Centrifuge traitement des minéraux

La concentration centrifuge est une méthode de séparation par gravité qui exploite la différence de force centrifuge d'inertie générée par les particules minérales dans un flux de boue en rotation afin de séparer les particules en fonction de leur densité. Dans un champ gravitationnel, à mesure que la taille des particules diminue, la force de sédimentation et la vitesse de sédimentation diminuent rapidement, ce qui entraîne une baisse correspondante de l'efficacité de séparation et de la capacité de traitement de l'équipement. La force centrifuge d'inertie générée par le flux de boue en rotation est de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de fois supérieure à celle de la gravité, ce qui augmente considérablement la vitesse de stratification des particules minérales et améliore la capacité de traitement de l'équipement.

Les concentrateurs centrifuges offrent une grande capacité de traitement et un faible coût de séparation, ce qui les rend adaptés au traitement des minerais à grains fins ; toutefois, leur taux d'enrichissement est faible et ils sont généralement utilisés pour le traitement primaire.

Les concentrateurs centrifuges se répartissent principalement en deux catégories : ceux qui génèrent une force centrifuge par la rotation du corps de la machine et ceux qui génèrent une force centrifuge par la rotation rapide de la boue. La première catégorie comprend les concentrateurs centrifuges horizontaux et verticaux, tandis que la seconde comprend notamment les hydrocyclones à cône court, etc.

2.7.2 Équipement de concentration centrifuge

2.7.2.1 Concentrateur centrifuge horizontal

Sa structure est illustrée à la figure 2-40. Elle a été mise au point avec succès par la société Yunnan Tin Industry Company dans mon pays en 1964. Elle se compose de deux parties : l'unité principale et le mécanisme de commande. L'unité principale est un tambour tronconique disposé horizontalement. Pendant le fonctionnement, la boue est introduite tangentiellement contre la paroi du tambour par une buse d'alimentation plate. Tout en tournant avec le tambour, elle s'écoule le long de la surface axiale inclinée de la paroi du tambour, provoquant une stratification. Les particules minérales plus lourdes de la couche inférieure se déposent sur la paroi du tambour, tandis que les particules minérales plus légères de la couche supérieure sont évacuées avec la boue à l’extrémité arrière du tambour sous forme de résidus. Lorsque les particules minérales lourdes atteignent une certaine épaisseur, l’alimentation est interrompue et de l’eau sous haute pression est injectée par la buse de rinçage afin de faire descendre les particules minérales lourdes et de former ainsi le concentré. L’alimentation, l’arrêt de la boue, le rinçage pour obtenir les résidus et la formation du concentré sont tous effectués périodiquement par le mécanisme de commande.

Figure 2-40 Structure du concentrateur centrifuge φ800×600 de Yunnan Tin

1 – Trémie d'alimentation ; 2 – Buse de rinçage ; 3 – Buse d'alimentation supérieure ; 4 – Tambour rotatif ; 5 – Châssis ; 6 – Auges de réception ; 7 – Capot de protection ; 8 – Séparateur ; 9 – Vanne à membrane ; 10 – Vanne à trois voies ; 11 – Moteur ; 12 – Buse d'alimentation inférieure ; 13 – Buse plate pour l'eau de lavage

Les concentrateurs centrifuges utilisent la force centrifuge plutôt que la gravité dans des chutes planes pour la séparation des minéraux, ce qui améliore le processus de séparation par film. Les concentrateurs centrifuges horizontaux sont utilisés pour séparer les minerais de tungstène, d'étain et de fer dont la taille des particules est comprise entre 0,15 et 0,01 mm, permettant d'atteindre des taux d'enrichissement de 1,5 à 3. Le minerai de fer peut être traité pour obtenir un concentré final, tandis que le tungstène et l'étain nécessitent un affinage supplémentaire à l'aide d'équipements complémentaires pour obtenir le concentré final.

Les concentrateurs centrifuges à jet constituent un nouveau type de concentrateur centrifuge horizontal, mis au point avec succès par l’Institut général de recherche sur les mines et la métallurgie de Pékin au début des années 1990. Leur structure, illustrée à la figure 2-41, se compose d’un tambour rotatif, d’une plaque de distribution, d’un tuyau d’alimentation, d’un tuyau d’eau et d’un injecteur à jet. La boue est introduite directement à l’intérieur du tambour, tandis que de l’eau propre à basse pression est acheminée vers la plaque de distribution. L’eau propre déborde de la plaque de distribution, propulsant les particules minérales situées en surface le long de la pente longitudinale du tambour vers l’extrémité de décharge. La variation du point d’impact du jet d’eau crée un déversoir hydraulique sur toute la circonférence du tambour, ce qui provoque une alternance entre le décompactage et le compactage du lit, renforçant ainsi l’effet de cisaillement et de stratification de la force de Baynoh. Le tambour de φ1 200 mm tourne à une vitesse élevée de 600 à 700 tr/min, générant une force centrifuge 240 à 326 fois supérieure à la gravité, ce qui permet aux particules minérales utiles extrêmement fines de se déposer sur le tambour. Le jet d’eau ameublit le lit, poussant les minéraux plus lourds situés au fond vers l’intérieur du tambour, pour finalement les évacuer sous forme de concentré par l’orifice de décharge. La limite de taille des particules pouvant être récupérées lors du traitement des boues de minerai d’étain fines peut atteindre 0,003 mm. Outre le traitement des boues de minerai d’étain, ce procédé peut également être utilisé pour traiter des boues à grains fins difficiles à traiter, telles que celles contenant de l’or, du tungstène, du tantale, du niobium et des éléments des terres rares.

Figure 2-41 Schéma illustrant le principe de fonctionnement d'un concentrateur centrifuge à jet

1 — Tambour ; 2 — Plaque de distribution d'eau claire ; 3 — Conduite d'alimentation ; 4 — Jet d'eau ; 5 — Sortie du concentré ; 6 — Sortie des tailles

Les concentrateurs centrifuges verticaux se composent d'une cuve de tri montée verticalement qui tourne autour de son axe. Parmi les types courants, on trouve les séparateurs centrifuges à cône pour l'or et les séparateurs centrifuges à disques.

La structure d’un séparateur centrifuge à cône pour l’or est illustrée à la figure 2-42. Le réservoir de tri est un cône tronqué inversé monté sur un arbre vertical inférieur. La surface du cône est pourvue de rainures annulaires. La boue est acheminée vers la partie inférieure du disque du cône de tri par une trémie d’alimentation. À mesure que le disque conique tourne, la boue s'écoule vers le haut le long de la paroi interne, et les particules minérales se stratifient en fonction de leur densité. Les particules les plus lourdes se déplacent vers la paroi du disque et pénètrent dans les rainures, tandis que les particules plus légères s'écoulent vers le haut avec la boue et sont évacuées par le haut vers la cuve à résidus. Lorsque les particules lourdes remplissent les rainures, l’alimentation est interrompue et la machine est arrêtée. La vanne inférieure est ouverte manuellement, et de l’eau sous haute pression est utilisée pour évacuer les particules lourdes vers la cuve à concentré. Cet équipement est principalement utilisé pour l’enrichissement des gisements d’or alluvionnaires et le dégrossissage des petits gisements d’or filoniens. La granulométrie des matières alimentées est comprise entre 0 et 10 mm. L’équipement présente une structure simple, est facile à utiliser, offre un taux d’enrichissement élevé et permet d’atteindre un taux de récupération de l’or supérieur à 90%, tout en consommant relativement peu d’eau.

Figure 2-42 Séparateur centrifuge à cône

1 — Conduite d'alimentation ; 2 — Couvercle supérieur ; 3 — Grille en caoutchouc ; 4 — Disque conique ; 5 — Disque de répartition de la boue ; 6 — Disque de projection d'eau ; 7 — Siège de palier supérieur ; 8 — Poulie ; 9 — Châssis ; 10 — Siège de palier inférieur ; 11 — Arbre creux ; 12 — Moteur ; 13 — Carcasse extérieure

La structure du séparateur à disque centrifuge est illustrée à la figure 2-43 ; elle est fondamentalement identique à celle du concentrateur d'or centrifuge. Le disque de séparation est un disque hémisphérique doté de rainures annulaires sur sa paroi interne. Le processus de séparation et le mode de fonctionnement sont identiques à ceux du concentrateur centrifuge d’or. Il est utilisé pour séparer les minerais d’or alluvionnaires et filoniens de 0 à 10 mm. Il se caractérise par un taux d’enrichissement élevé et un taux de récupération élevé. Cependant, la forme hémisphérique du disque de séparation rend sa fabrication plus difficile.

Figure 2-43 Concentrateur à disques centrifuges

1 — Couverture anti-sable ; 2 — Bassin de résidus ; 3 — Disque hémisphérique du concentrateur ; 4 — Moteur ; 5 — Arbre horizontal ; 6 — Châssis du moteur ; 7 — Châssis

Figure 2-44 Hydrocyclone à cône court φ300

1 — Conduite d'alimentation ; 2 — Conduite de trop-plein ; 3 — Orifice d'écoulement inférieur

2.7.2.3 Hydrocyclone à cône court

Sa structure est illustrée à la figure 2-44. Il se distingue d'un hydrocyclone classique par son angle de cône plus important. L'angle de cône de l'hydrocyclone à cône court est compris entre 90° et 120°, et le cône est particulièrement court. En fonctionnement, la boue pénètre tangentiellement dans le cylindre à partir d’une pompe à sable ou d’un réservoir sous pression situé en hauteur. La boue descend en suivant un mouvement spiralé, et les particules minérales se répartissent radialement en fonction de leur vitesse de sédimentation. Les particules plus légères ou plus fines, dont la vitesse de sédimentation est plus faible, sont évacuées par le tuyau de trop-plein central, tandis que les particules plus grossières ou plus lourdes se déplacent vers la paroi de la cuve et descendent. En raison de l’angle de cône accru, la boue s’écoulant vers le bas le long de la paroi de la cuve est entravée, formant ainsi un lit rotatif au fond du cône. Au sein du lit de l’hydrocyclone, les particules minérales sont désagrégées et stratifiées par un mouvement de cisaillement rotatif. Les minéraux les plus légers se trouvent en haut et sont entraînés par le liquide s’écoulant vers le haut jusqu’au tuyau de trop-plein pour être évacués. Les minéraux les plus lourds se trouvent au fond et sont évacués par la sortie de fond.

L'hydrocyclone composite « eau-milieu », légèrement modifié, est également un type d'hydrocyclone à cône court. Sa particularité réside dans le fait qu'il se compose de trois sections de cônes présentant des pentes différentes, la pente augmentant progressivement du haut vers le bas.

Le fond de l'hydrocyclone à cône court peut également être en forme d'arc, avec des rainures annulaires sur la surface intérieure, ce qui permet d'améliorer le taux d'enrichissement lors de l'enrichissement de l'or et d'optimiser l'efficacité de séparation de l'hydrocyclone à cône court.

Les hydrocyclones à cône court sont principalement utilisés pour le traitement primaire de l'or alluvionnaire, ainsi que pour la préparation du charbon. Pour la séparation de l'or alluvionnaire de -1 mm, le taux de récupération de l'or peut atteindre 95% avec un rapport d'enrichissement de dix.