+ 2009 Rôle des agents de mouture dans le broyage à sec des minéraux

RAMBAM

Porteur du projet

Sandrine Bec LTDS Ecole Centrale de Lyon

sandrine.bec@nullec-lyon.fr

Laboratoire(s) membre(s)

laboratoire associé

PLATEFORMES INGÉNIERIE@LYON 

Matériaux- Procédés & Caractérisation
Tribologie

DOMAINES SCIENTIFIQUES

Surfaces et Interfaces

SECTEURS INDUSTRIELS

Alimentaire
Chimie et matériaux
Industries de la santé

portrait du porteur

Sandrine Bec 2015_rambamSandrine BEC
Chargée de recherche CNRS
Chargée des Projets d’Application de recherche (PAr)STMS/LTDS

Axe(s) de recherches

objectifs


Apporter des éléments pour mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de fissuration et de réagglomération en présence des agents de mouture lors du broyage à sec des minéraux, en intégrant les aspects thermiques.

Dans le contexte général de la problématique du coût énergétique du broyage à sec fin des minéraux, l’objectif du projet est d’apporter des éléments pour mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de fissuration et de réagglomération en présence d’additifs, en intégrant les aspects thermiques.

Le projet se décline ainsi selon les trois échelles pertinentes du procédé :

A l’échelle du broyeur, l’instrumentation d’un broyeur de laboratoire a pour objectif de déterminer des paramètres pertinents liés au procédé tels que les caractéristiques des chocs, les températures (moyenne, locale et instantanée), le taux d'humidité (CETHIL/LaMCoS).

A l’échelle du tas de poudre, ce sont les phénomènes d’adhésion (forces de van der Waals, électrostatique, capillaire, …) qui sont prépondérants. Dans cette partie, on s’intéresse donc en particulier au rôle des particules fines sur la cohésion de la poudre ainsi qu’à l’influence des additifs sur ces phénomènes (LTDS/ILM).

A l’échelle du grain, l'objectif est de mieux comprendre la fracture des particules lors des chocs qu'elles subissent, à partir de données expérimentales obtenues dans des conditions de chocs maîtrisées (LTDS/LaMCoS).

 
Evolution de l’angle maximum de stabilité mesuré lors des expériences en tambour tournant en fonction du pourcentage massique de billes fines pour différentes valeurs d’humidité relative (6%<HR<58%) et observation en microscopie électronique à balayage d’un échantillon de billes prélevé dans le tambour après une expérience (fraction volumique de fines 0,15%, HR=43%). Le rapport moyen des diamètres entre les grosses billes et les fines est égal à 50 (billes de verre).

Evolution de l’angle maximum de stabilité mesuré lors des expériences en tambour tournant en fonction du pourcentage massique de billes fines pour différentes valeurs d’humidité relative (6%<HR<58%) et observation en microscopie électronique à balayage d’un échantillon de billes prélevé dans le tambour après une expérience (fraction volumique de fines 0,15%, HR=43%). Le rapport moyen des diamètres entre les grosses billes et les fines est égal à 50 (billes de verre).

résultats

A l’échelle du broyeur, un broyeur de laboratoire a été instrumenté pour réaliser des premières mesures de température à l’intérieur de la jarre contenant le matériau à broyer. Compte-tenu de la faible élévation de température en régime stationnaire, on peut émettre l’hypothèse que les impacts des couplages thermiques doivent être faibles. Toutefois, cela ne suggère aucunement qu'il ne puisse exister, localement lors des chocs, des élévations plus importantes de températures.

A l’échelle du tas de poudre, la caractérisation de la cohésion du milieu granulaire a été appréhendée par l’étude de la coulabilité d’un tas de poudre au moyen d’expériences en tambour tournant (température et humidité contrôlées, billes de verre de deux tailles différentes, rapport 50 sur les diamètres moyens entre fines et grosses billes). Le travail a été focalisé sur  l’influence des particules fines sur l’écoulement du milieu granulaire. Les résultats obtenus ont montré qu’une faible concentration de particules fines (< 1% en masse) s’avère avoir une influence significative inattendue sur la cohésion et donc la stabilité mécanique du milieu granulaire. Cet effet est d’autant plus important qu’il est ambivalent, fluidisant le tas à très faible concentration (< 0,15%, régime d’avalanches) et le solidifiant à plus forte concentration (> 0,24%, régime de stick-slip). Thèse de X. Huang, ECL/ILM, n° d’ordre ECL 2013-34 et Phys. Rev. E 90, 052201, 2014.

A l’échelle du grain un dispositif de fracturation en environnement contrôlé a été développé afin d’apporter des éléments de compréhension concernant l’effet des molécules d’additifs sur la rupture d’un minéral. Des lames de calcite ont été fracturées sous vide, à l’air ambiant et en présence d’un additif de broyage industriel, le MPG, évaporé dans l’enceinte. Les résultats montrent qu’en présence de MPG, la contrainte à rupture est significativement réduite par rapport à la contrainte mesurée pour la calcite sous vide et à l’air ambiant, ce qui confirme que l’additif joue un rôle sur la rupture du minéral. Le couplage entre la chambre de fracturation et le spectromètre XPS a été réalisé dans un second temps dans le but de conduire des analyses chimiques sur les surfaces fraîches créées après rupture.

Dispositif de fracture instrumenté en environnement contrôlé développé au LTDS a) schéma et b) photo du dispositif. Ce dispositif permet d’estimer la contrainte à la rupture de différents matériaux et d’étudier leur réponse sous sollicitations cycliques tout en en contrôlant  la composition chimique de l’environnement.

Dispositif de fracture instrumenté en environnement contrôlé développé au LTDS a) schéma et b) photo du dispositif. Ce dispositif permet d’estimer la contrainte à la rupture de différents matériaux et d’étudier leur réponse sous sollicitations cycliques tout en en contrôlant la composition chimique de l’environnement.

 

INTERet INDUSTRIEL ET SOCIÉTAL

Des compétences complémentaires ont été mobilisées pour étudier un problème généralement abordé sous un seul angle à la fois, ou de façon globale en génie des procédés. Le projet a ainsi fait émerger, à l’échelle lyonnaise, une compétence multidisciplinaire sur une question industrielle de première importance pour plusieurs entreprises de la région. Le projet a en effet permis des avancées scientifiques sur plusieurs fronts liés aux problématiques du broyage des minéraux, qui ont suscité l’intérêt de plusieurs entreprises, y compris en dehors du secteur du broyage.

Un dispositif de fracturation en environnement contrôlé est maintenant opérationnel et les premiers résultats obtenus sur la rupture de la calcite en présence d’un additif de broyage sont très encourageants. D’autres projets prennent  le relais pour exploiter les possibilités offertes par cet appareillage original, par exemple une étude de faisabilité pour application à la rupture de matériaux métalliques.

Concernant l’influence des fines sur l’écoulement des milieux granulaires, les résultats obtenus ont permis de montrer que les particules fines, qui modélisent les poussières inévitablement créées lors du broyage, influencent significativement le comportement du milieu granulaire et qu’il n’est donc pas possible de les négliger. La question de l’influence des fines dans les procédés liés au broyage est par ailleurs plus large que la problématique industrielle du broyage elle-même car ces particules peuvent aussi jouer un rôle dans de nombreux procédés industriels qui utilisent des produits broyés comme matière première.

 

VALORISATION

Thèse
Xixi Huang, "Influence des particules fines sur la stabilité d'un milieu granulaire", soutenue le 25/10/2013, ECL/ILM, n° d’ordre ECL 2013-34 (https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00963654v1)

Publications internationales à comité de lecture
Xixi Huang, Sandrine Bec, and Jean Colombani, "Influence of fine particles on the stability of a humid granular pile", Phys. Rev. E 90, 052201 – 4 November 2014 (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.90.052201)
Xixi Huang, Sandrine Bec, Jean Colombani, "Ambivalent role of fine particles on the stability of a humid granular pile in a rotating drum", Powder Technology 279, July 2015, 254–261 (http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2015.04.007)

Conférence internationale avec acte
Minfray, C., Bec, S., Rusanov, A., Guibert, M., Le Mogne, T., "Fracture of minerals under controlled environments for a better understanding of grinding", World Tribology Congress 2013, 8-13 September 2013, Turin, in WTC2013 Proceedings, ISBN : 9788890818509 (2013).

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