Brevet FR2478127A1 — publié le 19810918

L'invention concerne un procédé de fabrication d'agglomérés contenant du silicium et du carbone et destinés à servir de matière première pour la production de silicium ou d'alliages de silicium, et notamment d'alliages de ferrosilicium, dans un four électrique, procédé dans lequel un corps en grains fins comportant du silicium est mélangé à de la houille en grains fins, et le mélange est briqueté. L'invention concerne en outre l'emploi des agglomérés ainsi obtenus aux fins indiquées. L'expression "corps contenant du silicium" désigne, dans le cadre de l'invention tout corps comportant du SiO2 (sable, Quartzite broyée, ou analogue). Les fours électriques dans lesquels s'effectue la production du silicium ou des alliages de silicium sont en général des bas fourneaux électriques, bien que l'on puisse aussi opérer avec d'autres fours électriques. Dans l'art antérieur, on ajoute au mélange un liant bitumineux, par exemple du brai ou goudron de houille. Par suite, le briquetage (confection de briquettes) est un briquetage avec liant. Les agglomérés ainsi produits pour servir de matière première "coulent" dapsle uçépleo&tra n /dans lquefrf n pr4oai ie silicium ou les alliages de silicium. En outre, dans l'art antérieur, il est également connu de briqueter sans liant, à froid, sous de fortes pressions. Les agglomérés ainsi obtenus se désintègrent dans le four électrique. C'est pourquoi l'utilisation d'agglomérés fabriqués comme décrit n'est pas connue dans la pratique antérieure, pour produire du silicium ou des alliages de silicium dans un four électrique. L'art antérieur et les problèmes s'y rapportant peuvent 9tre présentés comme suit: La production de silicium et d'alliages de silicium, a partir de SiO2 utilisé sous forme de sable ou de quartzites préparés, se fait principalement au four électrique, et cela en utilisant des apports de corps comportant du carbone, tels que coke, coke de pétrole, houille, charbon de bois, sciure, etc... Il existe en pratique un grand nombre de "recettes" que les * 2478127 producteurs maintiennent sous le secret, ce qui montre bien qu'ils opèrent empiriquement et que la préparation de la charge destinée au four électrique ne peut pas etre faite selon des règles physico-chimiques précises. En premier lieu, si l'on considère la réduction du SiO2 par le carbone comme étant d'abord une réaction solide/Qsolde, on peut alors admettre, pour la première phase conduisant à SiO, une diffusion constituant une réaction déterminant la vitesse. Le SîO gazeux réagit, dans la phase suivante, avec le carbone de l'environnement immédiat. Toutefois, il peut aussi passer par des trous ou lacunes de la charge enfournée et aller se condenser dans des parties froides du four. De toute façon, ces deux phases de réaction exigent un contact intime entre SiO2 et réducteur. C'est pour cela que les deux matières de départ sont mélangées de façon homogène, à l'état de mouture fine. Or, les matières pulvérulentes se prêtent mal à une manipulation dans un four électrique, de sorte que le broyage et l'homogénéisation sont suivis d'un compactage, ce qi amène les problèmes déja évoqués plus haut.Par ailleurs, on a aussi essayé de trandbrmer le mélange en un coke approprié en opérant dans des fours à chambres. Cela n'a pu réussir car l'agglomérabilité des meilleures houilles grasses, même additionnées de brai, est insuffisante pour lier à la "charpente carbone" du coke plus de 20% de corps porteur de elicîum alors que les règles stoechiométriques indiquent qu'il en faudrait 6o à 70%. Ceci étant, la présente invention a pour but de parvenir à un procédé du genre mentionné au début, mais avec lequel on obtiendra des agglomérés aptes à servir de matière première dans. un four électrique en satisfaisant à tous les impératifs, notamment pour ce qui est de la consistance, de la résistance à la désagrégation, du passage du courant, de la réduction et de la stoechiométrie. -Pour atteindre ce but, l'invention préconise que le corps à grains fins comportant du silicium soit mélangé à de la houille agglutinante et que le mélange soit formé en agglomérés, en opérant à une température de l'ordre de 350 à 5500 C, comme lors du briquetage à chaud des houilles. Dans une forme de mise en oeuvre préférée, le mélange est moulé en agglomérés ayant un poids 10 à lOOg, de préférence de 20 à 60g. Les données stoechiométriques régissant la réduction peuvent, sans problème, Atre prises en compte dans le cadre de l'invention. A cet égard, il est recommandé de composer le mélange de façon que la teneur ou contenu en carbone de tous les corps comportant du carbone corresponde à environ 40% en pds du SiO2 contenu dans le corps comportant du silicium. Une procédure éprouvée se caractérise par le fait que l'on mélange, en poids, environ 60 à 70% de corps comportant du silicium,20 à % de houille agglutinante et environ 10 à 20% d'autres corps porteurs de carbone tels que charbon non-agglutinant et/ou coke et/ou coke de pétrol et/ou composés organiques, et l'on briquette à chaud ce mélange, comme indiqué. Dans le cadre du procédé selon l'invention, le corps comportant du silicium et la houille agglutinante peuvent, de façon surprenante, être briquetés de façon telle que le carbone nécessaire pour la réduction soit présent dans la briquette. Ce carbone provient de la houille agglutinante et,si cette offre de carbone est insuffisante, provient aussi d'autres corps comporant du carbone choisis en fonction de l'apportunité. Pour le calcul de la composition des briquettes, on adopte avantageusement la relation stoechiométrique suivante: SiO2 + 2 C > Si + CO + 24 = 28 + 56, ou 1000 Kg de SiO nécessitent 400 Kg de C, ou 71,4 Kg de SiO2 nécessitent 28,6 Kg de C, ou 2,5 Kg de SiO2 nécessitent 1,0 Kg de C. Comme on le sait, pour ce qui est de la liaison par le liant, dans le cas du briquetage, la surface externe du produit à briqueter joue un r3le essentiel. Cette surface dépend globalement de l'architecture granulaire et de la microstructure des surfaces des grains. 'a surface interne des grains peut être négligée dans la plupart des cas. Il en résulte que, pour une granulation et une structure superficielle données et analogues pour diverses matières à briqueter, il faut le même volume de liant. Si, l'on passe au calcul des masses des composants, il apparait alors que la part du liant décroît lorsque la masse spécifique du produit à briqueter augmente. Si,dans la briquette faite à chaud i0 (également appelée"coke moulé"'), on remplace le corps comportant du carbone par du quartz, la masse spécifique du produit à briqueter passe alors de 1,2-1,5 à 2,65 g/cm Il en résulte que la proportion de liant nécessaire peut 9tre ramenée, de 30 - 3% à 22 - 3%. Selon le ballast et la teneur en composants volatils de la houille agglutinante utilisée, il reste, après briquetage à chaud, une part de carbone qui est-de l'ordre de 16,5 + 2%. Le calcul stoechtmétrique montre cue cette composante carbone est insuffisante. Elle peut être accrue par augmentation de la part de houille agglutinante ou par apport d'autres corps comportant du carbone, tels que anthracite, coke de pétrole, semi-coke ou coke haute température, qui peuvent tous être reçus dans le mélange à la place de quartz. Si l'on utilise des corps carbonés non-agglutinants, il faut alors - pour les raisons indiquées plus haut - accrottre aussi la houille agglutinante. Exemple 1 En poids: 63,5 parties de sable + 36,5 parties de houille agglutinante. Pour 70% de rendement carbone de la houille, on obtient la proportion 63, 5 parties de sable + 25,5 parties de carbone, ou bien 1000 Kg de sable pour 402 Kg de carbone. Le résultat correspond au calcul stoecnométrique. En pratoue, on tiendra compte de ce que la cendre de la houille contient environ 50% de SiO2 qui est également réduit et consomme du carbone en quantité correspondante. Exemple 2 En poids: 66 parts de sable + 12 parts de coke de pétrole + 22 parts de houille agglutinante. Le "rendement carbone" du coque de pétrole est de 90%, celui de la houille est de 70%. Autrement dit: 66 parties de sable + (10,8 + 15,4) parties de carbone, ou bien 1000 Kg de sable + 397 Kg de C. Le résultat correspond tout juste aux calculs stoechiométriques. Là encore, il faut effectuer une correction tenant compte de la cendre de la houille. Ces exemples montrent que, c8té confection des briquettesles impératifs de réduction imposés à "l'offre de carbone" peuvent 8tre satisfaits, de sorte qu'il n'y a pas d'obstacle à l'emploi de "briquettes à chaud" dans un four électrique pour produire du silicium et des alliages de silicium. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'agglomérés contenant du silicium et du carbone et destinés à servir de matière première pour l'élaboration de silicium ou d'alliages de silicium, notamment d'alliages de ferrosilicium, au four électrique, procédé dans lequel un corps en grains fins comportant du silicium est mélangé à de la houille en grains fins, et le mélange est briqueté, ce procédé étant caractérisé par le fait que le corps en grains fins comportant du silicium est mélangé à de la houille agglutinante, et le mélange obtenu est formé en agglomérés de matière première en opérant à une température de l'ordre de 350 à 5500C, comme lors du briquetage à chaud des houilles. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le mélange est briqueté en agglomérés de matière première ayant un poids de 10 à lOOg, de préférence 20 à 60g. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on mélange, en poids, environ 60 à 70% de corps comportant du silicium, en,,gron 20 à 30%, de houille agglutinante et environ à 20% d'autres corps comportant du carbone, tels que houille non-agglutinante, et/ou coke et/ou coke de pétrole et/ou composés organiques, et l'on soumet ce mélange à un briquetage à chaud. 4.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le mélange est composé de façon que la teneur en carbone de tous les corps comportant du carbone représente environ 40% en poids du SiO2 contenu dans le corps comportant du silicium. 5.- Utilisation d'agglomérés fabriqués selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, pour produire, au four électrique, du silicium ou des alliages de silicium, notamment des alliages comportant du fer et du silicium.