Comprendre les minerais de fer et l'extraction du minerai de fer

Comprendre les minerais de fer et l'extraction du minerai de fer

Le fer (Fe) est un élément abondant et largement distribué dans la croûte terrestre, constituant en moyenne de 2 % à 3 % dans les roches sédimentaires à 8,5 % dans le basalte et le gabbro. Son approvisionnement est essentiellement illimité dans presque toutes les régions du monde.

Cependant, la plus grande partie de ce fer n'est pas sous une forme qui peut être utilisée dans les pratiques actuelles de fabrication du fer. Par conséquent, seule la partie du fer total de la croûte terrestre qui est disponible pour l'industrie sidérurgique à la fois économiquement et spatialement peut être correctement appelée minerai de fer. Cependant, ce qui constitue le minerai de fer varie considérablement d'un endroit à l'autre et d'une période à l'autre. Il existe de nombreux facteurs qui déterminent si le minéral contenant du fer peut être classé comme un minerai de fer, mais c'est essentiellement une question d'économie. En gardant ce concept à l'esprit, une définition logique du minerai de fer à des fins commerciales est « un matériau contenant du fer qui peut être utilisé de manière économique à un endroit et à un moment donnés dans les conditions de coût et de prix du marché en vigueur ».

Étant donné que le fer est présent dans de nombreuses régions, sa valeur est relativement faible et, par conséquent, un gisement doit avoir un pourcentage élevé de Fe pour être considéré comme un minerai. Avec l'avènement de méthodes améliorées d'enrichissement, de concentration et d'agglomération, la variété des matériaux contenant du fer qui peuvent maintenant être utilisés a été élargie et de nombreux types de matériaux à faible teneur qui étaient autrefois considérés comme non économiques, sont maintenant considérés comme du minerai de fer. Typiquement, un gisement doit contenir au moins 25 % de Fe pour être considéré comme économiquement récupérable.

Plus de 300 minéraux contiennent du fer, mais cinq minéraux sont les principales sources de minerai de fer. Ce sont (i) la magnétite (Fe3O4), (ii) l'hématite (Fe2O3), (iii) la goethite (Fe2O3.H2O), (iv) la sidérite (FeCO3) et (v) la pyrite (FeS2). Les trois premiers sont d'une importance majeure en raison de leur présence dans de grands gisements économiquement exploitables. Cependant, la plupart du minerai de fer extrait dans le monde appartient aux deux premières catégories.

L'hématite a une composition chimique de Fe2O3 correspondant à 69,94 % de fer et 30,06 % d'oxygène. Il a une couleur allant du gris acier au rouge terne ou au rouge vif, peut être terreux, compact ou cristallin et a une densité de 5,26. Les variétés courantes sont appelées cristalline, spéculaire, martite (pseudomorphe après la magnétite), maghémite (oxyde ferrique magnétique), terreuse, ocreuse et compacte. L'hématite est l'un des minerais de fer les plus importants. Il a une large occurrence dans de nombreux types de roches et est d'origines diverses. Il se produit en association avec des gisements filoniens, des roches ignées, métamorphiques et sédimentaires, et en tant que produit de l'altération de la magnétite. Certains gisements à faible teneur d'hématite cristalline disséminée ont été traités avec succès par des techniques de gravité et de flottation pour produire des concentrés de haute qualité.

La magnétite a une composition chimique de Fe3O4, correspondant à 72,36 % de fer et 27,64 % d'oxygène. Il a une couleur allant du gris foncé au noir et une gravité spécifique de 5,16 à 5,18. Il est fortement magnétique, possédant parfois une polarité, il agira donc comme un aimant naturel. La magnétite est présente dans les roches ignées, métamorphiques et sédimentaires. La propriété magnétique de la magnétite est importante, car elle permet l'exploration par des méthodes magnétiques et rend possible la séparation magnétique de la magnétite des matériaux de gangue pour produire un concentré de haute qualité. Il est devenu de plus en plus important en tant que source de fer en raison des améliorations continues des techniques de concentration magnétique et de l'utilisation élargie des produits de haute qualité.

Extraction de minerais de fer

L'exploitation minière (extraction), l'enrichissement et le traitement du minerai de fer produisent du fer et de l'acier. L'exploitation minière est définie comme l'extraction de minerai d'un gisement et englobe toutes les activités avant l'enrichissement. Les minerais de fer à haute teneur (teneur en fer supérieure à 62 %) sont simplement concassés, criblés et expédiés directement vers l'unité de fabrication du fer (par exemple, haut fourneau). Les minerais de fer à faible teneur contenant moins de fer nécessitent des activités d'enrichissement autres que le concassage, le criblage et le lavage pour augmenter leur teneur en fer. Pour être compétitive, l'extraction du minerai de fer doit se faire à très grande échelle. Il existe deux méthodes d'extraction qui sont couramment employées. Il s'agit (i) de l'exploitation minière à ciel ouvert, (ii) de l'exploitation minière souterraine ou de puits.

La décision d'employer des techniques d'exploitation minière souterraine ou à ciel ouvert dépend de la proximité du corps minéralisé par rapport à la surface. La majorité du minerai de fer extrait dans le monde est exclusivement par des techniques d'extraction à ciel ouvert. Cependant, il existe également des mines de fer souterraines en activité dans le monde. Il existe deux méthodes de base d'extraction à ciel ouvert conçues pour extraire le minerai de fer des gisements de surface. Ce sont des méthodes à ciel ouvert et à ciel ouvert. Presque toutes les grandes mines de minerai de fer du monde, à l'exception de quelques-unes, sont exploitées à ciel ouvert.

Le processus d'extraction du minerai de fer nécessite des ressources massives. Ces ressources comprennent des équipements miniers industriels lourds et une main-d'œuvre qualifiée. L'équipement utilisé comprend des bulldozers, des racleurs, des camions de transport (transporteurs lourds), des tombereaux, des chargeuses frontales, des pelles hydrauliques, des pelles hydrauliques et électriques (pelles de décapage, pelles de chargement), des draglines, des excavatrices à godets, des dragues, des citernes à eau, foreuses de trou de mine (perceuses rotatives à trépan diamanté) et convoyeurs à usage intensif. Outre les concasseurs et les cribles avec les équipements associés sont nécessaires pour le concassage et le criblage du minerai en produit commercialisable.

Planification et développement

Le processus d'extraction du minerai de fer depuis la découverte d'un gisement de minerai de fer jusqu'à l'extraction des minerais de fer et enfin jusqu'au retour de la terre à son état naturel se compose de plusieurs étapes distinctes. Le premier est la découverte du gisement de minerai de fer, qui est réalisée par prospection ou exploration pour trouver puis définir l'étendue, l'emplacement et la valeur du corps minéralisé. Cela conduit à une estimation mathématique des ressources pour estimer la taille et la teneur du gisement.

L'extraction du minerai de fer commence au niveau du sol. Le minerai est identifié par des échantillons de carottes de forage au diamant sur une grille de plusieurs mètres dans la terre. la roche de minerai de fer comprend un pourcentage substantiel de fer et le reste est constitué d'impuretés telles que l'alumine et la silice. Ces échantillons sont analysés et classés afin que les ingénieurs miniers puissent élaborer avec précision un plan de mine.

Le développement de la mine comprend la planification de la mine pour évaluer la partie économiquement récupérable du gisement, les caractéristiques métallurgiques des minerais, la récupérabilité du minerai, les problèmes d'ingénierie, le concassage et les besoins en infrastructure. La proportion d'un gisement économiquement récupérable dépend du facteur d'enrichissement du minerai dans la zone.

Pour accéder au gisement minéral dans une zone, il est souvent nécessaire d'extraire ou d'enlever des déchets qui ne présentent pas d'intérêt immédiat. Le mouvement total du minerai et des déchets constitue le processus d'extraction. Souvent, plus de déchets que de minerai sont extraits pendant la durée de vie d'une mine, selon la nature et l'emplacement du corps minéralisé. L'enlèvement et le placement des déchets représentent un coût majeur pour l'exploitation minière.

La présence générale, la taille et la forme d'un gisement de minerai de fer sont déterminées au cours de la phase d'exploration. La connaissance du gisement est déterminée plus en détail par les travaux de développement. Il est souvent nécessaire, lors du développement d'une mine, de déterminer de manière très détaillée la position et la nature des structures géologiques qui affectent la distribution et la disponibilité du minerai.

Après avoir obtenu suffisamment d'informations détaillées, diverses combinaisons de plans d'exploitation sont étudiées à l'aide de cartes et de coupes préparées à cet effet. Ceux-ci montrent la taille et la forme du corps minéralisé, les compositions du minerai et les résultats des tests en laboratoire. A partir de ces représentations graphiques, les quantités de minerais et de déchets sont déterminées par l'application de facteurs de masse volumique. Les ordinateurs sont couramment utilisés dans la préparation des estimations de tonnage et dans la préparation des plans miniers détaillés. Grâce à l'utilisation de ces systèmes, des évaluations comparatives de diverses méthodes et plans d'exploitation sont effectuées afin de déterminer le plan le plus favorable pour chaque gisement particulier et de planifier l'exploitation du gisement.

En conséquence, il est nécessaire de planifier la production de la mine de manière à générer un flux constant de minerai de fer dont la composition est constamment proche des teneurs cibles. Ce besoin dicte le processus de développement d'un prospect d'exploration en un projet minier viable. Parce que la composition du gisement de minerai ne peut être échantillonnée que grossièrement avant l'exploitation, et parce que les conditions économiques et financières ont tendance à être assez volatiles, tout plan de mine est au mieux provisoire, sujet à révision à la lumière de l'évolution des connaissances sur le gisement de minerai. car il est progressivement exposé au cours des opérations minières.

Le développement et la planification de la mine ne s'arrêtent pas lorsque la production commence, en raison de la nécessité de répondre aux conditions changeantes résultant du déploiement des connaissances sur le corps minéralisé, générées à mesure que davantage de trous de forage fournissent plus d'analyses réparties sur le volume du corps minéralisé. est miné.

La planification, le développement et l'exploitation d'une mine à ciel ouvert sont généralement basés sur un modèle de blocs rectangulaires. Ce bloc modèle comprend un ensemble de blocs rectangulaires, dont les dimensions correspondent à la plus petite unité exploitable, soit 50 mètres carrés horizontalement sur 10 mètres verticalement. Pour chaque bloc, des estimations sont faites de la teneur (fer, plus chacun des contaminants tels que l'alumine, la silice et le phosphore).

Le modèle bloc est un système d'information évolutif et adaptatif. Il est initialement basé sur l'interpolation des données d'échantillons prélevés lors de forages exploratoires. Au cours du développement et de l'exploitation de la mine, le modèle de bloc est continuellement révisé par forage intercalaire, données de trous de mine forés pour placer des explosifs et analyses du minerai extrait au fur et à mesure qu'il est concassé et analysé. À n'importe quelle étape de l'exploitation, les décisions de sélection et de séquençage de l'exploitation minière doivent être basées sur les informations imparfaites du modèle de bloc actuellement disponibles, afin de produire du minerai à expédier qui correspond à la teneur cible dans les tolérances spécifiées.

Exploitation à ciel ouvert

Les méthodes d'exploitation à ciel ouvert sont conçues pour extraire le minerai des gisements de surface. Le gisement de minerai est mis à nu par décapage d'une couche de terre, parfois épaisse de quelques mètres seulement. Ce matériau qui doit être décapé est appelé « mort-terrain ». Les morts-terrains peuvent être constitués de matériaux non consolidés, de roche, d'argile, de gravier et de minerai maigre. La profondeur à laquelle l'extraction à ciel ouvert est effectuée dépend de la teneur du minerai, de la nature des morts-terrains et du taux de décapage. Le taux de décapage est la quantité de morts-terrains et de déchets qui doit être manipulée pour chaque unité de minerai extrait. Il est décrit comme l'unité de mort-terrain qui doit être enlevée pour chaque unité de minerai brut extrait. Les taux de décapage augmentent avec la qualité du minerai extrait et les facteurs de coût liés à l'enrichissement et au transport.

Le taux de décapage économique varie considérablement d'une mine à l'autre, en fonction d'un certain nombre de facteurs. Dans le cas des minerais à expédition directe, il peut atteindre 6:1 ou 7:1. Dans le cas d'un minerai à faible teneur, un taux de décapage inférieur à 1,5:1 est souvent considéré comme une limite économique.

Pour l'extraction du minerai de fer, il est essentiel de découvrir la zone de la mine en commençant par décaper le mort-terrain. Les morts-terrains sont chargés par de grandes pelles hydrauliques dans des camions de production, qui les transportent vers des décharges de contour. Ces dépotoirs sont conçus de manière écologique pour correspondre à la zone environnante.

Dans l'exploitation minière à ciel ouvert, l'enlèvement des morts-terrains peut se poursuivre pendant une grande partie de la durée de vie d'une mine, car les parois de la fosse sont réduites pour permettre l'approfondissement de la mine afin de récupérer le minerai au fond. Les matériaux non consolidés sont excavés par des pelles mécaniques, des draglines ou des grattoirs électriques, selon les conditions locales. Les autres matériaux sont généralement excavés avec des pelles mécaniques.

Le minerai est extrait de grandes fosses à ciel ouvert par extraction progressive le long de marches ou de bancs. Les bancs permettent d'accéder à du minerai de plus en plus profond, au fur et à mesure que le minerai de niveau supérieur est retiré. Une fois le sol et la roche sus-jacente dégagés, le minerai est foré et dynamité. L'objectif du dynamitage est d'exposer le corps minéralisé pour l'extraction ou de créer une approche (passages horizontaux) qui peut être utilisée pour accéder au corps minéralisé. Le dynamitage est également utilisé pour briser le minerai.

Le forage et le dynamitage sont effectués pour diviser les matériaux consolidés en tailles pouvant être manipulées par l'équipement minier ainsi que par les installations de concassage et de criblage. Il est également parfois utilisé pour ameublir les bancs de minerai devant les pelles mécaniques afin d'augmenter l'efficacité du chargement.

La partie du corps minéralisé à retirer est d'abord forée selon un schéma spécifique. Le forage est effectué avec de grandes plates-formes de forage mécanisées. L'objectif principal des opérations de forage est de créer un trou de diamètre, de profondeur et de direction appropriés dans la roche pour que les explosifs soient placés pour les activités de dynamitage. Généralement, les trous de mine forés ont un diamètre de 400 mm et une profondeur d'environ 10 à 12 mètres. Environ 400 trous sont forés selon un schéma de dynamitage.

Avant l'explosion, les trous forés sont remplis de mélanges explosifs. La principale exigence pour qu'un explosif soit utilisé dans le dynamitage des mines est la capacité d'obtenir une combustion complète sans alimentation externe en oxygène. Dans le passé, les explosifs utilisés dans le dynamitage étaient composés de nitroglycérine, de matière carbonée et d'un agent oxydant. Aujourd'hui, les explosifs les plus couramment utilisés sont des mélanges d'engrais à base de nitrate d'ammonium et de mazout (appelés ANFO). L'explosif est déclenché par un détonateur hautement explosif et/ou un amorceur. Dans certains cas, des cartouches explosives à émulsion ou à gel sont utilisées.

Une fois préparé, le site minier est débarrassé des travailleurs et de l'équipement, et l'explosion est déclenchée. Chacun des trous est explosé à une milliseconde d'intervalle, ce qui donne un tas de minerai de fer brut qui est brisé à une taille de moins 2 m x 2 m. Les larges trous dans le sol créés par le forage, le dynamitage et l'extraction du minerai sont appelés « fosses à ciel ouvert ».

Après le dynamitage, le minerai fracturé est appelé minerai tout-venant (ROM). Le minerai ROM est chargé par d'énormes pelles électriques, des pelles hydrauliques ou des chargeuses frontales sur des camions à benne de grande capacité, qui le transportent jusqu'à la station de concassage et de criblage.

Concassage et criblage

Le minerai de fer de qualité marchande doit être correctement dimensionné avant d'être chargé dans le haut fourneau. La technologie actuelle des hauts fourneaux nécessite généralement le concassage et le criblage du minerai en morceaux à charge directe plus fin que 10 mm et plus grossier que 30 mm. La taille spécifique sélectionnée est basée sur les caractéristiques du minerai et est spécifiée de manière à maintenir une perméabilité élevée de la cheminée et également à laisser suffisamment de temps pour la réduction des matériaux plus grossiers. Par conséquent, le concassage et le criblage font partie intégrante des installations de production de minerai.

De nombreuses mines emploient deux à trois étapes de concassage. Certaines mines ont le concasseur primaire situé dans la mine, utilisant des convoyeurs pour transporter le minerai concassé vers les concasseurs secondaires et tertiaires ou directement vers les broyeurs. Les étapes de concassage réduiront le minerai de fer de plusieurs pieds de diamètre à l'étape primaire à six pouces jusqu'à un demi ou trois huitièmes de pouce en tant que produit final. Le produit de broyage est acheminé vers l'opération de broyage pour une réduction de taille supplémentaire

Le concassage implique généralement un concasseur à mâchoires primaire avec des concasseurs secondaires fonctionnant en circuit fermé avec des cribles vibrants. Le choix de l'équipement est largement déterminé par la friabilité du minerai. La plupart des opérations de criblage sur les minerais à haute teneur sont à sec, sauf lorsque la fraction fine peut être efficacement valorisée par déschlammage.

Les fines de moins de 10 mm produites par concassage et criblage sont le plus souvent agglomérées par frittage, ou parfois broyées pour la pelletisation.

Le programme minier des mines individuelles est élaboré pour produire un produit uniforme. Bien qu'il y ait plusieurs étapes de manutention impliquées dans la plupart des systèmes de chargement et d'expédition, ils ne fournissent souvent pas suffisamment de mélange pour répondre aux normes d'assurance qualité désormais requises par les aciéries, en particulier si les normes de cohérence de taille et de chimie sont spécifiées. Des installations sophistiquées de mélange et de chargement combinés sont maintenant presque universellement fournies dans les mines de minerai de fer.

Les systèmes d'empilage et de récupération sont assez souvent utilisés. L'empilement entraîne la stratification des minerais de fer. Chaque couche successive représente un minerai de fer dont la consistance de taille ou la composition chimique peut différer des couches adjacentes. La pile allongée est construite jusqu'à une hauteur limitée par la capacité d'empilage de la machine d'empilage. Le minerai peut ensuite être récupéré pour être utilisé par des excavatrices à godets, des chargeuses frontales ou un convoyeur transversal à raclettes. L'extraction du minerai de la face du tas produit un flux de matériau qui est un mélange uniforme de minerai provenant de toutes les couches. Le minerai mélangé est ensuite expédié aux clients.

Les différentes étapes de l'exploitation minière sont illustrées à la figure 1.

Fig 1 Étapes de l'extraction à ciel ouvert du minerai de fer

Problèmes environnementaux

Les matériaux générés à la suite de l'exploitation à ciel ouvert comprennent les morts-terrains, les stériles et l'eau de mine. D'autres déchets peuvent inclure de petites quantités d'huile et de graisse déversées lors de l'extraction. L'eau de mine contient généralement des constituants dissous ou en suspension similaires à ceux trouvés dans le corps minéralisé lui-même. Ceux-ci peuvent inclure des traces d'aluminium, d'antimoine, d'arsenic, de béryllium, de cadmium, de chrome, de cuivre, de manganèse, de nickel, de sélénium, d'argent, de soufre, de titane et de zinc.

L'eau cause une variété de problèmes dans les opérations d'extraction de minerai de fer. Sauf dans de rares cas, comme dans l'exploitation minière au sommet d'une colline ou dans des conditions désertiques, l'eau doit être collectée dans des puisards, des puits ou des travaux souterrains et pompée hors de la mine. Ces eaux de drainage sont souvent utilisées directement pour compenser les pertes d'eau dans les opérations de concentration.