Brevet FR2489289A1 — publié le 19820305

Z489289 L'invention -oncerne un procédé d'élaboration uo silicium Aà partir de quartz et de carbone, en opérant ::vec un four électrique dans lequel on introduit un mélange de quartz en grrais et d'aggloméré fait de quartz et carbone, et l'on amiène le mélange à réagir selon une réaction au cours de laquelle il se forme aussi du carbure de silicium. Dans le cadre de l'invention, les mots "four électrique" désignent principalement les fours du type bas-fourneau électrique couramment utilisés en métallurgie. Le mot "quartz" désigne, dans le cadre de l'invention, tous les corps porteurs de bioxyde de silicium habituels, tels que, notamment, sable, quartzite et corps analogues. Dans un procédé connu (brevet allemand n 2 055 565, colonne 3, lignes 4 à 19), dent le procédé mentionné au début constitue un développement, on opère avec un mélange en vrac meuble de quartz et de carbone, c'est-àdire sans formation préalable d'aggloméré. Cette procédure avec vrac meuble conduit, par une dismutation (disproportionation) de monoxyde de silicium gazeux, à ce que l'on appelle une réduction Cyclique et, par suite, à une reconstitution de dioxyde de silicium, ce qui accroit la consommation d'énergie et réduit le rendement. Par contre, en procédant comme indiqué au début, on obtient certes un rendement plus élevé, mais l'apport séparé de quartz en grains conduit, dans le four électrique, à la séparation du bioxyde de silicium du réducteur carboné, et le four opère alors irrégulièrement, avec une certaine inefficacité. L'aggloméré comporte les composants précités, le carbone é etant sous forme de charbon, et il est produit par extrusion ou analogue. Toutefois, de tels agglomérés sont peu consistants. On observe ure fusion pâteuse de la charge dans certaines régions du four. Une différenciation de la conduite des processus portant, d'une part, sur l'accomplissement d'un processus donné dans l'aggloméré et, d'autre part, sur le quartz d_ vrac granuleux, n'est ni réalisable ni recherchée dans le cas. I1 en est de même dans le cas o l'on s'arrOte sur une conversion stoechiométrique selon l'équation Si02 + 2C) Si + 2C0 et si, à cette fin, toul en renonçant à l'addition de quartz granuleux, on utilise une charge d'aggloméré dans laquelle on choisit de façon particulière la granulométrie du bioxyde de silicium ainsi que le rapport pondéral des composantes grarulométriques et le poids en vrac de la charge d'agrlomérê. Ame el procédant ainsi, il se produit du monoxyde de silicium qui a tendance à réagir avec le monoxyde de carbone,d'o formation de produits "collants". Les conditions sont analogues lorsque la charge est constituée d'aggloméré tel que briquettes ou pellets faits à partir de bioxyde de silicium finement réparti en mélange homogène avec les quantités nécessaires de réducteur carbone. L'invention a pour but d'aménager le procédé du genre mentionné au début de façon à parvenir à une différenciation du processus réactionnel portant, d'une part, sur l'aggloméré et, d'autre part, sur le quartz en vrac, de façon telle qu'il n'y ait pas de perturbation par formation de monoxyde de silicium. Pour atteindre ce but, l'invention préconise que l'aggloméré soit utilisé sous forme de corps consistants tels que briquettes ou pellets ou analogues, ayant une teneur en carbone de 30 à 60% en poids et fabriqués, à partir de quartz à grain fin et de charbon à grain fin, à une température de 350 à 650 C, de préférence 500 à 600 C, par agglomération à chaud, et qu'il y ait, dans le four électrique, d'abord réaction du quartz de l'aggloméré avec le carbone de celui-ci pour donner du carbure de silicium accompagné de a formation de monoxyde de carbone, et fusion du quartz granuleux, et que le carbure de silicium formé réagisse avec le quartz fondu de façon qu'il y ait production de silicium accompagnée de la formation de monoxyde de carbone. Dans une forme de réalisation préférée, on opère à une tempé' de 1600 C es plus Jour provoquer la réaction de co-,.a quartz de l'agloméré avec le carbone de c. g., et à unie t.empérature de)O_ k 20000C pour. quer.a réact.ioln e co!oervLe c' c r_ de siiicium ai,c le quartz fondu. t. i.- l... ).' -, i sous.;'-'n de d4rtqua-es ou boulets ou pellets ::-1-. u.1,- ix doit avo" r '.-n co:ibJ re de 5rairS de !'.;-;,:'::vie::., i des conditions de d6roulement -.--:.,, oiri culiureme:; c en définies si l'on ",: ise.n ra senl dujaei l'-_ gloméré se présenrte m,'o.m c: r n", rrs disposés avec une cDmpacité sensiblement -,il.:z-,ime, par xerrple sous l!r iforme d'un groupement de s r'-r-..)es e. agencenent à compacitté maximale, et si le etu,TrZ e r-in s t; disposé dans les volumes entre z)h ro-deS. Considérant la réduction du bicxyde de sili',cium, or rourait envisager, pour exclure à peu près complètement la formation de monoxyde de silicium, d'offrir au quartz uw important excès de carbone afirn qu'une réduction donnant du,silicium puisse intervenir rapidement. Toutefois, cela est pratiquement irréalisable car l'excès de carbone forme avec le silicium une association connue sous le nom de carbure de siliciumn 2,0 0Si2 + 3C SiC + 2C0. La connaissance de ce contexte n'a jusqu'à :--se:-.,,as eu dt' influence sur la solution du problème men.ionn.eé cu débl.;t. L'inventiorp part du fait, découlant de L'équa.tion indiquée ci-avant, que du carbone excéden- 25.ire s'allie au siliciaum pour donner du carbure de ilicium. L'invention tire parti de ce processus en efCect'.uant une binartition des matières utilisées: une re-ni.re partie est constituée d'aogloméré dans lecuel 1-,.t:r}e est fortement excédentaire du point de vue _5 de la réêduction du bioxyde de siliclu% et la deuxième npartie est constLtuée uniquement de grains de quartz dont la tail'e est adaptée au volume liDre subsistant entre les cot úr';'''_" ' 'iiquettes o" 'a':l, es). Le four riue oa; '-'o'-s, sarns problème, Cre conduit de façor. SiC + SiO2 -3Si + 2CO. Un Dremier avantage réside dans le fait que, si les agents de la réaction sont en contact très étroit, le fort excès de carbone dans l'aggloméré inhibe la formation de bioxyde de silicium puisque le bioxyde de silicium naissant peut aussitôt réagir avec le carbone présent. Un deuxième avantage réside dans le fort poids spécifique du carbure de silicium qui peut migrer à grande profondeur dans le quartz liquéfié qui est moins dense, ce qui a pour effet d'accrottre fortement la vitesse de réaction de cette conversion. Dans la mise en oeuvre pratique, ces conditions se traduisent comme suit: en négligeant les pertes, l'équation SiO2 + 2C >Si + 2CO nécessite environ 400 kg de carbone pour réduire 1000 kg de quartz. Cette proportion correspond à la réaction' stoechiométrique. Mais avec ces*400kg de carbone, 666 kg de quartz peuvent aussi être convertis en carbure de silicium. Il reste 334 kg de quartz qui réagissent avec le carbure de silicium produit entre temps dans le four. C'est au mieux enr petits morceaux de 3 à 12 mmque ce quartz est introduit dans le four. Si l'on tient compte des pertes inévitables, l'offre de carbone doit ûtre accrue-de 5 à %. A titre d'exemple concret, on admettra ici 8%. Il faut donc agglomérer 432 kg-de carbone avec 660 kg de sable. Exprimé en pourcentage, cela signifie 39,3% dans l'aggloméré. Il s'est toutefois avéré que le procédé pouvait encore être amélioré en incorporant à la "matière quartz/carbone" constituant l'aggloméré une quantité de carbone supérieure à celle nécessaire à la formation du carbure de silicium. Or, comme déjà indiqué, cela inhibe la formation de bioxyde de silicium. Cela se traduit par un changement de la proportion de bioxyde de Silicium dans l'aggloméré qui est plus riche en carbone. Il faut alors renforcer l'ap- port de quartz granuleux. Il s'est avéré que l'on parvenait à des résultats d'exploitation avantageux en recourant à des quantités de quartz constitués environ pour moitié de grains sous forme de quartzites concassés ou broyés et passés au crible, l'autre moitié étant constituée par du sable ou du quartzite fin en mélange avec des corps porteurs de carbone. Si l'on tient compte des pertes, cela signifie par exemple l'agglomération de 500 kg de sable ou quartzite fin avec 432 kg de carbone qui est donc présent à 46% dans l'aggloméré. Les avantages techniques et économiques sont multiples. D'une part, il e-st possible d'utiliser, dans le cadre du procédé selon l'invention, jusqu'à environ 50% de sable de ravine ou de rivière peu coûteux,oude:fines de quartzite à peine utilisables autrement, de sorte que le coût des- matières premières s'en trouve notablement réduit. De plus, en utilisant un mélange de quartz en grains et d'aggloméré sable/carbone, la consommation de courant est réduite d'environ 25 à 30%. Les avantages sont également manifestes du point de vue de la préservation de l'envi- ronnement. De l'aggloméré sous forme de corps solides ayant la consistance voulue et la composition indiquée peut être fabriqué particulièrement bien au moyen de charbon collant, dans une installation d'agglomération telle qu'une installation de briquetage à chaud. Pour cela, il faut 25 + 3% de charbon fournissant 20 + 3% de carbone dans l'aggloméré. Cela représente tout juste la moitié du carbone nécessaire, qui doit être compris entre 40 et 50%. Dans ce cas, on peut recourir à d'autres corps carbonés, de préférence à du coke de pétrole car cette matière ne contient que peu d'impuretés. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'élaboration de silicium au four électrique, à partir de quartz et de carbone, dans lequel on introduit dans le four électrique un mélange du quartz en grains et de l'aggloméré fait de quartz et carbone et l'on amène le mélange à réagir selon une réaction au cours de laquelle il se forme aussi du carbure de silicium, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'aggloméré- est apporté sous forme de corps consistants qui contiennent io de 50 à 60% de carbone en poids et qui sont réalisés par agglomération à chaud de carbone et quartz à grain fin faite à une température de 550 à 6500C, de préférence 500 à 6000C, par le fait que l'on provoque d'abord une réaction des constituants de l'aggloméré (quartz et carbone) produi- sant du carbure de silicium et formant du monoxyde de carbone et l'on fond le quartz en grains, et par le fait que le carbure de silicium formé est amené à accomplir avec le quartz fondu une réaction donnant du silicium et formant du monoxyde de carbone. 2.- Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que, lors de la réaction du quartz de l'aggloméré avec le carbone de celui-ci, on opère à upe température de 16000C et plus, et par le fait que, lors de la réaction entre le carbure de silicium formé et le quartz fondu, on opère à une température de 1800 à 20000C. _.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on opère avec de l'aggloméré sous forme de briquettes ou analogues pesant de 10 à 100 g, de préférence de 20 à 60 g. 4.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'on opère avec du quartz en grains de _ à 12 mm. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on réalise un vrac dans lequel l'aggloméré se présente sous forme de corps disposés avec une compacité sensiblement maximale, par exemple sous la forme d'un groupement de sphéroïdes en agencement à compacité maximale, et par le fait que le quartz en grains est disposé dans les volumes subsitant entre corps en aggloméré.