Brevet FR2534930A1 — publié le 19840427

?O PROCEDE DE FABRICATION D'ALLIAGES DE SILICIUM-ALUMINIUM La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un alliage de silicium-aluminium à partir d'un minéral naturel et de poudre de carbone. On ajoute souvent un faible pourcentage de silicium, à l'aluminium, pour donner à celui-ci une plus grande dureté, augmentant ainsi son utilité comme matériau de construction. Le silicium et l'aluminium sont normalement produits séparé- ment puis mélangés lorsque l'aluminium est fondu pour un moulage subséquent en divers composants. On produit souvent un alliage de silicium-aluminium, que l'on utilise alors dans l'alliage de l'aluminium avec le silicium, comme le silumin, qui contient 12 % de silicium le reste étant de l'aluminium. L'aluminium primaire généralement produit à partir de bauxite en utilisant une électrolyse de fusion qui est un processus extrêmement co teux Le silicium est produit dans des fours à arcs électriques à partir de quartz pur et de charbon et de coke extrêmement purs Ces deux procédés nécessitent des quantités considérables d'énergie et posent des exigences importantes sur les matières premières Il est par conséquent d'un grand intérêt de pouvoir récupérer un alliage de silicium-aluminium directement à partir des miné- raux directement disponibles de silicium-aluminium, comme la cyanite et l'andalousite La consommation d'énergie dans un tel procédé sera considérablement plus faible Des expé- riences dans cette direction ont également été accomplies en Union Soviétique, par exemple, o des tentatives ont été faites pour récupérer des alliages de silicium-aluminium de divers minéraux de silicium-aluminium, par voies carbother- miques, dans un four à arcs électriques Dans ce -cas, le minéral et la poudre de carbone sont mélangés et formés en briquettes Après traitement thermique, les briquettes sont introduites dans un four à arc électrique. Ce processus présente l'inconvénient que les condi- tions imposées sur les briquettes sont extrêmement élevées; la quantité de carbone doit être corrigée et elles doivent être suffisamment résistantes pour ne pas se désintégrer 2 2534930 pendant le chargement et tandis qu'elles sont dans le four. Il est de la plus haute importance qu'il y ait une porosité et une conductivité correctes dans le four Par ailleurs, les investissements pour la préparation de la charge sont extrêmement élevées avec l'équipement pour le broyage, le mélange, la mise en forme de briquettes, le trai- tement thermique et autre, et en même temps les prix des électrodes sont élevées. La présente invention a pour objet l'élimination des inconvénients cidessus par la mise en oeuvre d'un procédé permettant la fabrication d'un alliage de silicium-aluminium en une seule étape, et permettant également l'utilisation de matières premières pulvérulentes. Cela est atteint par le procédé décrit dans l'intro- duction au moyen de la présente invention, qui est caracté- risée en ce que le minéral de silicium-aluminium sous forme pulvérulante, avec un agent réducteur sous forme d'un véhicule de carbone, est injecté à l'aide d'un gaz porteur dans un plasma gazeux produit dans un générateur de plasma, ensuite le minéral ainsi chauffé, avec l'agent réducteur et le plasma gazeux riche en énergie, sont introduits dans une chambre de réaction entourée sensiblement de tout côté d'un agent réducteur solide en morceaux. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le minéral naturel est choisi dans le groupe consistant en cyanite, andalousite, silimite, néphéline, quartz, argile contenant de l'alumine, comme la bauxite, et mélanges de deux ou plusieurs de ces minéraux Tout constituant volatil contenu dans les minéraux est vaporisé et part avec les gaz d'échappement pour être condensé à l'extérieur ou récupéré d'une autre façon appropriée On peut citer, comme exemples de composants volatils, outre A 1203 et 5102 qui peuvent être inclus dans le minéral, Na 2 O et K 20 Comme exemple d'un minéral contenant diverses quantités de composés volatils, on peut citer la néphéline. Le minéral ou les minéraux sont amenés à la fusion et à la réduction par réaction avec le carbone injecté, pour former ainsi un alliage liquide de silicium-aluminium. 3 2534930 Le choix des produits bruts de silicium et d'aluminium est facilité et rendu moins coûteux grâce à l'utilisation de produits bruts pulvérulants proposés selon l'invention Le procédé proposé selon l'invention est également insensible aux propriétés électriques de la matière première, ce qui facilite le choix de l'agent réducteur. L'agent réducteur injecté peut être un hydrocarbure, par exemple, tel que du gaz naturel, de la poudre de carbone, de la poudre de charbon de bois, de l'anthracite, du coke de pétrole, éventuellement purifié et de la poussière de coke. La température nécessaire pour le procédé peut facile- ment être contrôlée par le moyen de la quantité d'énergie électrique fournie pour unité de plasma gazeux, afin d'obte- nir des conditions optimales pour une consommation minimale d'électricité. Selon un mode de réalisation approprié de l'invention, l'agent réducteur solide, en morceaux, est amené continuelie- ment à la zone de réaction tandis qu'il est consommé. Les agents réducteurs solides appropriés en morceaux sont le coke, le charbon de bois, le coke de pétrole et/ou le noir de fumée et le plasma gazeux utilisé dans le procédé peut avantageusement consisté en gaz de procédé recirculant de la zone de réaction. L'agent réducteur solide en morceaux peut être une poudre convertie en morceaux au moyen d'un liant composé de C et H et éventuellement également de O, comme le saccharose. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le générateur de plasma est un générateur de plasma par induc- tion et les impuretés des électrodes sont par conséquent réduites à un minimum absolu. Le procédé proposé selon l'invention peut avantageu- sement être utilisé pour la fabrication d'alliages de sili- cium-aluminium de haute pureté Dans ce cas, on peut utiliser, comme produits bruts, A 1203, Si O 2 extrêmement purs et l'agent réducteur avec des quantités extrêmement légères d'impuretés. L'invention sera mieux décrite en se référant à certains exemples Les réactions sont de préférence mises en 4 2534920 oeuvre dans un réacteur semblable à un four à cuve, qui est continuellement chargé, au sommet, d'un agent réducteur solide à travers un toit de haut fourneau ayant des canaux séparés et scellés d'alimentation ou bien un canal annulaire d'alimentation sur le pourtour de la cuve. Le minéral pulvérulant est soufflé au fond du réacteur à travers des tuyères à l'aide d'un gaz inerte ou réducteur. En même temps, de l'hydrocarbure peut être soufflé à l'inté- rieur, ainsi qu'éventuellement de l'oxygène gazeux, de préfé- rence à travers les mêmes tuyères. Au fond de la cuve remplie de l'agent réducteur en morceau, se trouve une chambre de réaction, entourée de tout côté par ledit agent réducteur en forme de morceau La fusion et la réduction de A 1203 et Si O 2 ont lieu instantanément dans cette zone de réduction. Le gaz quittant le réacteur, qui se compose d'un mélange d'oxyde de carbone et d'hydrogène à une haute concen- tration, peut être remis en circulation et utilisé comme gaz porteur du plasma gazeux L'excès de gaz peut de préférence être utilisé pour la production d'énergie. Exemple 1 Une expérience a été accomplie à une demi-échelle On a utilisé, comme produit brut, de la cyanite ayant une dimension de grain de moins de 2 mm La "chambre de réaction" se composait de coke De la poudre de carbone a été utilisée comme agent réducteur et l'on a utilisé, comme gaz porteur et du plasma gazeux, le gaz de réduction lavé consistant en CO et H 2. Le courant électrique fourni était de 1000 k W On a amené 3 kg de cyanite/minute sous forme de produit brut et 1,2 kg de poudre de carbone/minute et 0,3 kg de coke/minute comme agent réducteur. On a produit, dans cette expérience, au total, environ 500 kg d'alliage de silicium-aluminium ayant une teneur en Al de 62 % La consommation moyenne d'électricité était de l'ordre de 11 k Wh/kg de l'alliage de silicium-aluminium produit. L'expérience a été effectuée à une petite échelle et 253493 O la perte de chaleur était donc considérable Avec récupéra- tion de gaz, la consommation d'électricité peut être encore diminuée et les pertes de chaleur seront également considéra- blement réduite dans une plus grande installation. Exemple 2 On a accompli une expérience à une demi-échelle Du sable quartzeux et A 1203 ayant une dimension du grain de moins 2 mm ont été utilisés comme produit brut La "chambre de réaction" consistait en coke On a utilisé de la poudre de carbone comme agent réducteur et un gaz de réaction lavé consistant en CO et H 2 a été utilisé comme gaz porteur et gaz de plasma. La puissance électrique fournie était de 1000 k W On a amené, en tant que produit brut, 2 kg de A 1203 et 1 kg de Si O 2/minute, et 1,2 kg de poudre de carbone/minute et 0,3 kg de coke/minute comme agent réducteur, On a produit, dans cette expérience, au total, environ 500 kg d'alliage de silicium-aluminium ayant une teneur en Al de 62 % La consommation moyenne d'électricité était de l'ordre de 11 k W/kg d'alliage de silicium-aluminium produit. L'expérience a été effectuée à une petite échelle et par conséquent la perte de chaleur était considérable Avec récupération de gaz, la consommation d'électricité peut être encore diminuée et les pertes de chaleur sont également considérablement réduite dans une plus grande installation. 6 2534930 REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un alliage de silicium- aluminium à partir d'un minéral naturel contenant de Valu- mine et de la silice et de la poudre de carbone, caractérisé en ce que le minéral naturel sous forne pulvérulante, avec un agent réducteur sous la forme d'un véhicule de carbone, est injecté à l'aide d'un gaz porteur dans un plasma gazeux-pro- duit dans un générateur de plasma, et ensuite le minéral ainsi chauffé, avec l'agent réducteur et le plasma gazeux riche en énergie, est introduit dans une chambre de réaction | entourée sensiblement de tout coté de l'agent réducteur solide en morceaux. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le minéral naturel précité est choisi dans le groupe consistant en andalousite, cyanite, silimite, néphéline, quartz, argile contenant de l'alumine, comme la bauxite, et mélanges de deux ou plusieurs de ces minéraux. 3 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un hydrocarbure est injecté en tant que véhicule de carbone, comme du gaz naturel, de la poudre de carbone, de la poudre de charbon de bois, de l'anthracite, du coke de pétrole qui peut être purifié ou de la poussière de coke. 4 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le coke, le charbon de bois, le coke de pétrole et/ou le noir de fumée précités sont utilisés comme agent réducteur en morceaux. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que du gaz de procédé recirculant de la zone de réaction est utilisé comme gaz porteur pour le plasma gazeux dans le procédé.