Brevet FR2668161A1 — publié le 19920424

BRIQUETTES, PROCEDE DE PREPARATION ET UTILISATION DANS LES PROCEDES DE FUSION DU SILICIUM La présente invention a trait à des briquettes et à un procédé pour la fabrication de telles briquettes. L'invention concerne en particulier des briquettes qui conviennent pour l'utilisation en tant que matière première dans les procédés de fusion du silicium qui utilisent des fours à arc électrique. Les briquettes, qui sont utilisées dans les dispositifs de fusion du silicium, exigent des caractéristiques spécifiques en raison des températures extrêmes du four dans lesquelles elles sont brûlées. I1 est ainsi souhaitable que lesdites briquettes conservent leur intégrité structurale jusqu'à ce qu'elles atteignent la zone de haute température du four qui est créée à l'intérieur du dispositif de fusion par un arc électrique et à laquelle la réduction du dioxyde de silicium a lieu. I1 est également souhaitable que les briquettes pour utilisation dans les dispositifs de fusion du silicium aient de hauts degrés de pureté eu égard aux contaminants possibles (autres que le silicium) tels que le calcium, le magnésium, le fer, l'aluminium, le titane et similaires. En outre, les dispositifs de fusion du silicium produisent de la silice pulvérulente amorphe (en anglais : "silica fume") et des matériaux carbonés tels que les fines de charbon de bois (ou de charbon activé en anglais : "charcoal"), en tant que sous-produits. Bien que la silice pulvérulente amorphe ait quelque utilité en tant qu'additif dans les ciments ou peintures, et que, pastillée, elle soit utile en tant que stock d'alimentation pour le retour au dispositif de fusion du silicium, son transport est cher dans certains pays et il existe souvent un faible marché pour ladite silice. Par suite, de grandes quantités sont souvent mises simplement à la décharge. De même, les fines de charbon de bois ne peuvent pas être utilisées directement dans un four à arc électrique mais doivent être d'abord briquetées jusqu'à une dimension convenable. Tandis que les méthodes conventionnelles de briquetage, telles celles utilisant de l'amidon en tant que liant, donnent un produit utile, le coût du liant et les faibles caractéristiques du produit rendent ces procédés non attractifs. Le but de l'invention est de fournir une briquette et un procédé pour la préparation d'une telle briquette convenant pour utilisation dans les procédés de fusion du silicium qui mettent en oeuvre des fours à arc électrique. Pour faciliter la compréhension de la description qui suit de la présente invention, par l'expression "silice pulvérulente amorphe" (en anglais : "silica fume"), on entend des particules très fines de silice sous une forme amorphe. Comme indiqué ci-dessus, cette forme de silice est un sous-produit du procédé de traitement de minerais de silice, tel que la fusion du quartz dans un dispositif de fusion de silice, qui conduit à la formation de monoxyde de silicium gazeux qui par exposition à l'air s'oxyde pour donner de petites particules de silice amorphe. De façon typique, la silice pulvérulente amorphe contient jusqu'à 10 % de carbone entraîné qui donne une couleur grisâtre au matériau, le reste étant du dioxyde de silicium pratiquement pur.On sait également que la silice pulvérulente amorphe peut également provenir de la réduction du tétrachlorure de silicium. Dans la description de la présente invention, par l'expression "matériau carboné" on désigne notamment tout produit constitué essentiellement de carbone. Cette définition inclut notamment le charbon de bois, les fines de charbon de bois, le coke, le charbon, le goudron, le coke de pétrole et tout autre matériau contenant du carbone provenant de la distillation destructive de matériaux organiques ou du charbon. La présente invention fournit une briquette qui convient pour l'utilisation dans le procédé de fusion du silicium, ladite briquette étant formée d'un mélange d'un matériau carboné et d'une silice pulvérulente amorphe. La briquette est formée par combinaison de la silice pulvérulente amorphe et du matériau carboné avec de liteau, formation de la briquette dans une presse à anneau cylindrique (en anglais : "ring roll press") ou selon un procédé d'extrusion classiques, puis du durcissement par séchage de la briquette ainsi formée. Selon une forme préférée de l'invention, le matériau carboné est constitué de fines de charbon de bois et représente de 10 à 99 % en poids de la briquette. Ces fines de charbon de bois peuvent être celles obtenues en tant que sous-produit du procédé de fusion du silicium, même si des fines de toute autre source peuvent être utilisées. De préférence, les fines auront une faible teneur de cendre. La silice pulvérulente amorphe est un matériau très finement divisé, ayant une granulométrie de préférence inférieure à 20 micromètres. Cette très fine dimension de particule permet un mélange intime de la silice et du charbon dans les briquettes et contribue ainsi à la liaison des briquettes, alors que des briquettes utilisant des particules plus grandes de silice amorphe ou cristalline présentent une faible tendance ou aucune tendance à se lier ensemble. Ainsi, selon l'invention, il n'y a aucune exigence essentielle d'utiliser des matériaux liants additionnels qui pourraient intro duire des impuretés dans le procédé de fusion du silicium. Bien entendu, dans certains cas, il peut être préféré d'utiliser des liants supplémentaires dans les briquettes de la présente invention. Sans liant supplémentaire, les briquettes, qui présentent une haute résistance au broyage, ont tendance à devenir cassantes sous l'effet d'un cisaillement. Une briquette moins cassante et plus robuste résulte de l'utilisation de faibles quantités de certains liants. De plus, dans la production à grande échelle, par exemple quand on utilise une presse à anneau cylindrique, il est difficile d'obtenir une briquette ayant une résistance à chaud suffisante dans le four du fait d'une compression relativement faible.Ceci peut être surmonté par addition d'autres matériaux qui n'agissent pas en tant que liant lors de la fabrication des briquettes mais sont, en quelque sorte, activés par la chaleur du four pour lier la briquette dans le four et ainsi augmenter sa résistance à chaud. Selon cette caractéristique préférée, les agents liants supplémentaires peuvent être choisis parmi l'ensemble constitué par le bitume, la poix (en anglais "pitch"), l'asphalte, la paraffine, le goudron de bois, la gilsonite, le charbon, la glu, les amidons, les sucres, les lignosulfonates, la gomme arabique, les silicates, l'alcool polyvinylique, la caséine et les agents similaires. Le mélange intime de silice et de carbone qui résulte de l'utilisation de la silice pulvérulente amorphe fournit également des caractéristiques remarquables de combustion aux briquettes de l'invention et un haut rendement en silicium dans les conditions sévères de température d'un four à arc électrique. Les températures dans ce four sont généralement supérieures à 1200"C et vont souvent jusqu'à environ 1700 C. En outre, le procédé de formation des briquettes selon l'invention n'exige pas comparativement de hautes pressions onéreuses et de hautes températures de technique de durcissement telles que la technique de durcissement hydrothermique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'une réalisation spécifique. Cette réalisation n'est nullement limitative mais est donnée uniquement à titre d'illustration et ne limite en aucune façon la généralité de la présente invention. La réalisation concerne des briquettes carbonées à utiliser dans les dispositifs de fusion du silicium. Comme indiqué ci-dessus, la caractéristique souhaitée des briquettes, qui sont utilisées dans les dispositifs de fusion du silicium, est que la briquette conserve son intégrité structurale jusqu'à ce qu'elle atteigne la zone de haute température qui est créée dans le dispositif de fusion par l'arc et à laquelle la réduction du dioxyde de silicium a lieu. On a trouvé que la formation de particules à partir d'un mélange de matériau carboné et de silice pulvérulente amorphe agit en tant qu'agent liant et revêt les particules carbonées pour leur fournir une résistance à la combustion. Selon un exemple particulier de la réalisation, une briquette carbonée, ayant une composition approximative de 70 parties en poids de charbon de bois, 25 parties en poids de silice pulvérulente amorphe et 30 parties en poids d'eau, est formée selon des techniques usuelles mettant en oeuvre une presse à pilon (en anglais : "stamp press") ou une presse à rouleau (en anglais : "roll press"). De préférence, le matériau carboné est mélangé avec la silice pulvérulente amorphe et le mélange résultant est passé à travers un broyeur à marteau pour produire un mélange ayant des particules de granulométrie inférieure à 1 mm. S'il est plutôt préférable d'avoir des particules de granulométrie inférieure à 1 mm pour obtenir un mélange plus uniforme, le procédé sera également efficace avec des particules ayant une granulométrie allant jusqu'à environ 5 mm. Le mélange résultant est préférablement introduit ensuite dans un mélangeur à pale et l'eau est pulvérisée jusqu'à ce que la teneur en humidité désirée soit atteinte. Le procédé préféré peut bien entendu varier de plusieurs façons. Par exemple, le matériau carboné peut être humidifié avant mélange avec la silice pulvérulente amorphe (étant soit pré-broyé ou broyé quand il est mouillé). Après la formation des briquettes, lesdites briquettes sont préférablement séchées dans un four de séchage classique à une température de 80 à 140"C. Des températures plus élevées ou plus faibles peuvent être utilisées avec une augmentation ou une diminution du taux de séchage. Les briquettes résultantes ont une haute résistance en vert (en anglais : "high green strength") et, après séchage, sont résistantes à l'abrasion et suffisamment fermes pour résister aux contraintes normales rencontrées au cours des manipulations et transport. En outre, les briquettes sèches présentent une résistance exceptionnelle aux hautes températures (i.e. des températures supérieures à lOOOQC) qui assure lors de l'utilisation dans un dispositif de fusion du silicium que la majeure partie du matériau carboné est conservée pour utilisation dans la réduction du minerai de silicium dans la région de l'arc. La silice pulvérulente amorphe utilisée dans l'exemple ci-dessus est un sous-produit du procédé de fusion du silicium, tandis que le matériau carboné provient de fines de charbon de bois qui sont trop petites pour être utilisées telles quelles dans le procédé de fusion. Ainsi, la présente invention utilise avantageusement des sous-produits relativement inutiles du procédé de fusion. En outre, les briquettes selon la réalisation ne contiennent aucun liant onéreux ni aucun contaminant, tels que les contaminants métalliques précités qui interféreraient dans la mise en oeuvre du procédé de fusion en introduisant des contaminants dans le silicium résultant. De plus, la teneur en silicium des briquettes, sous la forme de silice pulvérulente amorphe, intervient en tant que stock d'alimentation du dispositif de fusion et diminue la quantité de quartz requise dans l'opération du four. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode particulier de réalisation décrit ci-dessus, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour autant du cadre de l'invention. En particulier, les briquettes de l'invention peuvent être utilisées dans d'autres procédés de combustion tant industriels que domestiques avec incorporation des additifs appropriés pour faciliter la combustion du matériau carboné à des températures plus faibles. REVENDICATIONS 1. Briquette appropriée pour utilisation dans un procédé de fusion du silicium, ladite briquette étant caractérisée en ce qu'elle comprend un mélange d'un matériau carboné et d'une silice pulvérulente amorphe. 2. Briquette selon la revendication 1, caractérisée en ce que la silice pulvérulente amorphe est constituée par des particules ayant une granulométrie inférieure à environ 20 micromètres. 3. Briquette selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le matériau carboné est constitué par des fines de charbon de bois et représente de 10 à 99 % en poids de la briquette. 4. Briquette selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite briquette a une composition d'environ 70 parties en poids de fines de charbon de bois, 25 parties en poids de silice pulvérulente amorphe et 30 parties en poids d'eau. 5. Briquette selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un agent liant supplémentaire choisi parmi l'ensemble constitué par le bitume, la poix, l'asphalte, la paraffine, le goudron de bois, la gilsonite, le charbon, la glu, les amidons, les sucres, les lignosulfonates, la gomme arabique, les silicates, l'alcool polyvinylique, la caséine et les agents similaires. 6. Procédé pour la fabrication d'une briquette selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la forma tion d'un mélange d'un matériau carboné et d'une silice pulvérulente amorphe, la combinaison du mélange résultant avec de l'eau, la formation d'une briquette selon une technique connue en soi, et le durcissement par séchage de la briquette ainsi formée. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le mélange est passé à travers un broyeur à marteau, avant d'être combiné avec de l'eau, pour produire un mélange ayant des particules de granulométrie inférieure à 1 mm. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau carboné est broyé jusqu'à l'obtention d'une poudre fine avant mélange avec la silice pulvérulente amorphe. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau carboné est humidifié avant mélange avec la silice pulvérulente amorphe, étant soit prébroyé ou broyé quand il est mouillé. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les briquettes sont séchées dans un four de séchage classique à une température de 80"C à 140"C.