inférieure et est déchargée vers le système de transport du produit pour un traitement ultérieur. Le carter inférieur abrite également un système de lubrification forcée et un système hydraulique, qui est essentiel pour l'agencement d'entraînement et les cylindres de libération des corps étrangers (si installés).

Un traitement ultérieur peut impliquer des étapes de concassage supplémentaires (secondaire, tertiaire, quaternaire etc.), broyage, et d'autres étapes de bénéficiation pour s'adapter au produit traité.