Brevet FR2137427A1 — publié le 19721229

La présente invention concerne un procédé d'obtention de ferrosilicium fondu de haute qualité et un four pour la mise en oeuvre dudit procédé. Quand on fond un alliage de fer contenant une forte proportion de silicium, par exemple du ferrq-silicium, on emploie en général un four à arc immerge et cet arc est utilisé pour le chauffage du four, dont le fonctionnement présente les caractéristiques ci-après I - Le four étant à arc immergé, la silice est réduite par l'arc à haute température, à savoir supérieure à 3000 C. II - On choisit de la silice brute contenant le minimum d'impuretés pour réduire la quantité de laitier produite, dont la proportion est seulement de l'ordre de 2 à 6 7 par rapport à celle du ferro-silicium produit. III - Quand on prélève le produit obtenu du four, on le soutire en totalité sans laisser de masse fondue dans ledit four. En opérant de la manière décrite ci-dessus, les extrémités des électrodes atteignent une température élevée supérieure à 30000C, si bien que non seulement la silice est réduite en silicium, mais que diverses réactions fâcheuses de réduction sont produites en même temps et consomment de l'énergie thermique et/ou électrique en donnant des matières nuisibles, par exemple de l'aluminium provenant de la réduction de l'alumine, ce qui augmente la proportion d'impuretés contenues dans le ferro-silicium produit. De plus, étant donné la température élevée, une grande partie de la silice SiO2 est transformée en SiO (monoxyde de silicium, ou monox) qui se vaporise en formant une poudre fine, polluant l'atmosphère. Cela étant, la température de réduction théorique, dans le cas où la silice est réduite en silicium, est donnée par les formules ci-après SiO2 (fondu) + 2C (solide) = Si (fondu) + 2CO (gazeux) et 8- Z = A H - T A S (A énergie libre = A enthalpie T iI entropie) 100 7 Si A z0 = 159230 - 87,17 T A z0 = o T = 18270K ou 1554 C 75 z Si A z0 = 154930 - 88,00 T A Z = o T = 17600K ou 14870C 45 % Si b ZO = 154930 - 88,00 T A zO = O T = 17500K ou 13770c Comme cela est évident d'après ce qui précède, la température d'obtention du silicium par réduction est beaucoup plus basse que les températures de réduction en A1, Ca, Mg, SiO, etc. Dans la production à l'échelle industrielle, il est en général nécessaire de dépasser de 150 à 200"C la température du début de la réduction pour augmenter la vitesse de réaction. Cependant, la température de fusion de la silice est comprise entre 1670 et 17250C. Par conséquent, la silice ne peut pas être fluidifiée suffisamment dans les conditions de fusion si l'on maintient la température de réaction utilisée antérieurement et par conséquent il n'y a pas une grande surface de contact entre la Qice et le carbone en gros grains, si bien que la réduction directe Si02 (fondu) + 2C (solide) = Si (fondu) + 2CO (gazeux) qui exige un contact direct entre la silice et le carbone ne peut être très active. Par conséquent, étant donné qu'il est difficile de disperser les matières produites par la réduction, cette réaction ne peut se poursuivre. Compte tenu des divers inconvénients sus-mentionnés en ce qui concerne la plupart des procédés de coulée du ferro-silicium mis en oeuvre antérieurement, la demanderesse, à la suite de nombreuses études et expériences, a mis au point le procédé selon la présente invention qui peut donner de bons résultats. Les caractéristiques distinctives de l'invention consistent en a) Un procédé de préparation de ferro-silicium fondu de haute qualité, dans lequel le laitier fondu s'accumule et séjourne dans un four et dans lequel on utilise des matières premières qui sont un mélange de silice en gros fragments (quartz), de minerai de fer, de charbon en gros fragments destiné à la réduction et de matières destinées à former le laitier et le charbon à gros grains est suffisamment immergé dans la couche de laitier, tout en flottant sur celle-ci, le mélange de matières premières reste à la partie supérieure alors que les extrémités des électrodes sont en mee temps plongées dans le laitier fondu et le rapport ci-aprs des constituants du laitier CaO + MgO + BaO sio2 doit être déterminé de façon à être inférieur à 0,6 ; dans ces conditions le point de fusion est abaissé sans réduire l'activité de la silice et la couche de laitier agit comme une résistance électrique dans laquelle le courant électrique dégage de la chaleur par effet Joule, ce qui permet d'obtenir une température nécessaire et suffisante pour la réduction du silicium ; et b) Un procédé de fusion de ferro-silicium de haute qualité caràctérisé en ce que, pour abaisser la température de fusion sans abaisser l'activité de SiO2 dans le laitier fondu, la température dudit dit laitier fondu est maintenue inférieure à 1800"C. L'invention a pour objets : principalement un four électrique à résistance pure dans lequel une masse de laitier fondu nécessaire et suffisante séjourne dans le four, des électrodes sont plongées dans ledit four, ledit laitier agit comme une résistance électrique qui dégage de la chaleur par le passage du courant, ce qui provoque la réaction de réduction ; la réalisation d'une distribution uniforme de la température dans le plan horizontal et la formation d'un gradient rationnel de température dans le sens vertical à l'intérieur du four électrique ; une réduction directe de la silice dans la couche de laitier ainsi qu'un réchauffage et une réduction indirecte (par les gaz) de la silice dans la couche formée par le mélange de matières premières ; le choix d'un mélange complexe de silice et d'un autre oxyde, les laitiers fondus ainsi obtenus contenant une forte proportion de silice très active, leurs points de fusion étant voisins de la température de réduction de la silice ; l'établissement d'une valeur appropriée (350 à 450 kW/m) de la densité de l'énergie électrique en prenant connne base la surface horizontale du laitier fondu, si bien que la couche de laitier est maintenue dans un intervalle de températures (1600 à 17000C) nécessaire et suffisant pour mettre facilement en oeuvre la réduction en silicium. Par conséquent, l'objet final de l'invention est l'obtention de ferro-silicium fondu avec un rendement très élevé avec une consommation très faible d'énergie électrique et des électrodes. D'autres objets et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés dans lesquéls - la figure 1 représente, vue par-dessus, avec ses dimensions, une réalisation de four électrique destiné à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention ; La figure 2 représente en coupe verticale, suivant la ligne 11-11, le four électrique de la figure 1. Sur la figure 2 les références 1 désignent les électrodes en charbon qui plongent dans la masse 7 contenant du laitier fondu mélangé aux matières premières surnageant au-dessus de la couche 6 de ferre-silicium fondu. L'enveloppe du four est constituée par un garnissage-réfractaire 4 placé à l'intérieur d'une enveloppe 5 en briques siliceuses servant aussi de support. On soutire le ferro-silicium fondu par le trou de coulée3etle laitier fondu par le trou de coulée 8. Enfin, la réfensce 2 désigne le couvercle du four. Pour remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus des procédés de préparation du ferro-silicium fondu de la technique antérieure, la demanderesse a imaginé de réaliser le mélange de matières premières avec de la silice en gros fragments (quartz), du minerai de fer, du charbon en gros grains destiné à la réduction et des matières destinées à former le laitier; le mélange complexe de silice et d'autres oxydes est préparé de façon à avoir une concentration élevée de silice quand le mélange est fondu, par conséquent, l'activité de cette dernière est élevée et la température de fusion du laitier se rapproche autant que possible de la température de réduction de l'acide silicique SiO2. Le tableau ci-après indique des laitiers satisfaisant aux conditions ci-dessus Température B CaO% A1203% MgO7 SiO2% de fusion environ 1. Anorthite 0,522 22 36 / 42 1500"C 2. Tridymite 0,286 20 10 / 70 16700C 3. Cristobalit 0,537 25 / 10 65 17100C On prépare la masse fondue contenant les constituants ci-dessus et on l'introduit avec du charbon à gros grains dans le four et une réaction de réduction se produit à la surface dudit charbon. En général, la densité du charbon utilisé est inférieure ou égale à 1 tandis que la densité de la masse fondue formée par le mélange ci-dessus dépasse 2,5; il faut donc prendre des dispositions spéciales pour que le charbon plonge dans la masse fondue. Par conséquent, on emploie, dans la présente invention, des matières premières constituées par un mélange de quartz, de minerai de fer et de charbon en gros grains destiné à la réduction et des matières destinées à l'obtention d'un laitier, et une couche de métal fondu, une couche de laitier fondu et une couche de matières premières solides mélangées se forment à partir du fond du four électrique en direction de sa partie supérieure. La couche de laitier fondu est constituée dans le cas présent par dela silice, de l'alumine, de la chaux, de la magnésie ou de l'oxyde de fer contenus dans le mélange ci-dessus de matières premières, ou bien elle ne provient pas desdites matières premières et se présente avec le charbon à gros grains suffisamment enfoncé à sa surface. Ceci parce que le charbon à gros grains est consommé à la suite de la réduction mais ne fond jamais et par conséquent le charbon utilisé comme matière première est poussé de façon à s'enfoncer progressivement dans la masse fondue en s'opposant à la poussée hydrostatique du mélange de matières premières. La flottabilité du charbon en gros grains immergé et la densité du-mélange de matières premières se trouvant à la partie supérieure sont maintenues dans un rapport déterminé et la couche de mélange de matières premières est en partie fondue tout en étant immergée dans la masse fondue et sa vitesse de fusion est maintenue à une valeur déterminée. Les extrémités des électrodes sont réalisées de manière à être immergées en permanence dans le laitier fondu. Avec l'agencement décrit, un courant électrique passe en direction de la couche de métal accumulé au fond du four, la couche de laitier fondu constituant une résistance ohmique. La chaleur dégagée dans ces conditions élève la température du four et fournit la totalité de l'énergie thermique nécessaire à la réaction chimique. L'avantage du chauffage par résistance décrit ci-dessus est la possibilité d'obtenir à volonté la température nécessaire et suffisante, contrairement à ce qui se passe avec un arc électrique et, quand l'intérieur d'un four est agencé selon l'invention, si une grande quantité de métal fondu et de laitier fondu est présente dans le four, on peut réaliser une répartition uniforme de a température dans le plan horizontal et un gradient de température rationnel peut être établi dans la direction axiale dudit four électrique et par conséquent il est possible de mettre en oeuvre un réchauffage et une réduction préliminaires, dans la couche de matières premières mélangées. La densité de l'énergie électrique est fixée à 350 à 400 kW/m, en prenant comme base la surface plane -horizontale de la couche de laitier fondu. Quand la teneur en silicium du produit est élevee, on peut augmenter le densité de l'énergie électrique et quand la teneur en silicium est faible, on peut réduire la densité de l'énergie électrique. Si la densité de l'énergie électrique et la composition du laitier sont déterminées comme décrit ci-dessus, la température de la couche de laitier peut être maintenue dans l'intervalle des températures, à savoir 1600 à 17000C, né cessaires et suffisantes pour mettre facilement en oeuvre la réduction Par conséquent, une réaction représentée par la formule SiO2+ 2C = Si + 2CO progresse à la surface du carbone en gros grains qui est en contact avec la masse fondue et du ferro-silicium se dépose au fond du four, le fer provenant des réactions ci-après : (FeO + C = Fe + C 2 L'oxyde de carbone gazeux qui se dégage lors de la réaction ci-dessus monte et,quand il monte en direction de la couche de mélange de matières premières se trouvant à la partie supérieure, on observe les réactions de réduction par les gaz (réduction indirecte) ci-après : Fe2O3 + CO Fe3O4 + C#2 FeO + C#2 La diminution de la concentration relative de SiO2 et FeO dans la couche de laitier, associée à la réduction et à la séparation du silicium et du fer, est compensée par la fusion des matières premières mélangées et la concentration nécessaire est maintenue en permanence. L'alliage produit (ferro-silicium) qui s'accumule au fond du four est enlevé en partie (dans la proportion d'environ 15 à 20 %) à des instants bien déterminés. Le laitier formé à partir des matières premières est enlevé en partie lors de l'enlèvement de l'alliage produit. Etant donné qu'une partie seulement - 15 à 20 % - du métal et du laitier sont retirés de la masse de ces produits qui s'est accumulée, les conditions à l'intérieur du four ne sont pas beaucoup modifiées. Les conditions de mise en oeuvre du procédé selon l'invention sont les suivantes - puissance du transformateur .... 25 000 kVA - puissance moyenne consommée .... 20 000 kW - dimensions du four électrique se référer aux figures - tension aux bornes du four électrique 230 V - courant 56 000 A - facteur de puissance du four électrique 89,5 % - consommation de puissance par charge 7 000 kW/h - composition de la charge employée silice 1 700 kg minerai de fer 300 kg matière destinée à former le laitier 70 kg charbon (coke) en gros grains 890 kg électrodes 25 kg On a observé à la suite de mesures effectuées, lors de ces opérations en utilisant un oscillographe, que la forme d'onde du courant est une sinusoïde très satisfaisant., ce qui indique que l'ensemble se comporte comme un four à impédance purement ohmique. Ceci signifie que les consommations de puissance électrique et de la matière des électrodes sont tres faibles et qu'il est possible de préparer du ferro-silicium fondu ayant une teneur très élevée en silicium. Bien entendu, diverses modifications peuvent titre apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemplesnon llmitatifsJ sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de ferro-silicium fondu de haute qualité dans lequel une masse fondue de laitier s'accumule et séjourne dans un four et on utilise des matières premières constituées par un mélange de quartz, de minerai de fer, du charbon en gros grains destiné à la réduction et d'une matière destinée à la formation du laitier, ledit charbon en gros grains étant suffisamment enfoncé dans la couche de laitier alors que ledit mélange de matières premières flotte à la partie supérieure dudit laitier et qu'en même temps les extrémités des électrodes restent en permanence immergées dans ledit laitier fondu, tandis que le rapport des constituants CaO + Map + BaO SiO2 dudit laitier doit être choisi inférieur à 0,6 et caractérisé en ce que la température de fusion est abaissée sans réduire l'activité de SiO2 et ladite couche de laitier se comporte comme une résistance ohmique dans laquelle on fait passer un courant électrique qui dégage de la chaleur ce qui permet d'atteindre une température nécessaire et suffisante pour la réduction de la silice. 2. Procédé de préparation de ferrosilicium de haute qualité selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour abaisser la température de fusion sans diminuer l'activité de SiO2 dans le laitier fondu, la température dudit laitier fondu est maintenue au-dessous de 18000C.