Les percées capitales de Metso Minerals en matière de conception dans le domaine de la technologie de cylindre de broyage à haute pression (HPGR, de l'anglais high pressure grinding roll) à la mine à ciel ouvert Morenci de Freeport-McMoRan Inc. (FCX) en Arizona se sont traduites non seulement par le développement du plus grand HPGR au monde (le HRC^™3000), mais également par des avancées considérables qui ont permis de surmonter les plus grandes difficultés inhérentes à cette technologie. Le HRC^™3000 est la pièce maîtresse dans l'augmentation de la capacité du concentrateur à la mine Morenci de FCX, qui atteint actuellement 63 500 tonnes par jour (tpj). L'ancien bâtiment du concentrateur Metcalf, déclassé en 1996, a été transformé et les activités ont repris en mai 2014, ce qui a permis d'augmenter la production de métaux d'environ 265 millions de livres de cuivre par an.

FCX a préféré installer un HPGR plutôt qu'un broyeur semi-autogène (SAG) pour son expansion car l'efficacité de cette technologie, qui broie le minerai entre deux cylindres (ou rouleaux), est de 30 à 50 % supérieure à celle des broyeurs SAG.

En outre, « le HPGR a la capacité d'adapter la vitesse de fonctionnement de manière à répondre à la demande de l'exploitation en termes de tonnes », déclarait Victoria Herman, directrice de produit pour les cylindres de broyage à haute pression HRC destinés à l'exploitation minière chez Metso. « La pression d'utilisation peut aussi être ajustée de manière à gérer les conditions changeantes du minerai. »

Cependant, la médaille a un revers. La technologie HPGR s'accompagne généralement de son lot de problèmes pouvant entraîner un temps d'immobilisation non prévu ainsi qu'une efficacité de broyage réduite, problèmes qui peuvent ronger les économies d'énergie.

Dans de grandes exploitations telles que Metcalf, la technologie HPGR classique pose un problème supplémentaire. L'équipement prévu pour les modèles traditionnels est tout simplement trop petit pour gérer autant de tonnes. La seule solution qui a précédé la conception HRC^™3000 de Metso pour le concentrateur Metcalf aurait présenté des risques divers. « Ceci augmente la quantité d'équipement auxiliaire nécessaire », indiquait M^me Herman.

Ainsi, Metso et FCX ont décidé de concevoir un HPGR qui réponde aux besoins de Metcalf en termes de capacité. La première étape pour Metso a consisté à identifier les problèmes inhérents à la conception dans la technologie existante.

Désalignement

L'un des problèmes de conception concernait le désalignement des pneus, un cas où les axes des pneus qui font tourner les cylindres ne restent pas parallèle en raison d'une distribution inégale de l'alimentation. Plutôt que d'adapter les conceptions existantes pour éviter ce désalignement, Metso s'est remis sur ses planches et a créé un châssis entièrement nouveau pour les HPGR, que la société a baptisé Arch-frame. « Sur les HPGR traditionnels, on essaie d'éviter le désalignement des pneus en utilisant des cylindres hydrauliques », indiquait M^me Herman. « Cependant, cette méthode est trop souvent inefficace, et la machine se bloque si le désalignement est trop important. »

L'idée à l'origine d'Arch-frame vient du séculaire casse-noisette, qui utilise un levier mécanique pour augmenter la force de broyage. « Le châssis Arch-frame de Metso absorbe les charges déséquilibrées en reliant les portants à l'aide d'un tube », expliquait M^me Herman. « Cet assemblage pivote ensuite dans le châssis. En évitant le désalignement, le temps d'immobilisation en résultant est éliminé. »

Effet de bord

L'une des plus grosses difficultés pour Metso a été de surmonter ce que l'on appelle l'effet de bord. « Nous savons que l'effet de bord, ou la réduction de la comminution sur les bords des pneus dans les HPGR traditionnels limite les économies d'énergie », indiquait M^me Herman.

L'Arch-frame minimise le désalignement, aussi il est possible d'utiliser des brides supplémentaires plutôt que des flasques traditionnels. Metso a mené des essais avec des pneus équipés de capteurs de pression sur un HPGR en laboratoire. Le profil de pression des flasques et des brides traditionnels a été comparé. Les résultats ont été concluants. Contrairement aux flasques traditionnels, le profil de pression des brides était pratiquement plat. Par la suite, des essais complets menés à une usine pilote dont la capacité est de 50 tonnes par heure (tph) ont montré que les brides réduisent l'effet de bord à moins de 5 %, par rapport à 15 % pour les flasques.

« Dans nos essais menés à l'usine pilote, nous avons effectué des comparaisons juxtaposées qui ont montré une augmentation de la capacité spécifique de 30 % et une diminution de la charge circulante de 24 % en moyenne », indiquait M^me Herman. « Ceci indique que les brides aident à tirer vers l'intérieur le matériau et à le broyer plus efficacement. »

Ce n'est cependant pas le seul domaine où cette nouvelle conception l'emportait sur le flasque stationnaire. « Parce qu'elles permettent une distribution plus stable de la pression sur toute la largeur des pneus, les brides offrent une résistance à l'usure plus longue », indiquait M^me Herman. « Actuellement, on prévoit que les pneus utilisés au concentrateur Metcalf excèdent les 16 000 heures. »

Projet pilote

Satisfait des résultats obtenus en laboratoire, Metso a ensuite construit une unité prototype pour sa nouvelle installation, et a mené des essais supplémentaires dans une carrière au Brésil. En 2012, la société était suffisamment confiante dans ses résultats pour envoyer cette unité sur le site Morenci. Sur place, Metso et FCX ont passé en revue 114 processus dans diverses conditions de circuit, et ont validé la conception. Parmi les difficultés rencontrées par la société durant les essais figuraient la présence de débris métalliques non souhaités dans l'alimentation et de minerai de très grande taille, que les HPGR ont du mal à traiter car ils augmentent l'usure des pneus et la rupture des pivots. Le premier pneu utilisé à l'usine pilote était d'ailleurs équipé de quatre types de pivots pour identifier lesquels sont les plus résistants à l'usure. Pour protéger les bords des pneus de l'usure, la société a fixé au moyen de boulons des blocs à bord de carbure métallique sur les pneus, qui peuvent être remplacés en cas de besoin avec un temps d'immobilisation minime.

D'une usine pilote à une usine totalement fonctionnelle

Il a fallu quatre ans à Metso et FCX pour terminer leur entreprise colossale, de la phase de conception à la construction complète du HRC^™3000 à Metcalf. Le système est équipé de pneus de trois mètres de diamètre par deux mètres de large. Il pèse plus de 900 tonnes une fois qu'il est entièrement assemblé et il mesure 15,2 mètres de haut. Chaque Arch-frame pèse plus de 75 tonnes, et 270 tonnes avec les pneus, l'arbre et les portants. Ses pièces imposantes ont été fabriquées partout dans le monde, notamment en Corée du Sud, en Chine, en Allemagne, en Hollande, en Finlande, aux États-Unis et au Canada. Avec une puissance installée de 11 400 kilowatts (kW) et une capacité maximale de 5 900 tonnes par heure (tph), cet engin a une capacité deux fois plus importante que les autres HPGR actuellement en service.

Il y a trois ans, FLSmidth avait ajouté un modèle semblable à sa série de HPGR, doté de fonctionnalités avancées de réglage de l'oblique des rouleaux et de caractéristiques permettant de retirer facilement les rouleaux de trois mètres sur deux pour l'entretien des grosses pièces. Cependant, expliquait Joe Dziedzina, directeur de produit à l'international pour la technologie des HPGR chez FLSmidth, l'évolution du marché a rendu difficile la vente de rouleaux de grande envergure. « Nous sommes tous en droit de penser que l'industrie minière rebondira un jour, et à ce moment-là, les HPGR, et notamment les grands HPGR, seront un élément indispensable des grands concentrateurs, comme le montraient les tendances de l'industrie avant le ralentissement économique. » De même, ThyssenKrupp propose un HPGR équipé de rouleaux de trois mètres sur deux et, d'après Torben Beckman, responsable des relations avec les médias en matière de solutions industrielles, « des [HPGR] plus grands sont à l'étude pour des projets spécifiques en cours ».

Le HRC^™3000 est équipé d'un système de dérivation intégré des débris métalliques non souhaités dans l'alimentation qui ouvre rapidement l'interstice entre les pneus pour permettre à un objet impossible à broyer de s'écouler lorsqu'il est détecté dans l'alimentation. Le HRC^™3000 est également équipé d'un système hydraulique qui contrôle tout, autant les installations hydrauliques que les principaux cylindres, la lubrification des tiges, les cylindres de stabilisation et le circuit de refroidissement de l'huile/de conditionnement.

FCX et Metso continuent de développer le HRC^™3000, particulièrement en termes d'optimisation de la vie des blocs avec rebord et des brides.

Les répercussions de ce projet sur la technologie des HPGR sont considérables.

« La réduction de l'effet de bord a d'importantes implications pour la conception et l'exploitation des circuits de comminution », déclarait M^me Herman. « Dans des applications de circuits fermés, les taux d'abattage accrus offrent une meilleure efficacité énergétique en réduisant les charges circulantes et en diminuant potentiellement la taille de l'équipement auxiliaire. Ces taux d'abattage accrus pourraient autrement donner lieu à un produit plus fin sur le circuit HPGR qui réduit la taille d'une installation en aval. »