Conduite+des+broyeurs+à+boulets

7/24/2019 Conduite+des+broyeurs++boulets

1/38

Conduite des broyeurs boulets

3

Sommaire :

1Sommaire

2Introduction

5Chapitre 1) : Prsentation de lorganisme daccueil

6I. Description gnrale de IMACID

61) gnralits

72) Ateliers de IMACID

83) Ressources humaines

94) Organigramme de IMACID

10II. Description du procd

101) Broyage du phosphate

112) Attaque du phosphate

17Chapitre 2) : Conduite des broyeurs boulets

18I. Gnralits

21II. Paramtres des broyeurs boulets

211) Contraintes de fonctionnement

222) Perturbations

233) Variables daction

244) Caractristiques dynamiques dune unit de broyage

25III. Modles des units de broyage et simulateurs dynamiques

251) Modles phnomnologiques des units de broyage

262) Simulateurs dunits

273) Modles empiriques linaires

30Conclusion

31Bibliographie

32Annexes


2/38


4

Le procd de fabrication de lacide phosphorique utilis IMACID, lieu de mon

stage, est par voie humide, dans lequel lacide est obtenu par attaque directe du

phosphate minral par un acide fort (acide sulfurique). Il est largement utilis dans le

monde car il prsente lavantage de produire un acide ayant un faible prix de revient.

Les principaux procds par voie humide ont pour nom : Rhne-Poulenc, Nissan,

Mitsubishi, Prayon ; ce dernier est celui utilis par IMACID.

Les trois principales phases comprennent :

Le broyage : le broyage du phosphate brut a pour but daugmenter la surface

dattaque du minerai par lacide sulfurique.

Lattaque filtration : Le phosphate broy est attaqu par lacide sulfurique

concentr 98,5% et lacide phosphorique moyen (18 22% de P2O5) en milieux

aqueux. Le mlange donne une bouillie. La filtration de cette bouillie consiste sparer

lacide phosphorique 29% P2O5 du phosphogypse via un filtre rotatif. Le produit est

ensuite stock dans des bacs de dcantation.

La concentration : La fonction de la concentration de lacide phosphorique est de

permettre lvaporation de leau pour obtenir un acide tirant 54% de P2O5.

INTRODUCTION


3/38


5

Le broyage du phosphate est donc lune des tapes dterminante du procd de

fabrication de lacide phosphorique car ce niveau la consommation de lnergie

atteint son maximum.

Dans le mme cadre le sujet de mon stage consiste tudier la conduite des

broyeurs boulets afin de pouvoir trouver le modle le plus simple et le plus adapt

ce procd pour ainsi optimiser le fonctionnement du broyeur notamment trouver

loptimum de la charge qui permet la plus faible consommation en nergie lectrique.

Pour ce faire, le plan adapte est comme suit :

Une prsentation gnrale de lorganisme daccueil ainsi quune brve description

du procd utilis, ensuite prsenter les diffrentes contraintes de fonctionnement des

broyeurs boulets et les quations dynamiques qui le rgissent, pour finir par quelques

technologies des broyeurs boulets en annexes.


4/38


6

Chapitre 1 : Prsentation delorganismedaccueil


5/38


7

I. DESCRIPTION GENERAL DE IMACID

1111))))Gnralits:Gnralits:Gnralits:Gnralits:

Pour diversifier ses alliances stratgiques et en vue de scuriser une partie de ces

exportations, le groupe O. C. P. a constitu le 20 novembre 1997 , en partenariat avec

le groupe Indien Birla , la socit INDO MAROC PHOSPHORE S.A : IMACID, O.C.P. (50%)

et CHAMBEL fertilits & chemicals Ltd (50%).

Situ Jorf Lasfar. Elle soccupe principalement de la production et la

commercialisation de lacide phosphorique avec une capacit de 330 000 tonnes par

an destin lexportation comme suivent :

70% vers lInde

30% pour le march international

Elle comprend :

Une ligne de production dacide sulfurique

Un atelier de production de lutilit

Une ligne de production dacide phosphoriqueLa production IMACID a dmarr en octobre 1999, son potentiel de production

est de 0,33 millions de P2O5 par an ncessitant :

1,2 millions de tonnes de phosphate de Khouribga,

0 ,33 millions de tonnes de soufre.

Par ailleurs, le 21 mars 2005 New Delhi, un accord a t sign pour lintroduction, dans

le capital dIMACID, dun autre partenaire indien, TaTa Chemicals.

Aussi, IMACID bnficie des avantages du site de Jorf Lasfar :

La proximit du gisement minier de Khouribga ;

La proximit du port avec un grand tirant deau ;

Lalimentation en eau de mer et eau douce sur de faibles distances ;

La dotation de site de grandes facilits industrielles ;

La possibilit dutilisation de linfrastructure de Maroc Phosphore III IV.


6/38


8

Lnergie lectrique ncessaire est fournie par un groupe turboalternateur de 27

MW fonctionnant au moyen de la vapeur haute pression produite par la chaleur

dgage par la combustion du soufre.

IMACID a t conue en utilisant le procd et les technologies les plus innovants en

matire denvironnement et dinformatisation tout en intgrant le savoir faire du

groupe OCP en la matire :

Procd dacide sulfurique MONSANTO double absorption ;

Procd dacide phosphorique PRAYON MARK IV avec unit de lavage

des gaz ;

Unit conduite par un systme numrique de contrle commande

(SNCC).

2222. Ateliers de IMACID. Ateliers de IMACID. Ateliers de IMACID. Ateliers de IMACID ::::

IMACID dispose de trois principaux ateliers de production :

Atelier sulfurique

Capacit nominale : 3600 tonnes monohydrate par jour ;

Procd : MONSANTO double absorption.

Atelier utilits

Une centrale thermolectrique (CTE) avec :

Un groupe turbo alternateur de 27 MW, Une liaison avec le rseau vapeur HP de Maroc Phosphore III-IV afin de

fournir la vapeur pour les dmarrages et augmenter la flexibilit du

fonctionnement de lensemble du complexe Jorf Lasfar.

Un atelier de traitement des eaux (TED) compos de :

Deux chanes de dsiliciage deau ;

Une station de compression dair;

Une station de reprise deau de mer (REM).


7/38


9

Atelier phosphorique

Capacit nominale : 1180 tonnes de P2O5par jour dacide, qualitmarchande 54% ;

Procd : PRAYON MARK IV ;

Systme de broyage : broyage humide ;

Raction : cuve de raction de six compartiments en

bton revtu

Digestion : trois digesteurs ;

Filtration : filtre cellules basculantes ;

Concentration : trois chelons de 440 tonnes P2O5 par

chelon, changeurs tubulaires en graphite.

3. Ressources Humaines :

A IMACID, ils travaillent 190 personnes:

15 ingnieurs ;

175 agents.

Autres moyens :

Ateliers de maintenance ;

Magasin gnral de pices de rechanges.


8/38


10

4. Organigramme de IMACID :

Organigramme de Indo Maroc Phosphore

DIRECTION

Comptabilit

Gestion financire

Ressourceshumaines

Approvisionnement

Produit

intermdiaire

Produit

phosphorique

Mcanique

Instrumentation

Electrique

Gnie civil

Magasin

Inspection

Process

Pilotage SMGI

CoordinationPerformance et

AmliorationTechnique

Coordination

Maintenance

Coordination

production

Coordination Finance

et Approvisionnement


9/38


11

II. Description du procd:

En pratique, lacide phosphorique est obtenu selon deux procds principaux : soit

par voie sche (rduction du phosphate naturel en prsence de coque et de silice, au

four lectrique) , soit par voie humide(attaque du phosphate naturel par H2SO4 ) , qui

fait intervenir les oprations suivantes:

1. Broyage du minerai et dosage des matires premires ;

2. Attaque du phosphate ;

3. Sparation de lacide produit ;

4. Concentration de lacide.

1111))))Broyage du phosphateBroyage du phosphateBroyage du phosphateBroyage du phosphate ::::

Lunit de broyage comprend principalement une trmie ou le phosphate venant

du hangar ; est stocke puis il est extrait lacide dun extracteur et passe par une

bande doseuse pour tre introduit dans le broyage a boulets avec un dbit de 170

180 T/h environ.

Le broyage se fait avec injection deau lentre du broyeur (0,5m3 deau/tonne

phosphate).

Le rapport eau/phosphate est vari par loprateur de manire obtenir la

sortie du broyeur une pulpe contenant 65% de solide, cette pulpe passe par un bac de

dgazage menu de lagitation (limination des bulles dair en suspension) puis elle est

pompe vers le bac pulpe.

Remarques :Le broyage a pour but laugmentation de la surface dattaque du minerai, la

raction chimique est dautant plus facile que la surface offerte aux ractifs est plus

grande.

Le broyage est donc une opration qui prsente une importance particulire en

effet :

Un broyage insuffisant, conduit une attaque trs difficile, un temps de raction

trs lev, et un rendement plus bas.


10/38


12

Un phosphate sur broy conduit au contraire un degr de dcomposition plus

lev, et provoque une attaque trs pousse, ce qui conduit augmenter la

temprature et obtenir un semi-hydrate plus stable.

Section manutention et broyage du phosphate:

2222)))) Attaque du phosphateAttaque du phosphateAttaque du phosphateAttaque du phosphate ::::

Lattaque des minerais phosphats peut se faire par diffrents acides savoir

lacide chlorhydrique, lacide nitrique ou lacide sulfurique. Pourtant, la majorit des

usines au monde ( cas de lOCP) utilise ce dernier. En effet, tant trs exothermique, la

combustion du soufre gnre de lnergie lectrique et de la vapeur ncessaires

fonctionnement de toute lusine.

La section dattaque comprend essentiellement :

Une cuve dattaque du phosphate par lacide sulfurique ;

PHOSP

Extracteur

M

M

M

Pulpe de

hos hate

Broyeur

Trmie de

phosphate

Dosomtre

Bac de dgazageBac pulpe


11/38


13

Un systme de refroidissement ;

Trois cuves de digestion.

a) Cuve dattaque

La cuve dattaque consiste en une cuve 6 compartiments, construite en bton

arm monolithique. Chaque compartiment est quip avec un agitateur trois rangs

de pales de modle PRAYON pour :

1. abattre la formation ventuelle de mousses.

2. crer de bonnes conditions dincorporation des ractifs introduits en surface.

3. assurer une bonne suspension des solides.

4. minimiser la formation des encrassements qui est dailleurs lobjectif de notre

travail.

La pulpe de phosphate provenant du bac pulpe est introduite dans le compartiment

1 de la cuve dattaque o elle sera attaque par lacide sulfurique concentr. Celui-ci

est, avant introduction dans la cuve, mlang avec lacide phosphorique recycl

venant de la filtration. Ce mlange a lieu dans les tubes de mlanges situs

respectivement dans les compartiments 1 et 2 de la cuve dattaque.

Les phosphates naturels sont forms principalement de fluor apatite de formule

gnrale 3(Ca3(PO4)2) CaF2 et ont pour raction principale dattaque par acide

sulfurique

Ca10(PO4)6F2 + 10 H2SO4+ 10n H2O 10CaSO4,nH2O +6H3PO4+ 2 HF +Q

Lorsque le rapportH3PO4/H2SO4est lev, cette raction globale seffectue en deux

tapes :

Lattaque du phosphate par H3PO4 pour former du phosphate mono

calcique soluble :

Ca3(PO4)2+ 4 H3PO4 3Ca(H2 PO4)2


12/38


14

La raction entre le phosphate mono calcique et lacide sulfurique pour

former lacide phosphorique et le gypse :

Ca(H2(PO4))2+ H2 SO4+ 2 H2O (CaSO4,2 H2 O) + 2H3PO4

Pour les phosphates riches en CaCO3, il y a dcomposition du carbonate avec

formation de sulfate et danhydride carbonique :

CaCO3+ H2SO4 + H2O CaSO4, 2H2O + CO2

Paralllement il y a destruction du complexe fluophosphocarbonate suivant la ractionglobale:

3(Ca3(PO4)2) .CaF2. CaCO3+ 11 H2SO4 + 21 H2O 11CaSO4,2 H2 O + 6 H3PO4+2HF+CO2+Q

A cause de la prsence des impurets dans le phosphate des ractions secondaires

dune importance se ralisent.

b) Systme de refroidissement

Les ractions chimiques se produisant dans la cuve dattaque ainsi que la

dilution de lacide sulfurique tant exothermiques, il est ncessaire de refroidir la

bouillie une temprature de lordre de 72 74C pour assurer une formation

optimale de cristaux de sulfate de calcium di-hydrat. En effet si la temprature

dpasse 110C on a la syncristallisation du monohydrognophosphate

CaHPO4,2H2O avec le gypse provocant une perte de P2O5. Ce refroidissement

est ralis dans un vaporateur bas niveau LLFC :lowlevel flash cooler . Cet

appareil est maintenu sous vide.

Lvaporation dune certaine quantit deau hors de la bouillie provoque

leffet de refroidissement souhait. Par ailleurs, cause du grand dbit de

circulation, la diffrence de temprature entre lentre et la sortie du LLFC nestque de 2 3C.


13/38


15

c) Cuves de digestion :

A partir du compartiment 6 de la cuve dattaque, la bouillie scoule vers

la section digestion qui comprend trois cuves cylindriques verticales similaires

(digesteurs) places en srie.

Les digesteurs sont quips chacun dun agitateur de modle PRAYON

double rang de pales hlicodales, tudies pour produire un grand dbit de

pompage avec une basse consommation nergtique et viter la dcantation

des solides tout en assurant une agitation douce.

Ces digesteurs servent augmenter les temps de sjour et stocker la

bouillie dattaque. Par ailleurs, une injection dacide sulfurique est prvue dans

le premier digesteur afin de favoriser la d-sursaturation de lacide

phosphorique et le grossissement des cristaux de gypse. La bouillie ainsi mrie

est pompe, dbit contrl, vers le filtre.

d) Sparation par filtration

La filtration est un ensemble de techniques, son objet est de sparer

lacide phosphorique produit du solide rsiduaire, cette sparation est

effectue laide dun filtre sous vide avec lavage systmatique contre

courant. Le gypse, aprs avoir subi les diffrents lavages, est vacu. Les modes

dvacuation les plus courants sont le transport hydraulique pour les usines

proches de la mer.

La filtration se fait en trois tapes:

La bouille dattaque est alimente vers lauge de distribution du filtre

horizontal cellules basculantes. Une premire partie du filtrat de

production, permet le contrle de la teneur en solide dans la bouille

de raction.

Un premier lavage avec lacide faible, Le filtrat de ce premier lavage va

laspiration de la pompe de lacide recycl qui sera envoy vers


14/38


16

lattaque pour le contrle des solides dune part et la teneur en P2O5 de

la bouille dattaque dautre part.

Un lavage final (second lavage) est ralis au moyen deau chaude. Lefiltrat de ce dernier lavage est drain et envoy vers le premier lavage.

Aprs sparation des eaux- mres, le gteau de gypse lav contre

courant est finalement dcharg et vacu vers la mre.

Schma simplifi de lattaque - filtration

Lacide phosphorique prpar par les procds classiques titre de 28 30%

de P2O5 lorsquil est rcupr la sortie du filtre. Dans la majorit des usages

Phosphate

Evaporateur bas

niveau

Condenseur et

systme de

vide

Acide

Sulfurique

Shunte

# 1

# 2

# 3# 4

# 5

# 6

Cuve

digestion

Cuve

digestion

Cuve

digestion

Filtre

Acide 29%

Prsuccion

Acide 5%

Acide

recycl

Eau

Shunte

Cuve dattaque multi

compartiment


15/38


17

ultrieurs, on utilise de lacide 38, 48 et 54%. Il convient donc de concentrer

cet acide.

Aussi, trois procds sont employs:

- lvaporation directe par barbotage dair chaud ;

- lvaporation par combustion immerge ;

- le chauffage indirect de lacide suivi dvaporation sous vide.

Notons que ce dernier procd est le plus employ surtout lorsquun excdent

de vapeur basse pression est disponible pour le chauffage de lacide, vapeur

provenant en particulier des ateliers de fabrication dacide sulfurique presque

toujours associs ceux dacide phosphorique.


16/38


18

Chapitre 2 : Conduite des broyeurs boulets


17/38


19

I. Gnralits :Le broyage des matriaux est un procd industriel dont lincidence conomique est

trs lourde, aussi bien cause des investissements raliss, des frais dentretien, de la

consommation de corps broyants, que de lnergie lectrique consomme. Lopration

de broyage a un trs faible rendement nergtique (de lordre de 1 %), mais un

accroissement mme faible de ce rendement peut reprsenter un gain trs significatif

aussi bien pour une compagnie spcifique que pour lensemble dune socit

industrielle. Aux tats-Unis en 1978, la consommation nergtique des procds de

fragmentation reprsentait environ 1,5 % de la production totale dlectricit [1]. Les

quatre industries principales contribuant cette consommation taient lindustrie

cimentire, lindustrie minrale, lindustrie du charbon et lindustrie cralire. Comme le

broyage est le moins efficace de tous les procds de fragmentation, on peut supposer

quune grande partie de cette nergie est consomme par le broyage. On comprend

donc demble que la qualit de la conduite dune unit de broyage peut avoir une

grande valeur conomique.

Dans les usines de concentration de minraux, on rencontre normalement deux

catgories dappareils de broyage : ceux qui utilisent des corps broyants libres

(broyeurs classiques) et ceux qui nen utilisent pas (broyeurs autognes). Dans la

premire catgorie, on retrouve des appareils tels que les broyeurs barres, utiliss

pour le broyage primaire (grossier), et les broyeurs boulets, utiliss pour le broyage

secondaire (fin) et le rebroyage (trs fin). Ces appareils contiennent une charge

broyante (barres ou boulets dacier) denviron 40-50 % du volume intrieur du broyeur,

valeur qui permet de maximiser la puissance consomme par rapport la puissance

disponible pour la vitesse de rotation usuelle de ces broyeurs (60 80 % de la vitesse

critique).Le broyeur du phosphate utilis IMACID est un broyeur boulets daciers :

Sous l'effet de la rotation du tambour, les boulets sont entrans le long des parois,

roulent puis retombent en cascade les uns sur les autres. Le phosphate est donc broy

sous l'action de chocs (matire entre boulets et matire entre boulets et paroi) et suite

un phnomne d'attrition.


18/38


20

Dessin simplifi du broyeur utilis IMACID, ralis laide de loutil Microsoft Visio.

Les caractristiques techniques du broyeur de IMACID:

[maintenance ALSTOM 97 014 00 52 Z13.01/3020 Rev. A Page 1/10 et 2/10]

Type : BBH 4060

Vitesse nominale de rotation : 16.6 tr/mnDimensions :

Diamtre : 3950 mm

Longueur : 6140 mm

Epaisseur virole : 26 mm

Matire :

Virole en acier E 28.2

Fonds mouls souds sur la virole

Blindages :

FB26CRMoNi boulonns sur la virole avec ttes de boulon freines monts avec un

lige ou quivalent, coll sur le dos de chaque blindage (paisseur : 40 mm 85 mm)

Tourillons : boulonns sur les fonds

Qualit : GE280

Paliers broyeur :

Diamtre 1600 mm

Longueur 415 mm


19/38


21

Corps en mcano-soud avec sondes de temprature coussinets en bronze, 120,

monts sur rotule

Grille de sortie :

En acier anti-usure soude sur la fourrure de sortie

Pignon/couronne :

Couronne :

En deux parties, en acier moul 35 CD 4 M

Denture : droite

Largeur : 600 mm

Nombre de dents : 212

Module : 27

Fixation sur le broyeur par boulonnage

Pignon :

En acier forg 35 CD 4

Denture : droite

Largeur : 610 mm

Nombre de dents : 27

Module : 27Contre-arbre :

Diamtre : 360 mm

Mont sur deux paliers en fonte avec rouleaux rotulants.


20/38


22

II. Paramtres des broyeurs boulets :Du point de vue de la conduite de lunit, cette quantit de charge broyante doit tre

maintenue constante en cours de broyage par ajout de boulets afin de garantir une

qualit de broyage constante. Ce type de broyeur fonctionne normalement en voie

humide, avec une pulpe contenant entre 65 et 85 % en masse de solides, valeur quil

faut rguler en cours dopration. Trs souvent, on utilise un broyeur barres suivi dun

broyeur boulets, bien quune libration convenable puisse tre obtenue en une seule

tape de broyage boulets.

1111))))Contraintes de fonctionnementContraintes de fonctionnementContraintes de fonctionnementContraintes de fonctionnement

Le procd de broyage est normalement limit par une srie de contraintes de

fonctionnement imposes par les quipements et/ou par le procd lui-mme.

Parmi les premires contraintes, on peut mentionner celles imposes par le volume et

la forme des puisards dalimentation des hydrocyclones, par labsence de trmies

tampons dalimentation du minerai ou par leur capacit si elles existent, par labsence

de pompes vitesse variable pour lalimentation des hydrocyclones.

Il est vident que ces caractristiques du circuit influent fortement sur le choix du

systme de conduite.

Dans un broyeur boulets, une augmentation excessive de la viscosit de la pulpe se

traduit par un dplacement du centre de gravit de la charge vers laxe du broyeur,

entranant une rduction de la puissance consomme donc une mauvaise utilisation de

la puissance disponible. Cela impose des contraintes sur la densit de la sousverse des

hydrocyclones des circuits prclassification. Le dbit de minerai trait par le broyeur

boulets (charge circulante) impose aussi des limites de fonctionnement car, bien quune

charge circulante leve augmente la concentration de grosses particules dans lebroyeur, donc lefficacit du broyage, il existe un optimum et il nest pas conomique de

fonctionner avec des charges circulantes suprieures 400 % pour viter une usure

prmature par abrasion intense. Aussi, dbit lev dans les broyeurs sans

diaphragme de dcharge, on risque dentraner les boulets hors du broyeur et

dendommager les pompes. Lusure des corps broyants impose aussi des contraintes

svres dans lexploitation du circuit car elle dtermine le processus de rechargement.

Dans le cas des boulets, la contrainte est moins critique, car le chargement de bouletspeut se faire sans arrter lopration.


21/38


23

Dans le cas du chargement de barres, il faut arrter le broyeur, et donc lalimentation en

minerais, pendant environ 15 30 min, ce qui dsquilibre compltement le

fonctionnement en aval (broyeurs boulets, hydrocyclones et circuit de sparation).

Le fonctionnement des hydrocyclones impose aussi des contraintes dexploitation : la

densit de pulpe la sousverse de lhydrocyclone doit tre telle que la dcharge de la

pulpe soit en parapluie avec une colonne dair centrale. Des densits de pulpe trop

leves ou trop faibles sont viter, car elles impliquent respectivement un

fonctionnement instable (dcharge en boudin) ou trs inefficace (dcharge trop

ouverte). On rgule gnralement la finesse du produit en agissant sur la densit de la

pulpe alimente lhydrocyclone. La densit de pulpe la surverse nest alors pas

rgule, ce qui souvent nest pas compatible avec un fonctionnement convenable du

circuit de sparation pour lequel lalimentation ne doit pas tre trop dilue. Il faut alors

considrer cette contrainte dans le systme de conduite envisag, moins quune unit

dpaississement ne soit prvue entre le circuit de broyage et le circuit de sparation.

2222))))PerturbationsPerturbationsPerturbationsPerturbations

Le fonctionnement dun circuit de broyage est normalement soumis plusieurs types de

perturbations, certaines observables, dautres non dtectables directement. Les

perturbations les plus importantes sont celles associes la qualit de lalimentation du

circuit, cest--dire la composition, la duret du minerai et la rpartition

granulomtrique des particules alimentes. Bien que lon essaie de mlanger les

minerais provenant de diffrents endroits de la mme mine ou de diffrents gisements,

les caractristiques de lalimentation du circuit de broyage changent souvent cause de

la sgrgation lintrieur des trmies. Le circuit de broyage est donc frquemment

soumis ces variations et le systme de conduite doit pouvoir y rpondre.Les instabilits de dbit des diffrents ajouts deau du circuit produisent galement des

perturbations.

Dautres perturbations sont lies aux quipements eux-mmes. Par exemple, lusure ou

le blocage des buses de la sousverse des hydrocyclones a une incidence sur la

classification et donc sur la charge circulante. Lusure des corps broyants cre des

perturbations, soit par une perte progressive defficacit de broyage, soit de faon

brutale lors darrts pour chargement de barres. Le systme de pompage est aussisoumis lusure par abrasion des revtements et aux dpts de calcaire sur les


22/38


24

tuyauteries, introduisant ainsi des perturbations progressives dans le fonctionnement du

circuit. Outre leur usure, les quipements introduisent des perturbations dues de

mauvais fonctionnements ou des arrts soudains (entretien, pannes). Des exemples

typiques sont le blocage de lalimentation en minerai, le changement de pompes

alimentant les hydrocyclones, le remplacement dhydrocyclones bouchs.

Une autre source de perturbation trs frquente est la rcupration des pulpes

dverses sur le plancher des usines, par des pompes volantes, et leur renvoi la

bche dalimentation des hydrocyclones.

3333))))Variables dactionVariables dactionVariables dactionVariables daction

Pour atteindre les objectifs de conduite des units de broyage en tenant compte des

contraintes de fonctionnement, il faut tablir un systme daction sur les variables

dentre (variables daction) du systme. Il est clair dabord que lon ne peut pas avoir

moins de variables daction que de variables de sortie rguler. Compte tenu des

contraintes, il est souvent prfrable davoir plus de variables daction que dobjectifs de

rgulation pour garantir que le procd de broyage reste lintrieur ou la limite des

domaines de faisabilit.

Les variables de commande sont en fait assez peu nombreuses dans une unit de

broyage ; il sagit surtout du dbit de solides broyer, des ajouts deau en broyage

humide ou des dbits dair en broyage sec, des vitesses des pompes, trs rarement

des vitesses de rotation des broyeurs, des rglages des sparateurs (hydrocyclones,

tamis, sparateurs pneumatiques), des ajouts de corps broyants. Dans le domaine du

broyage des minerais mtalliques, lorsquil y a une contrainte sur la dilution du produit

final, il ne reste souvent quune seule variable daction, le dbit de minerai, ce qui estbien peu pour atteindre tous les objectifs de commande. En gnral, les degrs de

libert des units de broyage sont trs peu nombreux. Dans la majorit des cas, on ne

peut rguler plus dune caractristique granulomtrique du produit, moins davoir

plusieurs units de classification procdant en plusieurs tapes. Le tableau 1 rsume la

situation habituelle des variables de procd dune unit de broyage de minerai.


23/38


25

4444))))Caractristiques dynamiques dune unit de broyageCaractristiques dynamiques dune unit de broyageCaractristiques dynamiques dune unit de broyageCaractristiques dynamiques dune unit de broyage

Avant de procder llaboration dun systme de conduite dune unit de broyage,

aprs avoir class les variables et tabli les objectifs, il faut analyser, au moins

qualitativement, le comportement du circuit face aux perturbations et aux variables

daction. Dabord, il faut pouvoir apprcier le comportement statique en rgime

permanent du systme en valuant les gains du systme, cest--dire les rapports

lquilibre entre des variations de sortie et des variations dentre : par exemple, le

rapport (variation de la finesse du produit)/(variation du dbit de minerai).

Ensuite, il faut estimer la dynamique du systme, cest--dire la dure, lamplitude et la

nature des rgimes transitoires dun tat un autre. Linformation de base est la

connaissance approximative de la constante de temps dominante des rponses des

sorties aux variations des entres. On devrait, par exemple, tre capable de dire quil

faut 1,5 h pour que la charge circulante atteigne 95 % de sa valeur finale aprs un

changement dun chelon du dbit de matriau broyer. Idalement, on devrait aussi

pouvoir dire sil y a dpassement transitoire par rapport au rgime final, ou sil y a des

oscillations ou encore une rponse initiale inverse de la rponse finale, et enfin prciser

les retards purs du systme, cest--dire les temps pendant lesquels les sorties ne sont

pas affectes par un changement des entres.


24/38


26

III. Modles des units de broyage et simulateursdynamiques

Une autre approche de la conception des systmes de conduite des units de broyage

consiste utiliser une reprsentation formelle du comportement dynamique du procd,

habituellement sous la forme dun modle mathmatique permettant le calcul des

variables de sortie y partir des variables dentre u. En fait, il faut distinguer deux cas

de figure qui correspondent souvent des modles de types diffrents. Dans le premier

cas, le modle est utilis pour simuler le fonctionnement de lunit de broyage et le

systme de conduite est conu, et rgl, sur le simulateur ainsi constitu avant dtre

implant sur le systme rel. Dans le deuxime cas, le modle fait explicitement partie

intgrante du systme de conduite. Pour les simulateurs, on utilise gnralement des

modles phnomnologiques, cest--dire des modles qui cherchent reprsenter les

phnomnes physico-chimiques en jeu dans le procd, alors que, pour les rgulateurs

modle intgr, on utilise plutt des modles empiriques linaires.

1111))))ModleModleModleModles phnomnologiques des units de broyages phnomnologiques des units de broyages phnomnologiques des units de broyages phnomnologiques des units de broyage

Chaque procd constituant une unit complexe de broyage est indpendamment des

autres, ensuite les diffrents modles sont intgrs pour constituer le modle de lunit

de broyage. Lintgration peut tre faite laide dun simulateur numrique squentiel

ou bien par rsolution dun systme dquations simultanes.

Le processus de broyage est reprsent comme une srie de ractions de

fragmentation de particules de dimensions discrtes, chaque raction possdant une

cintique du premier ordre et un ensemble de coefficients stoechiomtriques [2] Ainsi

les particules Pj appartenant la classe de dimension j sont fragmentes en particules

Pj 1, Pj 2 , ... de dimensions infrieures selon la raction :Pj --------> bj , j 1Pj 1 + bj , j 2 Pj 2 + ... + bj , n Pn

Avec bj , j i fraction massique de particules Pj i obtenues par broyage des particules

Pj .

La vitesse de la raction de broyage est :

vj = kjmj

Avec kj constante de vitesse de fragmentation,

mj fraction massique des particules de dimension j des solides contenus dans lebroyeur.


25/38


27

Dans le cas simple o un broyeur peut tre reprsent comme un rservoir

parfaitement mlang dont la masse retenue est variable, lcriture du bilan de matire

pour toutes les classes de dimension conduit au systme diffrentiel [2] [3]:

Avec B matrice des coefficients stoechiomtriques bj, i,

D(t ) dbit-masse de solide dans lalimentation du broyeur,

K matrice des constantes de vitesse kj,M(t) inventaire (masse retenue dans le broyeur),

a (t) vecteur des fractions massiques aj des particules de chaque classe de dimension j

dans le dbit solide de lalimentation,

m(t ) vecteur des fractions massiques mj des particules de chaque classe de dimension

j dans le contenu solide du broyeur,

r inverse de la rsistance lcoulement la sortie du broyeur,

t temps.

2222))))Simulateurs dunitSimulateurs dunitSimulateurs dunitSimulateurs dunit

Les modles phnomnologiques, assembls dans des simulateurs dynamiques [4]

[5], permettent dtudier la dynamique des circuits de broyage et sont un guide prcieux

pour concevoir les systmes de commande, quils soient de nature empirique ou

modle intgr. Pour augmenter lefficacit de ces simulateurs en les rapprochant

davantage de la ralit des oprations de broyage, on peut y ajouter des gnrateursde perturbations stochastiques comme :

des bruits de mesure ;

des bruits dactionneur ;

des variations alatoires de broyabilit, de densit et de granulomtrie du minerai;

des bruits de procd, comme des instabilits de pompage.

Dans la rfrence [5], on trouve un exemple dtude de boucles PID quipes de filtres

passe-bas pour que les hautes frquences dues aux diverses sources de bruit ne soient


26/38


28

pas amplifies par la fonction drive D et ne produisent pas une commande

variations trop rapides.

Ces simulateurs peuvent aussi tre utiliss pour lentranement des oprateurs la

conduite des systmes de broyage. La configuration deux calculateurs est un outil

pdagogique particulirement efficace [6]. Un calculateur simule lusine tandis que

lautre mule le systme de conduite industriel. Les deux calculateurs communiquent

numriquement ou par des convertisseurs analogique/ numrique. Le calculateur de

conduite reoit les informations en provenance des capteurs de latelier de broyage

simul et envoie les actions de commande choisies manuellement ou automatiquement

vers le simulateur. Ce systme est particulirement efficace pour faire dcouvrir aux

oprateurs les consquences des actions de commande quils prennent. Ils peuvent

ainsi raliser que toutes les variables sont perturbes simultanment par toute

commande et quil faut un temps gnralement trs long pour que linstallation revienne

un tat dquilibre, surtout lorsque le circuit de broyage est en boucle ferme avec un

appareil de classification. Le simulateur permet de dcouvrir des comportements

dynamiques et des interactions entre variables qui ne sont pas intuitives, et il peut tre

considr vritablement comme une tape importante pour le succs de la conception

dun systme de conduite dune opration de broyage.

3333))))Modles empiriques linairesModles empiriques linairesModles empiriques linairesModles empiriques linaires

Une autre approche de la modlisation du comportement dynamique dun systme de

broyage est de construire partir de donnes exprimentales un systme de

reprsentation empirique des relations entres/sorties [7] [8]. Les modes de

reprsentation habituels sont les fonctions ou la matrice de transfert, les quations auxdiffrences et la reprsentation dtat.

Dans le cas monovariable, on crit par exemple la reprsentation linaire de la finesse

du produit final y (t ) en fonction du dbit de minerai u (t ).

Equation (1)

Avec A,B,C,et D polynmes en z 1,

t temps,


27/38


29

z 1 et z d notations adoptes pour loprateur de recul du temps de respectivement 1

et d priodes dchantillonnage,

bruit blanc qui permet de modliser les perturbations et les erreurs de la partie

stochastique du modle.

Cette relation est la somme dune partie dterministe, qui reprsente leffet de la

variable daction u (t ), et dune partie stochastique p (t ), qui reprsente lensemble des

perturbations et des effets non pris en compte.

La fonction de transfert dterministe de ce modle est le rapport des polynmes B /A.

Le terme 1 z 1 dans la partie stochastique du modle permet de modliser les

perturbations non stationnaires, ce qui est le cas habituel pour les units industrielles.

Par exemple, la broyabilit et la granulomtrie dalimentation sont typiquement des

variables qu prsentent une composante de drive de la moyenne en raison des

systmes dalimentation partir de silos o seffectue toujours une certaine sgrgation

des particules selon leur dimension, et en raison aussi de la planification de

lexploitation minire.

Lquation aux diffrences finies quivalente lquation (1), donc dans le cas

monovariable, est :

y (t ) + a1y (t 1) + a2y (t 2) + ...= b1u (t d) + b2u (t d 1)+... + p (t ) (2)O ai et bi sont les coefficients des polynmes A et B.

Ces modles peuvent tre tendus au cas multivariable, au prix dune augmentation du

nombre de paramtres. La reprsentation dtat linaire [9] est conseille dans ce cas,

car elle est plus compacte et plus facile manipuler que la matrice de transfert (matrice

des fonctions de transfert). On la met habituellement sous la forme suivante:

Equation (2)

Avec A, B et C triplet des matrices de coefficients du modle,

u (t ) vecteur des entres au temps t,

x (t ) vecteur dtat au temps t,

y (t ) vecteur des sorties mesures au temps t,

v (t ) perturbations stochastiques et incertitudes de modle,

w(t ) erreurs de mesure.


28/38


30

Les mthodes destimation des paramtres du modle, coefficients des polynmes A,

B, C, D [quation (1)] ou des matrices A, B, C [quation (2)], sont les mthodes

habituelles didentification des systmes dynamiques linaires discrtiss : moindres

carrs, moindres carrs tendus ou maximum de vraisemblance [10]. Les paramtres

peuvent aussi tre estims en ligne avec le procd, conduisant alors des systmes

adaptatifs [7] [10]. Dautres mthodes de modlisation sont utilisables lorsque le

comportement du systme de broyage est fortement non linaire. Les rseaux

neuromimtiques [11] par exemple offrent une grande souplesse pour modliser les

systmes dynamiques non linaires et ont t dj appliqus aux systmes de broyage.

Pour un exemple de modle empirique dun circuit de broyage, le simulateur

phnomnologique a dabord t talonn partir de mesures industrielles obtenues

sur un circuit de broyage de sulfures complexes [12]. On a dtermin les coefficients bi,

j kj et r des broyeurs ( III.1), les paramtres du modle des hydrocyclones, les

dimensions du rservoir et des tuyauteries et les caractristiques de la pompe.

Ensuite, le simulateur a t utilis pour gnrer des donnes synthtiques partir

desquelles on a identifi les quations aux diffrences [quation (2) dans le cas

multivariable] suivantes, en ngligeant la partie stochastique :

y1(t ) = 0,963 y1(t 1) + 0,159 1 u1(t 4) + 0,014 8u2(t 3)y2(t ) = 0,977 y2(t 1) + 0,120 u1(t 3) 0,129 u1(t 4)

+ 0,085 1 u2(t 3) 0,084 7 u2(t 4)

Avec u1(t/h) dbit de minerai dalimentation,

u2 (m3/h) dbit deau ajoute au rservoir,

y1(t/h) dbit de minerai travers le broyeur secondaire (charge circulante),

y2 pourcentage de particules plus fines que 74 m la surverse des hydrocyclones

(finesse du produit).On peut crire soit une matrice de transfert, soit une reprsentation dtat. La matrice

de transfert, par exemple, vaut :


29/38


31

Ce prsent travail est sintitule dans le cadre de ltude des performances du

broyeur boulets install IMACID. Ainsi sa modlisation suivie de loptimisation de

son fonctionnement prsente un grand intrt. En effet le broyeur est un lmentmoteur dans le procd de production de lacide phosphorique IMACID.

Pour cela cette tude se rvle intressante dans le sens o il sera le point de dpart

dventuels projets dans le sens de loptimisation et ltude des performances du

broyeur surtout au niveau de la consommation excessive dnergie notamment lnergie

lectrique.

Cette tude reste non exhaustive dans la mesure o les tudes sur les broyeurs sont

dactualit et prsentent toujours des difficults de modlisation notamment les modles

physico-chimiques.

Finalement, je tiens normment remercier Mr K. MAKRAN le chef de service de

latelier phosphorique IMACID pour son encadrement qui ma tait de grande utilit

pour la russite de mon stage ainsi que toute lquipe de latelier sans oublier le service

maintenance pour leur considrable collaboration.

CONCLUSION


30/38


32

[1] Techniques de lIngnieur, trait gnie des procds J 3 110.

[2]WEISS (A.).- SME Mineral Processing Hand-book. SME. Littleton Colorado (1984).

[3] DUB (Y.), LANTHIER (R.) et HODOUIN (D.). Computer-Aided Dynamic Analysis and

Control Design for Grinding Circuits. CIM Bulletin 80, p. 65-70 (1987).

[4] FLAMENT (F.) et HODOUIN (D.). Simulation des procds minralurgiques. Mines et

Carrires Les Techniques 70, p. 173-209 (1988).

[5] HODOUIN (D.), DUB (Y.) et LANTHIER (R.). Stochastic Simulation of Filtering and

Control Strategies for Grinding Circuits. Int. J. Mineral Process. 22, p. 261-274 (1988).

[6] HODOUIN (D.), POMERLEAU (A.) et FLAMENT (F.). A Methodology to Evaluate

Advanced Control Strategies for Mineral Processing Plants. Proceedings of APCOM XXIV, J.

Elbrond and X. Tang CIMM Montreal, p. 227-234, nov. 1993.[7] STRM (K.J.) et WITTENMARK (B.). Computer Controlled Systems Theory and Design.

Prentice-Hall Englewood Cliffs New Jersey (1990).

[8] BOX (G.E.P.) et JENKINS (G.M.). Times Series Analysis : Forecasting and Control

Holden- Day. San Francisco CA, 574 p. (1976).

[9] FOULARD (C.), GENTIL (S.) et SANDRAZ (J.P.). Commande et rgulation par calculateur

numrique : de la thorie aux applications. Eyrolles, 573 p. (1987).

[10] LANDAU (I.D.). Identification et commande des systmes. Herms (1993).

[11] THIBAULT (J.) et GRANDJEAN (B.). Neural Network in Process Control : A Survey. IFACSymposium ADCHEM91, Toulouse France 14-16, oct. 1991.

BIBLIOGRAPHIE


31/38


33

[12] HODOUIN (D.), McMULLEN (J.) et EVERELL (M.D.). Mathematical Simulation of a

Three- Stage Grinding Circuit for a Fine Grained Pb-Zn-Cu Ore. Proceedings of the European

Symposium on Particle Technology Amsterdam (1980).

Annexes


32/38


34

Calcul de la charge optimale dun broyeur boulets dalumine :

Le broyage humide des matires dures (sables, feldspath, frittes...) ncessite la prise

en compte de certains paramtres pour optimiser l'efficacit de cette opration (rduire

le temps de broyage et conomiser l'nergie) et aussi pour prserver le matriel d'une

usure trop rapide. Vous trouverez ci-aprs une mthode de calcul permettant d'utiliser

un broyeur dans ces conditions optimales.1) Donnes recueillir sur le broyeur :

Diamtre intrieur du cylindre du broyeur Dint= en cm

Longueur intrieure du cylindre du broyeur Lint= en cm

Vitesse de rotation en charge du broyeur Vtr= en tours par minute

2) Donnes sur la matire broyer :

Densit de la matire sche broyer par rapport l'eau Dms= sans unit

(exemple pour du sable Dms= 2,42 )

Masse volumique recherche pour la barbotine de produit broy humide MVbar= en

grammes par litres

(exemple densit d'mail sortie broyage = 1550 g/L)

3) Calculs de la charge broyante :

Densit des billes de broyage Dbilles= sans unit

La plupart des billes en alumine du march ont une densit de 3,6 environ ( vrifier sur

vos produits utiliss).

Volume du broyeur : (Pi x ( Dint) x L int) / 4000 = Vbr


33/38


35

Vitesse tangentielle du cylindre : (Vtrx Dintx Pi) / 100 = en mtres par minute (Prendre

Pi = 3.14)

(par exprience une vitesse comprise entre 85 et 92 mtres / mn est souhaitable)

Charge de billes utiliser : 0,55 x 0,60 x Dbillesx Vbr= en kg

Rpartir la charge broyante sur 3 tailles de billes :

- Grosses 1/4

- Moyennes 1/2

- Petites 1/4

4) Calcul de la charge utile du broyeur :

Selon l'tat apparent des matires au remplissage du broyeur, le volume de matires

broyes humide peut occuper 30 40 % du volume du broyeur. Le broyeur peut tre

rempli au maximum, mais pour cela les matires doivent tre charges sans gne. Bien

penser que les matires verses dans le broyeur n'occupent pas entirement son

volume libre. Le tas de matires a la forme d'un cne et les cts du broyeur sont vides.

Taux de remplissage matires Tm= sans unit

(ex : 0.3 pour un remplissage possible 30%)

Volume de barbotine Vbar= Vbrx Tmen litresPoids de barbotine Pbar= (Vbarx MVb) /1000 en kg

Poids de matires sches ((1-(MVbar/ 1000)) / ((1-Dms) / Dms)) x Vbar

Quantit d'eau au broyage = Poids barbotine - Poids mat sches

5) Exemple en chiffres :

Broyeur Dint= 107 cm

Lint= 132 cm

Vtr= 27 tours/minuteMasse volumique barbotine MVbar= 1555 g/L

Densit matire sche Dms= 2,6

Densit des billes de broyage Dbilles= 3,57

Diamtre de billes 40, 30 et 25 mm.

Le taux de charge du broyeur est de 37,5 % donc Tm= 0,375


34/38


36

---------------CALCULS :

Volume broyeur Vbr= (3,14 x 107 x 107 x 132) / 4000 = 1186 litres

Vitesse tangentielle = (27x107x3,14) / 100 = 90,71 arrondi 91 m/mn

La vitesse est bien comprise entre 85 et 92 m/mn, la charge fonctionnera correctement.

Charge de billes = 0,55 x 0,60 x 3,57 x 1186 = 1397,21 arrodi 1400 kgRpartition :

Grosses billes 40 mm = 1400 / 4 = 350 kg

Billes moyennes 30 mm = 1400 / 2 = 700 kg

Petites billes 25 mm = 1400 / 4 = 350 kg

Volume de barbotine Vbar= 1186 x 0,375 = 444,75 arrondi 445 litres

Poids de barbotine Pbar= (445x1555)/1000 = 691,97 arrondi 692 kg

Poids de matire sche charger :

= ((1-1,555) / ((1-2,6)/2,6)) x 445

= ( - 0,555 / (-1,6 / 2,6)) x 445

= ( 0,555 / 0,6154 ) x 445 = 401 kg de matires sches

Volume d'eau mettre au broyage :

= 692 - 401 = 291 litres d'eau


35/38


37

Revtement de broyeurs


36/38


38


37/38


39


38/38


Documents

Conduite+des+broyeurs+à+boulets