Optimiser la Valorisation du Minerai de Fer pour une Production d'Acier Efficace

Valorisation des Minerais de Fer (Beneficiation)

Le minerai de fer est un minéral utilisé après extraction et traitement pour la production de fer et d'acier. Les principaux minerais contiennent Fe₂O₃ (70 % Fe, hématite) ou Fe₃O₄ (72 % Fe, magnétite). Les minerais sont normalement associés à des gangues indésirables. La teneur du minerai est généralement déterminée par la teneur totale en Fe. Les minerais de mine après dimensionnement sec ou humide, s'ils contiennent normalement > 62 % Fe, sont appelés « minerai naturel » ou « minerai à expédition directe » (DSO - Direct Shipping Ore). Ils peuvent être utilisés directement en production de fer et acier. Tous les autres minerais nécessitent une valorisation et certains traitements avant utilisation.

Nécessité de la Valorisation

Les minerais de fer bas de gamme ne peuvent être utilisés tels quels pour la production de fer et acier et doivent être améliorés pour réduire leur teneur en gangue et augmenter leur teneur en Fe. Le procédé adopté pour augmenter la teneur en Fe est la valorisation du minerai de fer (IOB - Iron Ore Beneficiation).

Cependant, les minerais de fer de différentes sources ont leurs propres caractéristiques minéralogiques et nécessitent un traitement de valorisation et métallurgique spécifique pour en tirer le meilleur produit. Pour une valorisation efficace, un concassage, broyage et criblage efficaces du minerai sont nécessaires, avec technologies adaptées. Le choix du traitement dépend de la nature de la gangue et de son association avec la structure du minerai. Plusieurs méthodes/techniques (lavage, jigage, séparation magnétique, séparation gravimétrique, flottation, etc.) sont utilisées pour augmenter la teneur en Fe et réduire la gangue. Ces techniques sont utilisées en diverses combinaisons. Pour un minerai particulier, l'accent est mis sur le développement d'un schéma de traitement (flow sheet) rentable incorporant concassage, broyage, criblage et techniques de valorisation nécessaires. La figure 1 montre un flow sheet typique d'usine de valorisation.

Techniques de Concassage, Broyage et Criblage

Le but du broyage et rebroyage est de réduire le minerai à une taille assez petite pour libérer et récupérer les minéraux précieux. Les systèmes de concassage, broyage et criblage d'une usine IOB doivent être conçus en tenant compte des exigences des procédés de valorisation en aval. Les unités de concassage peuvent inclure concassage primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. Concasseurs à mâchoires, giratoires, à cône, à rouleaux utilisés. Circuits de broyage semi-autogène et autogène utilisés. Moulins à barres et à boulets employés. Investissement et coûts d'exploitation du broyage élevés. L'économie joue donc un grand rôle dans la planification du degré de concassage/broyage pour préparer le minerai à la valorisation. Autres facteurs : concentration en valeur du minerai, minéralogie, dureté, teneur en eau. Le broyage en circuit fermé minimise le surbroyage des minerais très friables. Plus la charge circulante est élevée, moins il y a de surbroyage.

Lavage et Décapage Humide

Procédé primitif et largement utilisé pour minerais ferreux massifs pour déloger et éliminer matériaux latéritiques friables et tendres, matériaux fins et particules d'argile limoniteuse adhérentes au minerai. Le décapage humide est aussi utile pour minerais durs et poreux, qui ont invariablement des cavités/pores remplis de matière argileuse nécessitant une élimination substantielle.

Séparation Gravimétrique

Utilisée quand les minéraux ferreux sont libres de la gangue associée. La densité des minéraux ferreux est généralement supérieure à celle des gangues. L'efficacité dépend largement d'un concassage et dimensionnement appropriés pour assurer une alimentation de taille adéquate aux équipements de séparation gravimétrique et l'élimination des boues. De nombreux équipements/procédés fonctionnent sur ce principe :

• Séparation par milieux denses (Dense Media Separation) – Aussi appelée séparation par milieux lourds. Pour minerais grossiers (3–50 mm). Ferrosilicium moulu -300 mesh comme suspension pour densité de coupure 3–3,2, suffisante pour faire flotter et séparer la gangue. Milieu récupéré par séparateurs magnétiques basse intensité (LIMS). Alimentation doit être dure, compacte, gangue non poreuse.
• Cyclone à milieux lourds (Heavy Media Cyclone) – Pour fines de minerai (0,2–6 mm). Séparateur cyclone utilisant forces centrifuges et gravitationnelles. Ferrosilicium moulu -325 mesh comme milieu.
• Jigage (Jigging) – Technique de concentration gravimétrique séparant le minerai en fractions légère, moyenne, lourde. Fraction de taille : 0,5–30 mm.
• Spirales (Spirals) – Concentrateurs à film fluide. Opération continue : écoulement gravitaire laminaire sur surface inclinée. Mécanisme : écoulement primaire (boule descendant sous gravité) et secondaire (radial). Particules dense : couches supérieures s'éloignent du centre, couches inférieures concentrées vers le centre. Nécessitent ajout d'eau à divers points pour laver le minerai (évacuer gangue légère). Quantité et distribution eau ajustables. Contrôle ponctuel minimise eau totale. Taille alimentation : 0,3–1 mm. Densité pâte : 25–30 % solides.
• Tables (Tables) – Large gamme d'applications en traitement gravimétrique. Utilisées en circuits nettoyage et scavenging. Taille alimentation : 0,3–1 mm. Densité pâte : 25–30 % solides.
• Concentrateurs multi-gravité (Multi Gravity Concentrator) – En développement, conçus pour traiter fines et ultrafines. Utiles pour récupération valeurs dans boues et résidus.
• Cyclones (Cyclones) – Plusieurs types : hydrocyclone, cyclone court, cyclone milieux lourds. Coût-efficaces, construction simple. Parties principales : diamètre cyclone, buse entrée chambre alimentation, vortex finder, section cylindrique, section conique. Relations géométriques appropriées entre diamètre, surface entrée, vortex finder, orifice apex, longueur suffisante pour temps de rétention et classification. L'alimentation entre, rotation de la boue commence, forces centrifuges accélèrent particules vers paroi externe. Particules migrent vers bas en spirale à travers section cylindrique puis conique. Particules masse faible migrent vers centre, spiralent vers haut et sortent par vortex finder (overflow, à pression atmosphérique). Particules masse forte restent en spirale descendante le long des parois coniques, sortent par orifice apex (underflow, à pression atmosphérique).

Séparation Magnétique

Les technologies de séparation magnétique exploitent la différence de propriétés magnétiques pour séparer le minerai de fer de la gangue non magnétique. Peuvent être menées en milieu sec ou humide (humide plus courant).

Opérations classées basse ou haute intensité. Séparateurs basse intensité : champs 1 000–3 000 gauss. Utilisés normalement sur magnétite comme méthode peu coûteuse et efficace. Séparateurs haute intensité : champs jusqu'à 20 000 gauss. Pour séparer minerais faiblement magnétiques (hématite) de gangues non magnétiques ou moins magnétiques. Autres facteurs déterminants : taille particulaire, teneur en solides de la boue d'alimentation.

Typiquement, la séparation magnétique comprend trois stades : (i) cobbing (écimage), (ii) nettoyage/roughing, (iii) finition. Chaque stade peut employer plusieurs tambours en série pour améliorer l'efficacité. Chaque stade successif travaille sur particules plus fines suite à l'élimination des surdimensionnés aux stades précédents. Les cobbers traitent les grosses particules et rejettent une part substantielle de l'alimentation en résidus.

Plusieurs technologies utilisées :

• Séparation magnétique basse intensité humide et sèche (LIMS)
• Séparation magnétique à gradient élevé (HGMS)
• Séparation magnétique haute intensité humide (WHIMS)
• Séparateurs à rouleaux magnétiques pour minerais faiblement magnétiques
• Séparation magnétique par induction (IRMS) pour concentration minerais secs

Procédé de Flottation

La flottation utilise une technique où les particules d'un minéral ou groupe de minéraux adhèrent préférentiellement à des bulles d'air en présence d'un réactif chimique. Cela est réalisé par des réactifs réagissant préférentiellement avec le minéral désiré. Facteurs importants pour le succès : uniformité de la taille des particules, réactif compatible avec le minéral, conditions d'eau n'interférant pas avec l'attachement réactif-minéral ou bulle d'air.

Aujourd'hui, la flottation est principalement utilisée pour améliorer les concentrés issus de la séparation magnétique. La flottation seule comme méthode de valorisation est rarement utilisée.

Réactifs chimiques : trois groupes principaux : (i) collecteurs/amines, (ii) moussants, (iii) antimousses. Réactifs ajoutables sous formes : solide, émulsion liquide non miscible, solution aqueuse. Concentration doit être étroitement contrôlée pendant le conditionnement : excès de réactif retarde la réaction et réduit l'efficacité. Facteurs affectant le conditionnement : mélange et dispersion complets des réactifs dans la pâte, contacts répétés entre réactifs et toutes particules de minerai pertinentes, temps pour développement des contacts réactifs-minéral pour réactions désirées.