Séparation magnétique et enrichissement du minerai de fer : techniques avancées pour une concentration efficace

Séparation magnétique et enrichissement du minerai de fer

La séparation magnétique est une technique ancienne pour la concentration des minerais de fer et l'élimination du fer parasite. Depuis 1849, un certain nombre de brevets sur la séparation magnétique ont été délivrés aux États-Unis, et les textes de certains brevets antérieurs à 1910 décrivent une variété de séparateurs magnétiques pour le traitement des minéraux.

Les méthodes de séparation magnétique exploitent la différence de propriétés magnétiques pour séparer le minerai de fer des matériaux de gangue non magnétiques associés. La séparation magnétique peut être réalisée soit dans un environnement sec, soit humide, bien que les systèmes humides soient plus couramment utilisés.

La séparation magnétique est une séparation physique de particules discrètes basée sur la compétition à trois entre : (i) forces magnétiques attractives, (ii) forces gravitationnelles, de traînée hydrodynamique, de frottement ou d'inertie, et (iii) forces inter-particulaires attractives ou répulsives. Ces forces s'additionnent pour agir différemment sur des particules de propriétés magnétiques différentes dans le matériau d'alimentation. La Fig. 1 montre le principe de la séparation magnétique.

Fig. 1 : Principe de la séparation magnétique

Les forces dans les séparateurs magnétiques qui entrent en compétition avec les forces magnétiques et agissent sur toutes les particules traversant le séparateur sont celles de la gravité, de la traînée hydrodynamique, du frottement et de l'inertie. Selon le type de séparateur magnétique, certaines de ces forces peuvent avoir une importance plus ou moins grande.

La force gravitationnelle est significative pour les grosses particules tandis que la force de traînée hydrodynamique est significative pour les petites particules. Ainsi, dans le séparateur magnétique traitant de grosses particules sous forme sèche, le matériau d'alimentation passe à travers la force de gravité. Les forces magnétiques doivent être suffisantes pour maintenir la particule magnétique contre la force de gravité concurrente. Dans un séparateur humide pour petites particules, la force magnétique doit être supérieure à la force de traînée hydrodynamique appliquée par le flux de pulpe sur les particules piégées.

Compétition des forces et efficacité de séparation

La compétition entre la force magnétique et les forces concurrentes dans un séparateur magnétique détermine la probabilité qu'une particule magnétique soit piégée ou récupérée. La force inter-particulaire, celle entre particules magnétiques et non magnétiques, détermine la concentration des produits de la séparation magnétique. Si la force entre les particules est supérieure aux forces magnétiques et concurrentes, alors de nombreuses particules non magnétiques risquent d'être piégées avec les particules magnétiques. Inversement, de nombreuses particules magnétiques peuvent être entraînées avec les particules non magnétiques et ne pas être piégées.

Pour obtenir une récupération élevée des particules magnétiques, la force de séparation magnétique doit être supérieure à la somme des forces concurrentes. Si cependant la force magnétique est bien supérieure à la force concurrente, la sélectivité de la séparation est médiocre, car aucune distinction n'est faite entre les différentes particules magnétisables. La sélectivité du processus doit être déterminée de manière critique par les valeurs relatives des forces magnétiques et concurrentes qui sont affectées par un choix correct du séparateur lui-même et de ses paramètres d'exploitation.

Les forces magnétiques, concurrentes et inter-particules opérantes déterminent la performance du séparateur. Ces forces dépendent à la fois de la nature de l'alimentation à séparer ainsi que des caractéristiques du séparateur magnétique. La nature de l'alimentation inclut sa taille et ses propriétés physiques qui peuvent affecter les diverses forces impliquées. Les caractéristiques du séparateur magnétique incluent la conception et ses paramètres variables, particulièrement le champ magnétique et le débit de processus. Il existe une relation générale entre ces paramètres. De plus, la force magnétique dans un séparateur peut être maximisée en adaptant le gradient de champ magnétique à la taille des particules.

Le séparateur magnétique divise le matériau d'alimentation de minerai de fer en deux ou plusieurs composants. Si le but est de produire un minerai de fer concentré magnétique, l'autre composant non magnétique est les résidus. Dans certains cas, il peut y avoir la possibilité de séparer un troisième composant moins magnétique appelé « middlings ». Chacun de ces flux de matériaux doit être transporté vers, à travers le séparateur, ou hors du séparateur.

Les forces magnétiques et concurrentes (gravitationnelles, de frottement, de traînée hydrodynamique ou d'inertie) tendent à séparer les particules tandis que les forces inter-particules attractives tendent à réduire le degré de séparation. Dans toute situation réelle de séparation, des particules magnétiques et non magnétiques sont normalement trouvées dans les résidus ou les middlings, et seulement dans le cas limite la séparation magnétique complète est possible. L'efficacité de la séparation magnétique est habituellement exprimée à la fois par la récupération (le rapport du matériau magnétique dans le minerai concentré par rapport à celui dans le matériau d'alimentation), et la teneur (la fraction de matériau magnétique dans le minerai concentré). Ce sont les deux mesures indépendantes normalement utilisées pour l'efficacité du séparateur magnétique. Ces mesures dépendent de la magnitude relative des forces attractives magnétiques, gravitationnelles, de traînée hydrodynamique, de frottement ou d'inertie, et des forces inter-particules attractives ou répulsives.

Dans la séparation magnétique, bien que les conditions de séparation efficace soient clairement définies, il y a une complication puisque l'importance relative des forces est déterminée principalement par la taille des particules. Cela est principalement dû au fait que les forces concurrentes dépendent de la taille des particules. Dans la séparation magnétique sèche, la force de traînée a généralement un effet négligeable sur la taille des particules et donc, en règle générale, n'affecte pas considérablement l'efficacité de la séparation. Au contraire, la taille des particules a une dépendance significative sur la force magnétique et la force gravitationnelle lors de la séparation magnétique sèche. D'autre part, dans la séparation humide où la force de traînée hydrodynamique peut être importante, la sélectivité de la séparation est considérablement influencée par la distribution de la taille des particules. Avec la diminution de la taille des particules, l'importance relative de la traînée hydrodynamique augmente par rapport à la force magnétique.

Dans la conception d'un séparateur magnétique, il est nécessaire qu'en plus d'un champ, un gradient dans l'intensité du champ soit également fourni pour améliorer le mouvement des particules dans les directions désirées. Dans un champ de flux magnétique uniforme, les particules magnétiques convergent au flux et s'orientent de sorte qu'il y a une concentration dans son corps mais elle ne bouge pas. D'autre part, en produisant un champ convergent, il y a une traction résultante sur les particules vers la zone de flux plus élevé.

Le champ magnétique et le gradient de champ qui agissent sur les particules dans tous les séparateurs magnétiques peuvent être produits de diverses manières et résultent en des géométries et des intensités de champ très variables. Dans certains cas, des aimants permanents produisent les champs directement tandis que dans d'autres cas, des bobines et des circuits magnétiques en fer sont utilisés pour magnétiser une structure ferromagnétique dont les gradients de champ attirent les particules magnétiques.

Il existe différents types de séparateurs magnétiques conçus pour permettre le champ magnétique requis en fonction des minerais à enrichir ainsi que d'autres critères. Les séparateurs magnétiques sont globalement classés en deux groupes : (i) basse intensité, et (ii) haute intensité. Les deux groupes peuvent être de type opération humide ou sec. Certains types de séparateurs magnétiques couramment utilisés sont : (i) séparation magnétique basse intensité humide et sèche (LIMS), (ii) séparation magnétique à haut gradient (HGMS), (iii) séparation magnétique haute intensité humide (WHIMS), (iv) séparateurs à rouleaux pour le traitement de minerais faiblement magnétiques, et (v) séparation magnétique par rouleau à induction (IRMS) pour la concentration de minerais secs. Le champ magnétique est généralement généré de plusieurs façons telles que : (i) aimant permanent, (ii) électroaimant avec circuit en fer, (iii) solénoïde et (iv) aimant supraconducteur.

Les opérations de séparation magnétique sont souvent classées comme basse ou haute intensité. Les séparateurs à basse intensité utilisent des champs magnétiques allant de 0,1 Tesla à 0,3 Tesla. Les techniques à basse intensité sont normalement utilisées sur le minerai de magnétite comme méthode de séparation peu coûteuse et efficace. Les séparateurs à haute intensité emploient des champs aussi forts que 1 Tesla à 2 Tesla. Cette méthode est utilisée pour séparer les minerais de fer faiblement magnétiques tels que l'hématite, des matériaux de gangue non magnétiques ou moins magnétiques. D'autres facteurs importants pour déterminer quel type de système de séparateur magnétique doit être utilisé incluent la taille des particules et la teneur en solides de la pulpe d'alimentation de minerai.

Les séparateurs magnétiques sont généralement regroupés en séparateurs magnétiques secs/humides à basse intensité, secs/humides à haute intensité, et séparateurs magnétiques à haut gradient. Les regroupements basés sur l'intensité du champ magnétique sont montrés à la Fig. 2. En outre, il existe quelques séparateurs, qui relèvent également du groupe haute intensité sèche, tels que le séparateur magnétique à rouleau permanent, le séparateur isodynamique, le séparateur à gradient ouvert, le séparateur/filtre magnétique à haut gradient vibrant, et le séparateur magnétique à haut gradient supraconducteur. Les séparateurs magnétiques secs à haute intensité ont une intensité de champ magnétique plus élevée transmise soit par un aimant permanent, soit par un champ magnétique induit pour séparer les particules en fonction de leur susceptibilité magnétique.

Fig. 2 : Regroupements des séparateurs magnétiques basés sur les intensités de champ magnétique

Types de séparateurs magnétiques

Bien qu'il existe plusieurs regroupements de séparateurs magnétiques, le principe de séparation par deux types de séparateurs (tambour et haute intensité) est décrit ici. Le séparateur à tambour est représentatif du séparateur magnétique à gradient conventionnel faible. Dans un tel séparateur (Fig. 3), le matériau d'alimentation sec est introduit au sommet d'un tambour rotatif. Les particules de minerai sont entraînées vers le bas le long du tambour par l'action combinée des forces gravitationnelles et de frottement qui transmettent la rotation du tambour aux particules. Les forces magnétiques produites par les aimants stationnaires à l'intérieur du tambour maintiennent les particules plus magnétiques contre le tambour rotatif. Ces particules sont déposées à droite lorsque le tambour passe la fin des aimants. Les particules non magnétiques tombent librement du tambour vers la gauche. Un tel séparateur peut utiliser soit des aimants permanents, soit des électroaimants. Des séparateurs magnétiques similaires sont largement utilisés pour l'enrichissement des minerais de fer portant de la magnétite.

Fig. 3 : Exemple de deux types de séparateurs magnétiques

La Fig. 3 montre également la représentation schématique du séparateur magnétique à haute intensité. Dans ce séparateur magnétique à haut gradient, un aimant conçu pour produire un champ fort et ajustable dans le volume du conteneur est utilisé. Ce volume est rempli d'une matrice de matériau ferromagnétique filamenteux. De fortes forces magnétiques produites par les forts gradients de champ aux bords des filaments sont efficaces pour piéger des particules très fines (moins de 100 microns) de substances même faiblement magnétiques. Ces filaments sont choisis pour correspondre à la taille des particules d'alimentation afin d'optimiser les forces magnétiques. L'alimentation de minerai de fer, en fluide (généralement de l'eau) sous forme de pulpe, est passée vers le bas à travers le conteneur. Le fluide et les particules non magnétiques passent facilement à travers la structure relativement ouverte de la matrice. Les particules magnétiques piégées sont facilement lavées lorsque le champ appliqué est réduit à zéro. Les séparateurs magnétiques de ce type sont utiles pour la concentration ou l'élimination de particules magnétiques fines lors du traitement du minerai de fer pour l'alimentation en boulettes.

Les séparateurs magnétiques font partie intégrante des systèmes d'enrichissement de minerai de fer de faible teneur. La torréfaction des minerais de fer de faible teneur pour augmenter leur magnétisation (conversion de l'hématite en magnétite) étend l'applicabilité des séparateurs magnétiques conventionnels. Les séparateurs magnétiques sont également utilisés dans certaines applications de recyclage du fer.

Séparateurs à tambour

Les séparateurs à tambour de nombreux types sont peut-être le type de séparateur magnétique le plus couramment utilisé. Ces types incluent les séparateurs à poulie, à tambour sec, à tambour humide, et les séparateurs à rouleaux à induction de type concurrent, contre-rotatif et contre-courant.

Les séparateurs à tambour sec, à rouleau à induction et à poulie fonctionnent de manière similaire au séparateur montré à la Fig. 3 et décrit précédemment dans l'article. L'alimentation sèche est projetée d'un côté ou de l'autre du tambour ou de la poulie selon la magnitude relative des forces magnétiques, centrifuges ou gravitationnelles agissant sur la particule. Avec ces types de séparateurs, il est possible de récupérer une fraction de middlings. Les particules de middlings sont moins attirées par la force magnétique que les particules de concentré et sont donc faites pour tomber dans un bac entre les bacs de concentré et de résidus. Ces middlings consistent généralement en des particules partiellement libérées contenant à la fois des composants magnétiques et non magnétiques. Puisque le broyage des minerais est coûteux, il est fréquemment économiquement attractif de traiter le minerai initialement avec un séparateur à tambour sec et de rebroyer la fraction de middlings avant de la retraiter magnétiquement.

Les séparateurs à tambour sec sont utilisés pour traiter des particules aussi petites que 100 microns. La performance de ces séparateurs dans la production de concentrés est fortement affectée par la teneur en humidité du minerai d'alimentation. Si la teneur en humidité est élevée, les petites particules peuvent coller aux plus grosses, résultant en une séparation moins complète. Puisque le tambour non magnétique de la Fig. 1 tourne devant les pôles stationnaires des aimants à l'intérieur du tambour, on peut voir qu'une particule magnétique subit une force de magnitude variable alors qu'elle roule sur la surface du tambour. Cette variation de l'intensité de la force magnétique peut produire un mouvement de culbutage des particules piégées qui aide à leur séparation des particules non magnétiques indésirables. L'inversion du champ magnétique entre les pôles magnétiques entraîne également une rotation des particules avec des moments résiduels. Le mouvement spécifique de la particule dépend fortement de la taille des particules.

Il existe trois types principaux de séparateurs à tambour humide (Fig. 4). Ce sont : (i) concurrent, (ii) contre-rotatif, et (iii) contre-courant. Les aimants dans les tambours sont comme ceux montrés à la Fig. 3 et couvrent approximativement le même arc que les flèches indiquant la rotation. Dans le séparateur magnétique à tambour concurrent, la pulpe d'alimentation passe à travers la rigole dans la même direction que la rotation du tambour. Les particules magnétiques sont attirées vers la surface rotative du tambour non magnétique par les aimants stationnaires à l'intérieur du tambour. Les particules non magnétiques coulent au point le plus bas de la rigole et sont évacuées comme résidus. Le concentré magnétique est entraîné par le tambour rotatif par-dessus le déversoir vers la droite. Ce type de séparateur produit un concentré de haute teneur pour des particules de l'ordre de quelques millimètres de diamètre. La séparation est relativement propre puisque les particules magnétiques sont affectées par les forces magnétiques et de traînée hydrodynamique concurrentes tout le long de la périphérie du tambour. Ce nettoyage se produit même si la variation de force due aux pôles alternés à l'intérieur du tambour ne produit pas le même degré de mouvement des particules sur le tambour que dans le séparateur sec où les forces visqueuses de la pulpe ne sont pas présentes. Puisque le séparateur à cuve concurrente produit souvent des résidus dans lesquels une quantité relativement importante de matériau magnétique reste, les résidus sont souvent retraités dans un séparateur à tambour contre-rotatif.

Le séparateur contre-rotatif est montré à la Fig. 4. L'alimentation passe à travers la rigole dans le sens opposé à la rotation du tambour. Les particules magnétiques sont ramassées sur la surface du tambour et entraînées vers le haut à gauche. Ce séparateur produit une récupération élevée mais généralement un concentré de faible teneur puisque la plupart des particules magnétiques sont piégées dans une courte section du tambour et il y a peu d'opportunité pour le matériau des particules piégées de libérer les particules non magnétiques entraînées. La récupération élevée résulte également de l'opportunité pour les particules d'être ramassées plus en aval par le tambour et ramenées comme concentré. Un tel séparateur traite normalement des particules jusqu'à 100 microns. En raison de sa capacité à ramasser des particules magnétiques non immédiatement entraînées, ce séparateur a une capacité plus grande que le type concurrent.

Le troisième type de séparateur magnétique à tambour humide, le tambour contre-courant, est souvent utilisé comme séparateur de finition car il produit un concentré extrêmement pur avec une bonne récupération pour des particules jusqu'à environ 70 microns. Ce séparateur conserve certaines caractéristiques des types concurrent et contre-rotatif. Ce séparateur est montré à la Fig. 4 comme un séparateur tandem à 3 tambours. Dans ce séparateur, l'alimentation est introduite vers le milieu de la section magnétique du tambour. L'écoulement de la pulpe d'alimentation est opposé à la direction de la rotation du tambour tandis que les particules entraînées se déplacent dans la même direction. Ces particules entraînées sont lavées par de l'eau introduite du côté gauche de la cuve. Le concentré nettoyé est débordé vers la gauche.

Une caractéristique commune à tous les séparateurs à tambour humide est le débordement de la pulpe de concentré à la fin de la cuve. Cela est souhaitable pour empêcher les particules magnétiques d'être attirées à travers l'interface air-eau et la perte résultante de particules magnétiques. Dans certains séparateurs où un concentré déshydraté est souhaité, les particules magnétiques sont tirées au-dessus de la surface de la pulpe et raclées du tambour. Dans ces cas, la pulpe doit être recyclée pour récupérer les particules magnétiques perdues.

La force concurrente majeure dans un séparateur à tambour humide est cependant la force de traînée hydrodynamique. Cela résulte de la vitesse relative de la pulpe ou de l'eau de lavage qui passe devant une particule entraînée. Dans le séparateur concurrent, cette vitesse est autour de la vitesse périphérique tandis que dans le séparateur contre-rotatif, ces vitesses s'additionnent. En général, les vitesses périphériques du tambour sont considérablement plus élevées que les vitesses de la pulpe. En plus de son effet sur la vitesse de traînée relative, la vitesse du tambour affecte également la capacité d'un séparateur à tambour. Une vitesse plus lente entraîne une capacité réduite tandis qu'une vitesse plus élevée diminue la récupération en raison de vitesses de traînée plus élevées et entraîne une usure plus grande de la surface du tambour.

Certains séparateurs magnétiques sont appelés séparateurs à haute intensité. Cela désigne généralement des séparateurs de conception conventionnelle employant des aimants de force supérieure à l'habituel. Ils développent des champs magnétiques à haute intensité et sont capables d'éliminer des particules qui ne répondent pas au séparateur magnétique à basse intensité.

Fig. 4 : Types de séparateurs magnétiques à tambour

Séparateurs à haut gradient

Plusieurs types de séparateurs magnétiques à haut gradient ont été développés sur la base du fait que des gradients de champ magnétique élevés peuvent produire de grandes forces magnétiques. Ces séparateurs sont également appelés séparateurs « à pôles induits » car les gradients de champ sont produits en appliquant un champ magnétique de fond relativement uniforme à une structure ferromagnétique (grilles, écrans, plaques rainurées ou laine d'acier) et en induisant des pôles magnétiques le long de bords correctement orientés. Puisque de grands gradients de champ magnétique ne peuvent généralement exister que dans de petits volumes, ces séparateurs sont conçus pour la séparation de petites particules magnétiques. Produire des gradients élevés et de grandes forces magnétiques sur une surface suffisamment grande pour piéger un nombre pratique de particules est un défi majeur. Des aiguilles avec leurs axes parallèles au champ appliqué produisent des gradients élevés dans des champs relativement faibles mais la surface de piégeage disponible est très limitée. Par contre, des filaments magnétisés perpendiculairement à leur grand axe ont un facteur démaimantant important, mais une surface bien plus grande.