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UMons - Faculté Polytechnique SERVICE DE GENIE MINIER Mai 2011 BASES FONDAMENTA

UMons - Faculté Polytechnique SERVICE DE GENIE MINIER Mai 2011 BASES FONDAMENTALES DE LA PREPARATION DES MINERAIS 3ème Bachelier Ingénieur Civil dominante Mines-Géologie Philippe ANCIA Professeur BASES FONDAMENTALES DE LA PREPARATION DES MINERAIS UMons - Faculté Polytechnique SOMMAIRE 1. INTRODUCTION. ....................................................................................... 1 1.1. GENERALITES. ...................................................................................... 1 1.2. NOTION DE MINERAI. ............................................................................. 2 1.3. DU GEOLOGUE AU METALLURGISTE, UNE FILIERE. .................................... 6 1.4. OBJECTIFS DE LA PREPARATION DES MINERAIS. ....................................... 9 2. LA FRAGMENTATION. ........................................................................... 11 2.1. GENERALITES. .................................................................................... 11 2.2. NOTION DE LIBERATION. ...................................................................... 12 2.3. RAPPORT DE REDUCTION. .................................................................... 15 2.4. LOIS DE COMPORTEMENT DES MATERIAUX OU THEORIES DE LA FRAGMENTATION. ................................................................................ 15 2.4.1. Etude de la structure de la matière, de la thermodynamique de la fragmentation et de la propagation des fractures............................................................................ 16 2.4.2. Mise en évidence d’une relation entre la réduction volumétrique d’un matériau et l’énergie nécessaire à l’opération. ........................................................................ 16 2.4.3. Recherche d’un modèle mathématique de la fragmentation. ................................ 19 2.5. LES DISPOSITIFS DE FRAGMENTATION. .................................................. 20 2.5.1. Concasseur à mâchoires. .................................................................................... 20 2.5.2. Concasseur giratoire. .......................................................................................... 22 2.5.3. Concasseurs à cône. ........................................................................................... 23 2.5.4. Concasseurs à cylindres. ..................................................................................... 25 2.5.5. Concasseur à percussions................................................................................... 26 2.5.6. Concasseurs à marteaux. .................................................................................... 28 2.5.7. Concasseur à dents............................................................................................. 29 2.5.8. Broyeurs à boulets. ............................................................................................. 30 2.5.9. Broyeur à barres.................................................................................................. 35 2.6. PRATIQUE DU CONCASSAGE ET DU BROYAGE......................................... 38 3. LA SEPARATION DES GRAINS EN FONCTION DE LEUR TAILLE. .... 40 3.1. INTRODUCTION. .................................................................................. 40 3.2. CARACTERISATION GRANULOMETRIQUE D’UN MATERIAU. ........................ 40 3.3. SEPARATION MECANIQUE - CRIBLAGE. .................................................. 42 3.4. SEPARATION DANS UN FLUIDE – CLASSIFICATION. .................................. 45 3.4.1. Aspects théoriques. ............................................................................................. 45 3.4.2. Les dispositifs de classification. ........................................................................... 48 4. LA SEPARATION DES GRAINS EN FONCTION DE LEUR NATURE. .. 54 4.1. INTRODUCTION. .................................................................................. 54 4.2. LE TRI. ............................................................................................... 54 4.3. SEPARATION SUR BASE DE LA MASSE VOLUMIQUE. ................................. 55 4.3.1. Aspects théoriques. ............................................................................................. 55 4.3.2. Techniques de séparation. .................................................................................. 57 4.4. SEPARATION SUR BASE DES PROPRIETES MAGNETIQUES. ....................... 76 4.4.1. Aspects théoriques. ............................................................................................. 76 4.4.2. Les dispositifs de séparation. ............................................................................... 80 4.5. SEPARATION SUR BASE DES PROPRIETES ELECTRIQUES. ........................ 93 4.5.1. Aspects théoriques. ............................................................................................. 93 4.5.2. Dispositif de séparation. ...................................................................................... 93 4.5.3. Aspects pratiques. ............................................................................................... 95 4.6. SEPARATION SUR BASE DES PROPRIETES DE SURFACE. .......................... 96 4.6.1. Aspects théoriques. ............................................................................................. 96 BASES FONDAMENTALES DE LA PREPARATION DES MINERAIS UMons - Faculté Polytechnique 4.6.2. Application à la minéralurgie. ............................................................................... 97 4.6.3. Réactifs de flottation. ........................................................................................... 98 4.6.4. Paramètres influençant la flottation. ................................................................... 106 4.6.5. Dispositifs de flottation. ...................................................................................... 109 4.6.6. Circuits de flottation. .......................................................................................... 114 5. BIBLIOGRAPHIE. .................................................................................. 121 BASES FONDAMENTALES DE LA PREPARATION DES MINERAIS UMons - Faculté Polytechnique 1 1. INTRODUCTION. 1.1. GENERALITES. En dépit du déplacement des activités économiques vers le secteur tertiaire et le virtuel, un nombre considérable de secteurs de l’économie, pour ne pas dire tous, dépendent des matières premières minérales. On peut dire sans excès d’enthousiasme que sans elles notre civilisation n’existerait pas. Il suffit pour s’en convaincre de regarder autour de soi. Tous les domaines de l’industrie au sens large (génie civil, cimenteries, verreries, papeteries, chimie, pétrochimie, mécanique, électricité et électronique, aéronautique, constructions navales, agroalimentaire, etc.) utilisent des matières minérales et métalliques pour fabriquer les biens qui nous entourent et nous servent quotidiennement. Les tableaux I et II fournissent les productions récentes de quelques matières minérales et métaux. Minéral Utilisations principales Production (.103 t/an) Potasse Engrais, détergents, verre, céramiques, caoutchouc 34.600 (K20) Fluorine Acide fluorhydrique, production d’aluminium 5.690 Gypse Plâtre 154.000 Sel gemme Chimie, déneigement, plastiques, alimentation, agriculture 257.000 Soufre Acide sulfurique, caoutchouc 68.400 Barytine Forages pétroliers 7.630 Borates Fibres de verre, détergents, céramiques, agriculture 3.840 (B2O3)e Kaolin Céramiques, charges et couchage (papeterie) 39.000 Perlite Isolants, filtration, horticulture, charges 1.760 Diamants industriels Abrasifs, lentilles, électronique 77.000.000 (carats) Asbeste Isolants thermiques 2.200 Phosphates agriculture 156.000 TABLEAU I : Production et usages principaux de quelques matières minérales (Source: Commodity Summaries, 2007). BASES FONDAMENTALES DE LA PREPARATION DES MINERAIS UMons - Faculté Polytechnique 2 Métal Production (en t pour 2007) Prix 2001 (€/kg) Prix 2006 (€/kg) Prix 1/2010 (€/kg) Fer (acier) 1.340 .106 0,20 0,4 0,25 Aluminium 38,0 .106 1,29 2,21 1,60 Cuivre 15,4 .106 1,96 5,48 5,28 Zinc 10,9 .106 0,64 3,65 1,82 Plomb 3,77 .106 0,60 1,26 1,79 Nickel 1,66 .106 5,79 24,71 13,20 Argent 20.800 147 297 409 Palladium 219 15.772 9572 9483 Or 2380 10.368 15.000 25.435 Platine 213 21.790 27.000 33.610 TABLEAU II : Production 2007 et prix de quelques métaux (Sources : Commodity Summaries et LME). 1.2. NOTION DE MINERAI. A quelques exceptions près (par exemple les saumures lacustres et marines actuelles, naturelles et artificielles), la totalité des matières minérales (minéraux industriels, matériaux pour la construction) et des métaux sont extraits du sous-sol. L’écorce terrestre contient des quantités inépuisables de tous les éléments chimiques naturels du tableau périodique puisque ces derniers, associés entre eux pour former des minéraux, en sont ses constituants. Toutefois, ces éléments chimiques sont dans leur grande majorité présents en faible proportion moyenne, les huit éléments principaux comptant pour plus de 96% du total (tableau III). L’abondance moyenne plus ou moins importante des éléments (et des minéraux) ne préjuge en rien de leur disponibilité pratique. En effet, leur récupération technique ne peut généralement être réalisée que dans des zones assez rares et restreintes de l’écorce terrestre où l’intervention de différents phénomènes naturels (magmatisme, métamorphisme, altération, transport, sédimentation, précipitation, etc. - voir le cours de gîtologie) a produit une concentration suffisante, très nettement supérieure à l’abondance moyenne (voir le tableau IV). De plus, cette concentration naturelle est une condition nécessaire mais pas toujours, voire rarement suffisante pour que les matériaux utiles puissent être extraits économiquement du sol. En effet, beaucoup d’autres facteurs que la simple teneur en minéral ou en élément utile interviennent. Certains influent sur les possibilités techniques de récupération (nature du minéral contenant l’élément visé - oxyde, sulfure, silicate ; nature des minéraux non valorisables qui constitue la gangue, nature du gisement - massif, disséminé, stratiforme ; nature des roches encaissantes, etc.) ; d’autres pèsent sur l’aspect économique du processus. Parmi ces derniers facteurs, certains concernent la zone minéralisée elle-même (taille, profondeur, contexte BASES FONDAMENTALES DE LA PREPARATION DES MINERAIS UMons - Faculté Polytechnique 3 géologique, caractéristiques mécaniques, présence d’autres minéraux ou métaux valorisables, etc.), alors que d’autres dépendent de considérations telles que l’offre et la demande en matériaux, le cours du dollar, la situation internationale, l’importance stratégique du matériau considéré, etc. Par ailleurs, des minéralisations semblables peuvent être exploitables ou non en fonction de conditions locales (accessibilité au gisement, proximité d’un centre industriel, présence de commodités telles que source d’énergie électrique, installations ferroviaires ou portuaires, coût de la main d’œuvre, régime fiscal, etc.). Il faut enfin, et de plus en plus, tenir compte de considérations environnementales (présence d’éléments chimiques potentiellement nuisibles ou toxiques, proximité d’une région densément habitée ou d’une réserve naturelle, réglementation, etc.). Elément Teneur (g/t ou p.p.m. ou 10-4%) Elément Teneur (g/t ou p.p.m. ou 10-4%) Elément Teneur (g/t ou p.p.m. ou 10-4%) Oxygène 446.000 Chrome 200 Germanium 7 Silicium 277.200 Vanadium 150 Sélénium 6,5 Aluminium 81.300 Zinc 132 Gadolinium 6,4 Fer 50.000 Nickel 80 Béryllium 6 Calcium 36.300 Cuivre 70 Arsenic 5 Sodium 28.300 Tungstène 69 Hafnium 4,5 Potassium 25.900 Lithium 65 Dysprosium 4,5 Magnésium 20.900 Azote 46 Uranium 4 Titane 4.400 Cérium 46 Bore 3 Hydrogène 1.400 Etain 40 Tantale 2,1 Phosphore 1.180 Yttrium 28 Brome 1,6 Manganèse 1.000 Néodyme 24 Antimoine 1 Soufre 520 Niobium 24 Mercure 0,5 Carbone 320 Cobalt 23 Iode 0,3 Chlore 314 Lanthane 18 Bismuth 0,2 Rubidium 310 Plomb 16 Cadmium 0,15 Fluor 300 Gallium 15 Argent 0,1 Strontium 300 Molybdène 15 Palladium 0,01 Baryum 250 Thorium 12 Platine 0,005 Zirconium 220 Césium 7 Or 0,005 Tableau III : Abondance des éléments chimiques dans la croûte terrestre. (Source : R. COLLEE) Lorsqu’une substance minérale ou un élément chimique peut être produit à un prix de revient inférieur au prix de vente, la roche porteuse est appelée un minerai et la zone de l’écorce terrestre où est situé ce minerai est appelée un gisement. Dans le cas contraire, on a affaire à un amas minéralisé, une occurrence, un gîte minéral, etc. Cette définition, essentiellement BASES FONDAMENTALES DE LA PREPARATION DES MINERAIS UMons - Faculté Polytechnique 4 économique et technique, basée sur des considérations du moment (connaissances techniques, cours des matières premières, etc.), est donc variable dans le temps et sous la dépendance de nouvelles avancées techniques pour l’exploitation et le traitement des minerais, de l’évolution des cours des matières premières, de nouvelles applications possibles, de découvertes de gisements plus faciles à exploiter et à traiter (concurrence), de la variabilité temporelle des divers coûts et contraintes, etc. Minerais d’uranium 0,1 à 4 % U Minerais de zirconium 0,5 à 0,9 % Zr Minerais d’aluminium 40 à 60 % Al Minerais de zinc 2 à 8 % Zn Minerais de fer 20 à 60 % Fe Minerais de cobalt 0,5 à 4 % Co Minerais de nickel 1 à 6 % Ni Minerais de plomb 2 à 10 % Pb Minerais d’étain 0,3 à 3 % Sn Minerais uploads/Industriel/ bases-fondamentales-de-la-preparation-des-minerais-2011.pdf