Optimisation du minerai de fer de faible teneur : techniques de jigging pour un enrichissement efficace

Enrichissement du minerai de fer de faible teneur et processus de jigging

Les ressources en minerai de fer sont consommées à un rythme accéléré en raison de la croissance de la production de fer et d'acier. Pour cette raison, la disponibilité du minerai de fer de haute teneur diminue et l'approvisionnement en minerai de fer de haute teneur pour les usines de fer et d'acier décline fortement. Ainsi, le scénario évolue régulièrement vers l'utilisation de minerais de fer de faible teneur et de boues stockées sur les sites miniers depuis des années. Ces boues déversées entrent en fait dans la catégorie des minerais de fer de faible teneur. De plus, certains minerais de fer ont une composition minéralogique complexe et ne répondent pas aux techniques d'enrichissement conventionnelles. Les processus d'enrichissement modernes permettent une mise à niveau efficace et à faible coût des morceaux, fines et ultra-fines de tels minerais. Puisque les minerais de fer consistent en plusieurs compositions, minéralogies, formes et tailles, il n'existe pas d'approche « taille unique » pour l'enrichissement du minerai de fer.

La plupart des minerais de fer « run-of-mine » (ROM) contiennent un grand pourcentage d'autres matériaux qui doivent être éliminés par le processus d'enrichissement avant que le minerai n'atteigne les spécifications nécessaires pour son utilisation. L'étendue des techniques d'enrichissement employées dépend du niveau et de la nature des diluants et de la forme de distribution de la gangue et des impuretés dans la structure du minerai. La libération du minerai est une étape essentielle pour le rendre réactif aux techniques d'enrichissement. Pour la sélection des techniques appropriées, il est nécessaire de réaliser d'abord l'évaluation minéralogique du minerai afin d'obtenir un aperçu du minerai et de connaître l'association de la gangue, la granulométrie, etc.

Il existe plusieurs problèmes liés à la catégorisation et à l'enrichissement des minerais de fer de faible teneur. La principale difficulté dans le traitement et l'utilisation des minerais de fer de faible teneur est principalement due à leurs caractéristiques minéralogiques, à la nature tendre de certains minerais, et à leur teneur élevée en silice ou en alumine ou les deux. D'autres problèmes associés aux minerais de fer de faible teneur peuvent être une libération médiocre et une teneur plus élevée en minéraux hydroxylés tels que la goethite et la limonite avec un pourcentage élevé de perte au feu (LOI). Dans le cas de minerais de fer associés à une libération médiocre, le minerai nécessite un broyage fin pour obtenir un degré de libération adéquat du minéral de fer désiré et des constituants de la gangue.

Le choix du traitement d'enrichissement dépend de la nature de la gangue présente et de son association avec la structure du minerai. Plusieurs méthodes/techniques telles que le jigging, le lavage, la séparation magnétique, la séparation par gravité, et la flottation, etc. sont utilisées pour augmenter le pourcentage de fer dans le minerai de fer et réduire sa teneur en gangue. Ces techniques sont utilisées en diverses combinaisons pour l'enrichissement des minerais de fer.

Principes de concentration gravimétrique

Le minerai de fer est normalement enrichi en utilisant les principes appliqués dans la séparation des matériaux par la gravité, la flottation, et les méthodes magnétiques. L'enrichissement des minerais en utilisant la méthode de concentration par gravité est l'une des techniques les plus anciennes et les plus économiques. Bien que par la suite d'autres techniques comme la flottation et la séparation magnétique, etc. soient également utilisées pour l'enrichissement des minerais, elles n'ont que partiellement remplacé la technique de concentration par gravité et ne l'ont pas rendue obsolète. Les processus basés sur la technique de séparation par gravité sont largement utilisés dans l'enrichissement du minerai de fer en raison de leur faible coût, de leur facilité d'exploitation et de leur nature respectueuse de l'environnement. Les techniques de concentration par gravité sont basées sur les vitesses de décantation différentielles des différentes particules constituant le minerai. La vitesse de décantation des particules est régie conjointement par le poids (volume et densité), la flottabilité, et les forces de traînée. Les techniques de gravité les plus couramment utilisées pour l'enrichissement des minerais de fer sont les tables à secousses, les jigs, et les spirales. Les plages de fonctionnement typiques des méthodes de concentration par gravité sont donnés à la Fig. 1.

Fig. 1 : Plages de fonctionnement typiques des méthodes de concentration par gravité

Dans certains endroits, la torréfaction de réduction du minerai d'hématite de faible teneur est effectuée pour le convertir en minerai magnétique avant l'application de la méthode de séparation magnétique pour l'enrichissement du minerai. Une autre méthode qui peut être employée est l'utilisation d'un milieu dense dans un lit fluidisé gaz-solide pour l'enrichissement du minerai de fer. Le milieu dense sélectionné et la pression de gaz pour la fluidisation dépendent des caractéristiques du minerai de fer nécessitant un enrichissement.

Tout traitement d'enrichissement efficace nécessite comme première étape un concassage, broyage et criblage efficaces du minerai. C'est une étape essentielle pour la libération des particules enrichies en fer. Pour cela, des technologies de concassage, broyage et criblage appropriées doivent être employées. Le but du broyage et du rebroyage est de réduire le minerai à une taille suffisamment petite pour libérer et récupérer les minéraux précieux. Le système de concassage, broyage et criblage pour l'enrichissement du minerai de fer doit être conçu en tenant compte des exigences des processus d'enrichissement en aval. Les unités de concassage peuvent inclure des unités de concassage primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. Des concasseurs à mâchoires, giratoires, à cône et à rouleaux sont utilisés pour le concassage du minerai. Les circuits de broyage semi-autogène et autogène sont généralement utilisés pour le broyage du minerai. Les broyeurs à barres et à boulets sont tous deux utilisés à cet effet. Les investissements en capital et les coûts d'exploitation des équipements de broyage sont élevés. L'économie joue donc un rôle majeur dans la planification du degré de concassage et de broyage effectué pour préparer le minerai à son enrichissement. D'autres facteurs considérés pour déterminer le degré de concassage et de broyage incluent la concentration en valeur du minerai, sa minéralogie, sa dureté et sa teneur en humidité. Le broyage en circuit fermé minimise le surbroyage des minerais très friables. Plus la charge de recirculation est élevée, moins il y a de surbroyage des particules.

Processus de jigging

Le processus de jigging est un processus de concentration de minerai réalisé dans tout fluide dont l'efficacité dépend des différences de densité des particules minérales granulaires. Il consiste en la séparation des particules en couches de gravités spécifiques différentes suivie de l'élimination des couches séparées. La concentration par le processus de jigging diffère des autres types de processus de concentration par gravité tels que la séparation par milieu lourd, où la séparation est faite directement. La stratification des particules du lit dans le processus de concentration par jigging est réalisée progressivement, et la séparation en produits est réalisée après un certain temps.

Le processus de jigging est l'une des méthodes de séparation par gravité dans laquelle les particules sont normalement de taille similaire, souvent concassées et criblées avant d'être alimentées sur le lit du jig. Bien qu'il existe de nombreuses variations dans la conception des jigs, les principes de base restent les mêmes. Le processus de jigging utilise l'eau comme milieu de séparation et peut être appliqué aux minéraux, minerais, scories ainsi qu'à tout autre matériau qui a une différence de densité entre le composant désiré et le composant non désiré. Il est hautement efficace dans les cas où la différence de densité de coupe est supérieure à 4,0 grammes par centimètre cube (g/cm³).

Le jigging est le processus de tri de différents matériaux dans le minerai dans un fluide par stratification, basé sur le mouvement d'un lit de particules, qui sont intermittemment fluidifiées par la pulsation du fluide dans un plan vertical. La stratification amène les particules à s'organiser en couches avec une densité croissante du haut vers le bas. Cette disposition des particules est développée par plusieurs forces continuellement variables agissant sur les particules, et est plus liée à la densité des particules que la plupart des autres méthodes de concentration par gravité.

Le jigging des minerais de fer pour leur enrichissement est pratiqué depuis plusieurs décennies. Les raisons pour choisir le jigging pour l'enrichissement du minerai de fer par rapport à d'autres processus incluent : (i) séparation relativement facile, (ii) compromis avantageux entre coût d'exploitation et rendement réduit par rapport aux processus à milieu dense, (iii) capacité de traiter des minerais nécessitant des densités de coupe supérieures à une densité de 4,0, et (iv) caractéristiques physiques du minerai qui rendent la séparation par milieu lourd inadaptée (par ex. perte de milieu inacceptable dans les pores macroscopiques). L'utilisation de jigs à pulsation d'air pour l'enrichissement des minerais de fer est assez populaire. Cela est dû au fait que les jigs à pulsation d'air sont capables de générer les grandes amplitudes de pulsation nécessaires pour fluidifier un lit profond de minerai lourd, particulièrement le minerai de fer en morceaux.

Dans le processus de jigging, les particules sont introduites dans le lit du jig (généralement un crible) où elles sont projetées vers le haut par une colonne d'eau pulsante ou un corps d'eau, résultant en la suspension des particules dans l'eau. Au fur et à mesure que la pulsation se dissipe, le niveau d'eau revient à sa position de départ inférieure et les particules se déposent à nouveau sur le lit du jig. Alors que les particules sont exposées à l'énergie gravitationnelle tout en étant en suspension dans l'eau, celles avec une densité plus élevée se déposent plus rapidement que celles avec une densité plus faible, résultant en une concentration de matériau à densité plus élevée au fond, sur le lit du jig. Les particules sont maintenant concentrées selon la densité et peuvent être extraites du lit du jig séparément. Dans le cas de l'enrichissement du minerai de fer, le matériau plus dense est le minerai enrichi désiré et le reste doit être rejeté comme flottants (ou résidus). Le principe du processus de jigging est montré à la Fig. 2.

Fig. 2 : Principe du processus de jigging

Bien que les jigs soient simples en opération, le processus de jigging dans son ensemble est plutôt complexe et fortement influencé par plusieurs facteurs interreliés (variables ou paramètres en interaction). Ces facteurs sont directement associés à un ou plusieurs des sous-processus dans lesquels le processus de jigging peut être divisé. Les sous-processus principaux sont le jig lui-même et l'unité d'entraînement fournissant un motif de course prédéfini, ainsi que l'alimentation, la distribution d'alimentation, l'évacuation du matériau stratifié, et le mécanisme de convoyage depuis le jig. Beaucoup de facteurs de jigging sont intrinsèquement contrôlables (variables manipulées), mais certains facteurs incontrôlables (variables de perturbation) associés au minerai à traiter jouent également un rôle important dans le processus de séparation. Ce sont quelques-unes des raisons de base qui affectent la performance du jig. Le lit du jig est normalement divisé en deux zones. La zone de concentré consiste en les couches du fond, où la teneur en minerai lourd doit être supérieure à 95 %. Cette limite représente une certaine qualité de concentré.

Il y a deux paramètres majeurs du jig qui affectent la performance des jigs. Ces paramètres sont : (i) la forme de la pulsation, et (ii) la période de temps pendant laquelle le minerai est pulsé. « Forme de la pulsation » est un terme large utilisé pour décrire plusieurs choses. Certaines de ces choses sont : (i) amplitude de la pulsation, (ii) fréquence de la pulsation, et (iii) netteté de la pulsation qui fait généralement référence à l'accélération de la colonne d'eau au début de la pulsation ou sa déviation par rapport à une forme sinusoïdale. « Période de temps » fait référence au temps de résidence du minerai dans le lit du jig. Avec la forme de pulsation correctement réglée pour un taux de stratification optimal, il est encore nécessaire de fournir suffisamment de temps de résidence (dépend de la largeur, profondeur, longueur du jig) pour s'assurer que le matériau difficile (fin et proche de la gravité) a le temps de migrer vers la couche attendue dans le lit.

Il a été constaté que le changement de la forme de la pulsation affecte le taux de séparation et la qualité de la séparation. Habituellement, le taux et les changements de qualité fonctionnent l'un contre l'autre et une conception de jig réussie utilise une forme de pulsation qui donne une séparation acceptable dans un temps de résidence économiquement réalisable. Donc, un défi lors de la conception d'un jig est de sélectionner en toute confiance une technologie de jig correctement dimensionnée et offrant la forme de pulsation adéquate pour assurer une performance et une flexibilité maximales.

Pour l'enrichissement du minerai de fer, l'utilisation de jigs à pulsation d'air est plus populaire. C'est parce que les jigs à pulsation d'air sont capables de générer les grandes amplitudes de pulsation nécessaires pour fluidifier un lit profond de minerai lourd, particulièrement le minerai de fer en morceaux. Le principe fondamental du jigging à pulsation d'air est l'injection d'air à basse pression (moins de 1 atmosphère) dans une chambre à base ouverte, pour accélérer la colonne d'eau à travers le lit de matériau étant jiggé. Il y a deux façons dont ce principe est mis en œuvre. Soit la poche d'air court à travers la largeur du jig sous le pont de criblage, soit elle est située sur un côté du lit du jig. La première mise en œuvre est connue sous le nom de jig « à pulsation sous le lit » et la seconde comme jig « à pulsation latérale ». L'utilisation de l'air au lieu d'un système mécanique est due au fait qu'en cas de système mécanique, la puissance instantanée nécessaire pour accélérer la colonne d'eau jusqu'à la vitesse requise est très élevée sur une courte période. Un ventilateur fournissant de l'air à un récepteur fonctionne en continu à une consommation d'énergie moyenne raisonnable. Le ventilateur est utilisé pour l'alimentation en air au lieu d'un compresseur ou d'un groupe hydraulique car pour une exigence de puissance donnée, un ventilateur est plus facile à entretenir qu'un compresseur ou un groupe hydraulique.

Le jig à pulsation d'air a une construction qui consiste en un pont de criblage pour supporter le lit du jig et permettre à la pulsation d'eau générée dans les chambres d'air de soulever les lits à une hauteur acceptable pour le matériau spécifique et l'eau de hutch. L'eau de hutch s'écoule à travers le lit à un débit constant pour assister l'efficacité de la séparation et maintenir le lit fluidifié plus longtemps. À la fin du jig, un flotteur mesure la course du lit et indique la hauteur du lit de produit. La hauteur du lit de produit est une indication pour un automate programmable (PLC) d'ouvrir ou fermer les portes de produit par petits incréments pour contrôler la hauteur du lit de produit dans une bande étroite autour de la valeur de consigne. Les résidus s'écoulent par-dessus le déversoir à la fin du jig tandis que le produit est collecté dans la trémie sous le jig. Des sondes de niveau haut et bas démarrent et arrêtent l'alimentateur pour contrôler l'extraction du produit. La pulsation est créée par l'air qui entre et sort des chambres d'air situées sous le pont de criblage. L'air force l'eau dans la chambre d'air vers le bas, créant la pulsation sur le lit de minerai, et laisse l'air sortir pour permettre au lit de minerai de se déposer sur le pont de criblage du jig avant que la prochaine pulsation ne commence. L'air est généré par un ventilateur et stocké dans le vase d'air de travail. Des soupapes à boisseau contrôlent l'air qui entre et sort des chambres d'air. Le niveau d'interface air/eau dans les chambres d'air est mesuré par des sondes de niveau, qui contrôlent le timing des soupapes à boisseau pour maintenir la course dans la chambre d'air constante. Un diagramme schématique typique montrant un jig avec actionnement par pulsation d'air est montré à la Fig. 3.

Fig. 3 : Diagramme schématique typique d'un jig avec actionnement par pulsation d'air