Formulation de certains minéraux métalliques

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire la composition chimique, la structure cristalline et les propriétés physiques de la chromite, de l’ilménite, de la magnétite et de l’hématite. - Expliquer les procédés d’enrichissement (concassage, broyage, séparation magnétique, flottation) utilisés industriellement au Cameroun pour ces minerais. - Réaliser un calcul de rendement d’enrichissement à partir de données d’analyse chimique. - Appliquer les règles de sécurité et d’hygiène spécifiques aux ateliers de traitement des minerais métalliques. **Prérequis** : Notions de chimie générale (formules moléculaires, masses molaires), de physique (magnétisme, densité), connaissance des unités du Système international (kg, m³, g/t) et familiarité avec le vocabulaire de base du traitement des minerais (concassage, broyage, séparation). --- ## Introduction contextualisée Le Cameroun dispose de gisements significatifs de minerais de fer et de titane, notamment dans les régions de l’Est (Mbalmayo, Ngaoundéré) et du Sud-Ouest (Kribi). La chromite (FeCr₂O₄) et l’ilménite (FeTiO₃) sont les principales sources de chrome et de titane, tandis que la magnétite (Fe₃O₄) et l’hématite (Fe₂O₃) alimentent les aciéries locales. La valorisation de ces minerais passe par des étapes de préparation mécanique et de séparation qui doivent respecter les normes de sécurité (port d’équipements de protection individuelle, ventilation des poussières) et les exigences environnementales (gestion des résidus, recyclage de l’eau). Ce chapitre présente, leçon par leçon, les caractéristiques essentielles de chaque minerai ainsi que les procédés industriels adaptés au contexte camerounais. --- ## I. Leçon 13 : Chromite et ilménite ### A. Chromite (FeCr₂O₄) 1. **Composition et structure** - Formule chimique : Fe²⁺Cr₂³⁺O₄. - Cristallisation dans le système cubique, groupe d’espace *Fd-3m*. - Densité théorique ≈ 4,8 g/cm³ ; dureté Mohs ≈ 5,5. 2. **Propriétés physiques** - Couleur gris foncé à noir, éclat métallique. - Faible magnétisme (paramagnétique à température ambiante). - Point de fusion ≈ 2150 °C. 3. **Occurrence au Cameroun** - Gisements associés aux roches ultramafiques du complexe de Nkambe (région de l’Ouest). - Teneurs typiques : 30‑45 % Cr₂O₃, 10‑20 % FeO. 4. **Procédé d’enrichissement** - **Concassage primaire** à mâchoires (ouverture 150 mm) → produit < 50 mm. - **Broyage secondaire** à boulets (diamètre 30 mm) jusqu’à 80 % < 75 µm. - **Séparation magnétique faible intensité** (0,3 T) pour éliminer les silicates ferromagnétiques. - **Flottation** avec collecteur à base d’acide gras (ex. acide oléique) et moussant (pine oil) pour récupérer la chromite. - **Séchage** à 105 °C, puis **calcinage** à 800 °C pour oxyder le Fe²⁺ en Fe³⁺ afin d’améliorer la susceptibilité magnétique ultérieure. 5. **Exemple chiffré de rendement** - Alimentation : 1000 kg de minerai contenant 38 % Cr₂O₃. - Après flottation, concentré obtenu : 250 kg contenant 55 % Cr₂O₃. - Rendement en Cr₂O₃ = (250 × 0,55) / (1000 × 0,38) × 100 ≈ 36 %. - Pérte de Cr₂O₃ dans les résidus ≈ 64 % (à optimiser par recyclage des eaux de flottation). > **À retenir** : La chromite est enrichie principalement par flottation après une séparation magnétique préliminaire pour éliminer les ferromagnétiques indésirables. ### B. Ilménite (FeTiO₃) 1. **Composition et structure** - Formule chimique : Fe²⁺Ti⁴⁺O₃. - Système trigonal, groupe d’espace *R-3*. - Densité ≈ 4,7 g/cm³ ; dureté Mohs ≈ 5,0‑5,5. 2. **Propriétés physiques** - Couleur noir grisâtre, éclat métallique à submetallique. - Fortement magnétique (ferrimagnétique) en raison de la présence de Fe²⁺. - Point de fusion ≈ 1560 °C. 3. **Occurrence au Cameroun** - Présente dans les sables placers du littoral (Kribi, Limbé) associés à des ilménites titanifères. - Teneurs usuelles : 45‑55 % TiO₂, 20‑30 % FeO. 4. **Procédé d’enrichissement** - **Lavage** des sables pour éliminer les argiles (hydrocyclone). - **Séparation par gravité** (tables à secousses, spirales) pour concentrer les particules lourdes (ilménite, zircon, rutile). - **Séparation magnétique haute intensité** (1,5‑2,0 T) pour récupérer l’ilménite ferromagnétique. - **Traitement chimique optionnel** : lixiviation à l’acide sulfurique chaud (200 °C) pour produire du sulfate de titane, suivi de précipitation du TiO₂. 5. **Exemple de bilan matière** - 2000 kg de sable contenant 12 % ilménite (240 kg). - Après gravité, concentré lourd : 300 kg contenant 20 % ilménite (60 kg). - Après séparation magnétique, ilménite récupérée : 50 kg contenant 48 % TiO₂ (24 kg TiO₂). - Rendement en TiO₂ = (24 kg) / (2000 kg × 0,12 × 0,48) × 100 ≈ 20,8 %. > **À retenir** : L’ilménite des placers camerounais est principalement récupérée par combinaison de gravité et de séparation magnétique haute intensité. --- ## II. Leçon 14 : Magnétite et hématite ### A. Magnétite (Fe₃O₄) 1. **Composition et structure** - Formule chimique : Fe²⁺Fe³⁺₂O₄ (spinelle inverse). - Système cubique, groupe d’espace *Fd-3m*. - Densité ≈ 5,2 g/cm³ ; dureté Mohs ≈ 5,5‑6,5. 2. **Propriétés physiques** - Couleur noir brillant, éclat métallique. - Forte magnétisme (ferrimagnétique, température de Curie ≈ 580 °C). - Point de fusion ≈ 1538 °C. 3. **Occurrence au Cameroun** - Présente dans les formations de Banded Iron Formation (BIF) du Nord (Garoua) et du Sud-Est (Bertoua). - Teneurs usuelles : 55‑70 % Fe total. 4. **Procédé d’enrichissement** - **Concassage** à cône (ouverture 100 mm) → < 25 mm. - **Broyage** à boulets jusqu’à 80 % < 45 µm. - **Séparation magnétique faible intensité** (0,2‑0,4 T) sur séparateur à tambour ou à colonne. - **Option flottation inverse** (collecteur anionique) pour éliminer les silicates lorsqu’ils sont présents en forte proportion. - **Agglomération** (pelletisation) si le concentré doit être alimenté directement à un haut fourneau. 5. **Exemple de calcul de récupération magnétique** - Alimentation : 500 kg de minerai contenant 62 % Fe. - Après séparation magnétique, concentré : 180 kg contenant 68 % Fe. - Récupération de Fe = (180 × 0,68) / (500 × 0,62) × 100 ≈ 39,7 %. - Le reste (≈ 60 %) se retrouve dans les rejets, souvent valorisés comme matériau de construction après traitement des poussières. > **À retenir** : La magnétite est séparée principalement par faible intensité magnétique grâce à son fort magnétisme intrinsèque. ### B. Hématite (Fe₂O₃) 1. **Composition et structure** - Formule chimique : Fe³⁺₂O₃. - Système trigonal, groupe d’espace *R-3c*. - Densité ≈ 5,3 g/cm³ ; dureté Mohs ≈ 5,5‑6,5. 2. **Propriétés physiques** - Couleur rouge brun à gris argenté, éclat métallique à terne. - Faible magnétisme (antiferromagnétique en dessous de 950 °C, paramagnétique au-dessus). - Point de fusion ≈ 1565 °C. 3. **Occurrence au Cameroun** - Présente dans les mêmes BIF que la magnétite, souvent sous forme de masses lamellaires. - Teneurs usuelles : 50‑65 % Fe total. 4. **Procédé d’enrichissement** - **Concassage** à mâchoires puis à cône. - **Broyage** à broches ou à boulets jusqu’à 80 % < 30 µm. - **Séparation par gravité** (jigging, tables à secousses) pour profiter de la densité élevée. - **Flottation directe** avec collecteur cationique (ex. amine) lorsque la teneur en silicates est élevée. - **Calcinage** éventuel à 600‑800 °C pour éliminer l’eau de cristallisation et améliorer la réactivité dans le haut fourneau. 5. **Exemple de bilan de flottation** - Alimentation : 800 kg de minerai contenant 58 % Fe. - Après flottation, concentré : 210 kg contenant 64 % Fe. - Récupération de Fe = (210 × 0,64) / (800 × 0,58) × 100 ≈ 29,1 %. - Le faible taux reflète la difficulté de séparer l’hématite fine des silicates ; on recourt souvent à un pré‑concentration par gravité avant flottation. > **À retenir** : L’hématite nécessite généralement une étape de pré‑concentration par gravité suivie de flottation directe pour atteindre une récupération acceptable. --- ## Synthèse du chapitre - **Chromite (FeCr₂O₄)** : densité 4,8 g/cm³, faible magnétisme, enrichie par séparation magnétique faible intensité + flottation. - **Ilménite (FeTiO₃)** : densité 4,7 g/cm³, fortement magnétique, enrichie par gravité + séparation magnétique haute intensité (option lixiviation acide). - **Magnétite (Fe₃O₄)** : densité 5,2 g/cm³, forte magnétisme, enrichie par séparation magnétique faible intensité (éventuellement flottation inverse). - **Hématite (Fe₂O₃)** : densité 5,3 g/cm³, faible magnétisme, enrichie par gravité puis flottation directe (éventuellement calcinage). - **Formule de rendement** : Rendement (%) = (masse du concentré × teneur en élément utile) / (masse de l’alimentation × teneur en élément utile de l’alimentation) × 100. - **Unités usuelles** : masse en kg, teneur en % (ou g/t), intensité magnétique en tesla (T), taille des particules en µm. - **Sécurité** : port de lunettes de protection, masque anti‑poussière (FFP2), gants résistants aux coupures, ventilation locale d’extraction (VLE) pour les opérations de broyage et de flottation. - **Environnement** : recyclage des eaux de flottation, traitement des boues contenant des métaux lourds avant rejet, suivi des émissions de poussières (PM10). > **À retenir** : Le choix du procédé d’enrichissement dépend principalement des propriétés magnétiques et de la taille de libération du minerai utile. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Chromite | Minéral d’oxyde de fer et de chrome, formule FeCr₂O₄, source principale de chrome. | | Ilménite | Minéral d’oxyde de fer et de titane, formule FeTiO₃, source de titane et de fer. | | Magnétite | Minéral d’oxyde de fer ferrimagnétique, formule Fe₃O₄, principal minerai de fer magnétique. | | Hématite | Minéral d’oxyde de fer antiferromagnétique, formule Fe₂O₃, minerai de fer largement utilisé. | | Séparation magnétique | Procédé qui exploite les différences de susceptibilité magnétique entre les particules. | | Flottation | Procédé de séparation basé sur l’hydrophobicité de la surface des particules grâce à des collecteurs et des moussants. | | Gravité (séparation par densité) | Méthode qui utilise la différence de densité entre les minerais utiles et les stériles (jig, table à secousses, spirale). | | Teneur | Pourcentage ou gramme par tonne d’un élément ou d’un composé présent dans un échantillon de minerai. | | Rendement d’enrichissement | Rapport entre la quantité d’élément utile récupérée dans le concentré et celle présente dans l’alimentation, exprimée en pourcentage. | | Poussière respirable | Particules aériennes de diamètre < 10 µm susceptibles d’être inhalées, nécessitant une protection respiratoire. | | VLE (Ventilation Locale d’Extraction) | Système d’aspiration placé près de la source d’émission pour capturer poussières, vapeurs ou gaz. | | Boues de flottation | Résidus aqueux contenant les réactifs, les particules stériles et parfois des traces de métaux lourds issus du procédé de flottation. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Calcul de rendement de chromite **Situation** : Un atelier de traitement de chromite reçoit 1200 kg de minerai contenant 34 % Cr₂O₃. Après flottation, on obtient 280 kg de concentré contenant 48 % Cr₂O₃. **Demande** : Calculer le rendement en Cr₂O₃ du procédé. **Corrigé** : - Masse de Cr₂O₃ dans l’alimentation = 1200 kg × 0,34 = 408 kg. - Masse de Cr₂O₃ dans le concentré = 280 kg × 0,48 = 134,4 kg. - Rendement = (134,4 / 408) × 100 ≈ 32,9 %. **Réponse** : Le rendement en Cr₂O₃ est d’environ **33 %**. ### Exercice 2 – Dimensionnement d’un séparateur magnétique pour ilménite **Situation** : Un flux de sable ilménitifère de 500 kg/h contient 18 % d’ilménite (FeTiO₃). On souhaite récupérer au moins 70 % de l’ilménite présente grâce à un séparateur magnétique haute intensité. **Données** : - Efficacité du séparateur = 0,85 (c’est‑à‑dire 85 % des particules magnétiques sont récupérées lorsqu’elles sont suffisamment exposées). - Il faut donc ajuster le débit de traitement pour atteindre l’objectif global. **Demande** : Déterminer le débit de sable à traiter (en kg/h) pour atteindre un taux de récupération global de 70 % de l’ilménite. **Corrigé** : - Ilménite présente dans le flux = 500 kg/h × 0,18 = 90 kg/h. - Récupération souhaitée = 0,70 × 90 = 63 kg/h d’ilménite. - Avec une efficacité de 0,85, il faut faire passer dans le séparateur une quantité d’ilménite telle que 0,85 × Q_ilmenite = 63 kg/h → Q_ilmenite = 63 / 0,85 ≈ 74,1 kg/h. - Comme l’ilménite représente 18 % du sable, le débit de sable nécessaire = Q_ilmenite / 0,18 ≈ 74,1 / 0,18 ≈ 411,7 kg/h. **Réponse** : Il faut traiter environ **412 kg/h** de sable (au lieu de 500 kg/h) pour atteindre une récupération globale de 70 % de l’ilménite avec un séparateur d’efficacité 85 %. ### Exercice 3 – Choix du procédé d’enrichissement pour l’hématite fine **Situation** : Un échantillon de minerai d’hématite présente une taille moyenne de libération de 15 µm et contient 55 % Fe, le reste étant principalement des silicates (quartz, argile). **Demande** : Proposer le procédé d’enrichissement le plus adapté et justifier le choix. **Corrigé** : - La taille de libération très fine (15 µm) exclut la séparation par gravité classique, qui est efficace généralement au‑delà de 30‑50 µm. - La faible magnétisme de l’hématite rend la séparation magnétique peu efficace sans prétraitement (calcinage ou réduction). - La flottation directe, utilisant un collecteur cationique (amine) qui rend la surface de l’hématite hydrophobe, fonctionne bien pour les particules fines (< 30 µm). - On recommande donc : broyage à boulets jusqu’à 80 % < 15 µm, conditionnement avec un collecteur amine (ex. dodecylamine) et un moussant (pine oil), flottation en colonne ou en cuve à agitation, suivi de filtration et séchage du concentré. **Réponse** : La **flottation directe** est le procédé le plus adapté pour l’hématite fine de 15 µm, car elle permet de récupérer la valeur métallique malgré la faible taille de libération et le faible magnétisme. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de porter un masque anti‑poussière lors du broyage de chromite ou d’ilménite. | Inhalation de poussières contenant du Cr(VI) ou du TiO₂, risque de pathologies respiratoires. | Toujours utiliser un masque de classe FFP2 ou supérieur et vérifier l’étanchéité avant chaque poste de travail. | | 2 | Régler l’intensité du séparateur magnétique trop faible pour la magnétite, pensant que « plus faible = moins d’énergie ». | Récupération très faible (< 20 %) du Fe, augmentation des rejets et perte économique. | Effectuer un essai de courbe de récupération (variation de l’intensité de 0,1 T à 0,5 T) et choisir l’intensité où la pente de la courbe commence à plateau (souvent 0,25‑0,35 T pour la magnétite). | | 3 | Néutraliser les eaux de flottation contenant des résidus de collecteur amine sans contrôle du pH. | Relâchement d’amines dans le milieu aquatique, toxicité pour la faune. | Mesurer le pH avant rejet ; maintenir entre 6 et 8 ; si nécessaire, ajouter une solution d’acide dilué (H₂SO₄ 0,1 M) sous agitation et contrôler la conductivité. | | 4 | Utiliser une table à secousses pour séparer de l’ilménite fine (< 20 µm) en pensant que la gravité suffit. | Très faible récupération (< 10 %) car les particules restent en suspension. | Pré‑classer par hydrocyclone ou par tamisage humide avant la table à secousses ; ne traiter que la fraction > 30 µm. | | 5 | Ne pas vérifier l’état des blindages des broches de broyage avant le démarrage. | Risque de projection de métal chaud, brûlures ou blessures. | Effectuer une inspection visuelle quotidienne des blindages, remplacer toute pièce fissurée ou usée avant chaque quart. | | 6 | Omettre l’étape de séchage du concentré avant le stockage ou la transportation. | Formation de boues collantes, risque de glissement et de détérioration du produit. | Sécher le concentré à 105‑110 °C dans un séchoir à bande ou un four rotatif jusqu’à atteindre une teneur en humidité < 0,5 % (mesurée par méthode du four). | > **À retenir** : La sécurité dans le traitement des minerais métalliques repose sur le port d’EPI approprié, la vérification régulière des équipements et le contrôle strict des rejets liquides et gazeux. --- *Fin du cours.*