octobre 2014

L'approche directe

Peu de sites miniers au Canada ont adopté cette technologie, et pourtant, les entraînements sans engrenage répondent aux attentes des exploitants en termes d'efficacité et d'augmentation de volume des mines à l'heure actuelle

Par Eavan Moore

Il existe une raison très valable en faveur de l'installation d'un entraînement sans engrenage (aussi appelé entraînement direct) sur un convoyeur à courroie ou un tambour dessableur : en raison de la taille de l'équipement d'exploitation minière, les systèmes à engrenage ne parviennent plus à répondre aux besoins en termes de puissance. Les dents en acier fragiles d'un engrenage complexe peuvent supporter jusqu'à environ 16 mégawatts (MW) dans une application de broyeur, mais au-delà, un système d'entraînement qui permettra d'éviter de s'équiper d'engrenages constitue le seul choix pratique.

Utilisés pour la première fois en 1969 sur un broyeur, puis en 1986 sur un convoyeur à courroie, les modèles sans engrenage pour les systèmes d'entraînement se sont réellement imposés au début des années 1990 lorsque l'industrie a commencé à traiter des capacités encore plus importantes et à avoir besoin d'un équipement plus volumineux et plus puissant. Chaque augmentation de la taille d'un broyeur requérait un modèle d'entraînement adapté. En outre, ces 10 dernières années, ABB et Siemens, les deux principaux producteurs d'entraînements sans engrenage, ont considérablement amélioré la fiabilité et la disponibilité de leurs produits.

Éliminer l'engrenage

Le principe fondamental d'un entraînement sans engrenage est qu'il relie directement le moteur à l'équipement entraîné par ce dernier. Timo Roesch, principal ingénieur commercial chez Siemens, explique qu'un engrenage est généralement nécessaire pour réduire la vitesse fixe d'un moteur électrique standard de 1 200 ou 1 800 révolutions par minutes (lorsqu'il fonctionne sur un réseau de fréquence de 60 hertz comme c'est le cas au Canada) à la vitesse de l'équipement. Sur un convoyeur à courroie, par exemple, la poulie d'entraînement fonctionne généralement à une vitesse de 50 à 70 révolutions par minute.

Siemens et ABB fabriquent un type de moteur conçu pour fonctionner à la vitesse de l'équipement entraîné. Chaque modèle est fabriqué sur mesure et coûte davantage qu'un moteur conventionnel, mais il permet à la mine de fonctionner sans engrenage et sans accouplements.

On trouve des entraînements sans engrenage dans divers types d'équipement, dont des treuils d'extraction minière, des excavatrices, des pompes à boue et des pelles à benne traînante. Leur utilisation la plus connue concerne cependant les tambours dessableurs et les convoyeurs à courroie dans lesquels les conceptions prévoient l'intégration du moteur à l'équipement.

Dans un grand convoyeur de minerai classique, le moteur standard est relié par des accouplements à la boîte d'engrenage avec un engrenage à plusieurs étages, et ensuite à la poulie d'entraînement. Mais dans les convoyeurs sans engrenage, le moteur est directement relié à l'entraînement de poulie. Pour les entraînements de broyeurs sans engrenage, le stator du moteur enveloppe directement le broyeur. Les pôles du rotor sont directement reliés à la collerette du broyeur, faisant du broyeur le rotor tournant.

Les systèmes sans engrenage sont des variateurs universels et permettent d'adapter la vitesse du broyeur en fonction des exigences d'une activité à tout moment et dans toute la gamme d'exploitation. Ceci permet des démarrages, des arrêts et des changements plus homogènes. Les commandes à vitesse variable permettent aux entraînements de broyeurs sans engrenage de réagir avec une certaine souplesse aux changements de capacités et de dureté du minerai, de modifier le sens de la rotation pour assurer une usure plus uniforme de la bande de garnissage, et de fonctionner à une vitesse optimale pour réaliser des économies d'énergie.

Les avantages des systèmes sans engrenage

Les engrenages traditionnels ont une résistance limitée ; si vous les surchargez, leurs dents d'acier commenceront à se casser. « Pour les grands broyeurs, vous avez besoin de deux moteurs et de deux engrenages arrangés de chaque côté afin de fournir environ 16 MW au broyeur », explique M. Roesch. « Tous ces arrangements traditionnels atteignent la limite de leur résistance mécanique. C'est pourquoi nous nous intéressons aux éléments qui atteignent leurs limites en termes de puissance et de serrage, à savoir les engrenages, le pignon et autres, et les relions directement au broyeur. » Dans une application de convoyeur, la technologie sans engrenage implique que les convoyeurs pourront être plus longs et plus résistants, et requerront des stations d'entraînement plus petites et en moindre quantité.

Les deux autres principales raisons pour lesquelles les mines choisissent les entraînements sans engrenage sont leurs disponibilité et rendement énergétique relativement élevés. Étant donné qu'ils sont constitués de moins de pièces mobiles, les entraînements sans engrenage requièrent moins de temps d'immobilisation pour l'entretien. Un entraînement à engrenage doit être lubrifié régulièrement et réparé plus fréquemment. M. Roesch explique que les entraînements sans engrenage de Siemens affichent une disponibilité de plus de 99 %.

Si l'on tient compte de l'intégralité du broyeur, la disponibilité d'un broyeur classique à entraînement sans engrenage serait de 95 % au minimum, explique M. Roesch. « La disponibilité des systèmes à entraînement classiques est de 2 à 2,5 % inférieure », indique-t-il. « On observe donc généralement une différence d'au moins 2 % en termes de disponibilité, ce qui représente plus de 160 heures par an. Avec un débit horaire à 100 000 $, ces 160 heures vous permettent déjà d'augmenter vos revenus de 16 millions $ par an. »

Les entraînements sans engrenage présentent aussi un avantage en termes de rendement énergétique. Les pertes de chaleur engendrées par les systèmes d'entraînement à engrenage avoisinent les 9 %, alors que celles des entraînements sans engrenage n'atteignent que 4,5 à 5 %. Comme le fait remarquer M. Roesch, les sociétés minières s'intéressent plus au rendement énergétique qu'il y a quelques années, particulièrement en Amérique du Sud, une région où les coûts sont très élevés. D'après M. Roesch, le Chili, qui est le plus grand marché unique pour les entraînements sans engrenage, a connu une hausse annuelle de 11 % de ses coûts liés à l'énergie depuis 2000.

Ce n'est pas la seule raison pour laquelle la technologie sans engrenage s'avère très intéressante pour l'Amérique du Sud. Sachin Jari, directeur du groupe ABB pour l'exploitation minière au bureau de Montréal, fait remarquer qu'une fois que certaines exploitations adoptent une nouvelle technologie, leurs voisins ont davantage confiance et l'adoptent également. « Les Sud-américains sont très à l'aise avec cette nouvelle technologie », explique M. Jari. « Ils ont de très bonnes connaissances. »

Au Canada, en revanche, seulement deux sites miniers ont installé des entraînements de broyeurs sans engrenage jusqu'à présent : le site minier Canadian Malartic, détenu conjointement par Agnico Eagle et Yamana Gold, et la mine Mont Milligan que Thompson Creek Metals a mis en service en 2013. « S'ils n'ont pas encore constaté les avantages d'un produit donné, les [exploitants miniers canadiens] sont généralement réticents à l'installer », indique M. Roesch. « De notre point de vue, si l'on tient compte des coûts totaux de la propriété, il serait bon pour l'utilisateur final d'envisager d'adopter les technologies sans engrenage. »

De plus en plus d'exploitants miniers prévoient d'augmenter leurs capacités au vu de la baisse de la teneur du minerai, aussi il est fort probable qu'ils se tournent vers un équipement à entraînement sans engrenage. Au moins deux autres sites au Canada prévoient d'utiliser des broyeurs sans engrenage dans leurs usines de traitement. D'après Johnna Muinonen, vice-présidente des opérations à Royal Nickel, le projet Dumont de la société dans le nord du Québec, dont la première mise en service est prévue pour 2016, envisage d'équiper son broyeur SAG d'un système sans engrenage.

« Nous envisageons d'équiper un broyeur SAG de 21 MW », déclare-t-elle. « À ma connaissance, il n'existe actuellement aucun entraînement à engrenage capable d'alimenter un broyeur SAG de 21 MW. Nos biens d'équipement ont été choisis dans l'optique de favoriser l'utilisation de technologies existantes et éprouvées en fonction de la taille dont nous avons besoin, ce qui, pour notre broyeur SAG, nous a mené à prendre la décision d'acquérir un entraînement sans engrenage. Nous bénéficierons également de la plus grande flexibilité que ces systèmes offrent, par exemple d'une gamme de commandes de vitesse et de commande bloquée des charges, ainsi que du rendement énergétique légèrement plus élevé de l'entraînement sans engrenage. »

Western Copper and Gold Corp. utilisera également un broyeur SAG sans engrenage pour son gisement polymétallique Casino dans le Yukon, dont la capacité estimée dans l'étude de faisabilité de 2013 est de 120 000 tonnes par jour. Cam Brown, vice-président de la section Ingénierie, a contribué en 1989 à la première installation d'équipement sans engrenage en Amérique du Nord, et soutient depuis cette technologie. Il explique que sa société a déjà demandé à Siemens de lui fournir un entraînement de 29 MW pour le broyeur de 40 pieds et deux entraînements de 22 MW pour les broyeurs à boulets de 28 pieds.

« À 29 MW, nous nous trouvons clairement dans une gamme de puissance où l'entraînement sans engrenage constitue la seule solution technique acceptable », explique-t-il. « Certaines personnes pourraient vous dire qu'il est possible d'obtenir cette gamme de puissance pour les broyeurs à boulets avec des solutions à engrenage, mais à ma connaissance, aucune installation n'utilise actuellement de technologie à engrenage qui permette d'atteindre ce seuil de puissance. »

Le seuil de rentabilité

Le principal inconvénient concerne l'investissement de départ. Les entraînements sans engrenage coûtent plus que les systèmes classiques. Pour un broyeur à boulets de 16 MW et 26 pieds, estime M. Roesch, l'investissement combiné pour un broyeur et un moteur est de 10 à 15 % plus élevé qu'un système conventionnel. « Cependant », ajoute-t-il, « vous rentrez dans vos frais entre la première et la troisième année ».

Pour des applications requérant plus de puissance, les économies réalisées en termes de coût opérationnel viennent contrebalancer le coût initial. Selon M. Roesch, le seuil de rentabilité pour de nombreux entraînements de broyeurs sans engrenage se situerait entre 14 et 16 MW de puissance installée, bien que les applications récentes commencent entre 10 et 13 MW.

Pour d'autres applications qui ne requièrent pas l'ingénierie complexe nécessaire pour enrouler le moteur autour d'un broyeur, le seuil de rentabilité est considérablement plus bas. Un calcul souvent cité pour les convoyeurs prend 2,5 MW comme numéro magique à partir duquel un entraînement sans engrenage devient rentable.

Croissance régulière

Les mines continuent de se développer dans des régions isolées où les coûts sont élevés et les teneurs du minerai faibles, aussi l'entraînement sans engrenage est probablement amené à se répandre. Par contre, lorsqu'il est question d'utilisations moins courantes telles que des pompes et des pelles à benne traînante, explique M. Roesch, « je dirais que l'on constate un manque d'intérêt et d'information ».

Cependant, il reste théoriquement matière à développer les applications de cette technologie. Dans le domaine du concassage, explique M. Jari, cette solution est envisagée pour les broyeurs agitateurs, qui agitent les matériaux dans une coquille fixe.

La technologie évolue aussi de manière prévisible. L'introduction de la surveillance à distance, par exemple, a fourni des informations bien plus fiables quant à l'exploitation des entraînements.

Si les sociétés minières continuent d'accumuler de grandes capacités, les fabricants d'entraînements pourraient bien se retrouver à coopérer une nouvelle fois avec des fabricants de broyeurs pour assurer leur expansion. C'est Newmont Mining qui a commandé la plus grosse pièce, un broyeur SAG de 42 pieds et 28 MW pour son projet Conga. Si d'autres cherchent à aller plus loin, indique M. Jari, « la difficulté ne concernera pas l'aptitude à le fabriquer, nous avons les moyens de le faire. Le problème sera davantage de savoir qui sera le premier à le faire ».

Traduit par Karen Rolland


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