L’usine de bouletage

II.2.2.1 Le procédé de fabrication

Comme il est montré à la Figure 14, le concentré en provenance du Mont-Wright passe d’abord par l’étape de triage. Le minerai entreposé est ensuite dirigé vers les lignes 1 ou 2, qui sont divisées en trois sous-circuits. Chaque circuit de la ligne 1 compte un broyeur, un démouilleur et un classificateur hydraulique. La ligne 2 comporte aussi des broyeurs, mais seulement le circuit E utilise un classificateur hydraulique. Tous les circuits de broyage de la ligne 2 opèrent en circuit fermé par des hydrocyclones. Les circuits D et

ARLSiO2 [%]

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F de la ligne 2 ne possèdent pas de classificateur hydraulique, car ils traitent généralement le concentré provenant de l’usine d’enrichissement ou un minerai ne nécessitant pas d’enrichissement pour le type de boulette à produire. L’alimentation de l’usine d’enrichissement provient des rejets des classificateurs hydrauliques primaires des circuits A, B, C et E. Le produit des circuits de broyage doit avoir une fraction passant 45 μm d’au moins 65 %. Le produit broyé est ensuite envoyé dans des réservoirs à boue. Cette boue est dirigée vers les filtres à disques, pour produire un gâteau titrant environ 15 % d’humidité. Le gâteau de concentré est alors mélangé avec les additifs nécessaires avant l’étape d’agglomération sur des disques. Finalement, les boulettes produites lors de l’agglomération sont dirigées vers l’un des deux fours, pour subir l’étape de durcissement.

La Figure 15 présente un schéma simplifié de l’usine de bouletage et la Figure 16 détaille la partie de l’usine, consacrée à l’enrichissement secondaire. L’élimination du dioxyde de silicium, du concentré arrivant du concentrateur de Mont-Wright, est effectuée en tête de circuit en passant par les classificateurs hydrauliques primaires. Le concentré des classificateurs primaires alimente les broyeurs A, B, C et E. La matière rejetée par les classificateurs contient du dioxyde de silicium, mais aussi de l’oxyde de fer, qui est récupéré dans un circuit d’enrichissement secondaire. Le circuit d’enrichissement secondaire comporte des tamis, des hydrocyclones, ainsi que deux classificateurs hydrauliques secondaires et un tertiaire. Les minéraux connus qui sont présents dans le concentré (lequel de la mine ou après les classificateurs primaires) sont:

1) Hématite: Fe2O3

2) Magnétite: Fe3O4

3) Quartz (majoritaire): SiO2

4) Mica: (KAl2)(AlSi3O10)(OH)2

5) Grenat: (Ca0.1Mg0.15Mn0.1Fe0.65)3(Al0.9Fe0.1)2(SiO4)3

6) Ilménite: FeOTiO2

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Figure 14 : Schéma simplifié de la ligne 1 et 2 de l’usine de bouletage.

33

Figure 15 : Schéma simplifié de l’usine de bouletage.

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Figure 16 : Schéma simplifié de l’usine de bouletage (enrichissement).

II.2.2.2 Le type de boulettes

À l’usine de bouletage d’ArcelorMittal, la nature du traitement effectué sur le concentré dépend avant tout du type de boulettes à produire en fonction des commandes des clients. La composition des boulettes (SiO2, MgO, CaO, etc.) dépend du type de procédé employé pour la fonte. Par exemple, des boulettes de type BBS (boulettes basse teneur en silice) sont utilisées dans les fours de réduction directe, qui exigent une fraction plus basse en silice que des boulettes de type BAF (boulettes autofondantes), qui servent d’alimentation pour les hauts fourneaux. Les principaux types de boulettes produites sont présentés dans le Tableau 5.

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Tableau 5 : Types de boulettes produites à l’usine de bouletage.

II.2.2.3 Opération des classificateurs primaires

Le schéma du classificateur primaire A et des appareils qui l’entourent est présenté à la Figure 17. Le concentré sec en provenance du Mont-Wright alimente un tamis, qui a pour objectif d’enlever les objets autres que le matériel recherché. Un jet d’eau est projeté sur le tamis pour faciliter le tamisage. Le débit de concentré convoyé est calculé en fonction de la vitesse des bandes du convoyeur et de l’ouverture des silos alimentant le convoyeur.

Le matériau passant du tamis est envoyé dans le classificateur primaire, à une concentration solide d’environ 47 %, qui est ajustée avec de l’eau de dilution. De l’eau de fluidisation est ajoutée à la base de la section carrée, dans le but de créer un courant d’eau ascendant, servant à séparer les particules. Les particules plus fines ou moins denses sortent par le haut du classificateur, tandis que les plus denses ou les plus grossières sédimentent vers le bas de l’appareil. C’est alors que l’ajout d’eau, appelé eau de cône, facilite l’évacuation de la pulpe de sousverse. La densité du lit, i.e. de la pulpe au-dessus de l’injection de l’eau de fluidisation, est contrôlée par un capteur de pression qui agit par l’intermédiaire d’un régulateur PID sur l’ouverture de la vanne de sousverse. Il faut noter qu’une vidange complète (« flush ») de l’appareil est effectuée toutes les 5 heures pour dégager les parois du cône, où des particules pourraient s’accumuler, réduisant ainsi les risques de bouchage de la buse de sousverse du classificateur. La vidange consiste à ouvrir à 100 % la vanne de sousverse et à augmenter le débit d’eau de fluidisation, ce qui permet de détacher le solide qui pourrait s’accumuler sur les parois du cône, sous les points d’injection d’eau de fluidisation.

SiO2 MgO CaO Autre BHF Boulettes haut fourneau 5.20 0.25 0.60 -BAF Boulettes autofondantes 3.75 1.30 3.68 -BBS Boulettes basses silice 1.60 0.30 0.48

-Boulettes basses silice

-36

La surverse du classificateur, riche en silice, est envoyée dans une cuve de rétention (CA8A), dont le niveau est ajusté par un ajout d’eau. Cette cuve alimente l’hydrocyclone 3 de l’usine d’enrichissement qui récupère une partie des minéraux de fer perdus dans la surverse. La sousverse du classificateur primaire, c.-à-d. le concentré enrichi d’hématite, est dirigée dans une cuve de rétention (CA9A), dont le niveau est maintenu par un ajout d’eau. Cet ajout d’eau a aussi comme objectif de faciliter le pompage de la pulpe vers un démouilleur, placé au-dessus de la buse d’alimentation du broyeur. Le démouilleur est un classificateur hydraulique dont l’objectif est d’enlever l’eau ajoutée pour faciliter le pompage de la pulpe. La surverse du démouilleur est dirigée vers l’épaississeur de 60’ et la sousverse alimente le broyeur A. Des convoyeurs alimentent le broyeur A en charbon et en dolomie (CaMg(CO3)2). Selon le type de boulettes qui sont produites, du concentré, en provenance du concentrateur de Mont-Wright, peut aussi être ajouté à l’alimentation du broyeur (voir Figure 17).

Un débitmètre et un densimètre sont installés à la sortie du broyeur, pour y obtenir les informations servant au calcul de la récupération en poids du classificateur primaire. Le rendement en poids est utilisé pour ajuster le débit d’eau de fluidisation et la densité du lit de pulpe.

Les circuits entourant les classificateurs primaires B et C sont présentés à l’annexe B. Ces circuits sont semblables à celui du classificateur primaire A, sauf que les broyeurs B et C fonctionnent en circuit fermé. Ainsi, le produit du broyeur est classifié en fonction de la granulométrie, par quatre classificateurs hydrauliques, identifiés par la suite comme étant des séparateurs hydrauliques. La surverse des séparateurs contient les particules fines qui sont envoyées dans l’épaississeur de 75 pi, puis vers les étapes de filtration et d’agglomération du concentré en boulettes de 1.2 cm, se terminant par l’étape de cuisson.

La sousverse des séparateurs hydrauliques contient les particules grossières qui vont retourner à l’alimentation du broyeur.

En mode d’opération normale, les broyeurs A, B et C alimentent les équipements d’agglomération et le four de durcissement de la ligne 1, alors que les broyeurs D, E et F alimentent ceux de la ligne 2.

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Figure 17 : Diagramme d’écoulement autour du classificateur primaire A.

II.2.2.4 Stratégie de régulation des classificateurs primaires

Dans le cas des classificateurs primaires (A, B et C) le débit alimenté dépend majoritairement de la granulométrie du produit des circuits de broyage en aval. Une analyse granulométrique du produit du circuit de broyage permet à l’opérateur d’ajuster le débit d’alimentation du classificateur hydraulique, dont la sousverse alimente le circuit de broyage. Une granulométrie trop fine du produit d’un circuit de broyage est corrigée par une augmentation du débit d’alimentation, au classificateur hydraulique, dont la sousverse alimente le broyeur. Inversement une granulométrie trop grossière du produit des broyeurs peut être corrigée par une diminution du débit alimentant les broyeurs.

Lors de l’alimentation du classificateur hydraulique, la quantité d’eau injectée avec le concentré issu du Mont-Wright est calculée pour avoir une fraction solide entre 43 et 47 % (p/p). L’eau introduite dans le cône, à la base des classificateurs primaires A, B et C, est maintenue à environ 250 L/min. Pour chaque classificateur, le débit d’eau de

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fluidisation et la densité du lit de pulpe sont ajustés en fonction de la récupération en poids obtenue au concentré. La récupération en poids est le rapport entre le débit de concentré enrichi, produit à la sousverse, et le débit d’alimentation du classificateur. La récupération en poids visée varie entre 80 et 85 %. Le rendement en poids doit être maintenu en garantissant une concentration en silice de la sousverse de 1.6 % pour la BBS et 2.5 % pour la BSA. Lorsque la récupération en poids est au-dessus de 85 %, on augmente le débit d’eau de fluidisation de 25 L/min, jusqu’à un maximum de 2000 L/min. Lorsque le plateau est atteint, on augmente la densité du lit, par échelon de 0,05 g/cm³. Lorsque la récupération en poids est sous les 80 %, on diminue le débit d’eau de fluidisation de 25 L/min jusqu’à un minimum de 1800 L/min. Lorsque cette limite est atteinte, on diminue la densité du lit par échelon de 0,05 g/cm³. L’ouverture de la vanne de sortie en sousverse est ajustée pour maintenir la densité de la pulpe, au-dessus du point d’injection de l’eau de fluidisation.

La teneur en dioxyde de silicium est estimée de façon ponctuelle (échantillonnage et analyse chimique des échantillons) pour chaque classificateur et aussi de façon globale sur les lignes 1 et 2. Par bilan de matière et à l’aide des analyses effectuées régulièrement, on ajuste le dosage des additifs utilisés, afin de corriger les teneurs en silice ou autre. Par exemple, il est possible d’augmenter la teneur en silice, dans le concentré envoyé à l’étape d’agglomération, par l’ajout direct d’un concentré provenant de Mont-Wright, aux broyeurs D, E et F (voir Figure 17).

II.2.2.5 Opération de l’usine d’enrichissement

L’usine d’enrichissement, présentée à la Figure 18, est opérée pour récupérer une partie de l’hématite, perdue dans les rejets (surverses) des classificateurs hydrauliques primaires. Dans un premier temps, une série d’hydrocyclones traitent les rejets (surverse) des classificateurs primaires, pour en augmenter la concentration solide. La surverse des hydrocyclones va à l’épaississeur de 90 pieds, tandis que la sousverse est dirigée vers les classificateurs hydrauliques secondaires (CH30 & CH31). Les concentrés (sousverses) des deux classificateurs secondaires sont envoyés dans la cuve CA14 pour ensuite être renvoyés vers les broyeurs de la ligne 2. Le niveau des cuves de l’usine d’enrichissement est aussi contrôlé par un ajout d’eau automatique. Les rejets (surverses) des classificateurs CH30 et CH31 sont envoyés vers une série d’hydrocyclones, pour ensuite être dirigés vers

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trois tamis vibrants. Ces derniers ont comme fonction de séparer les particules grossières légères, des particules lourdes plus fines, qui n’auraient pas été séparées dans les classificateurs situés en amont. Le refus du tamis (tamis de 230 μm), c.-à-d. les particules grossières riches en silice, est envoyé vers la cuve CN_ITE, avant d’être pompé vers le parc à résidus. Le passant de ces tamis (tamis de 230 μm) est envoyé dans le dernier classificateur hydraulique de la série (CH32). Comme pour les classificateurs secondaires, le concentré du tertiaire, appauvri en silice, est dirigé vers la cuve CA14. Le rejet est envoyé dans la cuve CA03 pour subir d’autres étapes d’enrichissement.

La différence majeure entre les classificateurs primaires et secondaires est la taille des particules qui alimentent les machines. Il y a très peu de particules de dimension supérieure à 300 microns dans les classificateurs secondaires. Les particules plus grossières présentent habituellement un degré de libération moins grand que celui des particules plus fines, ce qui favorise une séparation qui opère selon le minéral et la taille des particules.

Le contrôle des classificateurs secondaires diffère légèrement des classificateurs primaires. Dans les classificateurs secondaires, lorsque la teneur en silice dans le concentré est trop haute, on augmente la densité du lit dans le classificateur, tout comme le débit de l’eau de fluidisation. Lorsque la teneur en silice est inférieure à la consigne, on fait l’opération inverse, i.e. qu’on diminue la densité du lit de pulpe et le débit d’eau de fluidisation.

II.2.2.6 Déroulement des campagnes en usine

L’acquisition de données sur les classificateurs hydrauliques industriels est effectuée par campagne d’échantillonnage. Avant le début d’une campagne d’échantillonnage, le classificateur hydraulique est placé en régime stationnaire, c.-à-d. que les variables d’entrée sont maintenues constantes, afin d’éviter de produire des régimes transitoires, pendant la campagne. Les vidanges (ou flushes) planifiées doivent alors être suspendues pour la durée de l’échantillonnage.

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Figure 18 : Diagramme d’écoulement à l’usine d’enrichissement.

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Lors de l’échantillonnage en usine, deux équipes de deux personnes se partagent la tâche. Dans un premier temps, trois prélèvements (échantillons de type composé) sont faits aux 15 minutes, dont un à l’alimentation, un à la sousverse et un à la surverse des classificateurs, pour une durée totale d’environ 45 minutes. Les positions des points d’échantillonnage sont données à la Figure 19 et à la Figure 20. Dans un deuxième temps, des échantillons sont pris en profondeur, dans les classificateurs primaires, secondaires et tertiaire, par un seul groupe, composé des quatre personnes. Ils sont pris à des profondeurs de 7.6 cm, 35.6 cm, 66.0 cm, 96.5 cm, 129.35 cm, 160.0 cm et 193.0 cm. La durée estimée de cette tâche est de 30 minutes par classificateur.

Les échantillons prélevés sont par la suite analysés, pour en obtenir ; le pourcentage solide, la chimie globale, la granulométrie et les granulo-chimies. Une seconde analyse granulométrique, par le Microtrac, est aussi effectuée par le personnel d’ArcelorMittal. Les échantillons prélevés, ainsi que les analyses effectuées, sont résumés au Tableau 6, alors que les conditions d’opération et les points d’échantillonnage sont donnés au Tableau 7 et au Tableau 8.

Tableau 6 : Campagnes d’échantillonnage de 2012.

Class. Primaire Class. Secondaire Class. Tertiaire

Nombre de

campagnes 2 1 1

-Pourcentage Solide -Pourcentage Solide -Pourcentage Solide -Chimie globale -Chimie globale -Chimie globale

-Granulométrie -Granulométrie -Granulométrie -Granulo-chimie -Granulo-chimie -Granulo-chimie -Analyse Microtrac -Analyse Microtrac -Analyse Microtrac Détail de

l'échantillonnage

Profondeurs à échantillonner 7.6; 35.6; 66.0; 96.5; 129.5; 160.0;

193.0 cm (3; 14; 26; 38; 51; 63; 76 po)

Type d'analyse

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Tableau 7 : Points d’échantillonnage et conditions opératoires (1/2).

###(##) : Moyenne et écart-type pendant la période d’échantillonnage

La Figure 19 et la Figure 20 montrent les emplacements des échantillonnages pour la campagne d’échantillonnage de la phase 6. La fraction solide de l’alimentation des classificateurs primaires a été calculée sur des échantillons, pris directement sur les convoyeurs, afin de déterminer le taux d’humidité du concentré, provenant des silos, qui variera autour de 4 %. Il est à noter que l’alimentation du classificateur secondaire a été reconstituée à partir des échantillons pris au rejet des classificateurs primaires A, B, C et E. La fraction solide de celle-ci est donc imprécise, tout comme les teneurs des éléments et les distributions granulométriques de l’alimentation. La surverse du classificateur tertiaire est envoyée dans la cuve CA03 (voir figure 15), avant d’être pompée vers les hydrocyclones, qui ont comme rôle d’éliminer l’eau de la surverse et de concentrer le solide en sousverse. L’échantillon de surverse, du classificateur hydraulique tertiaire, est donc prélevé à la sousverse de l’hydrocyclone, d’où l’hypothèse qu’il n’y aurait pas de solide dans la surverse de l’hydrocyclone.

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Tableau 8 : Points d’échantillonnage et conditions opératoires (2/2).

###(##) : Moyenne et écart-type pendant la période d’échantillonnage.

Figure 19 : Points d’échantillonnage de la campagne du 27 novembre 2012.

Primaire (circuit B) Primaire (circuit C)

Date 27/11/2012 27/11/2012

Rejet Échantillonneur Échantillonneur (Surverse) Automatique Automatique Concentré

(Sousverse) Tonnage alimentation [t/h]

Eau fluidisation [l/min]

Densité du lit [g/cm³] Eau de dilution

[l/min]

Ouverture vanne

de sousverse [%] 66.10(0.18) 35.32(0.34) Convoyeur Convoyeur

Manuel Manuel

1950(4.2) 2100(6.2) 2.15(0.00) 2.00(0.00) 4470(3.4) 3710(7.4) Alimentation

256(0.02) 213(0.00)

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Figure 20 : Points d’échantillonnage de la campagne du 20 novembre 2012.

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