Brevet FR2582293A1 — publié le 19861128

L'invention concerne un procédé pour la production de silicium ou de ferro-silicium dans un bas fourneau électrique, qui consiste à former tout d'abord des agglomé- rés de matière brute contenant du dioxyde de silicium en grains fins ainsi qu'un excédent de carbone en vue de la réduction en carbure de silicium, et à charger le bas fourneau d'agglomérés de matière brute, en mélange avec du dioxyde de silicium en morceaux, sous forme de lit de fusion, le dioxyde de silicium contenu dans les agglomérés de matière brute étant réduit en carbure de silicium dans une partie supérieure du bas fourneau électrique à une température inférieure à i600 C, avec transformation du carbone des agglomérés de matière brute, non consommé lors de cette réduction, en agglomérés ayant la structure du coke, alors que, dans une partie inférieure du bas fourneau électrique, le dioxyde de silicium fondu ajouté en morceaux avec le lit de fusion est réduit en silicium avec le carbure de silicium et le carbone provenant des agglomérés à structure de coke, à une température de plus de 1600 C, de préférence entre 1800 et 2000 C. Le terme de dioxyde de silicium désigne tous les porteurs de silicium habituels, en particulier des quartzites et du sable silicieux. Le terme "a grains fins" signifie fin comme du sable, par exemple une grosseur des grains de 0,5 à 5 mm, de préférence environ 1 mm. On entend par le terme "excédent" le fait que le carbone non consommé dans les agglomérés de matière brute pour la réduction du dioxyde de silicium en carbure de silicium est quantitativement suffisant pour la formation d'agglomérés à structure de coke. La réduction se déroule sommairement en deux phases avec SiO2 + 3C = SiC + 2C0, SiO2 + 2SiC = 3Si + 2C0. Elle se termine dans la deuxième étape par la formation de monoxyde de silicum SiO2 + C = SiO + CO. Le monoxyde de silicium qui est gazeux à ces températures parvient à la partie supérieure du bas fourneau électrique. Dans le cadre des mesures bien connues de ce genre (DE-OS 34 11 371), les agglomérés de matière brute sont réalisés par briquetage. On utilise alors pour le briquetage du charbon agglomérable en quantité suffisante et on fait appel, de préférence, au briquetage à chaud, mais aussi au briquetage à froid avec addition de liants bitumineux. Par ailleurs, les agglomérés de matière brute contiennent le carbone sous forme de porteurs de carbone inertes vis-à-vis du briquetage tels que le coke de pétrole, l'anthracite, le graphite, le coke de lignite, le coke de houille et des matières analogues. Il va de soi que la production peut être poursuivie du silicium au ferro-silicium et au silicium métal en chargeant dans le bas fourneau électrique des substances appropriées, par exemple du fer sous forme de copeaux ou de granulés de fer ou aussi d'oxyde de fer. Ces mesures bien connues ont donné de bons résultats. Elles conduisent à un rendement en silicium considérablement accru pour une faible consommation d'électricité dans le bas fourneau électrique et pour une consommation réduite des électrodes du bas fourneau. Tout cela repose (d'après des études inédites) sur le fait que, au cours de la première phase de la réduction en carbure de silicium, les agglomérés de matière brute sont transformés en agglomérés à structure de coke qui, par rapport au carbone dans un lit de fusion de dioxyde de silicium et de carbone, présentent une surface beaucoup plus grande, à savoir celle de la structure de coke. Toutefois, sa surface interne spécifique est le plus souvent inférieure à 5 m2/g. Grâce à la surface accrue, les agglomérés à structure de coke présentent une réactivité particulièrement grande et sont en quelque sorte activés eu égard à l'avidité du carbone. Néanmoins, il y a encore dégagement de monoxyde de-silicium gazeux qui freine le rendement en silicium et qui exerce également une influence défavorable sur la consommation de courant électrique. La présente invention a pour objet de perfectionner le procédé du genre précité en ce qui concerne la consomma- tion de courant électrique et le rendement en silicium et de l'aménager de façon à permettre la production d'un silicium métallique très pur. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les agglomérés de matière brute sont préparés avec un liant bitumineux additionné d'une poudre fine de silice avec une surface interne spécifique d'au moins 5 m2/g, à savoir dans une quantité telle que, lors de la réduction du silicium en carbure de silicium, des agglomérés à structure de coke 2m d'une surface interne spécifique totale de plus de 5 m2/g, et de préférence de plus de 10 m2/g sont formésdans les agglomérés de matière brute, et que la réduction se poursuit dans la partie inférieure du bas fourneau électrique avec les agglomérés à structure de coke qui présentent une surface interne de plus de 5 m2/g. La poudre fine de silice qui est tout d'abord réduite dans le bas fourneau électrique en carbure de silicium apporte dans les agglomérés à struc- ture de coke une augmentation supplémentaire de la surface interne qui aspire en quelque sorte le monoxyde de silicium gazeux et le réduit dans les phases ultérieures du procédé. Il va de soi que le dioxyde de silicium à grains fins con- tribue, lui aussi, à l'extension de la surface interne. On entend par liants bitumineux tous les bitumes appropriés et en particulier ceux qui sont utilisés habituellement comme liants, par exemple pour la construction de routes et pour des travaux de briquetage. Le point de fusion doit être autant que possible supérieur à 60 C. Il va de soi que les différents grains de la poudre fine de silice doivent être mouillés aussi intimement que possible avec le liant bitumi- neux et mélangés de manière homogène. Cela est réalisable sans difficulté en chauffant le liant bitumineux de façon à le rendre suffisamment liquide et en procédant ensuite au mélange avec la poudre de silice, en appliquant, par exemple, le principe du mélange au jet. On entend par poudre de silice une poudre de silice très fine (dioxyde de silicium amorphe bien dispersé, cf. imprimé Degussa relatif à l'Aerosil), mais aussi d'autres poudres très fines de dioxyde de silicium. Autrement dit, selon l'invention l'addition de la poudre de silice aux agglomérés de matière brute rendue possible par l'intégration de la poudre de silice à un liant bitumineux induit dans les agglomérés de matière brute une surface de carbone supplémentaire parti- culièrement avide: Les surfaces internes induites sont créées dans le carbone non consommé lors de la réduction même de la poudre de silice en carbure de silicium au cours de la première phase de réduction. La surface interne induite peut être prédéterminée par la quantité de poudre de silice et par la surface interne spécifique de celle-ci. Après la cokéfaction du liant bitumineux, la poudre de silice est recouverte d'une couche de coke qui subit une formation notable de carbure de silicium à partir de 1500 C. La surface de la poudre est en quelque sorte transférée à l'intérieur du coke. La consommation du carbure de silicium se poursuit avec augmentation de la surface, à savoir aux interfaces des petits cristaux de carbure de silicium. Une commande de l'augmentation de la surface peut être obtenue avec une très grande précision par le choix de la poudre de silice et de son pourcentage dans le liant. En général, les agglomérés de matière brute seront préparés avec 4 à 20% en poids de liant bitumineux, rappor- tés au poids total des agglomérés de matière brute, addi- tionné de 2 à 20% en poids de poudre de silice, rapportés au liant bitumineux. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le liant bitumineux est mélangé avec une poudre de silice présentant une surface interne spécifique de 200 à 800 m2/g. Sur ce point, on applique une règle d'accord, Pour toutes les proportions de mélange, il convient de maintenir constant le produit du pourcentage en poids par la surface interne. Cela signifie que, par exemple, 30% en poids avec une surface interne de 10 m2/g produisent le même effet que 0,7 % de poudre de silice avec une surface interne d'environ 450 m2/g. Les agglomérés de matière brute sont soumis, de préférence à une température inférieure à la température de réduction du dioxyde de silicium en carbure de silicium, à un traitement thermique préalable qui provoque le craquage du liant bitumineux. Le traitement thermique préalable peut être effectué dans une partie supérieure du bas fourneau électrique permettant de maintenir, par exemple, une tempé- rature d'environ 500 C. Mais le traitement thermique préala- ble peut également être effectué en dehors du bas fourneau électrique en tant que cokéfaction préalable dans le sens d'un processus de cokéfaction habituel. En principe, dans le cadre de l'invention, la réalisation des agglomérés de matière brute peut être faite suivant un procédé quelconque. Toutefois, il est nécessaire d'assurer aux agglomérés de matière brute une stabilité suffisante par le choix du liant bitumineux pour qu'ils ne collent pas ensemble pendant le transport et pour qu'ils conservent leur forme dans le bas fourneau électrique. Dans le sens d'une optimisation, un mode de réalisation préféré de l'invention est caractérisé par le fait que la quantité de poudre de silice incorporée aux agglomérés dé matière brute conduit à la formation d'agglo- mérés à structure de coke avec une surface interne spécifique comprise entre 50 et 100 m2/g en utilisant, de préférence, une poudre de silice présentant une surface de 200 à 800 m2/g. Il est prévu dans le cadre de l'invention de charger les agglomérés de matière brute, mélangés avec le dioxyde de silicium en morceaux et du carbone supplémentaire, en tant que lit de fusion dans le bas fourneau électrique. S'il s'agit de produire directement dans le bas fourneau électrique du silicium métal ou du ferro-silicium, il est possible d'ajouter encore au lit de fusion du fer en petits fragments, par exemple sous forme de copeaux, de poudre ou d'oxyde de fer. Toutefois, dans ce contexte il est également possible d'utiliser des agglomérés de matière brute qui contiennent, en plus, du fer en petits fragments. Eu égard à la réduction du dioxyde de silicium contenu dans les agglo- mérés de matière brute en carbure de silicium, les agglomérés de matière brute présentent dans tous les cas un excédent de carbone. Il est recommandé de réaliser les agglomérés de matière brute de telle façon qu'ils présentent, pour cette réduction du dioxyde de silicium en carbure de silicium, un excédent de carbone compris entre 50% en poids et 90% en poids. La réalisation du procédé selon l'invention et l'utilisation de matières brutes extrêmement pures, en particulier d'un liant bitumineux extrêmement pur sous la forme d'un produit pétrolier distillé deux fois, conduisent à l'élaboration d'un silicium de très grande pureté. La description qui va suivre, à l'aide d'exemples de réalisation non limitatifs se rapportant d'une part à la réalisation des agglomérés de matière et, d'autre part, à l'élaboration du silicium, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La réalisation d'agglomérés de matière brute au moyen d'un liant bitumineux additionné de poudre fine de silice peut se faire par tous les procédés adéquats. Dans le cadre de l'exemple de réalisation, le procédé retenu est le briquetage à froid: Un liant à base de pétrole avec un point de ramollissement de 87 C a été chauffé à 170 C et maintenu en mouvement par une forte agitation. L'agitateur était construit de telle façon qu'une poudre de silice à surface étendue (surface spécifique 800 m2/g) est aspirée par une conduite dans l'axe creux de l'agitateur. En dessous de la surface du liant liquide, la poudre de silice était répartie radiale- ment et enliée immédiatement par le fort mouvement. Une circulation permanente à l'intérieur du mélangeur brasseur assurait une répartition homogène de la concentration recherchée s'élevant à 10% de poudre de silice. Grace à une grande surface du mélangeur brasseur, il a été possible de maintenir la formation de mousse du liant dans des limites acceptables. L'addition de la poudre de silice augmentait la viscosité du mélange. La fluidité était conservée. Le mélange était pompable, ce qui est essentiel pour le traitement ultérieur. Du sable et du coke de pétrole réchauffés ont été incorporés au mélange liquide. La température de ce mélange était de 110 C. Un malaxage a été effectué dans une atmosphère de vapeur. Le mélange final comprenait 10% du liant bitumineux additionné de poudre de silice, 40% de sable et 50% de coke de pétrole. Le mélange global contenait 1% de poudre de silice. Le briquetage de ce mélange s'est fait à 104 C dans une presse à cylindres. Les agglomérés de matière brute ainsi réalisés présentaient la forme de briquettes d'un volume de 18 cm3. Après le refroidissement à la température ambiante, ces agglomérés de matière brute présentaient en moyenne une résistance à la pression ponctuelle de 185 kg, ce qui satisfaisait à toutes les exigences mécaniques pour le stockage et le transport. Des essais de criblage ont démontré qu'après des parcours assez longs de transport par chemin de fer et par bateau, les menus du crible ne dépas- saient jamais 2%. Il est également essentiel pourleprocédé selon l'invention que les agglomérés de matière brute présentent la résistance au feu nécessaire. On entend par là le compor- tement des combustibles et des réactifs lorsque ceux-ci sont chauffés ou exposés à des chocs thermiques. Ce cas est banal et se produit à chaque chargement du bas fourneau électrique étant donné que,le matériel frais froid est chargé sur une surface de lit de fusion chaude dans laquelle les matières solides présentent une température de plus de 500 C et au- dessus de laquelle les gaz brûlent avec un dégagement de chaleur important. Sur ce point aussi, les agglomérés de matière brute ont répondu à toutes les attentes. -A l'intérieur d'un panier en fil métallique accroché dans le bas fourneau de façon à pouvoir être descendu, les agglomérés de matière brute glissaient, après les chargements, en dessous de la surface du lit de fusion o ils restaient pendant une heure. Puis, ils ont été retirés avec le panier en fil métallique du bas fourneau électrique et introduits rapidement dans un récipient étanche à l'air. Les agglomérés obtenus présentaient une structure de coke. Après le refroidissement, on a mesuré la résistance ponctuelle à la pression. Il s'est avéré que la résistance ponctuelle à la pression était montée à 210 kg. La proportion des constituants volatils était descendue en dessous de 2%. Une partie des agglomérés de matière brute a été réchauffée au laboratoire. On a mesuré les pertes de poids jusqu'à 1600 C, effectué une détermination de la résistance et déterminé la surface interne. Toutes les valeurs étaient satisfaisantes. La surface interne spécifique était de 14,3 m2/g. Des essais parallèles effectués sans addition de poudre de silice ont donné une surface spécifique de seulement 4,2 m2/g. Les agglomérés de matière brute réalisés de la manière décrite ont été utilisés pour l'élaboration de silicium dans le bas fourneau électrique conformément au procédé décrit précédemment. Le succès était éclatant. Le rendement en silicium était de 96,6% pour une consommation de courant électrique de 10600 kWttSi. Des essais effectués parallèlement avec des agglomérés de matière brute sans addition de poudre de silice ont conduit à un rendement en silicium de seulement 80% environ avec une consommation d'énergie de 12800 kWh/tSi. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la production de silicium ou de ferro-silicium dans un bas fourneau électrique, qui consiste à former tout d'abord des agglomérés de matière brute contenant du dioxyde de silicium en grains fins ainsi qu'un excédent de carbone en vue de la réduction en carbure de silicium, et à charger le bas fourneau d'agglomérés de matière brute, en mélange avec du dioxyde de siliciumen morceaux, sous forme de lit de fusion, le dioxyde de silicium contenu dans les agglomérés de matière brute étant réduit en carbure de silicium dans une partie supérieure du bas fourneau électrique à une température inférieure à 1600 C, avec transformation du carbone des agglomérés de matière brute, non consommé lors de la réduction, en agglomérés à structure de coke, alors que, dans une partie inférieure du bas fourneau électrique, le dioxyde de silicium fondu ajouté en morceaux avec le lit de fusion est réduit en silicium avec le carbure de silicium et le carbone provenant des agglomérés à structure de coke à une température de plus de 1600 C, de préférence entre 1800 à 2000 C, caractérisé par le fait que les agglomérés de matière brute sont formés avec un liant bitumineux additionné de poudre fine de silice avec une surface interne spécifique d'au moins 5 m2/g, à savoir en une quantité telle que, lors de la réduction du silicium en carbure de silicium, les agglomérés de matière brute sont transformés en agglomérés à structure de coke avec une surface interne spécifique totale de carbone de plus de 5 m2/g, de préférence de plus de 10 m2/g, et que la réduction est poursuivie, dans la partie inférieure du bas fourneau électrique, avec les agglomérés à structures de coke présentant une surface interne de plus de 5 m2/g. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les agglomérés de matière brute sont péprarés avec 4 à 20% en poids de liant bitumineux, rapportés au poids total des agglomérés de matière brute, additionné de 2 à 20% en poids de poudre de silice, rapportés au liant bitumineux. 3. Procédé selon l'une des revendications i ou 2, caractérisé par le fait que le liant bitumineux est mélangé avec une poudre fine de silice qui présente une surface interne spécifique de 200 à 800 m2/g. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que, à une température inférieure à la température de réduction du dioxyde de silicium en carbure de silicium, les agglomérés de matière brute sont soumis à un traitement thermique préalable qui provoque le craquage du liant bitumineux. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le traitement thermique préalable est effectué dans une partie supérieure du bas fourneau élec- trique. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le traitement thermique préalable est effectué, en tant que cokéfaction préalable, en dehors du bas fourneau électrique. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la quantité de poudre de silice incorporée aux agglomérés de matière brute conduit à la formation d'agglomérés à structure de coke avec une surface interne spécifique comprise entre 50 et 100 m2/g. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les agglomérés de matière brute, mélangés avec le dioxyde de silicium en morceaux et le carbone supplémentaire, sont chargés dans le bas fourneau électrique en tant que lit de fusion. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour l'élaboration directe de silicium métal ou de ferro-silicium, caractérisé par le fait que du fer en petits fragments, par exemple sous la forme de copeaux, de poudre ou d'oxyde de fer, est ajouté, en plus, au lit de fusion. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications i à 8 pour l'élaboration directe de silicium métal ou de ferro-silicium, caractérisé par le fait que les agglomérés de matière brute mis en oeuvre contiennent, en plus, du fer en petits fragments, par exemple sous la forme de copeaux, de poudre, de grains ou d'oxyde de fer. 11. Agglomérés de matière brute pour la réalisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, qui présentent du dioxyde de silicium en grains fins et, eu égard à la réduction du dioxyde de silicium en carbure de silicium, un excédent de porteur de carbone inerte tel que du coke de pétrole, de l'anthracite, du graphite ou une substance analogue, caractérisés par le fait que les agglo- mérés de matière brute sont briquetés avec 4 à 20% en poids d'un liant bitumineux, rapportés au poids total, additionné de 2 à 20% en poids de fine poudre de silice avec une surface interne spécifique de plus de 5 m2/g, de préférence de 200 à 800 m2/g. 12. Agglomérés de matière brute selon la revendica- tion 11, caractérisé par le fait que le liant bitumineux est craqué par une cokéfaction préalable des agglomérés de matière brute.