L'enrichissement du minerai de fer : processus et techniques clés

Procédés d'enrichissement des minerais de fer

Le fer est un élément abondant dans la croûte terrestre (2 % à 3 % dans les roches sédimentaires, 8,5 % dans les basaltes et gabbros). En raison de sa présence généralisée, sa valeur relative est faible ; un gisement doit avoir une teneur élevée en métal pour être considéré comme minerai de qualité. En général, une teneur minimale de 25 % de fer est requise pour une récupération économique.

Plus de 300 minéraux contiennent du fer, mais cinq sont les sources primaires : magnétite (Fe₃O₄), hématite (Fe₂O₃), goethite (Fe₂O₃·H₂O), sidérite (FeCO₃) et pyrite (FeS₂). L'extraction nécessite forage, minage, concassage, criblage et mélange des minerais.

Le concassage et le criblage sont intégrés aux installations de production. Le concassage implique généralement un concasseur primaire et des 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.

Catégories de minerais de fer et exigences de traitement

Les minerais de fer se classent en trois catégories :

1. Minerais d'expédition directe (haute teneur) : contiennent assez de fer pour être chargés directement au fourneau ; nécessitent seulement concassage, criblage et mélange.
2. Minerais marchands de faible teneur associés : se trouvent autour des minerais de haute teneur, extraits simultanément ; nécessitent une mise à niveau mineure par lavage pour augmenter la teneur en fer.
3. Minerais de faible teneur : nécessitent concassage, broyage et concentration extensifs pour produire un concentré acceptable.

Ces trois catégories ont des exigences de traitement très différentes. Pour obtenir un produit uniforme, les minerais de différents grades, compositions et tailles sont généralement mélangés.

Le terme enrichissement (beneficiation) englobe toutes les méthodes utilisées pour traiter le minerai afin d'améliorer ses caractéristiques chimiques, physiques et métallurgiques, le rendant plus apte à l'alimentation du fourneau de production de fer. Ces méthodes incluent : concassage et broyage, lavage, filtration, tri, calibrage, concentration gravimétrique, séparation magnétique, flottation et agglomération. Les opérations d'enrichissement produisent deux produits : un concentré et des stériles (tailings) qui sont rejetés.

Concassage et broyage

L'enrichissement commence par le concassage et le broyage, avec classification humide ou sèche des minerais extraits, en préparation aux étapes ultérieures d'augmentation de la teneur en fer. C'est un processus multi-étapes pouvant utiliser un aliment sec ou humide. Selon la dureté du minerai, deux, trois, voire quatre stades de concassage sont utilisés pour réduire le minerai ROM (Run of Mine) à la granulométrie d'alimentation requise. Le concassage primaire et secondaire se fait normalement par concasseurs giratoires ou à cône. Les concasseurs à mâchoires ont rarement la capacité ou la durabilité pour servir de concasseur primaire, sauf si le minerai est exceptionnellement tendre. Le concassage tertiaire à une granulométrie maximale de 25 mm est généralement effectué par des concasseurs à tête courte en circuit fermé avec cribles. Typiquement, le concassage primaire, secondaire et le criblage ont lieu sur le site minier.

Les coûts d'investissement et d'exploitation du concassage et du broyage sont substantiels. L'économie joue donc un rôle important dans le choix des équipements et le degré de concassage/broyage. Autres facteurs : valeur de concentration du minerai, minéralogie, dureté, teneur en humidité.

Après le concassage initial, le broyage fin réduit les particules à la consistance d'une poudre fine (325 mesh, 0,44 microns). Le choix du circuit de broyage dépend de la densité et de la dureté du minerai. Bien que les broyeurs à barres ou à boulets soient courants, quelques installations utilisent des systèmes de broyage autogène ou semi-autogène. Le broyage autogène utilise des morceaux grossiers du minerai lui-même comme corps broyant. Le semi-autogène utilise des boules/bâtonnets métalliques pour compléter l'action de broyage. L'autogène convient aux minerais faiblement cimentés contenant des parties dures ; il est moins intensif en capital et main-d'œuvre. Le semi-autogène élimine le besoin d'un circuit de concassage secondaire et supprime l'usure des barres/boulets, principal coût de maintenance des broyeurs traditionnels.

• Broyeurs à barres : conçus pour broyer généralement du -35 mm à -3 mesh. Moulins culbuteurs avec ratio longueur/diamètre de 1,5 à 2,0. Corps broyants : barres d'acier jusqu'à 100 mm de diamètre. Broyage humide avec 68 % à 80 % de solides. Taille du produit contrôlée par débit d'alimentation, charge de barres, vitesse du moulin, densité et viscosité de la boue.
• Broyeurs à boulets : principal moyen de broyage fin des minerais de fer. Moulins culbuteurs comme les broyeurs à barres, mais ratio longueur/diamètre plus petit (jusqu'à 1,5). Corps broyants : boules d'acier. L'efficacité est grandement affectée par l'efficacité de la classification et les paramètres d'exploitation (vitesse, charge de corps broyants, densité et viscosité de la boue).
• Broyeurs à galets : utilisés pour le broyage fin. Similaires aux broyeurs à boulets mais chargés de galets de 25 à 100 mm au lieu de boules d'acier. Avantage : pas de corps broyants en acier, usure des revêtements réduite. Inconvénient : consommation d'énergie normalement élevée.

Entre chaque opération de broyage, des hydrocyclones classent les particules grossières et fines. Les particules grossières sont renvoyées au broyeur pour une réduction supplémentaire. Le minerai broyé sous forme de boue est pompé vers l'étape d'enrichissement suivante. Si le minerai est destiné à la flottation, les réactifs chimiques sont normalement ajoutés à la boue à ce stade.

Flottation

La flottation est efficace pour la concentration des minerais de fer fins (moins de 100 mesh). Elle repose sur le fait que certains réactifs ajoutés à des suspensions aqueuses de minerai finement broyé provoquent sélectivement une affinité pour l'air soit des minéraux d'oxyde de fer, soit des particules de gangue. Les minéraux ayant cette affinité s'attachent aux bulles d'air et traversent la suspension ; ils sont récupérés comme produit de mousse.

Facteurs clés de succès : uniformité de la taille des particules, réactifs compatibles avec le minerai, conditions de l'eau n'interférant pas avec l'attachement réactifs-minerai ou bulles d'air.

Quatre types de réactifs chimiques

• Collecteurs/amines : induisent l'affinité préférentielle pour l'air ; provoquent l'adhérence entre particules solides et bulles d'air dans la cellule de flottation.
• Moussants (frothers) : substances provoquant la formation de bulles ou mousse stable ; stabilisent les bulles en réduisant la tension superficielle, permettant la collecte du matériau précieux par écumage.
• Antimoussants (antifoams) : réagissent avec les surfaces des particules pour empêcher les matériaux de rester dans la mousse ; ils tombent au fond comme stériles.
• Autres substances (modificateurs, dispersants, dépressants) : ajoutées pour contrôle (ajustement pH, meilleure dispersion ou floculation).

Facteurs importants lors du conditionnement : mélange et dispersion complets des réactifs dans la pulpe, contacts répétés entre réactifs et toutes les particules de minerai pertinentes, temps pour le développement des contacts et réactions désirées. Les réactifs peuvent être ajoutés sous forme solide, liquide non miscible, émulsion, solution aqueuse. La concentration est étroitement contrôlée ; un excès peut retarder la réaction et réduire l'efficacité.

La tendance actuelle est au développement de cellules de flottation plus grandes et plus économes en énergie. Une pulpe contenant minerai broyé, réactifs et eau est alimentée dans les cellules. Typiquement, 10 à 14 cellules sont disposées en série : roughers (ébauche) pour séparation grossière des minéraux métalliques ferrugineux (valeurs) de la gangue ; scavengers (charognards) pour récupérer les quantités restantes de valeurs. La pulpe passe des roughers aux scavengers au fur et à mesure de l'extraction des valeurs. Les concentrés récupérés dans la mousse des cellules d'ébauche et de charognage sont envoyés aux cellules de nettoyage (cleaning) pour produire le concentré final de minéraux métalliques ferrugineux.

Types de collecteurs

• Anioniques : s'ionisent en solution ; l'espèce active (s'attachant à la surface minérale chargée positivement) est chargée négativement. Application principale : flotter les minéraux ferrugineux loin de la gangue. Collecteurs courants : acides gras ou sulfonates de pétrole. Huile de carburant souvent ajoutée pour favoriser la récupération des particules d'oxyde de fer < 10 microns.
• Cationiques : l'espèce ionique active est chargée positivement. Utilisés pour flotter la gangue loin du minerai brut finement broyé et éliminer de petites quantités de gangue de certains concentrés. Collecteurs : amines aliphatiques primaires ou diamines, bêta-amines, éthers-amines, généralement sous forme d'acétate.

Les déchets de la cellule de flottation sont collectés au déversoir de trop-plein des stériles. Selon la qualité de la mousse, elle est recyclée pour récupération supplémentaire d'unités de fer ou rejetée comme stériles. Les stériles contiennent gangue résiduelle, minéraux ferreux non récupérés, réactifs chimiques, eaux de procédé. Généralement, les stériles passent par un épaississeur avant d'aller au bassin de stériles. Teneur en solides de la boue : 30 % à 60 %. Après épaississement, pompage vers le bassin ; solides recyclés pour enrichissement supplémentaire, eau clarifiée retournée au concassage/broyage. Dans le bassin, les solides se décantent ; composant liquide recyclé au broyeur. Les réactifs adhèrent généralement aux particules de stériles et restent dans le bassin.

Épaississement / Filtration

Les épaississeurs (thickeners) retirent la majeure partie du liquide des concentrés en boue et des boues de stériles. Deux phases d'utilisation : (i) concentrés épaissis pour réduire l'humidité et récupérer l'eau ; (ii) stériles en boue épaissis pour récupérer l'eau. Les installations emploient généralement plusieurs épaississeurs simultanément.

Les opérations de minerai de fer utilisent typiquement des épaississeurs continus avec mécanisme de ratissage. Plusieurs variantes de râteaux sont utilisées. Lors de l'épaississement des concentrés, le sous-flux (concentré) est collecté et traité dans un filtre à disque sous vide en céramique qui retire l'eau résiduelle. Le liquide retiré (contenant réactifs de flottation, produits minéraux dissous/suspendus) est généralement recyclé vers un bassin de rétention pour réutilisation au broyeur. Le matériau solide résultant est collecté comme concentré final pour agglomération et traitement ultérieur. Les stériles épaissis sont envoyés au bassin de stériles.

Concentration gravimétrique

Largement utilisée pour l'enrichissement des minerais de fer hématitiques. Cette technologie suspend et transporte la gangue plus légère loin du minéral précieux plus lourd. La séparation repose principalement sur les différences de densités spécifiques et de tailles des particules. Les valeurs peuvent être entraînées avec la gangue malgré les différences de densité si les tailles de particules varient ; d'où la nécessité de tailles uniformes via classificateurs (cribles, hydrocyclones).

Trois méthodes historiques de séparation gravimétrique pour le minerai de fer : (i) lavage, (ii) jigage, (iii) séparateurs à milieu dense. Les spirales et cônes Reichert sont deux autres méthodes.

Les déchets sont des stériles : gangue sous forme de particules grossières et fines + eau de procédé. Pompage en boue vers bassin de stériles (30 % à 60 % de solides). Après séparation des solides, l'eau des stériles peut être recyclée ou rejetée.

Lavage

Procédé le plus simple, exploitant la densité spécifique élevée et la taille comparativement grossière des minéraux ferrugineux pour les séparer de la gangue siliceuse plus fine et plus légère (quartz et minéraux d'argile principalement). Le minerai est préparé par concassage en 1 ou 2 stades à < 50 mm. Alimenté dans des laveurs à auges (log washers). L'agitation intense par les pales (similaire à un pug mill moderne) combinée à l'eau en contre-courant comminue et élimine efficacement la silice fine, laissant un produit résiduel grossier riche en fer. Le trop-plein du laveur est souvent retraité dans des classificateurs à râteaux ou spirales pour récupérer du fer fin supplémentaire. Certaines usines utilisent des classificateurs spirales en 1 ou 2 stades sans laveur à auges sur minerais contenant peu de gangue argileuse collante. Des classificateurs à settling entravé de divers types sont aussi parfois utilisés pour récupérer le fer fin.

Jigage

Plus complexe que le lavage simple, utilisé sur minerais durs nécessitant concassage pour briser les couches riches en gangue. Les jigs pour l'enrichissement du minerai de fer sont essentiellement des cribles horizontaux supportant un lit de minerai de 150 à 250 mm de profondeur. Le minerai est alimenté à une extrémité et stratifié par l'action pulsatoire de l'eau (pompe oscillante ou mouvement vertical physique du crible). En progressant sur le deck, le pulsation permet aux particules légères de remonter vers le haut du lit, tandis que les particules lourdes riches en fer se ségrègent à la base. Les deux produits sont séparés à la fin du jig : particules légères par-dessus le déversoir de décharge, concentré de minerai de fer par le bas. Les jigs fonctionnent mieux sur des particules de 1 mm à 25 mm.

Séparation à milieu dense (Heavy media separation)

Développée dans les années 1950 comme alternative plus efficace au jigage pour la mise à niveau des minerais de fer. Principe : sink-float (flottaison/沉降). Une suspension de férrosilicium fin (moins de 200 mesh) dans l'eau crée un milieu fluide de densité spécifique ~3,0. Les particules riches en silice (densité ~2,6) flottent ; les particules de minerai de fer plus denses (densité > 4,0) coulent. Milieu conventionnel pour minerai grossier : férrosilicium 15 % Si, 85 % Fe. Suspensions d'eau avec 64 % à 85 % de férrosilicium fin : densités de 2,2 à 3,6.

Vaisseaux de séparation pour minerai grossier (+9 mm) : classificateurs spirales, à râteaux ou tambours rotatifs. Minerai entre 9 mm et 3 mm : cyclones à milieu dense où les forces gravitationnelles élevées accélèrent la décantation des particules lourdes. Magnétite finement broyée utilisée pour le milieu dense des cyclones (coût inférieur au férrosilicium). La dynamique du cyclone crée la densité et fluidité requises malgré la densité spécifique inférieure de la magnétite. Le milieu (férrosilicium, magnétite) est lavé des produits sink/float sur cribles fins avec auges de lavage et jets d'eau, récupéré de l'eau de lavage par séparateurs magnétiques et recyclé.

Spirales

Développées à l'origine pour le traitement des sables de plage, utilisées en concentration de minerai de fer pour traiter du -6 mesh (3,36 mm) à 100 mesh (0,149 mm). L'efficacité chute rapidement sous 100 mesh ; inefficaces sur matériaux plus fins. Fonctionnement normal à densité de pulpe de 25 % à 30 % de solides.

Largement utilisées pour la récupération supplémentaire de fer fin sur les types de minerais marchands ; dispositif de concentration principal pour les hématites spéculaires du Labrador Trough et minerais similaires libérés par broyage pas plus fin que 20 mesh.

Les concentrateurs spirales sont des dispositifs de séparation à film fluide. Fonctionnement : écoulement gravitaire laminaire continu sur surface inclinée. Mécanisme : flux primaire (boule descendant sous gravité) et flux secondaire (radial à travers l'auge). Ici, les couches fluides supérieures (particules à densité plus élevée) s'éloignent du centre tandis que les couches inférieures (particules à densité plus élevée) se déplacent vers le centre. Les spirales nécessitent de l'eau à divers points pour aider au lavage (transport de la gangue légère loin du minerai dense). Quantité et distribution de l'eau d'ajustables. Le contrôle ponctuel minimise les besoins totaux en eau en la dirigeant efficacement dans la pulpe fluide à l'angle le plus efficace.

Le concentrateur spiralé est une auge à fond courbé, enroulée autour d'un axe vertical en hélice. Alimentée au sommet par une boue de minerai et gangue, la gangue moins dense, plus facilement suspendue par l'eau, atteint une vitesse tangentielle plus grande que les minéraux de fer et migre vers le bord externe de l'auge. L'eau de lavage ajoutée le long du bord interne aide à emporter la gangue légère. Après quelques tours, une bande de minéral de fer se forme le long du bord interne, la gangue forme des bandes vers le bord externe. Des orifices espacés le long du bord interne collectent et évacuent les minéraux de fer. La gangue reste dans la spirale et se décharge au fond.

Cône Reichert

Avantages principaux : capacité et capacité à récupérer efficacement les minéraux lourds fins jusqu'à ~325 mesh (plus fin que les spirales). Un seul cône Reichert : capacité jusqu'à 100 t/h ; récupération efficace des fines d'hématite spéculaire.

C'est un concentrateur à film fluide. Les particules plus denses se concentrent au fond d'un film fluide de boue à ~60 % de solides en poids. Mécanisme : combinaison de settling entravé des particules denses et ruissellement interstitiel des particules fines. Élément de séparation : cône incliné vers l'intérieur de 1,9 m de diamètre. Pulpe d'alimentation répartie uniformément autour de la périphérie. En s'écoulant par gravité vers le centre, les particules fines et lourdes se concentrent au fond et sont extraites par une fente annulaire près de l'apex. Les stériles passent par-dessus la fente et sont collectés à l'apex/centre. Comme l'efficacité de cette séparation est relativement faible, elle est répétée plusieurs fois dans un empilement de cônes pour augmenter la récupération. Généralement, le concentré de plus haute teneur est produit dans le cône de séparation primaire.

Séparation magnétique

Normalement utilisée pour séparer le minerai de fer naturellement magnétique (magnétite) de matériaux moins magnétiques ou non magnétiques. Une proportion substantielle des unités de fer est perdue dans les stériles car l'hématite est faiblement magnétique.

La séparation magnétique se fait en milieu sec ou humide (humide plus courant). Elle se classe en basse intensité (champs 1000-3000 gauss) et haute intensité (jusqu'à 20 000 gauss). Basse intensité : utilisée sur magnétite, peu coûteuse et efficace ; capture seulement le matériel hautement magnétique. Haute intensité : sépare les minéraux de fer faiblement magnétiques (hématite) de la gangue non magnétique ou moins magnétique. Autres facteurs déterminants : taille des particules, teneur en solides de la boue d'alimentation.

Technologies de séparation magnétique

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

Autres mécanismes : poulies magnétiques, séparateurs à rouleaux induits, séparateurs à bande transversale, séparateurs à anneau.

Typiquement, la séparation magnétique comporte trois étapes : (i) cobbing (premier nettoyage), (ii) nettoyage/ébauche (cleaning/roughing), (iii) finition (finishing). Chaque étape utilise plusieurs tambours en série pour augmenter l'efficacité. Chaque étape successive travaille sur des particules plus fines suite à l'élimination des particules surdimensionnées aux étapes précédentes. Cobbers : particules de 9 mm, rejettent ~40 % de l'alimentation comme stériles. Séparation sèche basse intensité parfois utilisée au cobbing. Cleaners/scavengers : particules ~48 mesh (0,32 mm), retirent 10-15 % de l'alimentation comme stériles. Finishers : particules < 100 mesh (0,149 mm), retirent les 5 % restants de gangue (alimentation très concentrée à ce stade).

Procédés humides basse intensité : convoyeurs et séparateurs à tambour rotatif avec aimants permanents, principalement sur particules ≤ 9 mm. Le minerai est alimenté par convoyeur ; particules de magnétite attirées et maintenues sur les parois du tambour jusqu'à leur sortie du champ magnétique, puis transférées au récepteur de concentré. Gangue non/peu magnétique reste et va aux bassins de stériles. Parfois plusieurs tambours en série pour maximiser la récupération.

Séparateurs haute intensité humides : gradients de champ magnétique élevés via matrice de pièces de fer façonnées (boules, tiges, plaques rainurées, métal déployé, fibres) agissant comme sites de collecte pour particules paramagnétiques.

Déchets primaires : stériles (gangue grossière/fine + eau de boue pour séparation humide). Déchets particulaires de séparation sèche peuvent être mis en boue. Après séparation des solides dans épaississeur ou bassin de décantation : solides vers bassin de stériles ; liquide recyclé au broyeur ou rejeté si critères de qualité d'eau respectés.

Séparation magnétique haute intensité humide (WHIMS)

Développée pour récupérer les unités de fer non magnétiques. Applicable sur une large gamme de tailles : 10 mesh (2 mm) à 500 mesh selon la matrice. Applications : récupération de fer sur fines de minerai naturel, mise à niveau de concentrés spirales, récupération d'hématite sur stériles. Dans WHIMS, des électroaimants produisent un champ très fort appliqué à une matrice (boules d'acier, plaques rainurées espacées, laine d'acier, métal déployé). Matrice contenue dans un anneau annulaire tournant entre les aimants haute intensité. Boue de minerai introduite où la matrice est dans le champ. Les forts gradients magnétiques autour de la matrice retiennent l'hématite tandis que la gangue est lavée. Le concentré d'hématite est libéré et déchargé quand la matrice sort du champ magnétique.