Séparation par gravité et enrichissement du minerai : du battage de l'or antique aux solutions minières modernes

Séparation par gravité et enrichissement du minerai

La séparation par gravité est la plus ancienne technique connue d'enrichissement du minerai et est largement pratiquée dans la « nature ». La première utilisation humaine enregistrée de la séparation par gravité fut la récupération de l'or par battage dans le Haut-Nil par les Égyptiens de l'Antiquité, remontant à 1900 av. J.-C.

La séparation par gravité est un processus physique qui consiste à séparer différents types de minéraux dans le minerai les uns des autres en fonction des différences de leurs densités relatives (gravités spécifiques) en utilisant la force de gravité, laquelle peut être influencée par une ou plusieurs autres forces telles que la force centrifuge, la résistance au mouvement par un fluide (air, eau, etc.). Par conséquent, outre la gravité, d'autres facteurs comme la taille, la forme, etc., influencent également le mouvement relatif et donc la séparation. L'effet de l'action centrifuge sur la force de gravité est illustré à la Fig. 1. On observe qu'à mesure que la force de gravité augmente, la vitesse de décantation des particules plus fines devient plus élevée.

Fig. 1 : Effet de la force centrifuge sur la force de gravité

La séparation des particules de minerai par gravité dépend de deux facteurs : (i) la vitesse de décantation des particules, et (ii) la différence de gravité spécifique par rapport au milieu dans lequel elles sont séparées, ce qui donne un taux de décantation différentiel et a été appelé « critère de concentration ». La vitesse de décantation d'une particule est dictée par la « loi de Stokes » et est égale à kd²g(Ds - Df), où k est une constante, d est le diamètre de la particule, g est la force de gravité, Ds est la gravité spécifique du solide et Df est la gravité spécifique du milieu fluide.

Le « critère de concentration » (CC) donne une idée de l'aptitude à la séparation de deux particules de minerai et peut s'exprimer par (Dh - Df) / (Dg - Df), où Dh est la gravité spécifique du composant le plus lourd du minerai, Df est la gravité spécifique du milieu fluide, et Dg est la gravité spécifique du composant le plus léger du minerai. Généralement, lorsque le quotient est supérieur à 2,5 (que ce soit positif ou négatif), la séparation par gravité est relativement facile. Avec une diminution de la valeur du quotient, l'efficacité de la séparation diminue et en dessous de 1,25, la séparation par gravité n'est pas réalisable.

Principales méthodes de séparation par gravité

Il existe plusieurs types de méthodes de séparation par gravité. Les principales sont : (i) le jig, (ii) les rigoles pincées, (iii) les spirales, (iv) les tables à secousses, (v) les séparateurs de particules fines tels que le séparateur multi-gravité (MGS), et (vi) la séparation gravimétrique/tamisée comme les hydrosizeurs et les hydrocyclones.

La méthode de séparation par jigging a été décrite dans un autre article disponible à l'adresse : https://www.ispatguru.com/low-grade-iron-ore-beneficiation-and-the-process-of-jigging/

Rigoles pincées

Les séparateurs gravimétriques à rigoles pincées étaient populaires dans certains endroits jusqu'à l'introduction de la nouvelle génération de spirales. La rigole pincée est essentiellement une pente inclinée sur laquelle on fait circuler une pulpe contenant des particules de différentes gravités spécifiques. En raison des forces gravitationnelles et de frottement, et du rétrécissement du plan de la rigole (pincement), une ségrégation se produit : les particules fines et lourdes migrent vers le bas du film d'écoulement, tandis que les particules grossières et légères remontent vers le haut. Au moyen d'une fente (prise de concentré) près de la fin de la rigole, les particules fines et lourdes sont séparées du flux de particules grossières et légères, qui passe au-dessus de la fente et se déverse à l'extrémité. Il existe deux types de rigoles pincées : (i) les plateaux, et (ii) le cône Reichert. Les principes de fonctionnement des plateaux et du cône Reichert sont montrés à la Fig. 2.

Fig. 2 : Principes de séparation dans les plateaux et le cône Reichert

Les plateaux sont entrés en service en premier et présentent plusieurs variantes. Ils comportent normalement plusieurs points d'alimentation par unité, avec plusieurs étages (par ex., brut/épurateur/charbonnage) dans chaque unité. Les avantages des plateaux incluent : (i) accessibles pour inspection visuelle, réglage et nettoyage, et (ii) densité d'alimentation élevée (63 % de solides) donc faible volume de pompage nécessaire. Les inconvénients incluent : (i) encombrants en raison de la grande surface requise, (ii) faible ratio d'enrichissement (typiquement 3:1), (iii) gravité spécifique de l'alimentation contrôlée nécessaire, (iv) faible récupération des fines, (v) l'alimentation nécessite un criblage, (vi) faible tolérance aux boues, (vii) plusieurs points d'alimentation et surfaces de séparation, et (viii) besoin d'eau de lavage pour le contrôle de la densité lors des étages d'épuration.

Les cônes Reichert sont essentiellement une version améliorée des plateaux. Ils sont en forme de cône avec un point d'alimentation central unique. Ils contiennent généralement plusieurs étages montés verticalement les uns au-dessus des autres. Les configurations les plus courantes sont : (i) 4DS (quatre étages double/simple), et (ii) 2DSS.DS (deux étages double/simple/simple plus un étage double/simple), le premier utilisé comme brut et le second comme épurateur. Les variables de processus sont : (i) débit d'alimentation (un débit accru réduit les performances au-dessus d'un optimum), (ii) densité d'alimentation (doit être maintenue entre 60 % et 63 % de solides, sinon la récupération ou la teneur en pâtit), et (iii) réglages des inserts (échelle de 1 à 9, avec une ouverture croissante, la récupération augmente mais la teneur diminue). Les avantages sont : (i) grande capacité pour la surface au sol, et (ii) densité d'alimentation élevée (63 % de solides) donc faible volume de pompage. Les inconvénients sont : (i) faible ratio d'enrichissement (typiquement 3:1), (ii) gravité spécifique de l'alimentation contrôlée nécessaire, (iii) faible récupération des fines, (iv) l'alimentation nécessite un criblage, (v) faible tolérance aux boues, (vi) surfaces de séparation inférieures des cônes non visibles ni facilement accessibles, et (vii) besoin d'eau de lavage pour le contrôle de la densité lors des étages d'épuration.

Spirales

Les concentrateurs à spirale sont utilisés dans le traitement de minerais composés de minéraux de gravités spécifiques différentes. Ils consistent en un équipement à séparation par film d'écoulement. C'est essentiellement une gouttière inclinée à section complexe enroulée autour d'une colonne centrale. Le principe repose sur la combinaison des forces gravitationnelles et centrifuges agissant sur des particules de gravités spécifiques différentes, provoquant la ségrégation des particules fines lourdes et des particules grossières légères (Fig. 3). Ces forces sont plus importantes que dans le cône et, couplées à une densité de pulpe normalement plus faible, produisent un ratio d'enrichissement supérieur à celui de la rigole pincée (typiquement 5:1) et une meilleure récupération des fines. Les spirales sont fabriquées avec des pentes de raideur variable, l'angle affectant la gravité spécifique de séparation, mais ayant peu d'effet sur la teneur et la récupération du concentré.

Une unité spirale est composée d'un canal profilé enroulé hélicoïdalement autour d'un poteau central créant une rigole en spirale. Les spirales couramment utilisées ont entre trois et sept tours, avec un diamètre variant entre 0,4 m et 1 m. Le fonctionnement général est un écoulement laminaire gravitationnel continu sur une surface inclinée. Le mélange d'alimentation est composé de minerai broyé mélangé à de l'eau, formant une pulpe qui est alimentée par gravité au sommet de la rigole. Sur son chemin vers le bas de la spirale, les particules plus denses migrent généralement vers l'intérieur tandis que les particules moins denses s'écoulent normalement vers la partie externe de la rigole. Le mécanisme de séparation implique des écoulements primaires et secondaires. L'écoulement principal est essentiellement la pulpe s'écoulant dans la rigole spiralée sous l'effet de la gravité. L'écoulement secondaire est radial à travers la rigole (Fig. 3). Cette description de l'écoulement est centrale dans la théorie de la séparation spiralée. Alors que le film de pulpe s'écoule dans la rigole, les particules denses se déposent plus rapidement et sont entraînées vers l'intérieur par la couche inférieure de l'écoulement secondaire, tandis que les particules moins denses restent au-dessus des matériaux denses et sont ensuite entraînées vers l'extérieur par la couche supérieure de l'écoulement secondaire. Ce mécanisme a lieu principalement dans les trois premiers tours de la spirale. Après cette séparation précoce, la majeure partie de l'eau se trouve vers le bord externe et une bande de matériau dense avec une teneur en solides jusqu'à 70 % se trouve près du poteau central, prête à être récupérée par un dispositif de récupération intermédiaire ou un séparateur à la fin de la rigole. La vitesse d'écoulement dépend de la conception et de l'exploitation de la rigole, avec des valeurs rapportées entre 0,1 m/s et 0,3 m/s radialement à travers la majeure partie de la rigole, avec un flux plus rapide vers le point le plus externe.

Les spirales nécessitent l'ajout d'eau en divers points le long de la spirale pour aider au lavage du minerai, c'est-à-dire pour évacuer les particules grossières et légères des particules fines et lourdes du minerai. La quantité d'eau de lavage et sa distribution le long de la rigole spiralée peuvent être ajustées pour répondre aux exigences d'exploitation. Le contrôle ponctuel minimise les besoins totaux en eau en la dirigeant efficacement dans la pulpe d'écoulement à l'angle le plus efficace. La granulométrie d'alimentation applicable se situe entre 0,3 mm et 1 mm. Les spirales fonctionnent normalement à une densité de pulpe de 25 % à 30 % de solides.

Fig. 3 : Principe de séparation dans une spirale

Tables à secousses

La table à secousses est un équipement de séparation par gravité utilisé depuis de nombreuses années. Peu de changements ont été apportés à la conception, bien que les tables multi-étages (jusqu'à trois niveaux) aient permis d'augmenter la capacité par rapport à la surface au sol. Les tables à secousses sont généralement utilisées uniquement en étapes d'épuration car leurs capacités sont habituellement faibles.

Le principe de séparation repose sur le mouvement des particules selon leurs gravités spécifiques et leurs tailles se déplaçant dans une pulpe (dans le cas de tables humides) sur une table inclinée, qui oscille d'avant en arrière essentiellement à angle droit par rapport à la pente, en conjonction avec des riffles (barres de retenue) qui retiennent les particules les plus proches du plateau. Ce mouvement et cette configuration font migrer les particules fines à haute gravité spécifique au plus près du plateau et les font entraîner par les riffles pour se déverser par le haut de la table, tandis que les particules grossières à faible gravité spécifique se déplacent ou restent plus près de la surface de la pulpe et passent par-dessus les riffles, se déversant par le bord le plus bas de la table (Fig. 4).

Fig. 4 : Principe de séparation dans les tables à secousses

Dans le cas des tables humides, il existe de nombreux types conçus pour traiter soit des alimentations grossières, soit fines. Les variables pour les tables humides sont : (i) angle du plateau (plus l'angle est raide, moins de poids va au concentré), (ii) longueur de la course (plus la course est longue, plus le mouvement latéral est important et donc plus de poids va au concentré jusqu'à un maximum), (iii) fréquence de la course (similaire à la longueur, plus elle est fréquente, plus le mouvement latéral augmente jusqu'à un maximum), (iv) positions des séparateurs (la position des séparateurs sur la rigole de concentré détermine le poids prélevé en concentré), (v) débit et densité d'alimentation (au-dessus d'un maximum de typiquement 2 t/h par table de taille normale et densité typiquement 40 % de solides, selon le type et la granulométrie de l'alimentation, la séparation diminue), (vi) eau de lavage (l'eau de lavage est ajoutée le long du haut de la table pour assister l'écoulement des solides, maintenir une faible densité de solides, prévenir les « zones sèches » et laver les boues vers les résidus), et (vii) hauteur des riffles (une faible hauteur de riffle est meilleure pour les alimentations fines et vice versa).

Dans le cas des tables à air, comme leur nom l'indique, l'alimentation et la séparation sont sèches, avec le lit de particules en mouvement fluidisé par de l'air à basse pression soufflé à travers un plateau en toile, ce qui, avec la pente du plateau, l'absence de riffles et le mouvement oscillatoire de la table, fait migrer les particules fines à faible gravité spécifique vers le haut du lit et les particules grossières à haute gravité spécifique au plus près du plateau, ces dernières se déversant par la partie la plus basse de la table.

Les tables à air pour le traitement des minéraux ont été développées à partir de l'industrie céréalière et sont généralement adaptées pour des utilisations spécifiques où la séparation gravimétrique sèche est préférée aux autres méthodes. Elles sont typiquement utilisées lors des étapes d'épuration d'un moulin sec. Les variables de la table à air incluent : (i) comme pour les tables humides (pente du plateau, longueur de course, fréquence de course, séparateurs), et (ii) débit d'air fluidifiant (un débit accru maintient la mobilité du lit jusqu'à un maximum). La table à air est avantageuse lorsque le processus précédent ou suivant est sec car elle élimine le besoin de séchage thermique supplémentaire.

Les avantages des tables à secousses incluent : (i) séparation hautement sélective, avec un ratio d'enrichissement élevé si utilisée correctement, et (ii) possibilité d'observer la séparation et d'effectuer des ajustements. Les inconvénients incluent : (i) faible capacité, (ii) grandes exigences de surface au sol, (iii) nécessité d'une attention fréquente de l'opérateur, de vérifications et de réglages, et (iv) l'alimentation nécessite un calibrage.

Séparateurs de particules fines

Le désir d'une plus grande utilisation des circuits gravimétriques et le besoin de récupérer des particules plus fines ont conduit au développement de dispositifs spécifiques pour récupérer des particules généralement trop fines pour être récupérées efficacement par des spirales, etc. Deux exemples sont le concentrateur Falcon et le séparateur multi-gravité Mozley (MGS) (Fig. 5).

Fig. 5 : Séparateurs de particules fines

Le concentrateur Falcon est essentiellement une combinaison d'une rigole et d'une centrifugeuse fonctionnant en continu. Il est capable de fonctionner à une vitesse de rotation élevée et donc la force de gravité permet de séparer des particules fines de gravités spécifiques différentes. La forme du bol rotatif est telle que lorsque la pulpe d'alimentation monte dans le bol, les particules plus lourdes réagissent plus que les particules plus légères aux forces agissant sur elles. Cela entraîne la migration des particules plus lourdes dans le flux de pulpe vers la surface en contact avec le bol, tandis que les particules plus légères ont tendance à se déplacer vers le haut de la pulpe avec l'eau. La séparation a alors lieu par l'élimination de la partie inférieure (gravité spécifique plus élevée) de la pulpe par une lèvre/fente de collecte, le flux à travers laquelle est régulé par un certain nombre d'orifices qui s'ouvrent et se ferment de manière contrôlée, éliminant le concentré du flux principal, qui se déverse en résidus.

Les variables du concentrateur Falcon incluent : (i) vitesse de rotation (une rotation accrue augmente la force de gravité et donc la force de séparation sur l'alimentation), (ii) fréquence d'impulsion des orifices de concentré (une fréquence accrue jusqu'à un maximum augmente la prise de poids), et (iii) débit et densité d'alimentation (un débit et une densité accrus au-dessus d'un certain maximum entravent la séparation). Les avantages du concentrateur sont : (i) capable de traiter des particules dans la gamme de 15 à 20 microns, (ii) construction mécanique relativement simple et robuste, (iii) capacité relativement élevée, et (iv) besoin relativement faible en attention de l'opérateur. Les inconvénients incluent : (i) ratio d'enrichissement normalement faible (typiquement 2:1), (ii) absence de visibilité des surfaces de séparation, et (iii) l'alimentation doit être criblée à une taille inférieure à l'ouverture des orifices de concentré pour éviter le colmatage.

Le MGS est un équipement pour la séparation de particules dans une gamme de tailles fines. Le MGS convient au traitement des fines avec une taille maximale de particule d'environ 0,5 mm. Le principe du MGS peut être visualisé en roulant la surface horizontale d'une table à secousses conventionnelle en un tambour et en le faisant tourner le long de l'axe horizontal. Cela provoque l'application d'une force gravitationnelle amplifiée, plusieurs fois supérieure à la normale, sur la particule minérale s'écoulant sur la surface. Cela améliore le traitement des particules fines par rapport aux séparateurs conventionnels comme la table à secousses.

Comme mentionné ci-dessus, le MGS combine le mouvement centrifuge d'un tambour incliné rotatif avec le mouvement oscillatoire d'une table à secousses, pour fournir une séparation gravimétrique améliorée, particulièrement adaptée aux particules fines. Le principe de la séparation dans le MGS repose sur les forces susmentionnées qui agissent sur les particules dans un flux de pulpe alimenté et réparti sur la surface intérieure du tambour. Avec l'aide de racleurs et d'eau de lavage, les particules à gravité spécifique plus élevée migrent vers le haut du tambour pour se déverser par la lèvre supérieure du tambour, tandis que les particules à gravité spécifique plus faible s'écoulent dans la direction opposée et se déversent par la lèvre inférieure du tambour.

Les variables incluent : (i) vitesse de rotation du tambour (une rotation accrue augmente la force centrifuge de gravité transmise aux particules, rendant plus difficile leur montée dans le tambour, résultant en une prise de poids plus faible et un concentré plus pur), (ii) longueur et fréquence de la course du tambour (une longueur et une fréquence accrues dans les limites tendent à augmenter les forces déplaçant les particules vers le haut du tambour, résultant en une prise de poids plus grande et une teneur en concentré plus faible), (iii) eau de lavage du tambour (augmente le lavage des particules de pulpe alors qu'elles tentent de monter dans le tambour, produisant un concentré plus pur), et (iv) angle d'inclinaison du tambour (une inclinaison accrue produit un concentré plus pur). Les avantages sont : (i) séparation très sélective avec des particules de taille fine (typiquement -75 microns à +10 microns), et (ii) ratios d'enrichissement élevés (typiquement 20:1). Les inconvénients sont : (i) faible capacité pour la surface et l'espace, bien que des équipements de plus grande capacité (et physiquement plus grands) soient désormais disponibles, (ii) mécaniquement assez complexe et coûteux, (iii) généralement fermés donc impossibilité de voir les surfaces de séparation, (iv) nécessite une attention raisonnable de l'opérateur, et (v) non adaptés au traitement de matériaux grossiers (l'alimentation doit être criblée).

Séparateurs gravimétriques/tamisés

Les deux exemples suivants de séparateurs, à savoir (i) l'hydrosizeur, et (ii) l'hydrocyclone, sont donnés. Leurs principes sont montrés à la Fig. 6. Ils représentent davantage des équipements de tamisage que des séparateurs gravimétriques. Cependant, en raison de leur nature, ils combinent également la gravité spécifique des particules avec leur taille dans leur séparation.

Fig. 6 : Principe d'un hydrosizeur et d'un hydrocyclone

L'hydrosizeur est un développement des classificateurs à colonne teeter qui utilise le principe de décantation des particules pour réaliser une séparation entre particules fines/légères et grossières/lourdes dans un environnement d'un écoulement d'eau ascendant dans une cuve généré par l'injection d'eau à travers un collecteur situé aux deux tiers de la hauteur de la cuve. Cela crée un débordement des premières et un sous-écoulement des secondes. Une particule d'un poids suffisant en raison de sa gravité spécifique et de sa taille se dépose plus rapidement dans un fluide qu'une particule de gravité spécifique et de taille inférieures. S'il y a un contre-courant ascendant de fluide, alors à un certain débit volumique, la vitesse du contre-courant dépasse la vitesse de décantation des particules plus légères/plus petites mais pas celle des particules plus lourdes/plus grossières et une séparation a lieu.

Les variables sont : (i) débit d'eau d'injection (l'augmentation du débit d'eau augmente le poids des particules et la gravité spécifique/taille des particules se rapportant au débordement), (ii) densité de la colonne (l'augmentation de la gravité spécifique de la pulpe contenue dans la colonne entre le collecteur d'eau d'injection et le déversoir de débordement augmente le poids vers le débordement), (iii) décharge de sous-écoulement (l'augmentation du débit volumique de décharge de sous-écoulement réduit la densité de solides de la colonne et tend à réduire l'écoulement ascendant, réduisant ainsi la gravité spécifique/taille des solides du débordement), et (iv) débit massique d'alimentation (un débit d'alimentation accru au-dessus d'un niveau optimal réduit la netteté de la séparation). Les avantages sont : (i) contrôle automatique précis de la séparation basé sur la mesure de la gravité spécifique de la tête de colonne dans une boucle de contrôle avec la vanne de sous-écoulement, (ii) possibilité d'observer les deux produits et d'effectuer facilement des ajustements au mécanisme de contrôle si nécessaire, (iii) pas de pièces mobiles, et (iv) peut être alimenté humide ou sec. Les inconvénients sont : (i) nécessite une pompe d'eau d'injection dédiée capable de fournir un approvisionnement propre, constant mais ajustable, (ii) besoin élevé en eau, (iii) volume élevé nécessaire pour une capacité donnée, et (iv) nécessite un débit d'alimentation stable.

Les hydrocyclones créent une séparation entre particules grossières/à haute gravité spécifique et fines/à faible gravité spécifique basée sur leur géométrie et le mouvement centrifuge de l'écoulement à l'intérieur agissant sur les particules en conséquence. Lorsque la pulpe est alimentée sous pression tangentiellement dans le corps en forme de tube d'un cyclone, la force centrifuge tend à projeter les particules plus lourdes vers l'extérieur de préférence aux plus légères. Les particules externes descendent ensuite le long du cône sous pression et sont forcées hors du bec de sous-écoulement, tandis que les particules plus légères (et l'eau) à l'intérieur du vortex remontent dans le tube de vortex et se déversent en débordement.

Les variables sont : (i) pression d'alimentation (c'est la force motrice derrière la séparation, telle que plus la pression est grande, plus la séparation de taille fine est obtenue), (ii) diamètre du tube de vortex (plus le diamètre est grand, plus le débordement est important et plus la pression est faible, donc la séparation est plus grossière), (iii) diamètre du bec (de même, plus le diamètre est grand, plus le débit est important donc le sous-écoulement est plus fin ou plus humide), des becs variables peuvent être utilisés, (iv) siphonage (si le débordement se déverse plus bas par rapport au sous-écoulement, un effet de siphon se produit causant une augmentation des solides et du débit vers le débordement, ce qui est surmonté en introduisant une rupture de vide), (v) densité d'alimentation (si la densité est trop élevée : typiquement au-dessus de 35 % de solides, la séparation est affectée), (vi) angle et longueur de la section conique (une longueur accrue et un angle plus faible réduisent la taille de coupe), et (vii) diamètre du corps (plus le diamètre est grand, plus la capacité est grande, plus la pression est faible et plus la taille de coupe est grossière). Les avantages sont : (i) grande capacité pour le volume et la surface au sol requis, (ii) pas de pièces mobiles, et (iii) attention limitée de l'opérateur. Les inconvénients sont : (i) pas facilement ajustables pour des exigences d'alimentation et de produit changeantes, et (ii) doivent être alimentés sous pression et à un débit stable.