Agrégation interne SII - 2023 - Option SII et ingénierie mécanique - Étude d'un système, d'un procédé ou d'une organisation

Agrégation concours interne

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur
Épreuve d'admissibilité
Option sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie mécanique

Support : Concasseur FCB Rhodax® 4D

Mise en situation

L'entreprise

Le groupe FIVES est un groupe d’ingénierie industrielle français qui travaille dans plusieurs secteurs d’activités. FIVES développe, conçoit et réalise des machines, des équipements de procédé et des lignes de production pour de nombreux industriels, que ce soit en France et à l’international.

Ses domaines d’activités sont très nombreux, l’un d’eux concerne l’industrie cimentière. FIVES livre ainsi des cimenteries « clef en main » pour lesquelles il conçoit et réalise les équipements des usines. Les problématiques sont liées au concassage, au broyage, à la cuisson, au traitement des émissions et au contrôle et optimisation des installations.

Le groupe FIVES est également un des pionniers de la décarbonation de l’industrie. Depuis plus de 15 ans, le groupe dispose d’une avance technologique en matière de transition énergétique, qu’il met à disposition de ses clients soucieux de réduire leur impact environnemental. Parmi les nombreuses innovations mises en place, on trouve le concasseur FCB Rhodax® 4D qui est l’objet de cette étude.

Le concasseur FCB Rhodax® 4D, qui utilise une technologie de concassage par compression, permet le recyclage des bétons de déconstruction. Le mode de broyage sélectif de cette technologie, lié à la compression en lit de matière, permet, sur cette application, une excellente libération des 3 fractions composant le béton : les granulats, le sable (0,125-2 mm) et la pâte de ciment (0-0,125 mm), qui seront ensuite séparés et récupérés.

Après une phase d’essais menés pour des acteurs majeurs du secteur, le FCB Rhodax® 4D a commencé à traiter industriellement du béton de déconstruction pour la première fois au second semestre 2022. Les bénéfices de ce maillon en termes d’économie circulaire sont nombreux, notamment face aux impositions de plus en plus exigeantes de valorisation des produits issus de la déconstruction : réutilisation des granulats et sable dans de nouveaux bétons et réutilisation de la pâte de ciment dans le procédé cimentier pour produire un clinker bas-carbone ou en tant qu’additif au ciment. Il est également prévu de recarbonater les fractions de sable et de pâte de ciment libérées avec du CO2 capté des gaz de cimenterie.

Remarque générale : afin de respecter les exigences de confidentialité du groupe FIVES, dans l’étude qui va suivre, les valeurs numériques ou les données techniques sont différentes de celles du système commercial, tout en restant réalistes.

Un diagramme de contexte en utilisation normale du concasseur FCB Rhodax® 4D est proposé en Figure 2.
 

Principe de fonctionnement du concasseur :

Les différents éléments constitutifs du concasseur sont présentés brièvement dans les figures ci-dessous, qui représentent respectivement deux vues éclatées en rendu réaliste (Figure 3 et Figure 4) et un schéma technologique du système (Figure 5).

Le mécanisme de fonctionnement du FCB Rhodax® repose sur le mouvement relatif entre le bol de broyage (1) et un cône intérieur (4), mouvement qui est entrainé par la rotation indépendante de quatre ensembles vibrateurs, chacun composé d’un arbre (5), d’un boîtier de guidage, un balourd inférieur et un balourd supérieur. Ils provoquent un mouvement de translation circulaire dans le plan horizontal de la partie appelée anneau support du bol (1). Dans cette technologie, les éléments de la matière à traiter se compressent les uns les autres au lieu de supporter un choc, comme dans la majorité des concasseurs conventionnels. Il en résulte une libération optimale, une meilleure cubicité et un faible taux d’usure.

On peut noter les particularités suivantes :

• le bol et l’anneau support de bol (1) sont animés d'un mouvement horizontal de translation circulaire induit par la rotation de 4 balourds ;
• l’alimentation en matériau à compacter arrive en continu par une goulotte d'alimentation suspendue ;
• le sous-ensemble support du cône intérieur (3) est suspendu au châssis support de bol (1) par l’intermédiaire de 4 bielles (2) supportées par des roulements élastiques ;
• le cône intérieur (4) est libre de pivoter sur lui-même ;
• un manchon coulissant sur l'arbre support du cône intérieur, servant de vérin hydraulique, permet d'ajuster la position verticale du cône et ainsi d’ajuster l'écart entre cône et bol en fonction de l’usure (h) ;
• l’anneau support de bol (1) réalise également le guidage en rotation de l’arbre (5) supportant les balourds avec des éléments roulants ;
• chacun des 4 ensembles vibrateurs (arbre (5) + balourds inférieur et supérieur) est motorisé, le carter moteur est fixé sur le bâti lié au sol et l’arbre moteur est couplé à l’arbre (5) par un arbre à double joint de cardan (b) ;
• le sous-ensemble carter support de bol (d) est monté sur plots en caoutchouc (e) filtrant les vibrations.

Problématique

Le FCB Rhodax® 4D a été développé par itérations successives par ses concepteurs. Le DT0 représente un diagramme des exigences partiel du concasseur FCB Rhodax® 4D. Le questionnement qui suit est basé sur la validation des différentes exigences exprimées.

Dans le cadre de ce sujet, il s’agit de :

• de vérifier que les solutions technologiques permettent de satisfaire les principales exigences de performance fixées par le cahier des charges ;
• d'optimiser le triptyque produit – procédé – matériau dans le cadre d'une production en très petite série.

Étude proposée :

Le sujet comporte 4 parties distinctes qui peuvent être traitées de façon indépendantes. Certaines sous-parties peuvent également être traitées de façon indépendante.

Partie A : Génération des efforts de broyage
Partie B : Durée de vie des éléments roulants des vibrateurs
Partie C : Relation Produit-Procédé-Matériau de la pièce anneau support de bol
Partie D : Usinages de pièces de grandes dimensions