Ateliers de Broyage Optimisation et Modélisation (CEMTECH 93 , St Petersburg) A

Ateliers de Broyage Optimisation et Modélisation (CEMTECH 93 , St Petersburg) Alain Cordonnier - Christophe Obry CRCM Centre de Recherches Cimenterie & Minéralurgie CEMTECH 93 - St Petersburg Page 2/12 1. Introduction FCB a réalisé ces dernières années d'importants travaux de recherche dans le domaine du broyage et notamment de la simulation numérique du broyeur à boulets. Une partie de ces travaux, menés à l'époque en collaboration avec la Société des Ciments Français, a fait l'objet d'une publication présentée aux "journées d'études sur les nouvelles techniques de broyage et économie d'énergie" les 25 et 26 octobre 1989 à Paris et reproduite dans les numéros d'Août et de Septembre 1991 de la revue "World Cement". Cette publication expose les principes théoriques fondamentaux de la modélisation et de la simulation d'un circuit quelconque de broyage équipé d'un broyeur à boulets. A l'issue de ces travaux, FCB se trouvait doté de deux nouveaux outils :  Un test de broyabilité (FCB Index) précis, fiable et parfaitement représentatif du mécanisme de fragmentation tel qu'il se passe dans un broyeur à boulets industriel. Ceci nous permet de définir le rendement relatif de l'atelier par rapport au FCB Index baptisé σ (sigma) : σ = FCBIndex Specific Energy IndustrialSpecific Energy  Un programme de calcul de simulation d'atelier de broyage avec broyeur à boulets comportant notamment une nouvelle formulation des fonctions de broyage. Ce programme prend en compte toutes les configurations et conditions de fonctionnement d'un atelier industriel (séparateur, charge en boulets et son classement, ventilation etc). Nous apportons aujourd'hui un certain nombre de compléments concernant les derniers développements théoriques d'une part et les résultats obtenus sur le terrain d'autre part. Enfin, le succès remporté aujourd'hui dans tous les cas où nous avons appliqué la modélisation nous a permis de définir deux méthodes d'investigation utilisées dorénavant en routine. 2. Avancées Théoriques 2.1. Modèle de Blaine 2.1.1. Objectif La simulation numérique repose sur le calcul et l'évolution des différentes granulométries dans un circuit, mais ignore la notion de surface spécifique Blaine qui est le critère le plus couramment employé pour le broyage du ciment. Il était donc important de pouvoir calculer le Blaine directement à partir de la distribution granulométrique complète. En effet, les corrélations simples (Blaine vs R8µ et autres) sont insuffisantes car elles ne prennent pas en compte l'homogénéité des granulométries (pente Rosin Rammler par ex.) qui dépend de l'atelier (séparateur, charge circulante etc). CEMTECH 93 - St Petersburg Page 3/12 2.1.2. Moyens Une étude systématique de corrélation entre le Blaine et la distribution granulométrique pour différents produits a montré qu'il est impossible de réaliser un modèle indépendant de la matière étudiée. La solution passe par un complément de calcul au test de broyabilité (FCB Index) et à la détermination des fonctions S et B (cf figure 1). The Blaine Model in the FCB's Modelisation Method FCB index SIZE Distributions BLAINE FBS Calculated Size Distributions Mill Simulator Grinding Plant Simulation MODELISATION Without Blaine Model With Blaine Model Blaine Model Figure 1 : Intégration du modèle de Blaine dans la méthode de modélisation En effet, le FCB Index nous donne, pour des conditions standard, un ensemble de mesures (granulométries et Blaine) couvrant la plage étudiée (ciment de 2000 à 4000 Blaine environ). Cet ensemble est ensuite consolidé (dépouillement FCB Index et calcul des granulométries par FBS : première étape de la modélisation). Ceci nous permet de caler les deux paramètres du modèle de Blaine sur des données cohérentes. 2.1.3. Conclusions • Le modèle de Blaine complète la carte d'identité du produit étudié. • Intégré dans notre simulateur de broyeur à boulets, il nous permet d'associer à toutes les granulométries calculées le Blaine correspondant. • Nous pouvons dorénavant imposer au simulateur de rechercher une solution de circuit permettant de produire un Blaine donné. Par exemple, si on choisit le Blaine et la charge circulante, le simulateur détermine le réglage du séparateur et le débit de produit fini, tout comme le ferait l'opérateur d'un circuit industriel. CEMTECH 93 - St Petersburg Page 4/12 2.2. Modèle de Courbe de partage de séparateurs granulométriques FCB a mis au point, testé et aujourd'hui validé une formulation mathématique universelle de la courbe de partage d'un séparateur granulométrique (Cf figure 1). Cette fonction nous donne la valeur du rendement Ri pour la maille Xi. Elle consiste en la combinaison de deux sigmoïdes (courbes en S), l'une décrivant la coupure granulométrique et l'autre le soutirage dans les fins. Les paramètres de cette fonction ont un sens physique : Mc : Maille de coupure du séparateur. Pt : Pente. Ms : Maille "de coupure" du soutirage. Pts : Pente de soutirage. St : Soutirage maximum. Stg : Soutirage global. Leur signification est explicitée sur la figure 2. La figure 3 nous montre dans quelle mesure les paramètres permettent de simuler n'importe quel type de séparateur. Modelised Partition Curve Ms (1-Stg)/2 (St+Stg)/2 Stg Mc 1.0 0.0 0.5 β β β β β β β βs St Size M = ln(10)=2.3 tgß=Pt.M/4 tgßs=Pts.M/4 Typical Partition Curves Size Efficiency 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 10 100 First Generation Second Generation Third Generation Figure 2 : Signification des paramètres Figure 3 : Les trois générations de séparateur sont modélisables ( ) Stg Stg St Str Avec X Mc Ms X Str Ms X Str Stg Stg R Pt i Pts i Pts i i − − =                        +   + − +   + ⋅ − + = 1 : 1 1 1 1 1 Figure 1 : Formule universelle FCB de calcul de rendement First Generation Second Generation Third Generation mc 20 20 20 pt 2.5 3.5 6 Ms 6 5 6 Pts 1.5 2 2.5 St 0.7 0.5 0.2 Stg 0.4 0.3 -0.05 CEMTECH 93 - St Petersburg Page 5/12 Deux cas pratiques de modélisation de courbe de partage à partir de granulométries industrielles sont rassemblés dans la figure ci-dessous. La courbe concernant le Surtevant nous montre un exemple de séparateur de type "Première génération" tandis que l'autre (TSV) nous montre le séparateur de type "troisième génération" FCB. Industrial and modelised Classifier Partition Curves Size Selectivity Values 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 µm 10 µm 100 µm 1000 µm LASER Alpine Sieve Sturtevant First Generation LASER TSV Third Generation 2.3. Distribution des temps de séjour Les différents bilans industriels réalisés pendant la période de validation du simulateur nous ont montré que l'écoulement de la matière dans un broyeur est complexe et fortement dépendant de sa conception. En effet, dans un broyeur industriel l'écoulement n'est pas du tout du type "piston" (écoulement en masse) mais présente un taux de mélange important: on peut dans la pratique assimiler le broyeur à une succession de mélangeurs parfaits dont chacun à un ratio longueur sur diamètre d'environ 0,5. Cependant d'autres phénomènes viennent compliquer cette approche :  Ventilation du broyeur qui provoque un avancement différentiel des fines par rapport aux grossiers.  Tendance au coating qui se traduit par un ralentissement et un surbroyage d'une partie des fines.  Bourrage du broyeur qui se manifeste par une traversée sans effet de broyage d'une partie de la matière.  Effet de cloison qui augmente d'une part localement la vitesse des gaz et donc les envolées, mais aussi crible le produit. Ces différents phénomènes sont simulés de la manière suivante : • Le broyeur est découpé en tranches élémentaires • Chaque tranche élémentaire est équipée de deux séparateurs virtuels permettant de simuler les différents points cités précédemment. CEMTECH 93 - St Petersburg Page 6/12 Part n-1 Part n+1 Elementary Theoretical Tube Part Part n D V M V : Simulation de la ventilation et/ou d'un "by-pass" (bourrage). D : Simulation d'une grille et/ou de coating M : Tranche élémentaire de broyeur assimilée à un réacteur parfaitement mélangé. Cette approche de broyeur en "tranches" a permis une programmation modulaire et simple du simulateur, et donne une grande souplesse à l'utilisation. 3. La modélisation sur le terrain 3.1. Préconisation de charge en boulets Pour un exploitant en Belgique, désireux d'augmenter sa capacité de production d'un ciment de 3700 Blaine à 48.5% de laitier, nous avons réalisé une modélisation complète comportant un bilan industriel, une simulation de l'atelier actuel et plusieurs simulations théoriques dont l'objectif était de trouver des solutions d'optimisation du fonctionnement. A partir de ces simulations deux propositions concrètes ont vu le jour : • Préconisation d'une nouvelle charge en boulets. • Proposition d'implantation d'un TSV à la place des deux séparateurs de première génération Sturtevant. Nous avions annoncé un gain potentiel de 7,2% avec la nouvelle charge. L'exploitant a modifié sa charge suivant nos préconisations. Aujourd'hui, les statistiques sur plus de 6 mois de fonctionnement font apparaître un gain moyen de 7% avec cette nouvelle charge ! En ce qui concerne le séparateur nous pouvons annoncer avec certitude un gain supplémentaire de 10%. Nous uploads/Industriel/ ateliers-de-broyage-optimisation-et-modelisation 1 .pdf

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