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 / Spiral concentrators are gravity separation devices used for the valorization of ores for which the specific gravity of the valuable minerals is significantly different from that of the gangue minerals. This is the case of iron ore processing discussed in this thesis. Spirals are preferred to other mineral separation devices because they are inexpensive, simple of operation, practically maintenance free, low energy demanding and do not require the use of reagents to separate minerals. Despite these appealing qualities and unlike flotation, few studies are dedicated to the analyze the spiral operation. Indeed, it is only recently that basic process analysis has shown that spirals fail to recover coarse dense mineral particles to the heavy product. It has also been recently found that wash water, as the main control variable for the operation of the studied spirals, is partly responsible for the loss of coarse valuable particles. To make up for this loss and to maintain a satisfactory operation of spirals, other control variables such as the concentrate cutter openings and position of the splitter gates at the spiral discharge should be used. The study of alternative control strategies for spirals implies testing these strategies in the industrial environment, which is practically impossible considering that the operation of mineral processing plants is subjected to constraints imposed on the production and on the quality of the plant product. Besides, the impact of disturbances due to ore variations and/or mechanical problems in the plant is unavoidable. Testing new control strategies in pilot plant is possible but it is certainly costly if one can find a pilot plant equipped for such testing. Plant operators are thus seeking for rapid and inexpensive approaches to carry out such investigation to identify strategies that can subsequently be safely tested in a plant. Process simulation offers this possibility, but a literature survey rapidly revealed the absence of simulation tools for spirals and more particularly for gravity separation circuits that use spiral concentrators. The first step in building such circuit simulator is to find or develop mathematical models for the units of the circuit. With the objective of testing control strategies, it is thus important that the model to be developed be able to account for the usual spiral operating variables, namely the cutter opening, the discharge splitter position and the wash water addition. The objective of this research project is to propose such model for spirals. A mathematical model is therefore described to predict the trajectory of particles distributed in mineral/size classes as they flow down a spiral. This is achieved here by introducing the new concept of Particle Displacement Functions (PDF) in spiral modelling to describe the movements of the particles flowing down the spiral. The model is calibrated using data generated from tests conducted on a pilot-scale test rig built around a Mineral Technologies WW6+ spiral, installed in the Mineral Processing Laboratory of Université Laval. The model is further validated with data obtained from a WW6E spiral operated at COREM. The test rig commissioned at Laval University uses a controlled wash water distribution within the spiral turns to overcome the observed problem of unequal wash water distribution when using the spiral built-in wash water distribution system. The test rig is also designed to sample simultaneously the product from each concentrate cutter of the spiral, so that the progress of the heavy mineral concentration down the spiral can be monitored. This information can be used to calibrate the model. The calibrated spiral simulator predicts adequately the spiral response to changes in the states of the operating variables. The model can simulate a cleaner spiral operation although it is calibrated using data collected from a rougher spiral operation. The proposed model is ready to be implemented into a simulator for an iron ore processing plant, although work remains to be done to finalize the calibration methodology to improve the prediction of the mineral size distribution in the spiral middling stream.

Les spirales sont des appareils de séparation gravimétrique principalement utilisés dans l’industrie du traitement du minerai de fer. La classification des particules dans la pulpe s’effectue lors de la descente dans les spires en fonction de leur taille et leur densité, des conditions d’opération et de la géométrie de la spirale. L’effet des conditions d’opération (pourcentage solide, débit d’alimentation et débit d’eau de lavage) est évalué sur la performance des spirales en utilisant une spirale WW6E installée à COREM pour traiter un minerai de fer de ArcelorMittal, Québec. Les résultats montrent l’effet dominant du débit de l’eau de lavage et son impact majeur sur les particules grossières. Un circuit fermé de trois spirales parallèles avec 3, 5 et 7 tours est utilisé afin d’évaluer l’influence du nombre de tours. Les résultats préliminaires indiquent que la spirale trois tours fonctionne bien pour le nettoyage tandis que la 7 tour est robuste pour l’ébauchage et l’épuisage. / Spiral concentrators are gravity separation devices widely used in the iron ore industry. Suspended particles in the slurry, descending a spiral trough, are classified according to their size and specific gravity. Operating conditions and spiral geometry influence the classification. The effect of operating conditions, e.g. wash water flow rate, slurry solids concentration and feed rate, is studied on spirals performance. The tests are conducted using a pilot spiral (WW6E) at COREM and an iron ore from ArcelorMittal, Quebec. Results clearly demonstrate the dominant effect of the wash water addition with its major impact on coarse particles. A closed circuit of 3 parallel spirals with 3, 5 and 7 turns at COREM is used to assess spirals performance as a function of the number of turns. Initial results from twelve tests indicate that the 3-turn-spiral is well suited for cleaning, while the 7-turn-spiral is robust for roughing and scavenging duty.

L'usine Niobec traite un minerai de pyrochlore porteur de niobium pour produire le ferro-niobium utilisé pour la fabrication d'acier. L'usine récupère environ 60% des minéraux de niobium. Les rejets contiennent du niobium et d'autres espèces minérales potentiellement valorisables. Les travaux présentés dans ce mémoire visent à identifier les espèces pouvant être valorisées dans les rejets de Niobec dont les plus prometteurs sont les éléments de terres rares, les minéraux de niobium et l'apatite. Dans le but de concentrer l'apatite des rejets de l'usine, une analyse chimique des rejets a permis de cibler comme flux d'intérêt les particules de dimension supérieure à 0,038mm dans le concentré de carbonates et les rejets du circuit de flottation du pyrochlore. La méthode utilisée pour valoriser les phosphates est la flottation. Les meilleurs résultats ont été obtenus par flottation directe des minéraux de phosphate du concentré de carbonates dans les rejets de Niobec. Le collecteur utilisé est un acide gras de type AERO 6493 avec un mélange d'amidon de tapioca et de NaOH utilisé comme déprimant pour les carbonates. Ces conditions ont permis de produire un concentré d'apatite titrant entre 30 à 32 % P2O5 avec un rendement de 50 à 60% du P2O5 contenue dans le concentré de carbonates. La teneur en MgO dans le concentré d'apatite est comprise entre 3 et 4% comparativement à 15% dans l'alimentation. Puisque le MgO est principalement associé à la dolomie ces résultats confirment une bonne dépression de ce minéral lors de la flottation de l'apatite du concentré de carbonates. La flottation de l'apatite à partir des rejets du pyrochlore n'a pas permis d'obtenir un concentré de valeur commerciale. Le meilleur résultat obtenu lors des essais de flottation sur les rejets pyrochlore correspond à une teneur de 14%avec un rendement de 53% P2O5. Les résultats obtenus montrent toutefois le potentiel associé à la récupération des minéraux de phosphates et justifient la poursuite des travaux, cette fois, moins exploratoires que les travaux rapportés dans ce mémoire.