Deux projets RAMBAM 1 et 2 ont été financés par l’institut Carnot I@L
sur les campagnes Projets I@L  2009 et 2011

Rôle des Agents de Mouture dans le Broyage A sec des Minéraux

Porteur : Sandrine BEC – Laboratoire Tribologie et Dynamique des Systèmes

labellisés institut Carnot I@L,
- LTDS : Triboélectrification – Usure, Caractérisation mécaniques de surface, Tribochimie, surface
- LaMCoS : Modélisation de rupture et propagation de fissures, Simulation multi-échelle
- CETHIL : Propriétés thermophysiques – microscopie thermique, Micro et nano thermique

associés au
- LPMCN : Force de surface, Mouillage, Etude des liquides aux interfaces

Projet RAMBAM – campagne 2009

Objectif

L’objectif de la recherche est une meilleure compréhension des mécanismes fondamentaux de fissuration et de ré-agglomération en présence des agents de mouture lors du broyage à sec des minéraux en intégrant les aspects thermiques. Trois axes seront développés en couplant étroitement expérimentation et simulation numérique, aux diverses échelles impliquées :

1. Echelle du broyeur : aspects thermiques et cinématiques dans le procédé de broyage
2. Echelle du tas de poudre : phénomènes limitant du broyage et de la sélection ; réagglomération
3. Echelle du grain de poudre : étude de l’influence des additifs sur la fracture dynamique des particules.

Description du sujet :

Les minerais sont valorisés industriellement sous plusieurs formes : pierres, granulats, poudres de différentes granulométries. Les grades les plus techniques concernent les poudres dont la taille de particules est contrôlée via un procédé de broyage. On peut citer deux grands domaines d’application de ces poudres minérales que sont le bâtiment (ciments, chaux, plâtres…) et les utilisations comme charge (peinture, papier, plastiques, pharmacie).

Ces processus de broyage, qui occupent une place importante dans l’industrie, ne sont pas totalement optimisés. En particulier sur le plan énergétique, seulement quelques pourcents (1% à 5%) de l’énergie fournie au broyeur sont effectivement utiles à la fragmentation (Jimbo 1992). Le rendement énergétique est de plus en plus faible lorsque l’on cherche à diminuer la taille des particules (Rumpf 1973; Hukki 1975).

Les principales caractéristiques d’un procédé de broyage sont le milieu de broyage (eau, air, température, pH, durée…), les types de broyeurs (à marteaux, à boulets…), les sélecteurs (séparation des poudres en sortie de broyeur selon leur taille), les corps broyant (billes, boules, barres…), les agents de mouture. Ces paramètres doivent être optimisés en fonction de la nature du minerai utilisé pour obtenir la taille de particule désirée, tout en maximisant le rendement énergétique. Deux démarches différentes sont possibles pour aborder cette problématique du broyage. La plus répandue actuellement est une démarche technologique de type Génie des Procédés, dont les efforts ont principalement porté sur l’optimisation et la modélisation des broyeurs et des sélecteurs. La seconde approche s’intéresse plutôt aux mécanismes mécano-chimiques intervenant au niveau des particules tels que la fissuration, l’adhésion, etc (Briscoe 1987). Notre projet s’inscrit dans ce type d’approche en intégrant le rôle des agents de mouture, peu pris en compte jusqu’à présent.

Projet RAMBAM 2 – campagne 2011

Objectif
En complément des recherches menées, le projet a pour objectif le développement de simulations numériques dynamiques à l’aide de la méthode des éléments finis étendus (Belytschko 1996; Grégoire 2007) pour modéliser le comportement en fissuration des minéraux en prenant en compte des interactions physico-chimiques de surface (Réthoré 2006), telles que :

• des modifications d’énergie de surface en présence ou non d’additif (liquide ou gazeux) ;
• de la présence ou non de charges électriques ;
• des forces capillaires et/ou de double couche si l’additif est liquide ;
• des modifications des propriétés locales du matériau en bord de fissure suivant l’environnement (température flash ou moyenne, agent de mouture, humidité).