Hydrocyclone : fonctionnement, point de coupure et réglage

L'hydrocyclone est l'équipement de classification le plus répandu des usines de traitement du minerai, et l'un des moins compris. Il n'a ni moteur ni pièce mobile ; il tient dans un tube conique ; il coûte peu. Pourtant, c'est lui qui décide de la granulométrie envoyée à la flottation, de la charge circulante d'un circuit de broyage, et souvent du rendement de toute l'usine. Comprendre ce qui se passe dans le cône permet de le régler au lieu de le subir.

Les composants

L'entrée tangentielle. La pulpe est injectée sous pression, tangentiellement, dans la partie haute du cyclone. C'est cette entrée qui met le fluide en rotation ; sa forme (ronde, rectangulaire, en volute) influence la stabilité de l'écoulement.

La section cylindrique. La partie haute, de diamètre constant, où la rotation s'établit. Le diamètre du cyclone — c'est lui qu'on cite pour désigner la taille de l'appareil — est celui de cette section.

Le vortex finder. Un tube plongeant au centre de la partie haute, par lequel sort la surverse (« overflow ») : la fraction fine, avec la majorité de l'eau. Sa longueur empêche la pulpe entrante de court-circuiter directement vers la sortie ; son diamètre est l'un des deux réglages principaux.

Le cône. La partie basse, qui se rétrécit vers le bas. Son angle influence la finesse de coupure et la capacité : les cônes à angle fermé coupent plus fin, les cônes à angle ouvert traitent plus de débit et coupent plus gros.

L'apex (ou buse de sousverse, « spigot »). L'orifice du bas, par lequel sort la sousverse (« underflow ») : la fraction grossière, épaissie. Son diamètre est le second réglage principal, et souvent le seul que l'on change en exploitation.

Les garnitures. L'intérieur est revêtu d'un matériau résistant à l'abrasion — polyuréthane, caoutchouc, céramique selon la zone et la sévérité — parce que la pulpe circule à grande vitesse contre les parois. L'apex et le bas du cône sont les pièces qui s'usent le plus vite.

Ce qui se passe dans le cône

La pulpe injectée tangentiellement tourne le long de la paroi et descend en spirale vers l'apex : c'est le vortex primaire, extérieur. Les particules sont soumises à une accélération centrifuge bien supérieure à la gravité ; les plus grosses et les plus denses migrent vers la paroi et suivent le vortex primaire jusqu'à la sousverse.

À l'approche de l'apex, l'orifice ne peut pas évacuer tout le débit : la majeure partie du fluide inverse son mouvement et remonte au centre en une spirale plus serrée — le vortex secondaire, intérieur — jusqu'au vortex finder et à la surverse. Les particules fines et légères, qui n'ont pas eu le temps de rejoindre la paroi, sont entraînées dans ce courant montant.

Au centre, une colonne d'air se forme sur toute la hauteur — le noyau d'air (« air core ») — parce que l'apex est ouvert à l'atmosphère. Sa stabilité est un indicateur direct du bon fonctionnement.

Le résultat est une séparation par taille et par densité : une particule donnée va à la sousverse ou à la surverse selon que la force centrifuge qui la pousse vers la paroi l'emporte ou non sur la traînée du fluide qui remonte.

Le point de coupure : D50

La séparation n'est pas nette. Chaque taille de particule a une probabilité de sortir en sousverse ; la courbe qui donne cette probabilité en fonction de la taille est la courbe de partage. Le D50 est la taille de particule qui a autant de chances de sortir d'un côté que de l'autre : c'est le point de coupure. On le complète par le D50 corrigé, qui retire l'effet des fines entraînées mécaniquement avec l'eau de la sousverse (le court-circuit, ou « bypass »), et par la pente de la courbe, qui dit si la coupure est franche ou étalée.

Ce qui déplace le D50, à conception donnée :

En exploitation courante, on joue surtout sur l'apex (changement de buse) et sur la pression (nombre de cyclones en service dans la batterie, débit de pompe). Le vortex finder se change à l'arrêt ; le diamètre et l'angle du cône se choisissent à la conception.

Lire la sousverse

Le comportement de la sousverse est le premier diagnostic, sans instrument :

• Décharge en parapluie (« spray ») : un cône creux, bien ouvert, avec le noyau d'air visible au centre. C'est le régime normal : l'apex évacue les grosses avec assez d'eau pour que rien ne s'accumule.
• Décharge en cordon (« rope ») : un jet compact, sans noyau d'air. L'apex est saturé — trop de solides pour son diamètre. Les grosses particules qui ne peuvent plus sortir sont refoulées vers la surverse : la coupure se dégrade brutalement, et du grossier part vers l'aval. Cause typique : apex trop petit, alimentation trop chargée, ou apex usé de façon irrégulière.
• Décharge trop diluée : un parapluie très ouvert, beaucoup d'eau en sousverse. L'apex est trop grand ; beaucoup de fines partent avec l'eau vers la sousverse (court-circuit élevé), ce qui, en circuit de broyage, renvoie au broyeur des particules déjà assez fines.

Le bon réglage se situe entre les deux : un parapluie net, un noyau d'air stable, et une sousverse aussi dense que possible sans passer en cordon.

Applications et ce qu'on attend du cyclone

Classification en circuit fermé de broyage. L'usage principal : la décharge du broyeur est cyclonée, la surverse (assez fine) part à la flottation ou à la lixiviation, la sousverse (trop grosse) retourne au broyeur. Le D50 fixe la finesse du produit, et donc la libération des minéraux ; la charge circulante en dépend directement. Un cyclone déréglé ici, c'est du surbroyage (énergie, fines difficiles à traiter) ou du sous-broyage (récupération en baisse).

Déschlammage. Retirer les particules les plus fines avant un procédé qu'elles perturberaient.

Épaississement et récupération d'eau. Concentrer une pulpe avant filtration, récupérer l'eau de procédé — en amont d'un filtre-presse ou dans un circuit de gestion des résidus.

Lavage de sables et granulats. Séparer les fines argileuses des sables.

Batteries de cyclones

Un seul cyclone traite un débit limité ; une usine en installe plusieurs en parallèle, alimentés par un distributeur commun — une batterie (« cluster »). Cela permet d'ajuster la capacité au débit réel en ouvrant ou en fermant des cyclones un à un, ce qui maintient la pression d'alimentation dans la plage voulue quand le tonnage varie. C'est le levier de réglage le plus utilisé au quotidien, avec le changement d'apex.

Usure et entretien

La pulpe abrasive use les garnitures ; l'apex et le bas du cône en premier. Un apex usé s'agrandit : la coupure dérive vers le grossier et la sousverse se dilue sans que personne n'ait rien changé. D'où trois habitudes : mesurer le diamètre d'apex à intervalle fixe, tenir un stock de buses de rechange de plusieurs diamètres, et inspecter les garnitures à chaque arrêt. Les cyclones de conception moderne se démontent rapidement pour ces opérations.

Pour aller plus loin

Le dimensionnement d'un cyclone ou d'une batterie — diamètre, nombre, apex, vortex finder, pression — se fait à partir du débit, de la densité et de la granulométrie de l'alimentation et du D50 visé, avec les courbes du fabricant et, idéalement, un essai sur la pulpe réelle. C'est le type d'étude que couvre notre service d'études de faisabilité en amont de la fourniture ; les configurations proposées sont sur la fiche Filtres-presses & hydrocyclones. Pour un cas précis, décrivez-nous votre pulpe et la coupure visée.

Questions fréquentes

Pourquoi un hydrocyclone n'a-t-il pas besoin de moteur ? Parce que l'énergie de séparation vient de la pression de la pompe d'alimentation : c'est la vitesse d'entrée qui crée la rotation, et la rotation qui crée la force centrifuge.

Comment changer le point de coupure sans arrêter l'usine ? En jouant sur la pression d'alimentation — nombre de cyclones en service dans la batterie ou vitesse de pompe — ou en changeant l'apex, ce qui prend quelques minutes sur un cyclone isolé de la batterie.

Un cyclone peut-il séparer par densité ? Il sépare par une combinaison de taille et de densité : une particule dense et petite peut aller en sousverse avec des particules légères plus grosses. C'est ce qui rend la classification d'un minerai à minéraux lourds plus complexe — et c'est parfois recherché.