Brevet FR2532661A1 — publié le 19840309

PROCEDE DE FABRICATION DE FERROSILICIUM La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication de ferrosilicium à partir d-'un matériau contenant de la silice, un agent réducteur et un matériau contenant du fer, par réduction directe de la silice et réaction simultanée entre le silicium et le fer. Dans la fabrication, de nos jours, du ferrosilicium, on utilise un four électrique avec des électrodes de 58 derberg Cela nécessite une matière première en forme de morceaux, généralement du quartz, contenant environ 98 % de Si 02 et de petites quantités de Al, Ca, P et As L'agent réducteur utilisé peut être du coke et du charbon en morceaux ayant une faible teneur en cendres, et éventuellement égale- ment des copeaux La matière première de fer utilisée est de préférence formée de petits déchets d'acier, usuellement de la limaille. Le processus est usuellement mis en oeuvre de façon qu'il ne se forme pas de scories et l'on utilise, de préfé- rence, des fours rotatifs Une quantité relativement impor- tante de silicium se vaporise sous forme de Si O qui s'oxyde à l'extérieur du four pour produire une fumée blanche de Si O 2. D'autant plus élevée est la teneur en silicium, d'autant plus importante est la quantité de silicium perdue et d'autant plus importante est la consommation d'énergie par tonne d'al- liage et en particulier par tonne de silicium récupéré. Le tableau ci-dessous montre la consommation d'éner- gie pour les alliages les plus courants de silicium, le ren- dement et les points de fusion. Tableau Qualité, % Si 45 75 90 98 M Wh/tonne d'alliage 5-5; 5 835-10 12-14 14-20 Rendement en Si, % 91 85 81 75 l Mnh/tonne de/Si 11,0 12,5 15,0 18,0 Point de fusion C 1300 1310 1380 1420 Les alliages de ferrosilicium sont principalement utilisés comme additifs d'alliage et pour réduire les oxydes des scories, comme Cr 303 e mais en particulier pour la désoxy- dation de l'acier L'alliage le plus courant de ferrocilicipm 2 2532661. contient 45 % de Si Les alliages contenant 75 % de Si et plus se dissolvent dans l'acier, produisant de la chaleur Le silicium métallique, c'est-à-dire 98 % de Si, est utilisé comme additif pour l'acier en particulier mais également pour l'aluminium et le cuivre L'alliage contenant 75 % de Si est également utilisé dans la réduction silicogénétique de magné- sium, par exemple. Les fours à arc électrique nécessitent une matière première en morceaux, qui limite les matières premières et -complique l'utilisation de matières premières très pures sous forme pulvérulente Si des matières en granulés très fins doivent être utilisées, il faut les agglomérer à l'aide d'une certaine forme de liant, ce qui augmente encore les prix du processus. La technique du four à arc électrique est également sensible aux propriétés électriques des matières premières, Comme il faut utiliser une matière première en morceaux, il y a localement un assez mauvais contact entre la silice et l'agent réducteur, ce qui donne lieu à une perte de Si O. Cette perte augmente du fait des températures extrêmement élevées qui se présentent localement dans ce processus Par ailleurs, il est difficile de maintenir des conditions abso- lues de réduction au-dessus de la charge dans un four à arc et cela a pour résultat que le Si O qui se forme se réoxyde en Si O 2. Les facteurs décrits ci-dessus sont restés ensemble de la plus grande partie des pertes entretenues dans ce proces- sus La perte de Si O et la réoxydation de Si O en Si O 2 que l'on a mentionnées ci-dessus, ont pour résultat des quantités con- sidérables de poussière et cela, à son tour nécessite l'ins- tallation d'un équipement coûteux de purification de gaz. La présente invention a pour objet l'élimination des inconvénients ci-dessus mentionnés et l'obtention d'un pro- cessus permettant la fabrication de ferrosilicium en une seu- le étape, et permettant également l'utilisation de matières premières sous forme pulvérulente. Cela est atteint dans le procédé décrit dans l'intro- duction, qui est caractérisé selon l'invention en ce qu'un 3 2532661 matériau pulvérulent contenant de la silice et le matériau contenant du fer éventuellement avec un-agent réducteur, sont injectés à l'aide d'un gaz porteur dans un plasma gazeux pro- duit par un générateur de plasma, ensuite la silice et la ma- tière première de fer éventuellement avec l'agent réducteur chauffés de cette façon, sont introduits avec le plasma ga- zeux riche en énergie dans une chambre de réaction entourée sensiblement de tous cotés d'un agent réducteur solide en morceaux, ladite silice étant ainsi amenée à l'état fondu et étant réduite en silicium qui se combine au fer pour former du ferrosilicium La teneur en silicium dans le produit final peut être prédéterminée en contrôlant le fer ajouté. L'utilisation de matières premières pulvérulentes proposée selon l'invention rend le choix de matières premiè- res de silice plus facile et moins coûteux Le processus pro- posé selon l'invention est également insensible aux proprié- tés électriques de la matière première, ce qui facilite le choix de l'agent réducteur Par ailleurs, l'excès permanent de l'agent réducteur garantit que le Si O formé sera inmédia- tement réduit en Si. On utilise de préférence du sable quartzeux comme ma- tériau contenant de la silice et on l'amène en même temps que la matière première de fer La matière première de fer peut comprendre de la limaille de fer, des boulettes de fer spon- gieux, du fer en granulés Des micro-boulettes de quartz et de la poussière de charbon sont particulièrement adaptées pour la matière première de silice et même pour le carbone. Cependant, des matières ferreuses comme des pyrites calcinées contenant environ 66 % de Fe sous forme d'oxydes peuvent éga- lement être utilisées comme matière première Même d'autres matières contenant de l'oxyde ferrique peuvent être utili- sées, car ces oxydes sont réduits en même temps que la silice est réduite en silicium Les composés d'oxyde de Fe et Si sont également possibles et on peut mentionner, par exemple, 2 Fe O Si O 2 (fayalite). L'agent réducteur injecté peut se composer d'hydro- carbures, comme du gaz naturel, de la poussière de charbon, de la poudre de charbon de bois, du coke de pétrole qui peut même être purifié, et de la poussière de coke. La température requise pour le processus peut facile- ment être contrôlée par la quantité d'énergie électrique fournit par unité de plasma gazeux afin que les conditions optimales puissent être maintenues pour le moins de pertes possible de Si O - Comme la chambre de réaction est entourée sensiblement de tous côtés de l'agent réducteur en morceaux, une réoxyda- tion de Si O est efficacement empêchée. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'agent réducteur solide en morceaux est continuellement ame- né à la zone de réaction tandis qu'il est consommé. Avantageusement, on peut utiliser, -pour l'agent réducteur solide, du coke, du charbon de bois et/ou du coke de pétrole Le plasma gazeux utilisé pour le processus com- prend de préférence du gaz -de traitement recirculant de la zone réactionnelle L'agent réducteur, solide en morceaux peut. également être un matériau pulvérulent converti en morceaux à l'aide d'un liant composé de C et E et éventuellement égale- ment 0, comme du saccharose. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le brûleur à plasma se compose d'un brûleur à plasma à induc- tion Toutes les impuretés des électrodes sont ainsi réduites à un minimum-absolu. Le procédé proposé selon l'invention est avantageux pour la fabrication de ferrosilicium d'extrêmement haute pureté, on peut donc utiliser, comme matières premières de la silice extrêmement pure et un agent réducteur ayant une très forte teneur en impuretés Comme le système gazeux est de préférence fermé, c'est-à-dire que le gaz de traitement cir- cule, sensiblement toute l'énergie peut être utilisée Par ailleurs, les quantités de gaz sont considérablement plus faibles que dans des processus normaux de Fe Si, ce qui repré- sente également un facteur important du point de vue énergie. Comme on l'a mentionné précédemment, le Si O est en principe totalement éliminé, et il en est de même du problème de la poussière provoqué par la fumée de Si O. D'autres avantages -et caractéristiques du processus 2532661 selon l'invention seront révélés dans la description qui suit en se référant à certains exemples ainsi qu'à un mode de réalisation d'un réacteur pour la mise en oeuvre du processus selon l'invention, que l'on peut voir-sur le dessin joint. L'agencement selon l'invention permet à-toute la réac- tion d'être concentrée dans une zone réactionnelle très limi- tée à proximité immédiate de la tuyère, ce qui permet au volume à haute température dans le processus d'être fortement limité C'est un avantage considérable par rapport à un processus conventionnel o les réactions de réduction ont lieu en succession, étendues sur un volume important du four. Grâce à cette conception du processus, avec toutes les réactions qui ont lieu dans une seule zone de réaction dans la cheminée du coke, immédiatement à l'avant du générateur de plasma, la zone de réaction peut être maintenue à un niveau extrêmement élevé et contrÈlable de température Cela favori- se la réaction': Si O + 2 C > Si+ 2 C O Tous les réactifs (Si O 2, Si t Si C, Sir C, CO) sont présents simultanément dans la zone de réaction et Si O et Si C produits formés en petites quantités réagissent immédiate- ment comme suit Sio + C =) si + CO Sio + Si C > 2 Si + CO 2 Sic + Si O 2 3 Si + 2 CO Ce silicium liquide réagit avec le fer liquide contenu dans la zone de réaction tandis que le CO gazeux quitte la zone de réaction. Les réactions sont de préférence effectuées dans un réacteur 1, semblable à un four à cuve, qui est continuelle- ment charge au sommet d'un agent réducteur solide 2, par exemple par un toit de haut fourneau 3, avec des canaux régu- lièrement distribués et fermés d'alimentation, ou bien une colonne annulaire d'alimentation 4 au pourtour de la cuve. Des boulettes de fer ou toute autre matière première de fer en morceaux sont de préférence amenées à partir du -sommet du réacteur. Le matériau pulvérulent contenant la silice éventuel- 6 2532661 lement préréduite, et la matière première de fer pulvérulent sont soufflés au fond du réacteur 1 par des tuyères 5, 6 à l'aide d'un gaz inerte ou réducteur, Les orifices des tuyères , 6 sont à l'avant d'un générateur de plasma 7, dans un plasma gazeux ainsi produit. On peut souffler simultanément vers 1 intérieur, de préférence, par les mêmes tuyères, un hydrocarbure et même éventuellement de l'oxygène gazeux Le fer est ajouté, de préférence sous forme métallique, dans la zone de réaction. Cependant, comme on l'a précédemment mentionné, de l'oxyde ferrique peut être ajouté qui réduit en fer dans la zone de réaction, qui se combine alors au silicium pour former du ferrosilicium. A la partie inférieure de la cuve 1 remplie d'un agent réducteur 2 en morceaux se trouve une chambre de réaction 8 entourée, sensiblement de tous cotés par ledit agent réduc- teur 2 en morceaux La chambre de réaction 8 est formée du mélange chaud br lant d'un espace qui se reforme continuel- lement tandis que les parois de l'agent réducteur s'effon- drent La réduction de la silice et éventuellement de l'oxyde ferrique, et la fusion se produisent instantanément dans cette zone de réduction. L'alliage métallique liquide produit est retiré au fond du réacteur par un canal 9 et il est recueilli de façon appropriée, par exemple dans un récipient 10. Le gaz qui tend le réacteur, consistant en un mélange d'oxyde de carbone et d'hydrogène à une haute concentration, est de préférence mis en recirculation et utilisé pour produire le plasma gazeux et comme gaz de transport au gaz porteur pour la charge pulvérulente. Deux exemples seront décrits ci-après pour mieux illustrer l'invention. Exemple 1 On a accompli une expérience à l'échelle d'une demie taille industrielle On a utilisé du sable marin ayant une aranulométrie inférieure à 0,1 mm comme matière première de silice, et de la limaille de fer comme matière première de fer La "chambre de réaction" se composait de coke On a utilisé du propane 2532661 ' (LPG) comme agent réducteur et un gaz de réduction lavé consistant en CO et H 2 a été utilisé comme gaz porteur et plasma gazeux La puissance électrique d'entrée était de 1000 KW pour 2,5 kg Si 02/minute et on a amené 0,4 kg de Fe/minute comme matiè- re première et 1,5 kg de carbone /minute comme agent réduc- teur. -* On a produit, pendant l'expérience, un total d'environ 500 kg de ferrosilicium contenant 75 % de Si La consommation moyenne d'électricité était de l'ordre de 10 K Wh/kg ferrosi- licium produit. Comme l'expérience a été accomplie à une échelle rela- tivement petite, la perte de chaleur était considérable. Cependant, la consommation d'électricité peut être encore réduite par récupération du gaz et les pertes de chaleur diminuent également de façon importante dans une installation plus grande. Exemple 2 - On a produit du ferrosilicium en utilisant de l'oxyde ferrique pulvérulent en tant que matière première de fer, et par ailleurs les même conditions que l'exemple i. Dans cette expérience, on a produit 300 kg de ferrosi- licium contenant 75 % de Si La consommation moyenne d'élec- tricité était d'environ ll KW/kg de-ferrosilicium produit. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de ferrosilicium à partir d'une matière première contenant de la silice, d'un agent réducteur et d'un matériau contenant du fer par réduction directe de la silice et réduction simultanée entre le sili- cium et le fer, caractérisé en ce que le matériau pulvérulent contenant de la silice et la matière première de fer, éven- tuellement avec un agent réducteur, sont injectés à l'aide d'un gaz porteur, dans un plasma gazeux produit par un géné- rateur de plasma, ensuite la silice et la matière première de fer, éventuellement avec l'agent réducteur, chauffés de cette façon, sont introduits avec le plasma gazeux riche en énergie dans une chambre de réaction entourée sensiblement de tous côtés d'un agent réducteur solide en morceaux, ladite silice étant ainsi amenée à l'état fondu et étant réduite en sili- cium qui se combine au fer pour former du ferrosilicium. 2 Procédé selon revendication 11 caractérisé en ce que le plasma gazeux précité est produit en permettant au plasma gazeux de laisser passer un arc électrique dans un gé- nérateur de plasma. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'arc dans le générateur de plasma est produit par induction. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce que l'agent réducteur solide en morceaux est ajouté continuellement dans la zone de réaction. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à i 4 caractérisé en ce que l'agent réducteur solide en mor- ceaux se compose de bois, de charbon ou de coke. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentescaractérisé en ce que le plasma gazeux se compose de gaz de traitement en recirculation de la zone de réaction. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications. précédentes)caractérisé en ce que l'agent réducteur solide en morceaux est choisi dans un groupe consistant en briquettes de coke de pétrole, briquettes de poudre de charbon de bois et morceaux de charbon de bois. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 2532661 précédentes>caractérisé en que l'agent réducteur injecté est choisi dans le groupe consistant en poudre de charbon de bois, coke de pétrole pulvérulent, hydrocarbures sous formes gazeuse et liquide comme du gaz naturel, du propane, de l'es- sence légère. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes} caractérisé en ce qugon utilise, comme matière première contenant de la silice, du sable quartzeux. 10.o Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentescaractérisé en que Von utilise, comme ma- tière première de fer, une matière contenant du fer libre comme des boulettes de fer, de la limaille de fer et autres. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 9)caractérisé en ce qu'on utilise, comme matière première de fer, une matière première contenant de l'oxyde ferrique. 12 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 9 caractérisé en ce que l'on utilise des pyrites calcinées, comme matières premières de fer. 13 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes caractérisé en ce que l'on utilise des sco- ries de fayalite comme matière première, lesdites scories comprenant principalement 2 Fe Oo Si O 2 o