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Conduite des broyeurs boulets
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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
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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
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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.
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Chapitre 1 : Prsentation delorganismedaccueil
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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.
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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).
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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Chapitre 2 : Conduite des broyeurs boulets
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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,
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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.
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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 :
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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
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[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
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[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
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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
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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
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---------------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
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Revtement de broyeurs
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