Modeling and simulation of spiral concentrators

Les spirales gravimétriques ou « spirales » sont des équipements de séparation par gravité utilisés pour la valorisation des minerais pour lesquels la densité des minéraux de valeur est significativement différente de celle de gangue. C'est le cas du traitement du minerai de fer discuté dans cette thèse. Les spirales sont préférées à d'autres séparateurs car elles sont peu coûteuses, simples à utiliser, pratiquement sans entretien, peu exigeantes en énergie et n'utilisent pas de réactif. Malgré ces qualités attrayantes et contrairement à la flottation, peu d'études sont consacrées à examiner l'opération des spirales. En effet, ce n'est que récemment que l'analyse de ce procédé a démontré que les spirales ne réussissaient pas à récupérer les particules minérales denses et grossières au produit lourd alors qu'elles le devraient en théorie. Il a également été démontré récemment que l'eau de lavage, qui est la principale variable de contrôle pour les spirales, est en partie responsable de la perte des particules grossières. Pour compenser cette perte, d'autres variables de contrôle doivent être utilisées, dont l'ouverture des couteaux de concentré et la position des portes du diviseur à la décharge de la spirale. L'étude de stratégies alternatives de contrôle des spirales ne peut difficilement se faire en milieu industriel, car l'opération des usines de traitement des minéraux est soumise à des contraintes imposées par la production et la qualité du produit final. Par ailleurs, l'impact des perturbations dues aux variations du minerai et/ou aux problèmes mécaniques dans l'usine est inévitable. Tester de nouvelles stratégies de contrôle dans une usine pilote est une option certainement trop coûteuse. Les opérateurs d'usine recherchent donc des approches rapides et peu coûteuses pour identifier des stratégies qui pourraient ensuite être testées sécuritairement dans l'usine. La simulation de procédé offre cette possibilité, mais une étude de la littérature a rapidement révélé l'absence d'outils de simulation pour les spirales et plus particulièrement pour les circuits de séparation gravimétrique utilisant des spirales. Pour construire un tel simulateur il faut donc trouver ou développer des modèles mathématiques pour les unités du circuit. Pour pouvoir tester des stratégies de contrôle, il est important que le modèle développé prenne en compte les variables de fonctionnement de la spirale, dont l'ouverture des couteux de concentré et du diviseur à la décharge de spirale ainsi que l'ajout d'eau de lavage. L'objectif de ce projet de recherche est de proposer un tel modèle pour les spirales. Le modèle mathématique proposé décrit la trajectoire des particules distribuées en classes de minéraux/taille lors de leur descente dans la spirale. Cette prédiction est réalisée en introduisant le nouveau concept de Fonctions de Déplacement de Particules (FDP) pour décrire les mouvements des particules. Le modèle est calibré en utilisant des données générées à partir d'essais réalisés sur un montage à l'échelle pilote construit autour d'une spirale Mineral Technologies WW6 +, installée au Laboratoire de Traitement de Minerai de l'Université Laval. Le modèle est ensuite validé avec des données obtenues avec une spirale WW6E opérée au COREM. Le montage, mis en service à l'Université Laval, utilise une distribution contrôlée d'eau de lavage dans les tours de spirale pour surmonter le problème observé de distribution inégale de l'eau de lavage lorsque le système intégré à la spirale est utilisé. Le montage est également conçu pour échantillonner simultanément le produit de chaque couteau de concentré de la spirale, de sorte que la progression de la séparation des minéraux dans la spirale puisse être utilisée pour calibrer le modèle. Le simulateur calibré prédit de manière adéquate la réponse de la spirale aux changements des états des variables manipulables. Le modèle est capable de simuler l'opération d'une spirale nettoyeuse bien qu'il ait été calibré à l'aide de données collectées à partir d'une spirale ébaucheuse. Le modèle proposé est prêt à être implanté dans un simulateur pour une usine de traitement de minerai de fer, bien qu'il reste du travail à faire pour finaliser la méthodologie de calibrage pour améliorer la prédiction de la distribution granulométrique des minéraux dans le flux mixte de la spirale

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