FR2644477A1 - Procede pour la production de ferrosilicium - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé pour la production de ferrosilicium dans un four de réduction clos à deux étages. Dans ce procédé, l'oxyde de carbone dégagé dans le premier étage du four par le processus de fusion est utilisé pour effectuer une réduction préalable en oxyde ferreux FeO d'oxydes supérieurs de fer, par exemple Fe2 O3 et Fe3 O4 , contenus dans le second étage du four. L'oxyde ferreux est ensuite utilisé comme matière de charge dans le premier étage du four. L'utilisation d'un four clos et d'un processus de réduction préalable conduit à d'importantes économies d'énergie dans la production de ferrosilicium. Domaine d'application : production d'alliages fersilicium.
Description
264447?
La présente invention concerne un procédé pour la production de ferrosilicium dans un four de réduction clos à deux étages. Dans la présente invention, l'oxyde de carbone libéré en conséquence du processus de fusion est utilisé pour opérer une réduction préalable des oxydes supérieurs de fer, par exemple Fe203 et Fe304, en oxyde ferreux (FeO). L'utilisation d'un four clos et d'un traitement de réduction préalable apporte d'importantes économies sur les deux plans de l'utilisation de l'énergie
et du coût de certaines matières premières.
Dans la fabrication actuelle de ferrosilicium ayant une teneur en silicium supérieure à 45 % environ, il est typiquement fait usage d'un four électrique ouvert employant un arc immergé comme source d'énergie. Ce procédé nécessite que les matières premières soient sous forme de morceaux pour éviter que la pression positive, qui se crée autour de l'électrode, expulse les matières premières de la zone réactionnelle. Dans ce procédé, le silicium (Si) est typiquement préparé par la réduction carbothermique de bioxyde de silicium (SiO2) avec des agents réducteurs carbonés. La réaction de réduction globale menant du bioxyde de silicium au silicium métallique peut être représentée par l'équation: SiO2 + 2C - Si + 2CO (1) Le fer est typiquement ajouté au silicium fondu de ce procédé sous la forme de petits déchets d'acier ou de limaille pour former l'alliage ferrosilicium. En variante, le fer peut être introduit dans le procédé sous la forme d'oxydes qui sont réduits en fer élémentaire de la façon suivante: Fe2O0 + 3C - 2Fe + 3CO (2) FeO + C -Fe + CO (3) Cependant, les oxydes de fer ne sont généralement pas utilisés dans ce procédé, bien que l'on dispose de sources à bon marché telles que les résidus de concentration de minerais. Une raison principale de cet état de fait est la forte consommation d'énergie qu'exige la réduction des oxydes de fer pour former du fer élémentaire. Il est estimé que les fours industriels actuellement utilisés dans la production d'alliages ferrosiliciés consomment à peu près trois fois la quantité théorique d'énergie nécessaire pour accomplir la réduction du bioxyde de silicium en silicium. La teneur en carbone des agents réducteurs carbonés peut représenter environ 50 pour cent ou plus de l'énergie fournie dans ce procédé de réduction. Beaucoup de cette énergie est actuellement perdue sous forme de sous-produits gazeux, principalement
de l'oxyde de carbone (CO).
En théorie, si l'oxyde de carbone s'échappant de la réduction carbothermique du bioxyde de silicium était utilisé pour réduire préalablement les oxydes contenus dans les résidus d'un minerai, par exemple la taconite, on pourrait économiser autant que 0,47 kWh d'électricité par kilogramme de fer réduit. Cette économie d'énergie, jointe à l'utilisation de sources d'oxydes de fer à bon marché telles que les résidus de minerais, pourrait conduire à d'importantes économies dans la production de ferrosilicium. Les résidus pourraient également servir de
source à bon marché de bioxyde de silicium.
La demande de brevet des E.U.A. simultanément pendante N 239 144 déposée le 31 août 1988 au nom de Dosaj et coll., propose une opération cyclique discontinue à deux étapes effectuée dans un four auquel est adjointe une cuve contenant un lit de carbone. Dans le procédé décrit, SiO2 et SiC sont amenés à réagir pour former du silicium fondu, SiO et CO, le SiO étant ensuite mis en contact avec le lit de carbone pour régénérer du SiC. Le four utilisé dans ce procédé est similaire au four à deux
étages décrit dans le procédé de la présente invention.
La présente invention réside dans un procédé discontinu pour la fusion de ferrosilicium, grâce auquel l'énergie normalement perdue sous forme de CO par le processus de fusion est utilisée pour réduire préalablement des matières premières nécessitant typiquement une grande énergie. Ce perfectionnement est réalisé an utilisant un four à deux étages dans lequel le CO dégagé par le processus de fusion du premier étage s'écoule à travers un lit de particules contenant des oxydes supérieurs de fer qui est placé dans le second étage. Le CO réduit en FeO les oxydes supérieurs de fer consistant principalement en Fe2 03 et Fe304. Ces particules préalablement réduites, lorsqu'elles sont ensuite introduites dans le premier étage du four de fusion, nécessitent notablement moins d'énergie électrique pour être réduites en fer élémentaire. L'utilisation de l'énergie normalement perdue par le processus de fusion pour effectuer une réduction préalable d'oxydes supérieurs de fer donne la possibilité d'utiliser des matières premières peu coûteuses, mais demandant beaucoup d'énergie, telles que les résidus provenant de la concentration de minerais de fer. Les résidus peuvent également servir de source à bon marché de bioxyde de silicium, ce qui conduit ainsi à des économies encore plus grandes. La configuration à four clos permet de confiner CO pour le processus de réduction et permet d'utiliser des particules contenant des oxydes de fer ayant une faible grosseur. Sur le dessin annexé: la figure unique est une vue en coupe transversale d'un exemple de four clos à deux étages qui peut être
utilisé dans le procédé de la présente invention.
Sur la figure, le four à deux étages assemblé est représenté entouré par une enveloppe d'acier 1. Le four se compose d'un corps de four inférieur de premier étage 8 et d'une cuve supérieure de second étage 7. Une source d'énergie électrique, le dispositif 4, pénètre dans le premier étage 8 à travers un panneau 5 refroidi à l'eau à l'extrémité du corps de four qui est opposée à la cuve. La cuve de second étage 7 et le corps de four 8 sont revêtus d'un garnissage de pâte de carbone 9. La cuve de second étage 7 est un cone tronqué qui est supporté au-dessus du corps de four 8 par des blocs de graphite 10. Un couvercle 2 est placé sur la cuve de second étage 7 pour garder le système clos durant le fonctionnement du four. Au couvercle 2 est raccordée une conduite de sortie de gaz 3 destinée à évacuer du four les sous-produits gazeux restants. Pour l'introduction des matières de charge dans le premier étage inférieur, le couvercle 2 est séparé de la conduite de sortie de gaz 3 et enlevé. Une plaque de support perforée 11 en graphite est disposée au fond de la cuve de second étage. La plaque de graphite 11 retient les matières particulaires dans le second étage 7 en laissant les gaz dégagés par la réaction qui a lieu dans le premier étage 8 passer à travers les matières particulaires et réagir avec celles-ci. A la fin d'un cycle de fonctionnement, la plaque de support 11 est cassée à l'aide d'un ringard pour laisser les matières particulaires du second étage 7 passer dans le premier étage 8 du four. Les autres matières à introduire dans le four sont introduites dans la cuve de second étage 7 et peuvent passer dans le premier étage 8. Une anode 13 est disposée au fond du premier étage 8. Le ferrosilicium est retiré du premier étage 8 par un chenal de coulée 6. Le corps de four 8 et la cuve 7 sont enveloppés, de l'intérieur vers l'extérieur, tout d'abord par une couche de réfractaire chrome-alumine 14. Cette couche de réfractaire est suivie par une couche de briques isolantes 15. L'ensemble est ensuite entièrement entouré par
l'enveloppe d'acier 1.
La présente invention réside dans un procédé discontinu pour la production de ferrosilicium, qui tire parti de l'oxyde de carbone (CO) dégagé par le processus de fusion dans le premier étage d'un four pour effectuer une réduction préalable de particules contenant des oxydes supérieurs de fer, par exemple Fez2 O3 et Fe3 04, contenues
dans un second étage du four.
Le procédé de la présente invention fait usage d'un four clos & deux étages. Le premier étage du four comporte une source d'énergie. Le second étage est relié au premier étage par un moyen approprié pour retenir des matières solides particulaires contenues dans le second étage et laisser les gaz venant du premier étage traverser les particules contenues. Le procédé consiste &: a. combiner dans le premier étage du four un mélange de départ essentiellement constitué d'une source de fer (Fe), d'une source de carbone (C) et du bioxyde de silicium (SiO2); b. charger le second étage du four avec des particules
contenant les oxydes supérieurs de fer; -
c. appliquer suffisamment d'énergie au premier étage pour effectuer la conversion du mélange de départ en silicium et fer fondus et en CO gazeux, le CO gazeux entrant en contact avec les particules contenues dans le second étage et réduisant les oxydes supérieurs de fer; d. retirer du premier étage le silicium et le fer fondus sous forme d'un alliage ferrosilicium; e. charger le premier étage avec les oxydes supérieurs de fer réduits formés dans le second étage, ainsi qu'avec du bioxyde de silicium et une source de carbone; f. charger le second étage du four avec des oxydes supérieurs de fer; et
g. répéter les étapes c & f.
La configuration du four de fusion de silicium à deux étages de la présente invention facilite l'exécution efficace d'un procédé & deux étapes dans lequel des oxydes supérieurs de fer en particules sont réduits concurremment, mais dans un étage séparé de la zone
réactionnelle du four o se forme le ferrosilicium fondu.
La configuration et la construction générales du corps de four sont similaires à celles employées pour les fours de fusion classiques. Cependant, dans la présente invention, le four est divisé en deux étages séparés, mais communiquants. Le premier étage comporte une source d'énergie et c'est l'étage dans lequel a lieu le véritable processus de fusion. Le second étage du four est une cuve destinée à retenir un lit de particules contenant des oxydes supérieurs de fer. La cuve constituant le second étage est reliée au premier étage par des moyens convenant pour minimiser la perte de chaleur et pour permettre au CO dégagé par le processus de fusion de passer à travers le lit de particules en provoquant la réduction des oxydes
supérieurs de fer.
La cuve qui est disposée au-dessus du corps de four peut avoir toute configuration ouverte verticale comme, par exemple, celle d'un cylindre, d'une cuve à section carrée ou rectangulaire ou d'une structure à parois inclinées telle qu'un cône tronqué. Un cône tronqué est
une configuration préférée pour la cuve.
La conception de la cuve exerce un effet important sur l'efficacité de la conversion en FeO d'oxydes supérieurs de fer tels que Fe2 03 et Fe3 04. L'homme de l'art spécialisé dans l'étude des réacteurs gaz/solide reconnaîtra la nécessité de régler des facteurs tels que: (1) la grosseur des particules des matières solides contenues dans la cuve et (2) la hauteur et l'aire de section relatives de la cuve, pour obtenir les vitesses superficielles et les temps de séjours nécessaires des gaz à l'intérieur de la cuve afin de réaliser une conversion
efficace des oxydes supérieurs de fer en FeO.
Pour les besoins de la présente invention, la hauteur de cuve sera désignée par "H" et la dimension de section transversale sera désignée par "D". La Demanderesse pense qu'un rapport H/D d'environ 1 est efficace. On peut employer efficacement des rapports H/D plus élevés, mais un chauffage d'appoint de la cuve peut
être nécessaire pour effectuer le processus de réduction.
Un facteur limitatif du rapport H/D est la chute de pression & travers le lit de particules contenant les
oxydes supérieurs de fer.
Le rapport H/D nécessaire au maintien de vitesses superficielles et de temps de séjour correspondants
diminue à mesure que l'échelle de production augmente.
Cependant, un rapport H/D minimal doit être maintenu pour diminuer la création de chemins de passage préférentiel des gaz & travers le lit de matières solides et pour assurer un contact suffisant du CO gazeux avec les
particules solides contenant les oxydes supérieurs de fer.
La Demanderesse pense qu'un rapport H/D de la cuve situé dans l'intervalle d'environ 0,1 à 10 est efficace aux fins
de la présente invention.
Le chauffage d'appoint de la cuve peut être effectué par des méthodes connues comme, par exemple, le chauffage
par résistance ou par induction.
La source d'énergie peut être un dispositif connu tel que, par exemple, une électrode de graphite découverte ou immergée ou un chalumeau à plasma à arc transféré, l'un ou l'autre étant couplé à une anode se trouvant à l'intérieur du corps de four. L'électricité utilisée par la source d'énergie peut être du courant continu ou du courant alternatif monophasé ou polyphasé. La source d'énergie préférée est un chalumeau à plasma à arc transféré & courant continu. Le gaz du plasma peut être,
par exemple, l'argon, l'hydrogène ou des mélanges de ceux-
ci. Pour réaliser un transfert efficace de l'énergie thermique à l'intérieur du four de fusion de silicium de la présente invention, il est préférable que l'électrode ou le chalumeau à plasma soit monté de façon & pouvoir se
déplacer dans le corps du four.
Le moyen utilisé pour supporter les particules solides contenant des oxydes supérieurs de fer peut être n'importe quel moyen classique qui retient efficacement les matières solides tout en laissant le CO dégagé comme sous-produit par le premier étage du four s'élever à travers la cuve du second étage, comme, par exemple, une
plaque perforée.
Le ferrosilicium fondu peut être recueilli par des procédés classiques comme, par exemple, le soutirage continu ou discontinu. Le soutirage du silicium fondu peut être effectué, par exemple, au niveau d'une ouverture ménagée dans le fond du corps de four ou à une position
basse dans une paroi du corps de four.
Le premier étage du corps de four est chargé avec du SiO2, une source de fer et une quantité stoechiométrique de carbone qui est suffisante pour réduire le SiO2 et la
source de fer en silicium et fer élémentaires.
L'application d'énergie au four entraîne la formation de silicium fondu qui est aisément soluble dans le fer fondu, ce qui conduit à la formation d'un alliage ferrosilicium et d'oxyde de carbone (CO) gazeux. Le CO gazeux dégagé traverse un second étage du four qui est chargé de particules contenant des oxydes supérieurs de fer. Les oxydes supérieurs de fer comprennent ceux qui répondent à la formule générale FezOr, o x est supérieur à un et y est supérieur à deux, et sont réduits en oxyde ferreux (FeO) par le CO dégagé. Le ferrosilicium est soutiré du premier étage du four. Les particules venant du second étage du four, contenant les oxydes supérieurs de fer réduits, sont ensuite introduites dans le premier étage du four. Une méthode préférée à cet effet consiste à utiliser un ringard pour casser une plaque de graphite perforée qui est utilisée au fond du second étage pour retenir les particules contenant les oxydes dans ce second étage. Des matières de charge supplémentaires, comprenant, selon les besoins, des sources de bioxyde de silicium, de fer et de carbone, sont ensuite versées par le trou créé dans le second étage au moyen du ringard. Tandis que les matières supplémentaires passent par le trou, elles entraînent dans le premier étage les particules contenant les oxydes supérieurs de fer réduits, tout en exerçant une action de mélange. Une nouvelle plaque de séparation en graphite est placée au fond du second étage du four et une nouvelle quantité d'une source des oxydes supérieurs de fer est placée dans le second étage. Le procédé décrit est
répété selon un mode discontinu.
Le carbone qui est introduit dans le premier étage du four peut être, par exemple, du noir de carbone, du charbon de bois, de la houille, du charbon ou du coke. Le carbone peut être, par exemple, sous la forme de poudre, granules, fragments, morceaux, boulettes et briquettes. La plaque de graphite perforée décrite ci-dessus est considérée comme une source de carbone dans le compte de la quantité de carbone à ajouter dans le procédé. Le carbone provenant de la décomposition d'électrodes en graphite doit également être considéré comme une source de carbone dans le compte de la quantité de carbone à ajouter dans le procédé. En général, on ajoute deux moles de carbone pour chaque mole de bioxyde de silicium et une mole de carbone pour chaque mole de FeO. Un intervalle molaire préféré, mais non limitatif, pour le carbone est
de 10 % de la quantité stoechiométrique.
La source de bioxyde de silicium (SiO2) qui est introduite dans le premier étage du four peut être, par exemple, du quartz sous ses nombreuses formes naturelles (telles que le sable); de la silice fondue ou de fumée, de la silice précipitée et de la farine de silice, sous leurs nombreuses formes; et des minerais de fer contenant du bioxyde de silicium. La source de bioxyde de silicium peut être, par exemple, sous la forme de poudre, granules,
morceaux, cailloux, boulettes et briquettes.
La charge initiale de fer placée dans le premier étage du four peut être sous la forme de déchets, copeaux ou limaille de fer. En variante, on peut utiliser des oxydes de fer, y compris de l'oxyde ferreux (FeO) et des oxydes supérieurs de fer, par exemple l'oxyde ferrique
(Fe203) et l'oxyde magnétique (Fe.04) ou leurs mélanges.
La charge initiale d'oxydes de fer du premier étage du four peut être ajoutée sous forme de minerais, ou de leur résidus, contenant des oxydes de fer, tels que la taconite, la magnétite, l'hématite et la limonite. Les résidus sont des restes contenant des oxydes de fer, qui
proviennent des opérations de concentration des minerais.
Lorsque la charge initiale de fer placée dans le premier étage du four est constituée d'oxydes de fer, on ajoute
une quantité stoechiométrique de carbone, comme décrit ci-
dessus, pour effectuer la réduction des oxydes de fer en fer élémentaire. La Demanderesse ne considère pas que la source de la charge initiale de fer soit critique aux fins
de la présente invention.
Des oxydes supérieurs de fer, par exemple l'oxyde ferrique (Fe203) et l'oxyde magnétique (Fe304), sont placés dans le second étage du four. Des sources préférées d'oxydes supérieurs de fer sont les minerais, ou leurs résidus, contenant des oxydes de fer, par exemple la taconite, la magnétite, l'hématite et la limonite. La grosseur des particules contenant les oxydes supérieurs de fer est un paramètre important du fait que les particules doivent être suffisamment petites pour que le CO puisse pénétrer dans les particules et provoquer une réduction
notable des oxydes supérieurs de fer qui y sont présents.
Par une réduction notablie, on entend qu'au moins 10 pour cent en poids des oxydes supérieurs de fer présents dans les particules sont réduits. Des particules préférées mesurent moins de 6,35 mm. Des particules encore préférées mesurent moins d'environ 2,54 mm. Pour des raisons économiques, la concentration d'oxydes supérieurs -de fer dans le minerai contenant des oxydes de fer doit être plus grande qu'environ 5 pour cent en poids. Desminerais préférés contiennent les oxydes supérieurs de fer en une concentration d'environ 5 à 40 pour cent en poids. Des minerais encore préférés contiennent les oxydes supérieurs de fer en une concentration d'environ 10 à 20 pour cent en
poids.
La quantité de fer ou d'oxyde de fer qui est introduite dans les premier et second étages du four dépend de la concentration de fer qui est demandée dans l'alliage ferrosilicium. Un intervalle préféré est d'environ 10 & 55 pour cent en poids de fer dans le ferrosilicium. Des concentrations encore préférées sont d'environ 25 à 50 pour cent en poids de fer dans l'alliage ferrosilicium. Un supplément de bioxyde de silicium peut être ajouté dans le premier étage du four pour ajuster la
composition finale de l'alliage ferrosilicium produit.
Dans l'exécution du présent procédé, il peut être souhaitable de placer une partie de la quantité stoechiométrique requise de carbone dans le second étage du four. Cette pratique peut faciliter la capture du monoxyde de silicium (Si0) gazeux qui se dégage du premier étage, selon la réaction suivante:
SiO + C - SiC + CO (5) -
Le carbure de silicium (SiC) est un solide à la température du second étage du four et il peut être renvoyé au premier étage du four en même temps que les oxydes supérieurs de fer réduits. Le SiC réagit ensuite dans le premier étage selon les équations suivantes: 2SiO2 + SiC - 3SiO + CO (6) SiO + SiC - 2Si + CO (7) Dans un mode de réalisation préféré, il y a environ à 100 pour cent en poids de la quantité stoechiométrique de carbone dans le premier étage du four et le reste de 0 à 50 pour cent en poids de la quantité stoechiométrique de carbone se trouve dans le second étage du four. Dans un mode de réalisation encore préféré, il y a environ 90 pour cent en poids de la quantité stoechiométrique de carbone dans le premier étage du four et le reste d'environ 10 pour cent en poids de la quantité stoechiométrique de carbone se trouve dans le second étage du four. Le carbone placé dans le second étage du four doit être déposé en une couche séparée des particules contenant les oxydes supérieurs de fer et en un emplacement tel que les gaz provenant du premier étage entrent en contact avec la couche de carbone avant d'entrer en contact avec les particules contenant les
oxydes de fer.
L'exemple suivant est présenté pour que l'homme de l 'art puisse mieux comprendre et apprécier la présente invention. L'exemple est donné à titre illustratif et non limitatif.
Exemple
On démontre la possibilité d'utiliser un four à deux étages pour capter l'énergie chimique des gaz réactionnels dégagés par la fusion du ferrosilicium. Dans cet exemple, le monoxyde de silicium (SiO) dégagé pendant la réduction de bioxyde de silicium (SiO2) en silicium (Si) subit une réduction supplémentaire en carbure de silicium (SiC) par passage du SiO gazeux à travers un lit de carbone retenu dans le second étage du four. La réaction ayant lieu dans le second étage évite de perdre l'énergie consommée dans la réduction de SiO2 en SiO. Comme source de fer et de bioxyde de silicium, on utilise des résidus de taconite
agglomérés en briquettes.
On monte un four de fusion clos similaire à celui décrit ci-dessus en regard de la Figure. Les dimensions du premier étage du four sont de 850 mm sur 380 mm à la base et de 350 mm en hauteur. Le second étage du four est une cuve en forme de cône tronqué, disposée au niveau d'une ouverture située à une extrémité de la partie supérieure du premier étage. Le cône mesure environ 450 mm de hauteur et son diamètre interne est de 225 mm au niveau de la jonction avec le premier étage, et il s'élargit jusqu'à un diamètre interne d'environ 340 mm à son sommet. On dispose des morceaux de plaque de graphite à l'intérieur de la cuve, parallèlement au bord extérieur du cône, pour donner une section semi-circulaire au cône. La configuration de cuve résultante est sensiblement celle d'un tronc de cône commençant avec un diamètre d'environ 100 mm à sa jonction avec le premier étage et s'élargissant Jusqu'à un diamètre interne d'environ 300 mm au sommet. On place une plaque de graphite perforée au-dessus de l'ouverture du premier étage, au fond de la cuve, pour supporter le carbone particulaire, tout en laissant les sous-produits gazeux venir au contact des matières particulaires pour former du
carbure de silicium.
La source d'énergie utilisée est un chalumeau à plasma. Le chalumeau & plasma est une unité & courant
continu à arc transféré de 100 kW fabriquée par Voest-
Alpine, Linz, Autriche. On monte le chalumeau à plasma de telle manière que la cathode puisse être avancée ou rétractée suivant son axe vertical. De plus, on monte le chalumeau à plasma de telle manière que la cathode puisse pivoter depuis une position horizontale jusqu'à des
positions situées au-dessous de l'horizontale.
Un chenal de coulée pour le soutirage du métal fondu sort par le côté du corps de four, à proximité du fond, en
un emplacement situé pratiquement sous la cuve.
Les matières premières utilisées sont du silicium, du bioxyde de silicium, du charbon de bois et des résidus de taconite. Le bioxyde de silicium est du quartz de Bear River, Californie. La grosseur des particules du quartz s'inscrit principalement dans l'intervalle de 1,9 à 2,5 cm. Le charbon de bois est un charbon de bois dur d'Autriche dont la grosseur de particules s'inscrit principalement dans l'intervalle de 3,0 à 6,5 mm. La taconite consiste en résidus dont 70 % traversent un tamis à ouvertures de 0,297 mm. La taconite a été agglomérée en briquettes en utilisant de l'amidon comme liant. Une analyse typique des résidus de taconite agglomérés en
briquettes est présentée au Tableau 1.
Tableau 1
Analyse de Résidus de Taconite en Briquettes Oxyde % en poids FeO 11,35 Fe2 03 18,88 SiO2 56,40
A1203 0,40
MnO 0,95 CaO 3,82 MgO 2,63 Reste Amidon, H20, divers On met en fonctionnement le chalumeau à plasma avec un débit d'argon de 1,4 m3 (TPN) /h pendant la période de montée en température des 12 premières heures. On réduit le débit d'argon à 0,9 m3 (TPN)/h pendant le reste du cycle opératoire. Pendant les 56 premières heures de fusion, on
conduit le procédé sans addition de taconite.
Le four est initialement chargé avec un mélange équimolaire de SiOz et Si. On introduit le mélange SiO2/Si dans le premier étage du four en passant par la cuve du second étage qui, à ce moment, ne comporte pas la plaque de support. On laisse le mélange SiO0/Si réagir pour engendrer du SiO gazeux. Le SiO gazeux préchauffe en plus le four. On répète ce processus une seconde fois. On place ensuite une plaque de support en graphite dans la cuve pour séparer le premier étage du second étage. On charge la cuve du second étage avec environ 0,4 à 7,1 kg de charbon de bois, selon les besoins stoechiométriques de
la réaction.
La réaction qui a lieu dans le premier étage est contrôlée par une sonde de température. Lorsque la température commence à s'élever excessivement, on estime
que la réaction du premier étage est arrivée à son terme.
On retire alors le couvercle de la cuve et fait passer le contenu de la cuve dans le premier étage du four en cassant la plaque de support au moyen d'un ringard. Une fois que la plaque de support est cassée, il se forme un
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trou dans le lit de SiC. On verse des particules de SiO2 par le trou, ce qui entraîne le SiC dans le courant de SiO2 en réalisant le mélange du SiC et du SiO2. Dans les conditions d'équilibre, on introduit par cette méthode environ 8,0 kg de SiO2 à chaque chargement du premier étage. On place une nouvelle plaque de support dans la cuve et l'on charge la cuve avec une quantité d'environ 4,0 kg de charbon de bois. Les plaques de support en graphite cassées sont également introduites dans le corps de four et sont considérées comme une partie du carbone total fourni. On ferme de nouveau la cuve et poursuit l'opération. On répète ce cycle toutes les 1,5 à 2 heures durant une période de 56 heures. On soutire d'abord le silicium fondu du four après avoir conduit le procédé
pendant 18 heures, puis & la fin de chaque cycle.
Le Tableau 2 est résume les résultats de fusion en régime stable obtenus par ce mode opératoire.
Tableau 2
Résultats de fusion en régime stable Période de temps (heures) 25-56 3456 40-56 56-74* Rendement en silicium (%) 63 71 80 80 Consommation d'énergie (kWh/kg) 74 65 56 34 Taux de production de Si (kg/h) 1,37 1,56 1,66 2,57 *Résultats pour du ferrosilictum Les résultats du Tableau 2 sont exprimés par la valeur
moyenne pour la période de temps indiquée.
On poursuit le procédé pendant 18 heures de plus comme décrit ci-dessus, excepté que l'on introduit également de la taconite en briquettes dans le premier étage du four. La taconite en briquettes est similaire à celle décrite au Tableau 1 ci-dessus. Les quantités de SiO2 et de taconite introduites dans le four à chaque chargement sont ajustées de telle manière que l'alliage
ferrosilicium résultant titre environ 75 % de silicium.
Durant la période de fusion de 18 heures, on fond un total de 59 kg de briquettes de taconite avec 23 kg de
quartz pour obtenir 26 kg d'alliage ferrosilicium.
L'énergie fournie durant cette période s'établit en moyenne à 97 kW. Le rendement en ferrosilicium est de 80 % pour une consommation d'énergie de 34 kWh/kg de ferrosilicium. Le taux de production de ferrosilicium est de 2,57 kg/h. Le taux de conversion du lit de carbone en carbure de silicium avec les résidus de taconite est inférieur à 50 * de celui escompté. Cela est dû au fait que le ferrosilicium est produit à une plus faible pression partielle de SiO que celle existant dans la
fusion du silicium.
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Claims (8)
1. Procédé pour la production de ferrosilicium dans un four clos à deux étages, le premier étage du four comportant une source d'énergie et le second étage étant relié au premier étage par un moyen approprié pour retenir des particules solides dans le second étage et pour laisser les gaz venant du premier étage passer à travers les particules contenues, caractérisé en ce qu'il consiste à: a. combiner dans le premier étage du four un mélange de départ constitué essentiellement d'une source de fer, d'une source de carbone et du bioxyde de silicium; b. charger le second étage du four avec des particules
contenant des oxydes supérieurs de fer -
c. appliquer suffisamment d'énergie au premier étage pour effectuer la conversion du mélange de départ en silicium fondu et fer fondus et en oxyde de carbone gazeux, l'oxyde de carbone gazeux entrant en contact avec les particules contenues dans le second étage et réduisant les oxydes supérieurs de fer; d. retirer du premier étage le silicium et le fer fondus sous forme d'un alliage ferrosilicium; e. charger le premier étage avec les oxydes supérieurs de fer réduits formés dans le second étage, ainsi qu'avec du bioxyde de silicium et une source de carbone; f. charger le second étage du four avec des particules contenant des oxydes supérieurs de fer; et
g. répéter les étapes c à f.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce que la source d'énergie est un plasma d'arc transféré.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les particules contenant des oxydes supérieurs de fer sont des résidus provenant de la concentration de
minerai de fer.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'énergie est un arc électrique découvert.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les particules contenant des oxydes supérieurs de fer sont des résidus venant de la concentration de minerai
de fer.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carbone est présent en une quantité stoechiométrique suffisante pour réduire essentiellement en totalité les oxydes de silicium et de fer présents dans
le premier étage du four.
7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce que la source d'énergie est un arc électrique immergé.
8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce que la source d'énergie est un courant continu.
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