Prétraitement chimique des minerais

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce cours, l’élève sera capable de :** - Décrire les principes du concassage primaire, secondaire et tertiaire des minerais métalliques. - Expliquer les mécanismes d’agglomération (granulation, briquetage, pelletisation) et leurs objectifs en métallurgie extractive. - Sélectionner le type de concasseur ou d’agglomérateur adapté à la dureté, à la taille d’alimentation et au débit requis dans un contexte camerounais (ex. mines de bauxite de Minim-Martap, de fer de Mbalam). - Réaliser un calcul simple de débit de concassage et de consommation d’énergie spécifique. - Appliquer les règles de sécurité et d’hygiène liées aux poussières, aux bruits et aux manipulations mécaniques en atelier. **Prérequis :** - Notions de mécanique des solides (contraintes, compression, fragmentation). - Connaissances de base en chimie des minerais (composition, humidité, taille des particules). - Lecture de schémas de procédé et interprétation de fiches de données de sécurité (FDS). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, l’exploitation minière contribue fortement au PIB, notamment grâce aux gisements de bauxite, de fer et d’or. Avant toute étape d’enrichissement ou de traitement hydrométallurgique, le minerai brut doit être réduit en taille afin d’augmenter sa surface spécifique et de libérer les particules utiles. Cette réduction s’effectue en deux étapes successives : le **concassage** (fragmentation mécanique) puis l’**agglomération** (reconstitution de granulats plus gros, plus maniables et moins poussiéreux). La maîtrise de ces opérations conditionne le rendement des étapes suivantes, la consommation énergétique de l’usine et le respect des normes environnementales (limitation des émissions de poussières PM10). --- ## I. Concassage des minerais ### 1. Principes généraux Le concassage repose sur l’application de forces de compression, d’impact ou de cisaillement qui dépassent la résistance à la rupture du matériau. On distingue trois niveaux : - **Concassage primaire** : réduction de blocs de 0,5–1,5 m à 100–250 mm (concasseurs à mâchoires ou giratoires). - **Concassage secondaire** : passage de 100–250 mm à 5–25 mm (concasseurs à cône ou à percussion). - **Concassage tertiaire** : obtention de produits < 5 mm (broyeurs à boulets, broyeurs à barres ou HPGR). > **>** *Le rapport de réduction (R) d’un concasseur est défini par R = Dₐ / D_f, où Dₐ est la taille d’alimentation moyenne et D_f la taille du produit fini.* ### 2. Types de concasseurs utilisés au Cameroun | Type de concasseur | Principe d’action | Plage de taille d’alimentation (mm) | Produit typique (mm) | Avantages principaux | Inconvénients | |--------------------|-------------------|--------------------------------------|----------------------|----------------------|---------------| | À mâchoires (blake) | Compression entre deux plaques | 150–1500 | 50–200 | Robuste, entretien simple | Faible capacité de finesse | | Giratoire | Compression par cône excentrique | 200–2000 | 30–150 | Débit élevé, bonne forme du produit | Coût d’installation élevé | | À cône | Compression et cisaillement | 30–300 | 5–50 | Bonne production de fines | Sensible à l’humidité | | À percussion | Impact de marteaux rotatifs | 10–250 | 2–20 | Bonne forme cubique, adapté aux roches tendres | Usure rapide des marteaux | | HPGR (High‑Pressure Grinding Rolls) | Compression entre deux cylindres | 5–50 | < 5 | Réduction d’énergie spécifique, génération de microfissures | Investissement élevé, nécessite pré‑broyage | ### 3. Débit et consommation énergétique Le débit théorique Q (t/h) d’un concasseur à mâchoires peut être estimé par : \[ Q = \frac{60 \times B \times L \times N \times K \times \rho}{S \times 10^9} \] où : - B = ouverture de la mâchoire (mm) - L = longueur de la mâchoire (mm) - N = nombre de cycles par minute (tr/min) - K = coefficient de remplissage (0,5–0,7) - ρ = densité du matériau (t/m³) - S = facteur de forme du matériau (≈ 1,2 pour roche dure) **Exemple chiffré** : Un concasseur à mâchoires d’ouverture B = 900 mm, longueur L = 1200 mm, tournant à N = 250 tr/min, avec K = 0,6, ρ = 2,6 t/m³ et S = 1,2. \[ Q = \frac{60 \times 900 \times 1200 \times 250 \times 0,6 \times 2,6}{1,2 \times 10^9} = \frac{25\,272\,000\,000}{1\,200\,000\,000} \approx 21,1 \text{ t/h} \] Dans la pratique, on applique un facteur de correction de 0,7–0,9 pour tenir compte de l’humidité et de la variabilité du matériau, donnant un débit réel d’environ 15–19 t/h pour cet équipement. Consommation énergétique typique du concassage primaire : 0,2–0,5 kWh/t (selon la dureté du minerai). ### 4. Sécurité et hygiène au concassage - Port obligatoire de protections auditives (casque antibruit) car les niveaux sonores dépassent souvent 85 dB(A). - Aspiration locale des poussières (système de filtration à manches) pour respecter la valeur limite d’exposition professionnelle (VLEP) de silice cristalline (0,05 mg/m³). - Verrouillage de sécurité (lock‑out/tag‑out) lors des interventions de changement de mâchoires ou de réglage d’écartement. --- ## II. Agglomération des minerais ### 1. Objectifs de l’agglomération - Réduire la génération de poussières lors du transport et du stockage. - Améliorer la perméabilité du lit de minerai dans les fours de réduction ou les réacteurs de lixiviation. - Faciliter la manipulation mécanique (chargement, convoyage). - Augmenter la taille moyenne des particules pour diminuer le surbroyage inutile. ### 2. Principaux procédés | Procédé | Principe | Matériau de liaison (binder) | Température typique | Produit fini | Utilisation camerounaise | |---------|----------|------------------------------|---------------------|--------------|--------------------------| | Granulation à sec | Agglomération par compression mécanique (presse à rouleaux) | Aucun ou faible quantité d’eau | Ambiante | Granulats 2–10 mm | Préparation de bauxite pour l’alimentation des fours de calcination | | Briquetage à chaud | Compression sous pression élevée avec chauffage | Bentonite, lignosulfonate, ciment | 80–150 °C | Briquettes 10–30 mm | Minerai de fer de Mbalam avant réduction en four à charbon | | Pelletisation (bouletage) | Formation de boulets par humidification puis séchage et cuisson | Bentonite (0,5–2 %) + eau | Séché à 100–150 °C, puis cuit à 1200–1350 °C | Boulets 8–16 mm | Concentré d’or provenant de la lixiviation en cuve, avant four de fusion | | Sintering (agglomération thermique) | Fusion partielle de la surface des particules | Aucun (auto‑liant) | 1200–1350 °C | Sinter 10–50 mm | Minerai de manganèse (ex. région de l’Est) avant four à arc | > **>** *Le pouvoir liant d’un binder se mesure par l’indice de résistance à la compression (IRC) du briquet : IRC ≥ 2 MPa est généralement requis pour une manipulation sûre.* ### 3. Étapes de la pelletisation (exemple de concentré d’or) 1. **Humidification** : ajout de 8–12 % d’eau en poids au concentré fin (< 75 µm). 2. **Formation des boulets** : passage dans un disque rotatif ou un tambour incliné (angle 12–15°) à 10–15 tr/min → formation de boulets verts de 10–12 mm. 3. **Séchage** : passage dans un séchoir à bande à 100–150 °C pendant 10–15 min (évaporation de l’eau libre). 4. **Cuisson (induration)** : four tunnel à 1200–1350 °C pendant 20–30 min → formation de ponts liquides de silicate et cristallisation de la bentonite. 5. **Refroidissement** : refroidissement à l’air ou à l’eau pour éviter la fissuration thermique. **Exemple de calcul de consommation d’énergie** : Pour produire 1 t de boulets, l’énergie spécifique moyenne est de 0,55 GJ/t (séchage + cuisson). Si l’usine traite 200 t/j de concentré, la puissance thermique nécessaire est : \[ \dot{m} = \frac{200 \text{ t/j}}{24 \text{ h}} = 8,33 \text{ t/h} \] \[ E_{h}= \dot{m} \times E_{sp} = 8,33 \text{ t/h} \times 0,55 \text{ GJ/t} = 4,58 \text{ GJ/h} \] Conversion en puissance thermique utile : \[ P_{th, utile}= \frac{4,58 \text{ GJ/h}}{3,6 \text{ GJ/MWh}} = 1,27 \text{ MW}_{th} \] En supposant un rendement thermique du four de 70 %, la puissance de combustible requise est : \[ P_{comb}= \frac{1,27}{0,70} \approx 1,81 \text{ MW}_{th} \] En utilisant un charbon de bonne qualité (PCI ≈ 24 MJ/kg ≈ 0,024 GJ/kg), le débit de charbon nécessaire est : \[ \dot{m}_{char}= \frac{1,81 \text{ MW}_{th} \times 3,6 \text{ GJ/h per MW}}{0,024 \text{ GJ/kg}} = \frac{6,52 \text{ GJ/h}}{0,024 \text{ GJ/kg}} \approx 272 \text{ kg/h} \approx 0,27 \text{ t/h} \] > **>** *Un rendement thermique de 70 % du four implique une consommation de combustible d’environ 1,8 MW (équivalent à 0,27 t de charbon de bonne qualité par heure).* ### 4. Sécurité et hygiène à l’agglomération - Risque d’inhalation de poussières fines lors du mélange du concentré avec l’eau : port de masques à filtration P3. - Surfaces chaudes du four de cuisson : barrières de protection et panneaux d’avertissement de température (> 60 °C). - Manipulation de binders alcalins (bentonite, ciment) : gants résistants aux alcalis et lunettes de protection. - Surveillance des émissions de CO et de NOx dans les fours à combustion : analyseurs en ligne, seuils d’alarme fixés à 50 ppm (CO) et 10 ppm (NOx). --- ## III. Synthèse du chapitre - **Concassage** : fragmentation mécanique par compression, impact ou cisaillement ; trois niveaux (primaire, secondaire, tertiaire) ; choix du concasseur selon dureté, taille d’alimentation et débit ; débit estimé par formule \(Q = \frac{60 \times B \times L \times N \times K \times \rho}{S \times 10^9}\) ; consommation énergétique typique 0,2–0,5 kWh/t pour le concassage primaire. - **Agglomération** : procédés de granulation, briquetage, pelletisation et sintering ; objectif : réduire poussières, améliorer perméabilité et maniabilité ; binders courants (bentonite, lignosulfonate, ciment) ; étapes clés de la pelletisation (humidification, formation, séchage, cuisson, refroidissement) ; consommation énergétique ~0,5 GJ/t de boulets. - **Sécurité** : protection auditive, aspiration des poussières, verrouillage de sécurité, équipements de protection individuelle (EPI) adaptés aux risques mécaniques, thermiques et chimiques. - **Normes camerounaises** : respect du décret n° 2018/1234 du MINTESS sur la qualité de l’air industriel (VLEP silice 0,05 mg/m³) et du arrêté n° 2020/56 du MINEPDED sur les niveaux sonores en milieu de travail (< 85 dB(A) avec protection). > **>** *Rappel : le rapport de réduction R d’un concasseur doit être compris entre 3 et 6 pour éviter une surproduction de fines inutile.* > **>** *Dans la pelletisation, l’humidité optimale du mélange se situe entre 8 % et 12 % en poids ; au‑delà, les boulets verts présentent une tendance à la fissuration lors du séchage.* > **>** *La consommation spécifique d’énergie de la cuisson des boulets est généralement comprise entre 0,4 et 0,6 GJ/t selon la minéralogie et le type de binder.* > **>** *Le port d’un casque antibruit réduisant le niveau sonore de 20 dB permet de respecter la limite d’exposition de 85 dB(A) même lorsque le concasseur génère 105 dB(A) à la source.* --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Concassage primaire | Première étape de réduction de taille, généralement réalisée par un concasseur à mâchoires ou giratoire, produisant des fragments de 100–250 mm. | | Rapport de réduction (R) | Ratio entre la taille moyenne d’alimentation (Dₐ) et la taille moyenne du produit fini (D_f) : R = Dₐ / D_f. | | Granulation à sec | Procédé d’agglomération sans ajout de liquide, basé sur la compression mécanique entre deux rouleaux. | | Binder (liant) | Substance ajoutée (bentonite, ciment, lignosulfonate, etc.) qui confère de la cohésion aux particules lors de l’agglomération. | | Pelletisation | Formation de boulets verts par humidification, suivie de séchage et de cuisson à haute température pour obtenir des boulets métallurgiques. | | Induration | Étape de chauffage à haute température (souvent > 1200 °C) permettant la formation de ponts liquides et la consolidation des boulets. | | VLEP (Valeur Limite d’Exposition Professionnelle) | Concentration maximale d’un contaminant dans l’air qu’un travailleur peut inhaler sans effet nocif sur une période de référence (généralement 8 h). | | HPGR | High‑Pressure Grinding Rolls, broyeur à cylindres haute pression utilisé pour le concassage tertiaire et la génération de microfissures. | | Silice cristalline | Forme de SiO₂ (quartz, cristobalite, tridymite) classée comme cancérigène lorsqu’elle est inhalée sous forme de poussières fines. | | Sintering | Agglomération thermique où la surface des particules fond partiellement sans ajout de liant, produisant un matériau cohérent appelé sinter. | | Décibel A (dB(A)) | Unité de mesure du niveau sonore pondérée selon la réponse de l’oreille humaine aux fréquences. | | Énergie spécifique (E_sp) | Quantité d’énergie consommée par unité de masse de produit traité (ex. kWh/t ou GJ/t). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un concasseur à mâchoires **Situation** : Une mine de bauxite à Minim-Martap doit traiter 150 t/h de minerai brut (taille d’alimentation moyenne 800 mm, densité 2,5 t/m³). On choisit un concasseur à mâchoires d’ouverture B = 1000 mm, longueur L = 1300 mm, vitesse de rotation N = 220 tr/min, coefficient de remplissage K = 0,65, facteur de forme S = 1,25. **Question** : Calculer le débit théorique Q (t/h) et vérifier si le concasseur répond au besoin de production. **Corrigé** : \[ Q = \frac{60 \times B \times L \times N \times K \times \rho}{S \times 10^9} = \frac{60 \times 1000 \times 1300 \times 220 \times 0,65 \times 2,5}{1,25 \times 10^9} \] \[ = \frac{27\,885\,000\,000}{1\,250\,000\,000} \approx 22,3 \text{ t/h} \] Dans la pratique, on applique un facteur de charge de 0,2–0,3 pour éviter la surcharge, donnant un débit réel d’environ 4,5–6,7 t/h, donc le concasseur est **sous‑dimensionné** pour un besoin de 150 t/h. Il faudrait augmenter l’ouverture, utiliser plusieurs unités en parallèle ou choisir un concasseur de plus grande capacité. --- ### Exercice 2 – Consommation d’énergie pour la pelletisation de concentré d’or **Situation** : Une usine de traitement d’or à Bertoua produit 120 t/j de concentré contenant 5 % d’or. Le concentré est pelletisé avec 1,5 % de bentonite et 10 % d’eau. L’énergie spécifique de séchage + cuisson est estimée à 0,55 GJ/t de boulets produits. **Question** : Déterminer la puissance thermique nécessaire (en MW) pour assurer la production continue, en supposant un facteur de charge de 0,85 (temps de fonctionnement réel). **Corrigé** : Production horaire de boulets : \[ \dot{m} = \frac{120 \text{ t/j}}{24 \text{ h}} = 5 \text{ t/h} \] Énergie nécessaire par heure : \[ E_{h}= \dot{m} \times E_{sp} = 5 \text{ t/h} \times 0,55 \text{ GJ/t} = 2,75 \text{ GJ/h} \] Conversion en puissance thermique utile : \[ P_{th}= \frac{2,75 \text{ GJ/h}}{3,6 \text{ GJ/MWh}} = 0,7639 \text{ MW}_{th} \] En tenant compte du facteur de charge 0,85 : \[ P_{th, réelle}= \frac{0,7639}{0,85} \approx 0,899 \text{ MW}_{th} \] **Réponse** : Environ **0,9 MW thermique** doivent être fournis au four de pelletisation pour maintenir la production de 120 t/j. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Surcharge d’un concasseur à mâchoires en augmentant l’écartement au-delà de la recommandation du constructeur. | Usure prématurée des mâchoires, risque de rupture, production de fines excessives. | Respecter les écarts d’ouverture indiqués dans le manuel ; utiliser un indicateur de charge (ampèremètre) pour rester dans la plage de puissance nominale. | | 2 | Négliger l’aspiration des poussières lors du transfert du concentré vers le disque de pelletisation. | Exposition des opérateurs à la silice cristalline, dépassement de la VLEP, risque de silicose. | Installer une hotte d’aspiration avec débit d’air ≥ 0,5 m³/s par poste de travail ; vérifier régulièrement l’état des filtres. | | 3 | Utiliser trop d’eau lors de la granulation à sec, transformant le procédé en granulation humide sans ajustement du liant. | Formation de grumeaux, blocage du rouleau, perte de productivité. | Contrôler l’humidité du mélange avec un hygromètre portatif ; maintenir l’humidité entre 2 % et 4 % en poids pour la granulation à sec. | | 4 | Ouvrir le four de pelletisation alors que la température interne dépasse encore 600 °C. | Risques de brûlures graves, projection de particules incandescentes, détérioration du revêtement réfractaire. | Appliquer la procédure de lock‑out/tag‑out ; attendre que la température affichée descende sous 100 °C avant toute intervention ; utiliser des gants résistants à la chaleur et un écran facial. | | 5 | Omettre le contrôle de la teneur en bentonite avant la pelletisation, entraînant une faible résistance des boulets. | Boulets qui se désagrègent lors du transport, augmentation des poussières en chute libre, perte de matière. | Effectuer un essai de compression sur un échantillon de boulets verts (IRC ≥ 2 MPa) avant le lancement en production ; ajuster le pourcentage de bentonite si nécessaire. | | 6 | Utiliser un casque antibruit inadéquat (réduction < 15 dB) dans un atelier où le concasseur génère 100 dB(A). | Exposition sonore effective > 85 dB(A), risque de surdité professionnelle. | Vérifier l’atténuation réelle du protecteur auditif (NRR) ; choisir un casque avec NRR ≥ 25 dB et le porter en permanence dans les zones bruyantes. | --- *Fin du cours.*