Modèle et simulateur de débit d'air d'entrée dans une installation de broyage avec broyeur électromagnétique

Aug 02, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8281 (2023) Citer cet article

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La fragmentation des matières premières consomme une grande partie de l’énergie et des coûts d’exploitation des usines de production et de transformation. Des économies peuvent être réalisées, par exemple, en développant de nouveaux équipements de broyage, tels que le broyeur électromagnétique avec son installation de broyage dédiée ; et en appliquant des algorithmes de contrôle efficaces à ces éléments. Un bon contrôle qualité repose sur des modèles mathématiques, et le test d’algorithmes de contrôle polyvalents est grandement simplifié si un environnement de simulation d’usine est disponible. Ainsi, dans cette recherche, des mesures ont été collectées au niveau de l’installation de broyage avec broyeur électromagnétique. Ensuite, un modèle a été développé qui caractérise le flux d’air de transport dans la partie entrée de l’installation. Le modèle a également été implémenté dans un logiciel pour fournir le simulateur du système pneumatique. Des tests de vérification et de validation ont été effectués. Ils ont confirmé le bon comportement du simulateur et la bonne conformité avec les données expérimentales, tant en régime permanent qu'en transitoire. Le modèle est alors adapté à la conception et au paramétrage d’algorithmes de contrôle du débit d’air et à leurs tests en simulation.

La fragmentation des matières premières est un élément essentiel dans de multiples secteurs industriels, constituant une étape cruciale dans : la transformation des aliments ; fabrication de papier, produits pharmaceutiques, cosmétiques, pigments ; traitement des matières minérales (pour les secteurs de la métallurgie, du bâtiment, de la chimie et de l'énergie) ; le recyclage des déchets; et plus. C’est aussi un processus à grande échelle. Par exemple, la production mondiale des mines de cuivre a atteint 21,2 millions de tonnes de métal pur en 20211. Les minerais de cuivre étant de faible teneur (en moyenne, il y avait 0,65 % de cuivre dans le matériau extrait en 20152), cela signifie qu'une quantité colossale de plus de 3,2 milliards Des tonnes de minerai de cuivre ont été extraites, concassées et broyées en un an seulement. Étant un processus très courant et à grande échelle, le broyage consomme près de 2 % de l’énergie électrique mondiale3. Aussi, elle constitue souvent une part très importante de la consommation et des dépenses énergétiques d’un site minier ou de production. Par exemple, dans les mines, les processus de broyage et de séparation des particules représentent généralement environ 30 à 50 % de la consommation énergétique globale de l'usine4 et environ 35 à 55 % de ses coûts d'exploitation5.

La réduction des dépenses, de la consommation d'énergie et de l'impact environnemental des processus industriels est généralement souhaitée et stimule continuellement l'innovation dans les technologies de broyage6. Cela signifie : le développement de nouveaux équipements de broyage et de classification des particules7 ; ou appliquer des systèmes de contrôle plus efficaces aux solutions existantes8 ; ou un traitement supplémentaire de la matière première – avec des additifs chimiques9, du froid10, de la chaleur, des micro-ondes, des ultrasons, de la haute tension et autres7,11. De nouveaux types de broyeurs sont inventés, notamment pour le broyage fin et ultra-fin, là où les broyeurs à tambour conventionnels sont inefficaces ou énergétiquement inefficaces7. Une comparaison de nombreux modèles de broyeurs, tels que les broyeurs à culbutage (à boulets, à tiges, autogènes), à rouleaux, à agitation, vibratoire, centrifuge, à jet (énergie fluide), peut être trouvée par exemple dans12,13,14.

L'une des inventions récentes en matière de broyage ultra-fin est le broyeur électromagnétique15,16,17,18. Il comprend un inducteur de champ électromagnétique rotatif puissant, qui déplace de petites tiges ferromagnétiques (éléments de broyage) et provoque un broyage ou un mélange très rapide des matières premières fournies. Les particules alimentaires sont soumises à un impact important des éléments de broyage en mouvement, mais également à des contraintes thermiques, électriques, magnétiques et acoustiques, qui contribuent également au développement de fractures dans les matières premières15. La taille maximale des particules du matériau d'alimentation est d'environ 1 à 2 mm, en fonction du diamètre de la chambre de travail du broyeur. Après broyage, les particules du produit ont une taille d'environ quelques dizaines de micromètres, en fonction du type de matériau, de la distribution granulométrique de la charge, du temps de broyage et d'autres conditions opératoires19.