Les minerais de fer expliqués : types, distribution et pratiques minières

Comprendre les minerais de fer et leur extraction

Le fer (Fe) est un élément abondant et largement réparti dans la croûte terrestre, constituant en moyenne 2 % à 3 % des roches sédimentaires et jusqu'à 8,5 % des basaltes et gabbros. Ses réserves sont pratiquement illimitées dans presque toutes les régions du monde.

Cependant, la majeure partie de ce fer ne se trouve pas sous une forme utilisable par les procédés sidérurgiques actuels. Seule la fraction du fer total dans la croûte terrestre qui est accessible à l'industrie sidérurgique, tant sur le plan économique que géographique, peut être qualifiée de minerai de fer. La définition de ce qui constitue un minerai de fer varie considérablement selon les lieux et les époques. De nombreux facteurs déterminent si un minéral ferrugineux peut être classé comme minerai de fer, mais la question est fondamentalement économique. En gardant ce concept à l'esprit, une définition logique du minerai de fer à des fins commerciales est : « matériau ferrugineux qui peut être utilisé économiquement à un moment et en un lieu donnés, selon les conditions de coûts et de prix du marché en vigueur ».

Teneur en fer et seuil de rentabilité

Puisque le fer est présent dans de nombreuses zones, sa valeur relative est faible ; un gisement doit donc avoir une teneur élevée en Fe pour être considéré comme un minerai de qualité. Grâce aux méthodes améliorées d'enrichissement, de concentration et d'agglomération, la variété de matériaux ferrugineux exploitables s'est élargie : de nombreux matériaux de faible teneur, autrefois jugés non économiques, sont désormais considérés comme des minerais de fer. En général, un gisement doit contenir au moins 25 % de Fe pour être économiquement récupérable.

Principaux minéraux de fer

Plus de 300 minéraux contiennent du fer, mais cinq sont les sources primaires de minerai de fer :

• Magnétite (Fe₃O₄)
• Hématite (Fe₂O₃)
• Goethite (Fe₂O₃·H₂O)
• Sidérite (FeCO₃)
• 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 relève des deux premières catégories.

Hématite

L'hématite a une composition chimique de Fe₂O₃, correspondant à 69,94 % de fer et 30,06 % d'oxygène. Sa couleur varie du gris acier au rouge terne ou rouge vif ; elle peut être terreuse, compacte ou cristalline, avec une densité spécifique de 5,26. Les variétés courantes sont : cristalline, spéculaire, martite (pseudomorphe après magnétite), maghémite (oxyde ferrique magnétique), terreuse, ochreuse et compacte. L'hématite est l'un des minerais de fer les plus importants. Elle se trouve dans de nombreux types de roches (gisements de veines, roches ignées, métamorphiques, sédimentaires) et comme produit d'altération de la magnétite. Certains gisements de faible teneur en hématite cristalline disséminée ont été traités avec succès par gravimétrie et flottation pour produire des concentrés de haute qualité.

Magnétite

La magnétite a une composition chimique de Fe₃O₄, correspondant à 72,36 % de fer et 27,64 % d'oxygène. Sa couleur est gris foncé à noir, avec une densité spécifique de 5,16 à 5,18. Elle est fortement magnétique, possédant parfois une polarité qui lui permet d'agir comme un aimant naturel. La magnétite se trouve dans les roches ignées, métamorphiques et sédimentaires. Sa propriété magnétique est cruciale : elle permet la prospection par méthodes magnétiques et la séparation magnétique de la magnétite des gangues pour produire un concentré de haute qualité. Son importance comme source de fer ne cesse de croître grâce aux améliorations continues des techniques de concentration magnétique et à l'utilisation accrue des produits de haute teneur.

Extraction des minerais de fer

L'extraction, l'enrichissement et le traitement du minerai de fer produisent le fer et l'acier. L'extraction est définie comme le retrait du minerai d'un gisement et englobe toutes les activités précédant l'enrichissement. Les minerais de fer de haute teneur (teneur en fer supérieure à 62 %) sont simplement concassés, criblés et expédiés directement vers l'unité de production de fer (ex. haut fourneau). Les minerais de faible teneur nécessitent des activités d'enrichissement au-delà du concassage, criblage et lavage pour augmenter leur teneur en fer. Pour être compétitive, l'extraction de minerai de fer doit se faire à très grande échelle. Deux méthodes minières sont couramment employées :

• Exploitation à ciel ouvert (surface)
• Exploitation souterraine (puits)

Le choix entre exploitation souterraine ou à ciel ouvert dépend de la proximité du corps de minerai par rapport à la surface. La grande majorité du minerai de fer extrait dans le monde l'est exclusivement par des techniques d'exploitation à ciel ouvert, bien qu'il existe quelques mines souterraines en activité. Deux méthodes de base d'exploitation à ciel ouvert sont conçues pour extraire le minerai de fer des gisements de surface : la mine à ciel ouvert (open pit) et la tranchée à ciel ouvert (open cut). Presque toutes les grandes mines de minerai de fer dans le monde, à quelques exceptions près, sont exploitées par la méthode à ciel ouvert (open pit).

Processus d'exploitation à ciel ouvert

L'exploitation minière nécessite des ressources massives : équipements industriels lourds (bulldozers, scrapers, camions de transport, pelles hydrauliques, excavatrices, draglines, excavatrices à roue à godets, foreuses à trous de mine, convoyeurs robustes) et une main-d'œuvre qualifiée. Des concasseurs et cribles avec équipements associés sont nécessaires pour le concassage et le criblage du minerai en produit commercialisable.

Planification et développement

Le processus d'extraction, de la découverte du gisement à la remise en état du site, comprend plusieurs étapes distinctes :

1. Découverte du gisement par prospection/exploration pour définir l'étendue, la localisation et la valeur du corps de minerai, suivie d'une estimation mathématique des ressources (taille et teneur).
2. Identification du minerai par forage diamanté sur grille ; analyse des échantillons pour développer un plan minier.
3. Développement de la mine : planification pour évaluer la portion économiquement récupérable, caractéristiques métallurgiques, récupérabilité, contraintes d'ingénierie, concassage et besoins d'infrastructure.
4. Gestion des stériles : le mouvement total de minerai et de stériles constitue le processus minier ; souvent plus de stériles que de minerai sont extraits. L'évacuation et le stockage des stériles représentent un coût majeur.
5. Modélisation par blocs : modèle rectangulaire (ex. 50 m × 50 m × 10 m) estimant la teneur (Fe, contaminants : alumine, silice, phosphore) pour chaque bloc. Ce modèle évolue avec les forages d'infill, les données des trous de mine et les analyses du minerai extrait.

Exploitation à ciel ouvert (détails)

Le gisement est mis à nu en décapant une couche de terrain (quelques mètres d'épaisseur), appelée stérile de couverture (overburden) : matériaux meubles, roches, argiles, graviers, minerai pauvre. La profondeur d'exploitation dépend de la teneur du minerai, de la nature du stérile et du ratio de décapage (quantité de stérile à manipuler par unité de minerai extrait). Ce ratio varie selon les mines : 6:1 à 7:1 pour les minerais d'expédition directe ; < 1,5:1 pour les minerais de faible teneur.

Le stérile est chargé par pelles hydrauliques dans des camions de production qui l'évacuent vers des terrils conçus pour s'intégrer à l'environnement. Le décapage peut se poursuivre sur une grande partie de la vie de la mine, les parois étant reculées pour approfondir la fosse.

Le minerai est extrait par bancs (benches) progressifs offrant un accès aux niveaux plus profonds. Après déblaiement, le minerai est foré et miné. Le forage (trous de 400 mm de diamètre, 10-12 m de profondeur, ~400 trous par tir) vise à créer des trous adaptés pour les explosifs. L'explosif le plus courant aujourd'hui est l'ANFO (nitrate d'ammonium + fuel oil), détoné par amorce. Chaque trou est détoné avec un décalage de millisecondes, produisant un tas de minerai brut fragmenté à moins de 2 m × 2 m.

Le minerai fracturé (ROM - Run of Mine) est chargé par pelles électriques, excavatrices hydrauliques ou chargeuses frontales sur des camions à grande capacité qui l'acheminent vers la station de concassage et criblage.

Concassage et criblage

Le minerai de qualité marchande doit être correctement calibré avant chargement au haut fourneau. La technologie actuelle exige un minerai en blocs (lump) entre 10 mm et 30 mm. Le concassage et le criblage sont donc intégrés aux installations de production. De nombreuses mines utilisent 2 à 3 stades de concassage. Le concasseur primaire peut être situé dans la mine, avec convoyeurs vers les concasseurs secondaires/tertiers ou directement vers les broyeurs. Le concassage réduit le minerai de plusieurs pieds de diamètre à 6 pouces, puis à 1/2 ou 3/8 pouce en produit final.

Le concassage implique généralement un concasseur à mâchoires primaire avec concasseurs secondaires en circuit fermé avec cribles vibrants. Le choix de l'équipement dépend de la friabilité du minerai. La plupart des opérations de criblage sur minerais de haute teneur sont sèches, sauf si la fraction fine peut être améliorée par déslimage.

Les fines < 10 mm sont généralement agglomérées par frittage ou parfois broyées pour le pelletizing. Des installations sophistiquées de mélange et de chargement sont désormais quasi universelles pour assurer un produit uniforme répondant aux normes de qualité des aciéries (régularité granulométrique et chimique). Les systèmes d'empilement et de reprise (stacking/reclaiming) permettent l'homogénéisation : chaque couche successive peut différer en taille ou composition ; la reprise par excavatrice à roue à godets, chargeuse ou scraper produit un flux uniforme expédié aux clients.

Problèmes environnementaux

L'exploitation à ciel ouvert génère : stériles de couverture, stériles rocheux, eaux de mine. Autres déchets : petites quantités d'huiles et graisses. Les eaux de mine contiennent des éléments dissous/suspendus similaires à ceux du gisement : traces d'aluminium, antimoine, arsenic, béryllium, cadmium, chrome, cuivre, manganèse, nickel, sélénium, argent, soufre, titane, zinc.

L'eau pose divers problèmes. Sauf cas rares (minage en sommet de colline, conditions désertiques), l'eau doit être collectée dans des puisards, puits ou ouvrages souterrains et pompée hors de la mine. Ces eaux de drainage sont souvent réutilisées directement pour compenser les pertes en eau dans les opérations de concentration.