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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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5. Contaminations dues au broyage
Traditionnellement, la contamination lors des opérations de fragmentation résulte de l’usure des outils. Les produits d’usure peuvent être gênants à plusieurs titres. Ils peuvent être colorés, abrasifs ou constitués d’agents prohibés dans l’utilisation finale. Ils peuvent aussi empoisonner les surfaces en précipitant sur celles-ci (hydroxydes de fer).
La contamination peut être limitée :
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en ajustant les paramètres de conduite, notamment la vitesse, le débit, le taux de remplissage, les rapports quantitatifs solide/solide + eau et solide + eau/corps broyants ;
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en adaptant la nature des corps broyants, des blindages et des organes de brassage à chaque cas. On peut les choisir dans le même matériau que la substance à broyer ou dans un matériau donnant, dans la suite du procédé, la même descendance que celui-ci (corps en fer pour le broyage des ferrites destinées au frittage), ou encore dans un matériau facile à éliminer par la suite (corps en fer pour le broyage de quartz optique, le fer étant éliminé par lavage chlorhydrique). On peut aussi utiliser des revêtements en polymères organiques (polyuréthane, caoutchouc, nylon, etc.) ou choisir des substances très dures (céramiques spéciales, aciers trempés spéciaux).
Aujourd’hui, le broyage fin de substances, où le maintien de spécifications ultérieures strictes nécessite la préservation d’une grande pureté (graphite, nitrures, carbures, oxydes réfractaires, céramiques électro-optiques, etc.), change significativement l’approche de la fragmentation. Ainsi, les fluides – eau ou air – peuvent être polluants au même titre que les impuretés métalliques. Le procédé de fragmentation peut donc être choisi moins selon son coût que pour son caractère non polluant.
on a recours au broyage par jets fluides opposés pour rompre les particules par choc les unes contre les autres, limitant ainsi la pollution métallique ; de même, on peut opérer en milieu anhydre, par exemple dans les alcanes, pour rompre les particules à l’abri de l’eau atmosphérique.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ALLEN (T.) - Particle size measurement. - 3rd éd., Chapman & Hall, Londres ; p. 678 (1982).
-
(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).
-
(3) - ANSELM (W.) - Zerkleinerungstechnick und staub. - V.D.I. Verlag (1946).
-
(4) - AOUADJ (O.) - Étude du broyage humide de la muscovite. - Thèse de doctorat de l’université de Haute Alsace, Mulhouse, p. 113 (1994).
-
(5) - AUSTIN (L.G.) - Introduction to the mathematical description of grinding as a rate process. - Powder Technology, 5, pp. 1-17 (1971/72).
-
(6) - AUSTIN (L.G.), KLIMPEL (R.R.) - The theory of grinding operations. - Ind. Eng. Chem.,...
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