Étant donné que les minéraux apparaissent fréquemment dans des associations complexes dans la nature, la libération minérale est un aspect clé du traitement de minerais et celle-ci est accomplie par comminution. Cette opération est certainement l’une des plus importantes, mais aussi des plus coûteuses dans l’industrie. La réussite globale d’une usine dépend souvent de la performance du circuit de broyage car il existe un compromis pour atteindre la taille des particules libérant les minéraux ciblés afin d’obtenir des concentrés de haute pureté tout en ayant de faibles coûts d’opération, lesquels sont largement influencés par la consommation énergétique. Dans les années récentes, les entreprises ont été confrontées à des objectifs de performance plus exigeants, une concurrence accrue sur les marchés, et des réglementations environnementales et de sécurité plus strictes. D’autres défis supplémentaires sont inhérents aux circuits de broyage, par exemple les réponses non linéaires, le niveau élevé d’intercorrélation entre les variables et les recirculations de matière. Les problèmes ci-dessus soulignent la pertinence d’avoir des systèmes de contrôle et d’optimisation adéquats pour lesquels les praticiens profitent de plus en plus des approches basées sur des modèles pour y faire face de façon systématique. La modélisation et la simulation sont des outils puissants ayant des avantages significatifs tels que les faibles coûts, les temps requis pour réaliser des expériences relativement courts et la possibilité de tester des conditions opérationnelles extrêmes ainsi que différentes configurations des circuits sans interrompre la production. De toute évidence, la qualité des résultats sera aussi bonne que la capacité du modèle à représenter la réalité, ce qui souligne l’importance d’avoir des modèles précis et des procédures de calibrage appropriées, un sujet fréquemment omis dans la littérature. Un autre aspect essentiel qui n’a pas été rapporté est l’intégration efficace de la libération minérale aux systèmes de contrôle et d’optimisation de procédés. Bien qu’il s’agisse d’une information clé directement liée aux performances de l’étape de concentration, la plupart des stratégies se concentrent exclusivement sur la taille de particule du produit. Ceci est compréhensible étant donné qu’il est impossible de mesurer la distribution de libération présentement. Basée sur une librairie de simulation d’usines de traitement des minerais déjà existante, cette recherche aborde lesdits problèmes en (1) développant un modèle de libération minérale visant à coupler les étapes de broyage et de concentration ; (2) programmant et validant par calibrage un modèle phénoménologique de broyeur autogène/semi-autogène (BA/BSA), nécessaire pour compléter la librairie de simulation ; (3) couplant un simulateur de circuit de broyage à un procédé de concentration avec le modèle de libération, et (4) développant un système de contrôle et d’optimisation qui considère explicitement des données de libération minérale pour évaluer les avantages économiques. Les principaux résultats confirment que le modèle de libération est capable de reproduire avec précision des distributions de libération minérale couramment observées dans l’industrie. Cependant, si les données de calibrage correspondent à un point d’opération unique, la validité pourrait être limitée aux régions voisines proches. Le problème de caractériser l’évolution de la libération minérale aux diverses conditions d’opération ainsi qu’aux régimes transitoires reste à être abordé. Le modèle de libération s’est aussi révélé utile pour coupler des circuits de broyage avec des procédés de concentration, en particulier pour une unité de flottation. Quant au modèle de BA/BSA, celui-ci peut capturer le régime statique ainsi que la dynamique d’un broyeur réel et conjointement avec le reste des équipements dans la librairie de simulation, des circuits de broyage industriels. Ceci a été confirmé par le calibrage à partir des données d’opération d’une usine et des tests en laboratoire, tout en suivant une procédure systématique, contribuant aussi au sujet de l’établissement de méthodologies de calibrage standardisées. Pour terminer, les expériences concernant la stratégie de contrôle et d’optimisation basée sur la libération minérale suggèrent que l’utilisation de cette information peut améliorer la performance globale des circuits de broyage-séparation en réagissant aux variations des caractéristiques de libération, qui à leur tour influencent l’efficacité de séparation. L’étude de cas réalisé révèle que cela peut entraîner une augmentation du débit massique et de la teneur du concentré, de la récupération des métaux et des revenus de l’ordre de +0.5%, +1%, +1% et +5%, respectivement, par rapport au cas où ces informations sont omises. / As minerals frequently appear in complex associations in nature, mineral liberation is one of the most relevant aspects in ore processing and is achieved through comminution. This operation is one of the most important, but also one of the most expensive ones in industry. The global efficiency of a plant often depends on the performance of the grinding circuit, since there is a compromise to achieve the particle size liberating the targetted minerals in order to obtain high purity concentrates while maintaining low operating costs, which are largely influenced by the energy consumption. In recent years, companies have been facing more demanding performance targets, stronger competition, and more stringent environmental and safety regulations. Additional challenges are inherent to the grinding circuits themselves, e.g. the nonlinear responses, high degree of intercorrelation of the different variables, and material recirculations. The abovementioned issues highlight the relevance of adequate process control and optimisation, and practitioners rely more often on model-based approaches in order to face them systematically. Modeling and simulation are powerful tools with significant advantages such as low costs, required times for conducting experiments are relatively short, and the possibility of testing extreme operational conditions as well as different circuit configurations without disrupting production. Evidently, the quality of the results will only be as good as the model capacity to represent the reality, which emphasises the relevance of having precise models and proper calibration procedures, the latter being a topic frequently omitted in the literature. Another crucial aspect that has not been reported yet is the effective integration of mineral liberation in control and optimisation schemes. Although it is a key piece of information directly related to the performance of the concentration stage, most strategies focus exclusively on the particle size. This is understandable given that it is currently impossible to measure the liberation distribution online. Based on an existing mineral processing plant simulation library, this research addresses these problems by (1) developing a mineral liberation model aiming at linking the grinding and concentration stages; (2) programming a phenomenological autogenous/semiautogenous (AG/SAG) mill model, required to complement the simulation toolbox, and validating it through calibration; (3) coupling a grinding circuit simulator to a concentration process by means of the liberation model, and (4) developing a plantwide control and optimisation scheme considering mineral liberation data explicitly to evaluate the economic benefits. The main results confirm that the liberation model is capable of reproducing accurately mineral distributions observed in industry. If calibration data correspond to a single operating point, its validity may however be limited to the close neighbourhood. Characterising the evolution of mineral liberation in different operating conditions and transient states remains to be addressed. The liberation model proved to be equally useful in coupling grinding circuits with concentration processes, specifically for flotation. As for the AG/SAG mill model, it can capture the steady state and dynamic behaviour of an actual device and, along with the rest of pieces of equipment in the simulation toolbox, of industrial grinding circuits. This was confirmed through calibration from plant data and laboratory testwork following a systematic procedure, contributing to the endeavour of establishing standard calibration methodologies. Lastly, the results of the designed control and optimisation scheme suggest that using liberation data for control and real-time optimisation can improve the overall performance of grinding-separation circuits by reacting to variations in the liberation characteristics, which in turn influence the concentration performance. The case study reveals that doing so can lead to increases in the concentrate mass flow rate and grade, metal recovery, and global profits in the order of +0.5%, +1%, +1%, and +5%, respectively, compared to the case omitting this information.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/67317 |
| Date | 02 February 2021 |
| Creators | Perez Garcia, Edgar Manuel |
| Contributors | Poulin, Éric, Bouchard, Jocelyn |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxx, 200 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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