Presque tous les métaux et autres matériaux inorganiques qui ont été exploités se présentent sous la forme de composés qui constituent les minéraux qui composent la croûte terrestre. Les forces et les processus qui ont façonné la surface de la terre ont concentré ces minéraux en quantités très différentes. Lorsque cette concentration est suffisamment élevée pour que le minéral puisse être exploité et récupéré de manière économique, le gisement est qualifié de minerai ou gisement. Cependant, même dans ce cas, les minéraux ne sont généralement pas disponibles sous une forme ayant la pureté nécessaire pour un traitement immédiat en produit final souhaité. Dans son ouvrage du XVIe siècle sur le traitement des minerais, Agricola (1950) écrit : « La nature crée généralement des métaux à l'état impur, mélangés à de la terre, des pierres et des jus solidifiés, il est nécessaire de séparer la plupart de ces impuretés des minerais autant que possible. être, avant qu'ils ne soient fondus.

Les minéraux de valeur doivent d'abord être séparés de ceux sans valeur commerciale, appelés gang. Le traitement du minerai fait référence à ce traitement initial du matériau extrait pour produire un concentré minéral d'une teneur suffisamment élevée pour être traité de manière satisfaisante en métal pur ou autre produit final. Les différentes caractéristiques des minéraux composant le minerai sont exploitées pour les séparer les uns des autres par une variété de méthodes physiques qui laissent généralement la composition chimique du minéral inchangée. (Le traitement du charbon est spécifiquement abordé dans l'article "Préparation du charbon")

Concassage et Broyage

La taille des particules du matériau arrivant à l'usine de traitement dépendra de l'opération minière employée et du type de minerai, mais elle sera relativement grande. Broyage, la réduction progressive de la taille des particules de minerai grumeleux, est réalisée pour deux raisons : réduire le matériau à une taille plus pratique et libérer le composant précieux des déchets comme première étape vers sa séparation et sa récupération efficaces. Dans la pratique, le broyage consiste généralement en le concassage de matériaux de plus grande taille, suivi du broyage du matériau à des tailles plus fines en le faisant culbuter dans des aciéries rotatives.

écrasement

Il n'est pas possible de passer de très gros morceaux à des matériaux fins en une seule opération ou avec une seule machine. Le concassage est donc généralement une opération à sec qui se déroule généralement en étapes désignées comme primaires, secondaires et tertiaires.

Les concasseurs primaires réduisent le minerai d'une taille aussi grande que 1.5 m à 100 à 200 mm. Des machines telles que les concasseurs à mâchoires et giratoires appliquent une force de fracture aux grosses particules, brisant le minerai par compression.

Dans un concasseur à mâchoires, le minerai tombe dans un espace en forme de coin entre une plaque de concassage fixe et mobile. Le matériau est pincé et pressé jusqu'à ce qu'il se brise et soit libéré et pincé à nouveau plus bas lorsque les mâchoires s'ouvrent et se ferment, jusqu'à ce qu'il s'échappe finalement par l'espace situé au bas.

Dans le concasseur giratoire, une longue broche porte un élément de broyage conique en acier dur lourd qui est déplacé de manière excentrique par un manchon de palier inférieur à l'intérieur de la chambre ou de la coque de broyage. Le mouvement relatif des faces d'écrasement est produit par la giration du cône monté excentriquement contre la chambre extérieure. Généralement, cette machine est utilisée lorsqu'une capacité de débit élevée est requise.

Le broyage secondaire réduit la taille des particules jusqu'à 5 à 20 mm. Les concasseurs à cône, les rouleaux et les broyeurs à marteaux sont des exemples d'équipements utilisés. Le concasseur à cône est un concasseur giratoire modifié avec une broche plus courte qui n'est pas suspendue, mais supportée dans un palier sous la tête. Un concasseur à rouleaux se compose de deux cylindres horizontaux tournant l'un vers l'autre, les rouleaux aspirant le minerai dans l'espace entre eux et après un seul pincement déchargeant le produit. Le broyeur à marteaux est un broyeur à percussion typique. Le broyage se fait par l'impact de coups secs appliqués à grande vitesse par des marteaux fixés à un rotor dans l'espace de travail.

Meulage

Le broyage, dernière étape du broyage, est réalisé dans des cuves cylindriques rotatives en acier appelées broyeurs à tambour. Ici, les particules minérales sont réduites entre 10 et 300 μm. Un milieu de broyage, tel que des billes d'acier, des tiges ou des cailloux (morceaux de minerai pré-dimensionnés beaucoup plus gros que l'alimentation en vrac de matériau), est ajouté au broyeur afin que le minerai soit décomposé à la taille souhaitée. L'utilisation de cailloux est appelée broyage autogène. Lorsque le type de minerai convient, le broyage au fil de l'eau (ROM) peut être utilisé. Dans cette forme de broyage autogène, tout le flux de minerai de la mine est acheminé directement vers le broyeur sans pré-concassage, les gros morceaux de minerai servant de milieu de broyage.

Le broyeur est généralement chargé de minerai concassé et d'agent de broyage jusqu'à un peu moins de la moitié. Des études ont montré que la rupture produite par le fraisage est une combinaison à la fois d'impact et d'abrasion. Les revêtements de broyeur sont utilisés pour protéger l'enveloppe du broyeur de l'usure et, de par leur conception, pour réduire le glissement des éléments de broyage et améliorer la partie de levage et d'impact du broyage.

Il existe une taille optimale à laquelle le minerai doit être broyé pour une séparation et une récupération efficaces du composant précieux. Le sous-broyage entraîne une libération incomplète et une mauvaise récupération. Le surbroyage augmente la difficulté de séparation, en plus d'utiliser un excès d'énergie coûteuse.

Séparation des tailles

Après concassage et broyage, les produits sont généralement séparés simplement en fonction de leur taille. L'objectif principal est de produire des matières premières de taille appropriée pour un traitement ultérieur. Les matériaux surdimensionnés sont recyclés pour une réduction supplémentaire.

Écrans

Le criblage est généralement appliqué à des matériaux assez grossiers. Il peut également être utilisé pour produire une taille d'alimentation raisonnablement uniforme pour une opération ultérieure lorsque cela est nécessaire. Le grizzly est une série de lourdes barres parallèles placées dans un cadre qui filtre les matériaux très grossiers. Le trommel est un tamis cylindrique rotatif incliné. En utilisant un certain nombre de sections de tamis de différentes tailles, plusieurs produits de taille peuvent être produits simultanément. Une variété d'autres écrans et combinaisons d'écrans peuvent être employés.

Classificateurs

La classification est la séparation des particules en fonction de leur vitesse de sédimentation dans un fluide. Les différences de densité, de taille et de forme sont efficacement utilisées. Les classificateurs sont utilisés pour séparer les matériaux grossiers et fins, fractionnant ainsi une grande distribution de taille. Une application typique consiste à contrôler une opération de meulage en circuit fermé. Bien que la séparation par taille soit l'objectif principal, une certaine séparation par type de minéral se produit généralement en raison des différences de densité.

Dans un classificateur en spirale, un mécanisme de râteau soulève les sables plus grossiers d'un bassin à boues pour produire un produit déclamé propre.

L'hydrocyclone utilise la force centrifuge pour accélérer les taux de sédimentation et produire des séparations efficaces des particules de taille fine. Une suspension de bouillie est introduite à grande vitesse tangentiellement dans une cuve de forme conique. En raison du mouvement tourbillonnant, les particules plus grosses et plus lourdes qui se déposent plus rapidement se déplacent vers la paroi externe, où la vitesse est la plus faible, et se déposent vers le bas, tandis que les particules plus légères et plus petites se déplacent vers la zone de basse pression le long de l'axe, où elles sont porté vers le haut.

Concentration Séparation

La séparation par concentration nécessite que les particules soient distinguées comme étant soit celles du minéral de valeur, soit comme des particules de gangue et leur séparation efficace en un concentré et un produit résiduaire. L'objectif est d'obtenir une récupération maximale du minéral précieux à une teneur acceptable pour un traitement ultérieur ou la vente.

Tri du minerai

La méthode de concentration la plus ancienne et la plus simple est la sélection visuelle des particules et leur élimination à la main. Le tri manuel a ses équivalents modernes dans un certain nombre de méthodes électroniques. Dans les méthodes photométriques, la reconnaissance des particules est basée sur la différence de réflectivité de différents minéraux. Un jet d'air comprimé est ensuite activé pour les retirer d'une bande de matériau en mouvement. La conductivité différente de différents minéraux peut être utilisée d'une manière similaire.

Séparation moyenne lourde

La séparation en milieu lourd ou en milieu dense est un processus qui dépend uniquement de la différence de densité entre les minéraux. Elle consiste à introduire le mélange dans un liquide de densité comprise entre celle des deux minéraux à séparer, le minéral le plus léger flotte alors et le plus lourd coule. Dans certains procédés, il est utilisé pour la préconcentration des minéraux avant un broyage final et est fréquemment utilisé comme étape de nettoyage dans la préparation du charbon.

Des fluides organiques lourds tels que le tétrabromoéthane, qui a une densité relative de 2.96, sont utilisés dans certaines applications, mais à l'échelle commerciale, des suspensions de solides finement broyés qui se comportent comme de simples fluides newtoniens sont généralement utilisées. Des exemples de matériaux utilisés sont la magnétite et le ferrosilicium. Ceux-ci forment des « fluides » à faible viscosité, inertes et stables et sont facilement retirés de la suspension magnétiquement.

Gravity

Les processus de séparation naturels tels que les systèmes fluviaux ont produit des gisements de placers où des particules plus grosses et plus lourdes ont été séparées des plus petites et plus légères. Les techniques de gravité imitent ces processus naturels. La séparation est provoquée par le mouvement de la particule en réponse à la force de gravité et à la résistance exercée par le fluide dans lequel la séparation a lieu.

Au fil des ans, de nombreux types de séparateurs gravitaires ont été développés et leur utilisation continue témoigne de la rentabilité de ce type de séparation.

Dans un Gabarit un lit de particules minérales est mis en suspension ("fluidisé") par un courant pulsé d'eau. Au fur et à mesure que l'eau s'écoule entre chaque cycle, les particules les plus denses tombent en dessous des moins denses et pendant une période de drainage, les petites particules, et en particulier les particules plus petites et plus denses, pénètrent entre les espaces entre les particules plus grosses et se déposent plus bas dans le lit. Au fur et à mesure que le cycle se répète, le degré de séparation augmente.

Tables vibrantes traiter des matériaux plus fins que les gabarits. La table est constituée d'une surface plane légèrement inclinée d'avant en arrière et d'un bout à l'autre. Des radiers en bois divisent la table longitudinalement à angle droit. Les aliments pénètrent le long du bord supérieur et les particules sont entraînées vers le bas par le flux d'eau. En même temps, ils sont soumis à des vibrations asymétriques le long de l'axe longitudinal ou horizontal. Les particules plus denses qui ont tendance à être piégées derrière le riffle sont mélangées sur la table par les vibrations.

Séparation magnétique

Tous les matériaux sont influencés par les champs magnétiques, bien que pour la plupart l'effet soit trop faible pour être détecté. Cependant, si l'un des composants minéraux d'un mélange a une susceptibilité magnétique assez forte, cela peut être utilisé pour le séparer des autres. Les séparateurs magnétiques sont classés en machines à faible et haute intensité, puis en séparateurs à alimentation sèche et humide.

Un séparateur de type tambour consiste en un tambour non magnétique rotatif contenant à l'intérieur de sa coque des aimants fixes de polarité alternée. Les particules magnétiques sont attirées par les aimants, fixées au tambour et transportées hors du champ magnétique. Un séparateur humide à haute intensité (WHIMS) de type carrousel consiste en une matrice rotative concentrique de billes de fer qui passe à travers un électroaimant puissant. Les résidus de bouillie sont versés dans la matrice où l'électroaimant fonctionne, et les particules magnétiques sont attirées vers la matrice magnétisée tandis que la majeure partie de la bouillie traverse et sort via une grille de base. Juste après l'électroaimant, le champ est inversé et un courant d'eau est utilisé pour éliminer la fraction magnétique.

Séparation électrostatique

La séparation électrostatique, autrefois couramment utilisée, a été déplacée dans une large mesure par l'avènement de la flottation. Cependant, elle est appliquée avec succès à un petit nombre de minéraux, comme le rutile, pour lesquels d'autres méthodes s'avèrent difficiles et où la conductivité du minéral rend possible la séparation électrostatique.

La méthode exploite les différences de conductivité électrique des différents minéraux. La charge sèche est transportée dans le champ d'une électrode ionisante où les particules sont chargées par bombardement ionique. Les particules conductrices perdent rapidement cette charge au profit d'un rotor mis à la terre et sont éjectées du rotor par la force centrifuge. Les non-conducteurs perdent leur charge plus lentement, restent accrochés au conducteur de terre par des forces électrostatiques et sont transportés vers un point de collecte.

flottage

La flottation est un processus de séparation qui exploite les différences dans les propriétés physico-chimiques de surface de différents minéraux.

Des réactifs chimiques appelés collecteurs sont ajoutés à la pâte et réagissent sélectivement avec la surface des précieuses particules minérales. Les produits de réaction formés rendent la surface du minéral hydrophobe ou non mouillable, de sorte qu'elle se fixe facilement à une bulle d'air.

Dans chaque cellule d'un circuit de flottation, la pulpe est agitée et l'air introduit est dispersé dans le système. Les particules minérales hydrophobes se fixent aux bulles d'air et, en présence d'un agent moussant approprié, celles-ci forment une mousse stable à la surface. Celui-ci déborde en permanence des parois de la cellule de flottation, emportant avec lui sa charge minérale.

Une usine de flottation se compose de bancs de cellules interconnectées. Un premier concentré produit dans un banc plus grossier est débarrassé des composants indésirables de la gangue dans un banc plus propre, et si nécessaire re-nettoyé dans un troisième banc de cellules. Des minéraux précieux supplémentaires peuvent être récupérés dans une quatrième banque et recyclés vers les banques plus propres avant que les résidus ne soient finalement jetés.

déshydratation

Après la plupart des opérations, il est nécessaire de séparer l'eau utilisée dans les procédés de séparation du concentré produit ou des déchets de la gangue. Dans les environnements secs, cela est particulièrement important pour que l'eau puisse être recyclée pour être réutilisée.

Un bassin de décantation consiste en une cuve cylindrique dans laquelle la pulpe est introduite au centre via un puits d'alimentation. Celui-ci est placé sous la surface pour minimiser la perturbation des solides déposés. Le liquide clarifié déborde des parois du réservoir dans une goulotte. Des bras radiaux à lames ratissent les solides décantés vers le centre, d'où ils sont retirés. Des floculants peuvent être ajoutés à la suspension pour accélérer la vitesse de sédimentation des solides.

La filtration est l'élimination des particules solides du fluide pour produire un gâteau de concentré qui peut ensuite être séché et transporté. Une forme courante est le filtre à vide continu, dont le filtre à tambour est typique. Un tambour cylindrique horizontal tourne dans une cuve ouverte dont la partie inférieure est immergée dans la pulpe. L'enveloppe du tambour est constituée d'une série de compartiments recouverts d'un média filtrant. La coque intérieure à double paroi est reliée à un mécanisme de soupape sur l'arbre central qui permet d'appliquer soit le vide, soit la pression. Le vide est appliqué à la section immergée dans la pulpe, aspirant l'eau à travers le filtre et formant un gâteau de concentré sur le tissu. Le vide déshydrate le gâteau une fois sorti de la bouillie. Juste avant que la section ne rentre dans le coulis, une pression est appliquée pour souffler le gâteau. Les filtres à disques fonctionnent sur le même principe, mais consistent en une série de disques fixés à l'arbre central.

Élimination des résidus

Seule une petite fraction du minerai extrait est constituée de minéraux précieux. Le reste est de la gangue qui, après traitement, forme les résidus qui doivent être éliminés.

Les deux principales considérations dans l'élimination des résidus sont la sécurité et l'économie. Il y a deux aspects à la sécurité : les considérations physiques entourant la décharge ou le barrage dans lequel les résidus sont placés ; et la pollution par les déchets qui peuvent affecter la santé humaine et causer des dommages à l'environnement. Les résidus doivent être éliminés de la manière la plus rentable possible en fonction de la sécurité.

Le plus souvent, les résidus sont dimensionnés et la fraction de sable grossier est utilisée pour construire un barrage sur un site sélectionné. La fraction fine ou boue est ensuite pompée dans un bassin derrière le mur du barrage.

Lorsque des produits chimiques toxiques tels que le cyanure sont présents dans les eaux usées, une préparation spéciale de la base du barrage (par exemple, par l'utilisation de bâches en plastique) peut être nécessaire pour prévenir la contamination possible des eaux souterraines.

Dans la mesure du possible, l'eau récupérée du barrage est recyclée pour une utilisation ultérieure. Cela peut être d'une grande importance dans les régions sèches et est de plus en plus exigé par la législation visant à prévenir la pollution des eaux souterraines et de surface par des polluants chimiques.

tas et in situ Lixiviation

Une grande partie du concentré produit par le traitement du minerai est ensuite traitée par des méthodes hydrométalluriques. Les valeurs métalliques sont lessivées ou dissoutes du minerai, et différents métaux sont séparés les uns des autres. Les solutions obtenues sont concentrées, puis le métal récupéré par des étapes telles que précipitation et dépôt électrolytique ou chimique.

De nombreux minerais ont une teneur trop faible pour justifier le coût de la pré-concentration. Les déchets peuvent également contenir encore une certaine quantité de valeur métallique. Dans certains cas, un tel matériau peut être traité économiquement par une version d'un procédé hydrométallurgique connu sous le nom de lixiviation en tas ou en décharge.

La lixiviation en tas a été établie à Rio Tinto en Espagne il y a plus de 300 ans. L'eau percolant lentement à travers les tas de minerai à faible teneur était colorée en bleu par les sels de cuivre dissous résultant de l'oxydation du minerai. Le cuivre a été récupéré de la solution par précipitation sur de la ferraille.

Ce processus de base est utilisé pour la lixiviation en tas d'oxydes et de sulfures de matériaux de faible qualité et de déchets dans le monde entier. Une fois qu'un tas ou une décharge du matériau a été créé, un agent solubilisant approprié (par exemple, une solution acide) est appliqué en saupoudrant ou en inondant le haut du tas et la solution qui s'infiltre au fond est récupérée.

Alors que la lixiviation en tas est pratiquée avec succès depuis longtemps, ce n'est que relativement récemment que le rôle important de certaines bactéries dans le processus a été reconnu. Ces bactéries ont été identifiées comme les espèces oxydant le fer Thiobacillus ferrooxydans et les espèces oxydantes du soufre Thiobacillus thiooxydans. Les bactéries oxydant le fer tirent leur énergie de l'oxydation des ions ferreux en ions ferriques et les espèces oxydant le soufre de l'oxydation du sulfure en sulfate. Ces réactions catalysent efficacement l'oxydation accélérée des sulfures métalliques en sulfates métalliques solubles.

Sur place la lixiviation, parfois appelée extraction par solution, est en fait une variante de la lixiviation en tas. Il consiste à pomper de la solution dans des mines abandonnées, effondrées dans des chantiers, des zones d'exploitation éloignées ou même des corps minéralisés entiers lorsqu'il est démontré qu'ils sont perméables à la solution. Les formations rocheuses doivent se prêter au contact avec la solution de lixiviation et à la nécessaire disponibilité d'oxygène.

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