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RÉSUMÉ
La fragmentation est l’opération par laquelle on cherche à réduire la taille et/ou à augmenter la surface spécifique de particules solides. Ce phénomène résulte de l’action d’un champ de contraintes engendré par des forces de contact (compression, cisaillement, torsion, flexion, attrition, plus rarement traction). Son efficacité est toujours évaluée par une mesure de l’accroissement de la finesse. La fragmentation cherche à satisfaire des exigences en vue d’une utilisation précise, comme la réduction des dimensions, l’homogénéisation de mélanges ou l’attribution de spécifications de texture. Parfois, il en découlera d’autres effets pénalisants.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pierre BLAZY : Professeur honoraire - Ancien Directeur de l’École nationale supérieure de géologie (ENSG)
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Jacques YVON : Docteur ès sciences - Professeur à l’ENSG, Institut national polytechnique de Lorraine (INPL) - Directeur du laboratoire Environnement et Minéralurgie (LEM) - INPL-CNRS UMR 7569
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El-Aïd JDID : Docteur ès sciences - Ingénieur de recherche au Laboratoire environnement et minéralurgie (LEM) - INPL-CNRS UMR 7569
INTRODUCTION
La fragmentation est l’opération par laquelle on cherche à réduire la taille et/ou à augmenter la surface développée de l’unité de masse (surface spécifique) de particules solides. Son efficacité est toujours évaluée par une mesure de l’accroissement de la finesse. Les sollicitations mécaniques accroissent l’énergie libre des matériaux, qui va se convertir sous différentes formes. L’énergie de contrainte élastique est ainsi convertie en énergie élastique des défauts de réseau ponctuels (à l’échelle atomique), linéaires (dislocations, macles), plans (défauts d’empilement, joints de grains) ou volumiques (désordres structuraux). La conversion de plus grandes quantités d’énergie libre en énergie de surface engendre la fracturation. D’autres modes de dissipation d’énergie se manifestent par des effets mécanochimiques comme l’amorphisation (massique ou superficielle), l’agglomération, les transitions polymorphiques, etc.
La fragmentation peut avoir des finalités diverses :
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réduire les dimensions, soit pour faciliter la manutention, le conditionnement ou l’utilisation, soit pour libérer les constituants avant une opération séparative ;
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éliminer, avant une mise en œuvre, des zones de rupture potentielles (libération d’unités quasi monocristallines) ;
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augmenter la réactivité vis-à-vis de processus dont la cinétique dépend de la finesse ou du degré de désordre ;
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homogénéiser (mélanges, dilutions solides, dosages) ;
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conférer des spécifications de forme, de texture, de distribution granulaire ;
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modifier la fonctionnalité, soit sous l’effet de l’activation mécanochimique, soit en profitant de la création de nouvelles surfaces pour y implanter les groupes fonctionnels désirés.
La fragmentation cherche toujours à satisfaire des exigences relatives à des utilisations ultérieures et vise, généralement, au moins un des buts prioritaires parmi ceux mentionnés précédemment. Les autres effets, généralement inévitables, seront pénalisants s’ils engendrent des comportements indésirables, mais valorisants si on peut les mettre à profit pour améliorer les propriétés d’usage des substances.
Ce dossier est le premier d’une série. Les suivants traiteront :
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de la technologie ;
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des applications à l’industrie des minerais métalliques ;
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des applications aux minéraux industriels et à diverses fabrications.
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Quantification des phénomènes de la fragmentationArticle inclus dans l'offre
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1. Aspects physiques de la fragmentation
1.1 Phénomène de rupture
La fragmentation des solides résulte de l’action d’un champ de contraintes engendré par des forces de contact (compression, cisaillement, torsion, flexion, attrition, plus rarement traction). Ce champ varie donc avec l’intensité et la distribution des forces, avec la nature, la forme et les discontinuités structurales du solide. Il varie aussi avec la dynamique des déformations. La répartition des contraintes induit le réseau des fissures dont la densité et l’orientation conditionnent la dimension et la forme des fragments et, par conséquent, la finesse.
Griffith , en 1920, cherchant à établir des critères de rupture, envisage que ce phénomène résulte de deux mécanismes, l’amorçage et la propagation. Il définit un critère d’amorçage fonction des propriétés intrinsèques du matériau (principalement sa résistance à la traction) et un critère de propagation (connu sous le nom de critère de Griffith ). Ce dernier est fondé sur des considérations dynamiques : la mise sous contrainte conduit le solide à emmagasiner de l’énergie élastique ; lors de l’apparition d’une fissure, une fraction de cette énergie doit être convertie et, si elle excède l’énergie requise pour la formation de nouvelles surfaces, la fissure se propage. Bien qu’elle ne permette pas réellement d’évaluer la fragmentation en termes énergétiques, cette conception sert de fondement à la majeure partie des lois énergétiques de la fragmentation (Rittinger, Kick et Bond). On note que l’aptitude à la rupture n’est pas une caractéristique intrinsèque. Elle dépend non seulement de la géométrie et de l’état de fissuration mais aussi de facteurs externes ; ainsi l’élévation de pression hydrostatique engendre la fermeture de certains défauts plans et le glissement concomitant de leurs commissures, ce qui explique la tendance au comportement ductile observé dans ce cas. Le critère de rupture de Mac Clintock-Walsh ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - ANDRES (M.) - Désintégration des roches par impulsions électriques. - In « Nouvelles Techniques de Broyage et Économies d’Énergie », éd. AFME, tome 2, pp. 423-436 (1990).
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(3) - ANSELM (W.) - Zerkleinerungstechnick und staub. - V.D.I. Verlag (1946).
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(4) - AOUADJ (O.) - Étude du broyage humide de la muscovite. - Thèse de doctorat de l’université de Haute Alsace, Mulhouse, p. 113 (1994).
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(5) - AUSTIN (L.G.) - Introduction to the mathematical description of grinding as a rate process. - Powder Technology, 5, pp. 1-17 (1971/72).
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(6) - AUSTIN (L.G.), KLIMPEL (R.R.) - The theory of grinding operations. - Ind. Eng. Chem.,...
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