Principe des milieux denses Traitement des minéraux

Le traitement des minéraux par milieu dense est une méthode de séparation par gravité qui permet de séparer les minéraux dans un milieu (milieu dense) dont la densité est supérieure à celle de l'eau. Lors de la séparation des minéraux, la densité du milieu est supérieure à celle des minéraux les plus légers à séparer, mais inférieure à celle des minéraux les plus lourds. Le traitement des minéraux par milieu dense repose principalement sur la densité des particules, la taille et la forme de celles-ci n’ayant qu’une influence relativement faible. L’indice de performance de la séparation par gravité montre que la valeur E augmente avec la densité du milieu, ce qui indique que la précision de séparation du traitement des minéraux par milieux denses est supérieure à celle des milieux aqueux, permettant de séparer efficacement deux types de particules minérales présentant une différence de densité de 50 à 100 kg/m³. Les milieux lourds se divisent en deux catégories : les liquides lourds et les suspensions lourdes. Les premiers sont constitués de certains liquides organiques à haute densité ou de solutions de saumure inorganiques. Les secondes sont des suspensions d’un agent alourdissant (minéraux lourds finement broyés ou alliages) mélangées à de l’eau. Les liquides lourds sont toxiques et coûteux, et ne sont utilisés qu’en laboratoire. Les suspensions lourdes sont peu coûteuses, facilement disponibles et non toxiques ; elles sont largement utilisées dans l’industrie. La limite supérieure de la taille des particules d’alimentation dans l’enrichissement par milieux lourds est de 300 mm, et la limite inférieure de 0,5 mm, avec une densité de séparation comprise entre 1 300 et 3 800 kg/m³. L’analyse par gravité et le traçage de courbes de performance de séparation sont des méthodes couramment utilisées pour déterminer la granulométrie du minerai d’alimentation, la densité de séparation et les paramètres de séparation réalisables pour le minerai dans l’enrichissement par milieux lourds.

Il existe de nombreux types de séparateurs à milieu dense, qui se répartissent principalement en cinq catégories : les séparateurs à milieu dense coniques, les séparateurs à milieu dense en forme de tambour, les sluices vibrantes à milieu dense, les hydrocyclones à milieu dense et les hydrocyclones à vortex à milieu dense. Les deux premiers constituent des équipements de séparation statique, tandis que les trois derniers sont des équipements de séparation dynamique. La séparation statique se caractérise par une faible vitesse de déplacement du milieu, l'utilisation d'une suspension de particules fines relativement stable comme milieu, et une densité du milieu proche de la densité de séparation réelle. La séparation dynamique se caractérise par le fait que le milieu est soumis à des forces externes, ce qui entraîne un mouvement de rotation à grande vitesse ou une pulsation verticale ; elle utilise comme milieu une suspension instable à particules relativement grossières, et la densité de séparation réelle est supérieure à la densité du milieu d’alimentation, ce qui permet d’utiliser des milieux de lestage de densité inférieure.

2.2.2 Séparateur à milieux denses

2.2.2.1 Séparateur conique à milieu dense

La structure d’un séparateur à milieu dense conique est illustrée à la figure 2-1. Il en existe deux types : à levage interne et à levage externe. Il se présente sous la forme d’une cuve conique, à l’intérieur de laquelle se trouvent des pales d’agitation tournant lentement (4 à 5 tr/min) afin de maintenir la stabilité de la suspension dense. Pendant le fonctionnement, le minerai à traiter est introduit par le haut, au-dessus de la surface du liquide, tandis que la suspension de milieu dense est injectée à partir du point d’alimentation et à différentes profondeurs à l’intérieur du cône. Les produits légers débordent par le déversoir situé autour du cône, tandis que les produits lourds sont évacués par le fond à l’aide d’un élévateur à air ou d’une pompe. Le séparateur conique à milieux lourds est un séparateur statique à cuve profonde. En raison du volume important et stable de la cuve du séparateur, les particules minérales y restent longtemps, ce qui permet une grande précision dans la séparation des particules fines. Il convient au traitement de matériaux présentant des rendements élevés en produits légers. Son inconvénient réside dans le volume important de milieu de séparation et le volume important de milieu en circulation. En général, la granulométrie des matières alimentées est comprise entre 50 et 3 mm, le diamètre du cône est de 2 à 6 mètres et la capacité de traitement est de 25 à 150 tonnes/heure.

a — Type à levage externe b — Type à levage interne

Figure 2-1 : Schéma d'un séparateur à milieu dense de forme conique

1 — Alimentation ; 2 — Milieu ; 3 — Produit léger ; 4 — Produit lourd ; 5 — Pompe ; 6 — Élévateur à air

2.2.2.2 Séparateur à milieu dense de type tambour

Sa structure est illustrée à la figure 2-2. Il existe des versions à chambre unique et à double chambre. La version à chambre unique utilise un seul milieu, tandis que la version à double chambre utilise deux milieux de densités différentes. Pendant le fonctionnement, la suspension et le minerai sont introduits dans le tambour par une extrémité, tandis que le produit le plus léger est évacué par l’autre extrémité. Le produit le plus lourd se dépose au fond et est soulevé par des plaques de levage montées sur la paroi du tambour vers la goulotte d’évacuation pour être évacué. Le séparateur à milieux lourds de type tambour est un séparateur statique à cuve peu profonde. La profondeur de la suspension n’est pas importante ; l’action d’agitation du tambour stabilise la densité de la suspension. La goulotte de décharge est relativement large, ce qui permet l’évacuation de particules de minerai plus grossières. Cependant, la forte agitation affecte la sédimentation des particules fines, ce qui rend ce séparateur inadapté au traitement des particules fines de minerai. Il convient aux applications présentant des rendements élevés en produit lourd ; le volume du milieu et le volume de circulation sont inférieurs à ceux du séparateur à milieux lourds de type conique. En général, la granulométrie d’alimentation est comprise entre 150 et 6 mm, le diamètre du tambour entre 1,5 et 3 mètres, et la capacité de traitement entre 20 et 100 tonnes/heure.

a — Modèle à chambre unique et deux produits b — Modèle à double chambre et trois produits

Figure 2-2 Schéma d'un séparateur à milieux lourds de type tambour

1 — Alimentation ; 2 — Milieu ; 3 — Produit léger ; 4 — Produit lourd ; 5 — Milieu à haute densité ;

6 — Milieu à faible densité ; 7 — Produit intermédiaire ; 8 — Chambre à faible densité ; 9 — Chambre à haute densité.

2.2.2.3 Chute vibrante à milieu lourd

Sa structure est illustrée à la figure 2-3. Il s'agit d'un long bac vibrant muni d'un tamis perforé au fond et d'une chambre à eau située sous le tamis. Lors du fonctionnement, le minerai et la suspension de milieu dense sont introduits par l'extrémité d'alimentation. Grâce à l’oscillation du fond de la auge et au flux d’eau ascendant sous le tamis, le milieu forme un lit à haute densité présentant une bonne fluidité à l’intérieur de la auge. Le minerai se stratifie en fonction de sa densité et se déplace le long de la auge, pour finalement être évacué séparément sous forme de produits légers et lourds par la chicane de séparation située à l’extrémité de décharge. Parmi ses avantages, on peut citer la possibilité d’utiliser des milieux de densification à gros grains (-2 mm), d’atteindre une concentration volumique en solides pouvant aller jusqu’à 60%, et d’obtenir une densité de séparation élevée même avec des milieux de densification de faible densité (tels que la magnétite). La récupération et la purification du milieu sont simples. La granulométrie du minerai d’alimentation est comprise entre 75 et 6 mm, la largeur de la boîte à selles est de 0,4 à 1,0 m, et la capacité de traitement est de 25 à 80 tonnes/heure. En raison des fortes vibrations de l’équipement, celui-ci est aujourd’hui rarement utilisé.

Figure 2-3 Goulotte vibrante pour milieux denses

1 — Corps de la goulotte ; 2 — Plaque de support à ressort ; 3 — Plaque de tamisage ; 4 — Chambre d'eau ; 5 — Plaque de séparation

2.2.2.4 Hydrocyclone pour milieux lourds

Sa structure est identique à celle d'un hydrocyclone classique, souvent installé en biais, son axe formant un angle de 18° à 30° par rapport à l'horizontale. Pendant le fonctionnement, le minerai et la suspension lourde sont introduits dans l’hydrocyclone selon un certain rapport (1 : (4 à 6)) et à une certaine pression (0,08 à 0,2 MPa). Les produits lourds sont évacués par l’orifice de fond, tandis que les produits légers sont évacués par le tuyau de trop-plein. Lorsque la suspension lourde tourne à grande vitesse dans l’hydrocyclone, elle produit un effet de concentration. La densité de la suspension à proximité du tuyau de trop-plein et de l’axe central est faible, tandis que celle à proximité de l’orifice de fond et de la paroi est élevée. Par conséquent, la densité de séparation réelle est supérieure à la densité réelle de la suspension introduite. La densité de séparation est influencée par les paramètres structurels de l’hydrocyclone ; l’augmentation de l’angle du cône et du rapport de diamètre entre le tuyau de trop-plein et l’orifice de fond peuvent tous deux accroître la densité de séparation. Ses caractéristiques sont une structure simple, un faible encombrement et la possibilité d’utiliser des milieux d’alourdissement de faible densité. La limite inférieure de la taille des particules d’alimentation peut atteindre 0,5 mm, et la taille générale des particules d’alimentation est comprise entre 20 et 2 mm, ce qui en fait un équipement largement utilisé. La capacité de traitement d’un hydrocyclone à médias lourds de φ430 mm est de 45 tonnes/heure.

2.2.2.5 Hydrocyclone à vortex à milieu dense

Sa structure est illustrée à la figure 2-4. Il existe trois types d’hydrocyclones à vortex à milieu dense : le type Tagawa, le type Diner et le type à trois flux. Son principe de fonctionnement est identique à celui d’un hydrocyclone à milieu dense, mais lors de l’installation, l’entrée du flux inférieur est orientée vers le haut et le tuyau de débordement vers le bas, ce qui permet d’augmenter le diamètre de l’entrée du flux inférieur afin d’améliorer la granulométrie du minerai d’alimentation. La granulométrie du minerai d’alimentation est généralement comprise entre 40 et 2 mm.

Figure 2-4 Schéma de principe d'un séparateur à cyclone à vortex à milieu lourd

1 — Matière première ; 2 — Milieu de traitement ; 3 — Produit léger ; 4 — Produit lourd ; 5 — Conduit d'air ; 6 — Produit intermédiaire

L'hydrocyclone à vortex de type Tagawa est un hydrocyclone à configuration verticale inversée. Un conduit d'air est installé au niveau de l'orifice de décharge du produit lourd afin de stabiliser la colonne d'air à l'intérieur de l'hydrocyclone. Le rendement des produits légers et lourds peut être ajusté en modifiant la position verticale du conduit d'air ou en modifiant le rapport de diamètre entre l'orifice de sortie du fond et le tuyau de débordement. Le diamètre de l’hydrocyclone est compris entre 300 et 500 mm, la taille des particules d’alimentation est comprise entre 30 et 75 mm, et la capacité de traitement est de 20 à 80 tonnes/heure.

L'hydrocyclone à vortex de type DINA est un hydrocyclone cylindrique installé à un angle de 25° par rapport à l'horizontale. Les orifices centraux situés aux extrémités supérieure et inférieure du cylindre servent respectivement d'entrée d'alimentation et de sortie du produit léger. En fonctionnement, la suspension est introduite tangentiellement par l'entrée située près du fond du cylindre, et le produit lourd est évacué tangentiellement par la sortie située près du sommet du cylindre. Parmi ses avantages, on peut citer l'alimentation séparée du minerai et de la suspension, ce qui facilite le contrôle de la densité de la suspension. Parallèlement, la suspension agit comme une couche protectrice pour la paroi de la cuve, ce qui réduit au minimum l’usure du cylindre. Le rapport de rendement entre le produit lourd et le produit léger peut être ajusté sur une large plage (de 9:1 à 1:9). La granulométrie du produit d’alimentation est comprise entre 40 et 2 mm. Le diamètre du cylindre est de 225 à 400 mm, et la capacité de traitement est de 10 à 80 tonnes/heure.

L'hydrocyclone à vortex à trois flux est un hydrocyclone DINA à deux étages, chaque étage disposant d'une entrée distincte pour le milieu et d'une sortie distincte pour le produit lourd. Le flux d'alimentation entre dans le premier étage, le produit léger issu du premier étage passe dans le deuxième étage, et le produit léger final est évacué du deuxième étage. Des suspensions de densités identiques ou différentes peuvent être introduites dans les deux étages. Le premier sert à séparer le produit lourd, le produit léger et le produit intermédiaire à traiter. Le second sert à séparer deux produits lourds de propriétés différentes et un produit léger. Sa principale caractéristique est son rendement de séparation élevé. Le diamètre du cylindre est compris entre 250 et 500 mm, et la capacité de traitement est de 15 à 90 tonnes/heure.