FR2555565A1 - Procede pour fabriquer du silicium a partir du quartz sous forme de materiau brut dans un bas fourneau electrique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE POUR FABRIQUER DU SILICIUM A PARTIR DE QUARTZ SOUS FORME DE MATERIAU BRUT DANS UN BAS FOURNEAU ELECTRIQUE. SELON CE PROCEDE POUR FABRIQUER DU SILICIUM A PARTIR DE QUARTZ SOUS FORME DE MATERIAU BRUT, EN UTILISANT DU QUARTZ GRANULAIRE ET DES BRIQUETTES D'UN AGENT REDUCTEUR FORME DE QUARTZ ET DE CARBONE, FOURNISSANT UN EXCES DE CARBONE, AU REGARD DE LA REACTION SIO 3C SIC 2CO, LE QUARTZ ETANT CONVERTI EN SIC D'ABORD A UNE TEMPERATURE A 1600C, PUIS LE QUARTZ BRUT LIQUIDE EST REDUIT A UNE TEMPERATURE SUPERIEURE A 1600C, ON TRAVAILLE AVEC DES BRIQUETTES DE L'AGENT REDUCTEUR POSSEDANT UN EXCEDENT DE CARBONE DE PLUS DE 50 EN POIDS AU REGARD DE LA REACTION INDIQUEE ET QU'EN PLUS DU SIC, DU CHARBON ACTIVE EST FORME A UNE TEMPERATURE INFERIEURE A 1600C DANS LES BRIQUETTES, A LA PARTIE SUPERIEURE DU BAS FOURNEAU ELECTRIQUE, LE QUARTZ ETANT REDUIT DANS LA PARTIE INFERIEURE DU BAS FOURNEAU A L'AIDE DE CE CHARBON ACTIVE ET DU SIC. APPLICATION NOTAMMENT A LA FABRICATION DE FERROSILICIUM.

Description

i L'invention concerne un procédé pour fabriquer du silicium à partir de

quartz sous forme de matériau brut dans un bas fourneau électrique, selon lequel on introduit dans le bas fourneau électrique, le quartz sous forme de matériau brut à l'état granulaire et en outre des briquettes d'un agent réducteur, formé par du quartz et du carbone,et qui fournissent un excès en carbone au regard de la réaction SiO2 + 3C = SiC + 2CO, et selon lequel le quartz situé dans les briquettes de l'agent réducteur est converti en SiC tout

d'abord à une température inférieure à 1600 C, dans une par-

tie supérieure du bas fourneau électrique et selon lequel ensuite le quartz sous forme de matériau brut liquide est réduit à une température supérieure à 1600 C, de préférence comprise entre 1800 et 2000 C, dans une partie inférieure du bas fourneau.Les briquettes sont fabriquées de préférence lors de l'agbomércion à chaud.Le terme de "quartz"sousforn. edematériau brute" désigne tous les éléments contenant du bioxyde de silicium et utilisés pour la fabrication du silicium, par exemple la quartzite et le sable quartzeux. Pour fabriquer

les briquettes de l'agent réducteur on travaille en géné-

ral avec du sable quartzeux. Le terme de "agglomération à chaud" désigne une agglomération sans liant, lors de laquelle les substances de départ sont chauffées à une température de 430 à 540 C et sont mises sous la forme de briquettes

sous l'action d'une pression (voir le brevet allemand n 1.915.905).

Cependant dans le cadre de la présente invention on peut également travailler avec des briquettes d'un agent réducteur,

qui ont été fabriquées d'une autre manière.

Dans le cas du procédé connu du type indiqué plus haut (brevet allemand n 3.032.720), on travaille avec des briquettes de l'agent réducteur qui possèdent dans tous les cas un faible excès en carbone au regard de la réaction SiR + 3C = SiC + 2CO. En réalité on s'efforce de réaliser

une conversion aussi complète que possible des éléments par-

ticipant à la réaction indiquée, dans les briquettes de l'a-

gent réducteur, et ce en SiC et en CO, afin de pouvoir ensui-

te effectuer la réduction du quartz sous forme de matériau

brut liquide, dans la partie inférieure du basfoumeai électri-

que, aux températures élevées indiquées, avec le SiC servant d'agent réducteur. L'excès en carbone est présent uniquement parce que, lors de laréduction du bioxyde de silicium dans

les briquettes de l'agent réducteur, le carbone réagit égale-

ment avec l'oxygène et est perdu dans une certaine mesure pour la réaction avec le bioxyde de silicium. Dans le cadre des dispositions connues, les briquettes de l'agent réducteur sont cependant constituées par du carbure de silicium, après la réduction du bioxyde de silicium,e oe contiennent plus de carbone. L'effet des dispositions indiquées s'est confirmé, mais ces dispositions nécessitent des améliorations du point de vue du rendement en silicium et par conséquent du point

de vue du besoin en énergie.

L'invention a pour but de réaliser le procédé du type indiqué de manière à obtenir un rendement élevé en

silicium, pour une utilisation d'énergie réduite.

Ce problème est résolu conformément à l'inven-

tion grace au fait qu'on travaille avec des briquettes de l'agent réducteur, qui possèdent un excès en carbone de plus de 50 % e pod ai regad dela réaction SiO2 + 3C = SiC + 2CO,

qu'en plus du Sic, du charbon activé est formé à une tempé-

rature inférieure à 1600 C dans les briquettes de l'agent réducteur, dans la partie supérieure du bas fotrneai éledrique les briquettes de l'agent réducteur prenant une structure analogue à celle du coke, et que le quartz sous forme de matériau brut est réduit dans la partie inférieure du bas founeu égEtr4qu à l'aide de ce charbon activé d'une parte dl SiC formé d'autre part. Dans le cadre de l'invention, on travaille de préférence avec un excès en carbone dans les briquettes de l'agent réducteur, qui est inférieur à 90 %

en poids et est égal de préférence à environ 80 % en poids.

On obtient en outre une optimisation en mettant en oeuvre globalement le procédé de telle manière et qu'amciri 50% en pois du quartz sous forme de matériau brut introduit est réduit

à l'aide du charbon activé des briquettes de l'agent réduc-

teur, dans la partie inférieuredubasfourrea électrique. Au

total on règle le lit de fusion de manière que le bilan réac-

tionnel soit exact. Il n'est pas nécessaire de travailler

exclusivement avec les briquettes de l'agent réducteur possé-

dant la composition décrite. On peut au contraire dans cer-

taines limites ajouter un lit de fusion classique (constitué par exemple par 3 t de quartz / 0,4 t de charbon de bois / 0,4 t de charbon de tourbe / 0,3 t de coke de pétrole / 0,5 t de charbon comportant peu de cendres), tant que seul doit être garanti le fait que du charbon activé est fourni d'une manière suffisante à partir des briquettes de l'agent réducteur. Comme cela a été mentionné, pour le procédé conforme à l'invention le mode de fabrication des briquettes de l'agent réducteur est en principe quelconque. Il faut somme toute que soit assuré le fait que les briquettes de l'agent réducteur possèdent une stabilité appropriée pour pouvoir être insérées de la façon décrite pour ainsi dire en tant que lit de fusion ainsi que le quartz sous forme de matériau brut dans i bofourneau électrique et y réagir

de la manière décrite. D'après une forme de réalisation pré-

férée de l'invention on procède de telle manière que l'on travaille avec des briquettes de l'agent réducteur qui sont fabriquées lors de l'agglomération à chaud sous la forme

de boulets ou de briquettes en forme de coussins et qui possè-

dent un volume allant de 15 à 60 cm3. En liaison avec ce fait, il est en outre recommandé conformément à l'invention de travailler avec des briquettes de l'agent réducteur, dont la fraction de carbone est constituée, dans la mesure ou cela est nécessaire pour l'agglomération à chaud, par du charbon agglutiné et par ailleurs par des éléments carbonés tels que du coke de pétrole, de l'anthracite, du graphite, du coke à lignite et du coke de houille. Il va de soi que l'on peut poursuivre la mise en oeuvre du procédé conforme

à l'invention pour obtenir du ferrosilicium et du silico-

métal, par le fait qu'on introduit, en dehors du quartz sous

forme de matériau brut, des substances appropriées, par exem-

ple des copeaux de fer ou des granulés de fer, dans le bas

fourneau électrique.

L'invention part du fait que, lors de la réduc-

tion du bioxyde de silicium avec du carbone, il se produit également dans les briquettes de l'agent réducteur, outre

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la formation du carbure de silicium, également une formation de charbon actif qui est disponible pour ainsi dire en tant que carbone vierge dans la partie inférieure dubas foumEeu électrique, et ce en dehors du carbure de silicium, ce qui en définitive améliore le rendement et réduit la consommation en énergie. Ceci va être expliqué ci-après de façon plus

détaillée en référence à des exemples de réalisation.

EXEMPLE 1

Pour produire environ 600 t de silicium on a fabriqué 1200 t de briquettes, que l'on a introduites dans

le four électrique avec une quantité approximativement iden-

tique de quartz en morceaux.

Au cours de la première phase opératoire, on a fabriqué les briquettes avec un mélange de % de charbon agglutiné 32 % de coke de pétrole, et 38 % de sable quartzeux (99,8 % de SiR) selon le procédé utilisant l'agglomération à chaud, c'est-à-dire que l'on a utilisé le charbon comme liant à des températures d'environ 500 C. On a examiné les briquettes

terminées et refroidies et il s'est avéré qu'elles conte-

naient

(42 +/- 0,4)SiO2 et (52 +/- 0,7) Cfixe.

Un examen de la résistance mécanique a révélé que l'on obtenait des résistances à des pressions ponctuelles

de 150 à 200 kg, que l'on devait expliquer par suite de l'in-

corporation des substances inertes telles que le coke de

pétrole et le sable dans le charbon fondu et à nouveau refroi-

di. Une mesure de la surface interne des briquettes a fourni comme valeur 0,5 àljm2/g. Cela signifie qu'il n'existe aucune

surface intéressante du point de vue de la cinétique réac-

tionnelle, au niveau de laquelle des conversions hétérogènes entre des gaz tels que SiO d'une part et du carbone d'autre

part puissent avoir lieu avec des rendements élevés.

Au cours d'une seconde phase opératoire, on a envoyé les briquettes à un bas fourneau électrique. En amont

du four on a réalisé une élimination, par tamisage, du maté-

riau qui était apparu sous la forme de particules d'usure et de fragments pendant le transport, ce matériau de taille

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fine étant présent en un pourcentage inférieur à 4 %. Ceci

est un très bon résultat, mais le charbon de bois, le char-

bon de tourbe et la houille sont détruits à un pourcentage

plus élevé. On connaît des chiffres supérieurs à 10 %.

Dans un four électrique, dans le cas du remplis- sage continu, on obtenait un mélange de quartz en morceaux et de briquettes, que l'on chauffait avec une répartition statistiquement bonne en raison d'un comportement analogue

lors de la mise en tas et on les a fait entrer en réaction.

Si l'on considère la réaction globale de la production de Si SiO2 + 2C = Si + 2C0, on peut tirer de l'analyse des briquettes que le charbon est présent en excès dans les briquettes et que seule la poursuite de la réaction avec des morceaux de quartz garantit

la transformation totale. Mais étant donné qu'avant la forma-

tion du Si, il se forme du carbure de silicium conformément à la relation SiO2 + 3C = SiC + 2CO il se pose la question de savoir si dans ce cas il subsiste suffisamment de charbon dans la briquette. Le calcul révèle qu'il existe dans la briquette environ le double du charbon que nécessite la réaction. Ceci fournit un rapport molaire de 1:5 à 1:6. On s'est efforcé d'obtenir ce résultat afin que les structures de coke réalisées par gaufrage lors de l'agglomération à chaud restent conservées même s'il apparait des pertes par réaction aboutissant à la formation de carbure

de silicium.

On a obtenu une confirmation de ce fait en détectant à l'aide de thermocouples la plage de températures dans laquelle s'effectue la réaction du carbure. On a prélevé à partir du matériau chaud,à une température de 1500 à 1600 C, des échantillons qui ont indiqué clairement que les briquettes

possèdent encore leur forme initiale bien que la transfor-

mation entre le charbon et le silicium ait déjà commencé

ou soit totalement achevée.

La plupart des briquettes présentaient une surface blanche, ce qui signifie que des réactions se sont produites en cet endroit. Mais ce qui a été le plus important,

c'est la mesure de la surface interne de la briquette refroi-

die. La mesure a indiqué une surface interne fortement accrue

de 20 à 230 m2/g.

Ceci conduit a une forte réduction du pourcen- tage de SiO2 dans l'épuration des gaz. La consommation en énergie et le rendement en silicium sont étroitement liés

à ce pourcentage. Dans le four on a établi, à l'aide de mesu-

res, que la consommation en courant est diminuée d'environ

14 % et que le rendement Si est augmenté de plus de 20 %.

Un avantage économique inattendu, mais important, a été la diminution de moitié de la consommation des électrodes. Cette

consommation a diminué de 128 kg/t de Si à 59 kg/t de Si.

Les déplacements des électrodes sont tombés à une valeur

minimale.

EXEMPLE 2

Lors de la fabrication de ferro-silicium,

les conditions sont plus favorables. Ici les pertes par forma-

tion de SiO sont plus faibles.

Si l'on procède de la manière indiquée plus haut de façon que le rapport des masses introduites de quartz en morceaux et de briquettes reste égal à 50: 50 et que de la limaille de fer soit ajoutée dans une proportion

telle qu'il apparaît un alliage type 75, on voit encore appa-

raitre nettement les avantages des briquettes: laconsommation de courant chute de 8 % et le rendement de silicium augmente

de 12 %.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour fabriquer du silicium à partir de quartz sous forme de matériau brut dans un bas fourneau électrique, selon lequel on introduit dans le bas fourneau électrique le quartz sous forme de matériau brut à l'état granulaire et en outre des briquettes d'un agent réducteur, formé par du quartz et du carbone,etouifournissent un excès de carbone au regard de la réaction SiO2 + 3C = SiC + 2C0, et selon lequel le quartz situé dans les briquettes de l'agent réducteur est converti en SiC tout d'abord à une température

inférieure à 1600 C, dans une partie supérieure du bas four-

neau électrique et selon lequel ensuite le quartz sous forme

de matériau brut liquide est réduit à une température supé-

rieure à 1600 C, de préférence comprise entre 1800 et 20000C,

dans une partie inférieure du bas fourneau électrique, carac-

térisé en ce que l'on travaille avec des briquettes de l'agent réducteur qui possèdent un excès en carbone de plus de 50 % en poids au regardc de la réactin SiO2 + 3C = SiC + 2CO, qu'en plus

du SiC, du charbon activé est formé à une température infé-

rieure à 1600 C dans les briquettes de l'agent réducteur,

dans la partie supérieure du bas fourneau électrique, les briquet-

tes de l'agent réducteur prenant une structure analogue à celle du coke, et que le quartz sous forme de matériau brut est réduit dans la partie inférieure du bas fourneau électrique à l'aide de ce charbon activé d'une part et du SiC d'autre part.

2. Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que l'on travaille avec des briquettes de l'agent

réducteurqui conmportent un excès inférieur à 90 % et de préfé-

rence égal à environ 80 % en poids de carbone.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

moins cations 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au/ 50 % en poids du quartz sous forme de matériau brut introduit est réduit à l'aide du charbon activé des briquettes de l'agent réducteur, dans

la partie inférieure du bas fourneau électrique.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 3, caractérisé en ce que l'on travaille avec des briquettes de l'agent réducteur qui sont réalisées par

agglomération & chaud sous la forme de boulets ou de briquet-

tes en forme de coussins.

5. Procédé selon la revendication 4, caractéri-

sé en ce que l'on travaille avec des briquettesde 'agerntréduc-

teur, dont la fraction de carbone est constituée, dans la mesure o cela est nécessaire pour l'agglomération à chaud, par du charbon agglutiné et par ailleurs par des éléments carbonés tels que du coke de pétrole, de l'anthracite, du

graphite, du coke à lignite et du coke de houille.