MINÉRALURGIE

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Les gisements de matières premières minérales contiennent rarement un seul minéral. Un minerai se compose le plus souvent de la (ou des) substance(s) utile(s), d'une gangue stérile et parfois de substances nuisibles (par exemple, du phosphore dans du fer ; de l'arsenic ou du bismuth dans de l'étain). Aussi convient-il, avant toute commercialisation, d'éliminer au moins une partie de la gangue et, si possible, certaines substances nuisibles.

La minéralurgie, ou préparation des matières premières, comprend l'ensemble des opérations qui permettent l'élaboration de matières premières ayant une valeur marchande à partir de substances minérales naturelles. Le traitement minéralurgique consiste donc essentiellement à séparer une ou plusieurs fractions riches en éléments utiles, appelées concentrés, du rejet sans valeur commerciale immédiate, appelé stérile, tailing, ou encore pierres.

L'ancien terme de « préparation mécanique des minerais » est trop restrictif pour définir l'enrichissement des matières minérales. Il y a, en effet, des matières naturelles autres que les minerais (stricto sensu) qui sont actuellement concentrées ou séparées ; c'est le cas de substances employées uniquement par l'industrie chimique comme, par exemple, le kaolin. Les techniques ont, d'autre part, évolué et utilisent, outre les propriétés mécaniques, des propriétés électromagnétiques, physico-chimiques ou chimiques des minéraux. La flottation, méthode quantitativement la plus importante, est ainsi une opération à la fois physico-chimique et mécanique. L'évolution de l'appellation anglaise de la minéralurgie (d'abord, ore-dressing, puis, mineral beneficiation, et enfin, mineral engineering) exprime bien le caractère de plus en plus général des techniques mises en œuvre.

Dans une usine minéralurgique (appelée également laverie, ou concentrateur, lavoir dans le cas des charbons), la fragmentation, la classification granulométrique et l'enrichissement sont les trois opérations principales du traitement minéralurgique.

La fragmentation a pour but de réduire les dimensions des fragments sortant de la mine. Elle répond à une double préoccupation : d'une part, libérer (individualiser) les constituants minéralogiques de la roche exploitée, condition indispensable à toute tentative de séparation, et, d'autre part, se placer dans l'intervalle granulométrique d'efficacité du procédé minéralurgique adopté. En effet, tout procédé de séparation solide-solide n'est efficace qu'à condition de traiter des grains dont les dimensions sont situées à l'intérieur d'une zone granulométrique à limites plus ou moins bien définies. Il faut ajouter que la fragmentation est l'opération qui absorbe la plus grande partie des frais d'une usine minéralurgique (30-60 p. 100 en général). Il y a néanmoins quelques exceptions : les constituants des minerais contenus dans les gisements détritiques (placers) sont naturellement libérés, et la fragmentation n'est pas nécessaire, ou n'intervient que de façon tout à fait secondaire.

La classification granulométrique permet le contrôle de la fragmentation et, éventuellement, l'approvisionnement en tranches granulométriques séparées de la section d'enrichissement, qui seront traitées séparément. En effet, certains procédés ne peuvent être utilisés que si, à l'intérieur de leur intervalle d'efficacité, des fractions granulométriques plus étroites sont enrichies dans des appareils distincts.

L'enrichissement consiste le plus souvent en une séparation solide-solide. Dans un appareil de concentration et sous l'action de forces spécifiques, les grains constituant le minerai pulvérulent suivent, selon leur nature, des trajectoires différentes. Cette opération fait appel soit à des appareils gravimétriques qui mettent à profit la différence de poids spécifique des constituants minéralogiques ; soit à des appareils magnétiques où les minéraux sont séparés en fonction de leur susceptibilité magnétique spécifique (rapport de la susceptibilité magnétique à la masse spécifique) ; soit à des appareils électrostatiques qui séparent selon la valeur de la conductivité électrique. On peut également utiliser diverses techniques physiques fondées par exemple sur la différence de couleur, ou d'indice de réfraction. La flottation, pour sa part, consiste à diminuer la mouillabilité de certains constituants solides d'une pulpe, qui sont ensuite entraînés par des bulles d'air vers la surface.

Quant aux procédés chimiques, ils comportent une mise en solution, suivie d'une séparation, ou précipitation, sélective ; en conséquence, ils altèrent la nature des minéraux.

Il convient enfin de signaler les opérations annexes. Il s'agit essentiellement de séparations solide-eau : clarification, filtrage et, plus rarement, séchage. Les concentrés finals ne sont pas séchés, en général, car une humidité résiduelle de 8-10 p. 100 facilite le transport. Toutefois, les produits de haute valeur sont transportés sous emballage et donc préalablement séchés. D'autre part, certains minerais sont agglomérés ou nodulés (pelletisés) sur le carreau de la mine ; les produits finals sont alors secs.

Les différentes opérations ne se succèdent pas dans un ordre logique. Des appareils de classification granulométrique sont ainsi presque toujours intercalés entre deux étages de concassage, pour court-circuiter les grains suffisamment fins. On peut également placer des appareils de concentration avant le dernier étage de la fragmentation, afin de séparer les constituants déjà libérés et d'éviter le « surbroyage », générateur de pertes.

La fragmentation

La fragmentation est une des plus importantes opérations industrielles. Son intérêt déborde largement le cadre de l'industrie minérale ; la métallurgie, la chimie et la cimenterie, par exemple, utilisent également des techniques de fragmentation. À l'échelle mondiale, on estime à plusieurs milliards de tonnes le poids des matériaux fragmentés par an, et plus de 3 p. 100 de l'énergie produite dans le monde alimente des engins de fragmentation.

La dimension D des grains (mesurée par tamisage ou tout autre procédé) entrant et sortant d'un appareil de fragmentation n'étant pas uniforme, un produit est caractérisé par son spectre granulométrique. L'étude de la composition granulométrique s'inspire des procédés statistiques. Les courbes granulométriques sont des fonctions de distribution, qui diffèrent cependant des courbes statistiques correspondantes sur un point capital : la grandeur portée en ordonnée est le poids au lieu du nombre des grains (l'abscisse étant souvent égale à lg D). La statistique pondérale n'est pas, en effet, une simple transposition de la statistique numérale. Ainsi, la courbe de fréquence pondérale n'a aucun caractère probabiliste et le mode (maximum de la courbe de fréquence, point d'inflexion de la courbe de répartition) ne représente plus le grain le plus fréquent (la courbe de fréquence numérale d'un produit broyé est toujours une courbe amodale di [...]

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Écrit par :

  • : ingénieur civil des Mines, docteur en sciences appliquées, professeur ordinaire et directeur de service à l'Université libre de Bruxelles, membre de l'Académie royale des sciences outre-mer et de sociétés savantes

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Pour citer l’article

Georges PANOU, « MINÉRALURGIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/mineralurgie/