Une étude cinétique d'un procédé qui augmente le ratio Cr/F dans les chromites
Projet DIVEX SC6
Montage expérimental permettant l'enrichissement des chromites platinifères par l'extraction du fer sous forme gazeuse. |
Résumé
Les chromites platinifères représentent d’importantes ressources minérales. Une infrastructure minière et métallurgique à grande échelle est normalement nécessaire pour extraire la chromite et les éléments du groupe du platine (ÉGP) de ces gisements. L'INRS-ETE a proposé une alternative aux procédés métallurgiques actuels. Le nouveau processus est basé sur une réaction gaz-solide, utilisant le minerai de chromite comme matériel de départ. Ce processus peut (1) extraire sélectivement le fer de la chromite, produisant une chromite enrichie en Cr de plus grande valeur économique; et (2) transformer les minéraux d’ÉGP en composés chimiques solubles dans un acide dilué. Les ÉGP constituent donc un sous-produit des réactions impliquées dans l’enrichissement de la chromite. Il s’est avéré nécessaire d’optimiser la composante « enrichissement » du processus pour en améliorer l’efficacité globale, et ce projet s'est concentré sur cet aspect conjointement avec Ressources Pro-Or Inc et l’INRS-ETE.
Une démarche d’optimisation utilisant des données cinétiques a été complétée. La chromite de départ possédait un contenu en Cr2O3 de 47,82% et un ratio Cr/Fe de 1,88. Sous des conditions optimales, le processus produit un matériel contenant 52,83% de Cr2O3 avec un ratio Cr/Fe de 10. Ce matériel possède un ratio Cr/Fe 2,5 fois plus élevé que les chromites naturelles de la meilleure qualité, qui montrent des ratios d’environ 4.
L’utilisation de ce matériel enrichi dans une fournaise de ferrochrome à haute teneur en carbone produira un ferrochrome contenant environ 91% de Cr – un produit sans équivalent sur le marché. Le meilleur ferrochrome présentement disponible ne contient que 80% de Cr et est produit à partir d’une chromite ayant un ratio Cr/Fe de 4. La chromite enrichie peut également être utilisée pour la production du ferrochrome à faible teneur de carbone.
Objectifs
Tois objectifs principaux furent proposés pour ce projet DIVEX :
- Étudier la cinétique des réactions impliquées dans la production de chromites enrichies en Cr par un processus gaz-solide sec
- Calculer les énergies d’activation de ces réactions par une approche thermodynamique
- Déterminer les conditions d’opération optimales pour le processus
Problématique
Les chromites riches en éléments du groupe du platine (ÉGP) représentent un minerai très intéressant puisqu’elles possèdent une double valeur : (1) elles constituent une source de chrome servant à la production du ferrochrome, un alliage important dans l’industrie de l’acier inoxydable; et (2) elles constituent une source d’ÉGP pour l’industrie des platinoïdes. L’Afrique du Sud demeure à ce jour le seul pays à avoir développé de telles ressources en produits commercialisés, et les réserves de ce type de minerai y sont très importantes. De plus, ce pays a développé une grande infrastructure minière et de nombreuses technologies qui permettent l’exploiter les chromites platinifères de façon rentable. Les paragraphes suivants donnent un aperçu des procédés métallurgiques couramment employés (à ne pas confondre avec la nouvelle technique introduite dans le cadre de ce projet).
Chromite
Ce minéral est principalement utilisé pour la production d’alliages avec le fer. Spécifiquement, la chromite est employée dans la production de ferrochrome, un alliage important dans l’industrie de l’acier inoxydable. Le processus primaire pour la production de ferrochrome se résume par l’équation générale suivante : oxyde métallique + agent réducteur + énergie -> alliage désiré + oxyde de l’agent réducteur. Ce processus consomme beaucoup d’énergie et se réalise le plus souvent dans une fournaise à arc électrique submergée. Le ferrochrome peut être divisé en trois classes selon son contenu en carbone : haute teneur (4-10% C), teneur moyenne (0,5-4% C) et faible teneur (<0,5% C). Le ratio Cr/Fe de la chromite utilisée dans les fournaises détermine le contenu en chrome de l’alliage. La valeur marchande du ferrochrome dépend principalement de son contenu en carbone et de son contenu en chrome, les meilleurs prix étant obtenus pour un alliage faible en carbone et riche en chrome. De la même façon, la valeur économique de la chromite dépend de son rapport Cr/Fe, une chromite ayant un rapport de quatre valant plus que celle ayant un Cr/Fe de seulement 1,5.
Métaux du groupe du platine.
À l’heure actuelle, seulement quelques grands producteurs miniers de l’Afrique du Sud peuvent opérer des installations métallurgiques capables de séparer les ÉGP de la chromite. Les étapes du processus d’extraction sont (1) production de concentrés par flottation; (2) passage à la fonderie; (3) conversion; (4) extraction des métaux de base; (5) purification des métaux du groupe du platine. Même si les étapes (1) à (4) sont similaires aux procédés couramment utilisés par d’autres producteurs, des efforts considérables de recherche et développement ont été nécessaires afin d’adapter ces méthodes à l’extraction des ÉGP dans les chromites.
Minéraux du groupe du platine dans une chromitite riche en sulfures.
Si on se base sur les technologies existantes, les critères suivants devraient être respectés pour voir émerger un producteur compétitif de chromite et d’ÉGP au Québec : (1) il faut d’abord découvrir d’immenses gisements de chromites platinifères; (2) une infrastructure minière coûteuse, de grande envergure, doit être développée; (3) les coûts énergétiques (électricité) doivent être réduits à des niveaux comparables à ceux existants en Afrique du Sud et dans les autres pays producteurs d’acier inoxydable. Il semble très difficile de réunir toutes ces conditions au Québec pour l’instant.
Méthode
Afin d’augmenter la compétitivité des compagnies minières québécoises intéressées par les chromites et les chromites platinifères, une nouvelle approche métallurgique a été proposée par l’INRS-ETE. Au cours des dernières années, l’INRS et Ressources Minières Pro-Or Inc ont travaillé sur un nouveau processus permettant de produire des chromites enrichies et d’extraire les ÉGP. La compagnie Pro-Or détient les droits miniers sur le gisement Ménarik, le plus grand gîte de chromites platinifères en Amérique du Nord. Le nouveau processus est basé sur une réaction gaz-solide, utilisant le minerai de chromite comme matériel de départ. Ce processus peut (1) extraire sélectivement le fer de la chromite, sous forme de gaz, produisant une chromite ayant un ratio Cr/Fe plus élevé et donc une plus grande valeur économique; et (2) transformer les minéraux d’ÉGP en composés chimiques solubles dans un acide dilué. Suite à cette réaction, le matériel enrichi est brièvement placé en contact avec un acide dilué. La pulpe est alors soumise à un procédé de séparation solide-liquide. La fraction solide peut être utilisée dans la fournaise de ferrochrome. La fraction liquide est cimentée avec du zinc pour obtenir un concentré de platinoïdes qui peut être raffiné grâce à des technologies existantes.
Si on prend en compte la composition minéralogique des phases à ÉGP dans le gisement Ménarik, de même que leur distribution granulométrique et leur contenu en platinoïdes, les possibilités de produire un concentré de flottation à coût raisonnable en utilisant seulement les technologies existantes restent fort limitées. Par contre, la production de chromites enrichies à partir du minerai de Ménarik et des nouvelles techniques mentionnées ci-dessus serait potentiellement viable et d’un grand intérêt. Le processus pourrait être optimisé pour la production de chromites enrichies, la récupération des ÉGP étant un sous produit de l’enrichissement. Un des aspects les plus importants dans l’application de cette stratégie est de définir quelles sont les conditions optimales pour retirer un maximum de fer des chromites sans affecter les autres éléments chimiques du minerai. Nous avons donc décidé d’étudier la cinétique des réactions impliquées dans le processus.
Résultats et conclusions
Comme ce projet fait l’objet d’ententes de confidentialité signées par Pro-Or Inc., l’INRS et DIVEX, le détail des conditions expérimentales et des résultats ne peut être révélé ici. Un bref résumé des principaux résultats et des implications est tout de même présenté.
Pendant les expériences, l’effet d’un système catalytique fut investigué. La compréhension du mode de transport des réactifs par le système catalytique a permis de définir les conditions optimales pour la réaction. En utilisant ces conditions optimales, une chromite contenant au départ 47,82% de Cr2O3 avec un ratio Cr/Fe de 1,88 peut être enrichie à 52,83% de Cr2O3 avec un ratio Cr/Fe de 10. Ce produit possède un ratio Cr/Fe 2,5 fois plus élevé que les chromites naturelles de la meilleure qualité, qui montrent des ratios d’environ 4.
L’utilisation de cette chromite enrichie dans une fournaise de ferrochrome à haute teneur en carbone produira un alliage contenant environ 91% de Cr – un produit sans équivalent sur le marché. Le meilleur ferrochrome présentement disponible ne contient que 80% de Cr et est produit à partir d’une chromite ayant un ratio Cr/Fe de 4. La chromite enrichie peut également être utilisée pour la production du ferrochrome à faible teneur de carbone.
Une application pour un brevet a été déposée à la suite des conclusions de ce projet. Elle concerne l'enrichissement des chromites platinifères :
Bergeron, M., Richer-LaFlèche, M. (2003) A method for increasing the chrome to iron ratio of chromites. CA 2514830, Canada, É.-U., 20 p. Agents de brevets : Goudreau, Gage, Dubuc et associés, Montréal.
