Production industrielle de ferrosilicium (Fe-Si) : procédés, grades et applications

Le ferrosilicium (Fe-Si) est un ferroalliage à base de fer (Fe) et silicium (Si). Teneur Si typique : 15-90 %. Grades courants sur le marché : 15 %, 45 %, 65 %, 75 %, 90 % Si. Reste = Fe + ~2 % autres éléments (Al, Ca).

Applications

Fe-Si (qualités types 65 %, 75 %, 90 % Si) : sidérurgie et fonderie pour aciers au carbone, inoxydables — agent désoxydant et alliageage acier/fonte. Production d'acier au silicium (acier électrique). Fonte : inoculation pour accélérer graphitisation. Soudage à l'arc : certains revêtements d'électrodes.

Réactions de réduction

Réaction idéale : SiO₂ + 2C = Si + 2CO. Réalité plus complexe : zones de température différentes dans SAF. Gaz zone la plus chaude = forte teneur en monoxyde de silicium (SiO) — doit être récupéré dans couches externes de charge pour haut rendement Si. Réactions de récupération dans couches externes → chauffent charge à très haute température → charge collante qui ne s'écoule pas facilement vers zone chaude. Gaz sortie four contient SiO₂ récupérable comme poussière de silice. Formation Si liquide via réactions intermédiaires (décrites plus loin).

Trois points caractéristiques :
1) Gaz zone la plus chaude = fort taux SiO → récupération couches externes indispensable pour haut rendement Si.
2) Réactions récupération Si couches externes → chauffent charge très fort → charge collante, écoulement difficile vers zone chaude.
3) Gaz four = quantités significatives poussière SiO₂.

Feuille de route schématique Figure 1.

Figure 1 : Feuille de route schématique du procédé de production Fe-Si

Matières premières

Fe-Si par fusion matériaux Fe + matériaux Si en SAF. Fe : minerai fer, ferraille acier, calamine. Si : quartzite en grumeaux. Combinés avec réducteur carboné (charbon, coke pétrole) et agent de gonflement (copeaux bois). Quartzite = source Si pour réduction carbothermique. Pureté quartzite généralement inférieure aux autres gisements quartz mais normalement adaptée Fe-Si.

Fournabilité du quartzite

Terme industriel international commun. Quartzite a bonne « fournabilité » quand tous critères chimiques/physiques le rendent approprié comme matière première silice pour Fe-Si haute teneur Si à hauts taux de performance. Exigences absolues pour optimisation : (i) chimie, (ii) taille (typique 10-150 mm), (iii) résistance mécanique, (iv) résistance thermique, (v) propriétés de ramollissement.

Chimie et taille = spécifications les plus communes. Chimie : teneur éléments impuretés surtout Al, Ca, Ti, B, P. Normalement, éléments plus nobles que Si (Al, Ca) → produit ; volatils → gaz sortie. Mais réactions four plus complexes ; distribution éléments matières premières détermine aussi leur devenir. Certains éléments, surtout alcalins (Na, K) peuvent abaisser point fusion quartzite. Exigences matières premières liées aux exigences produits. Fe-Si tolère généralement teneurs plus élevées éléments difficiles.

Tailles : 10-150 mm, certains producteurs spécifications plus étroites. Résistances mécanique/thermique : souvent surveillées mais pas toujours dans spécifications fournisseur. Propriétés ramollissement : certains producteurs y portent attention. Exigences additionnelles selon producteur pour son optimum.

Propriétés mécaniques quartzite → réduction taille matières premières (mine, transport, stockage avant charge). Fines générées = problème pour réduction carbothermique : abaissent perméabilité charge, obstruent flux gaz parties basses → parties hautes où gaz SiO réagit avec C non réagi → SiC (réaction importante). Perte gaz SiO par conduits gaz sortie + rendement Si abaissé = perméabilité charge faible.

Fines définies deux critères : (1) <2 mm = plus critique pour procédé (baisse perméabilité). (2)

La plupart quartzite se désagrège un peu, mais ne doit pas se pulvériser → trop de fines = perméabilité basse. Cas extrêmes : effet « popping » (fragments quartzite projetés en l'air). Quartzite faible stabilité thermique se désintégrant dans charge → contribution formation laitier.

Propriétés ramollissement = autre facette thermomécanique. Température/intervalle ramollissement = température début fusion < point fusion quartzite (1723 °C). Ramollissement doit être aussi proche que possible fusion pour procédé idéal : quartzite descend jusqu'aux parois cavité avant fusion → gouttelettes quartzite fondu gouttent dans cavité où réactions formation Si ont lieu. Alcalins (et dans moindre mesure alcalino-terreux) affectent température fusion quartzite. Quartzite ramollissant/fondant trop haut dans four → masse collante agglomérant autres particules → devient conductrice électrique → modifie chemins électriques four, réduit puissance arc.

Four à arc submergé pour Fe-Si

Fe-Si 15 % Si : généralement haut fourneau (BF) revêtu briques réfractaires acides. Fe-Si teneur Si supérieure : normalement SAF. Taille SAF = charge électrique (1-2 MVA à >40 MVA). Diamètres jusqu'à ~10 m, profondeur ~3,5 m. Énergie électrique : triphasé AC, trois électrodes immergées profond dans charge. Conso spécifique : typique 9-10 MWh/t Fe-Si (75 % Si). Fonctionnement continu 24h/24 requis pour efficacité/coûts fixes unitaires.

Chaleur nécessaire pour réactions endothermiques SiO₂ réduction = générée DANS charge SAF : chauffage résistif (courant) + chauffage par arc (brûle dans chambres gazeuses près pointes électrodes). Structure interne four + distribution température zones réaction = liée aux proportions chaleur résistif/arc. Élément structurel clé : électrodes auto-cuissantes « Soderberg » immergées apportant électricité. Arc électrique + conditions température zones réaction = liées position pointes électrodes. Courant chauffe partie charge ~2000 °C zone la plus chaude → SiO₂ réduite en Si fondu.

Distribution température zones réaction = pas mesurable directement, mais pour conditions électriques/thermiques correctes → glissement systématique électrodes nécessaire. Position optimale électrodes → minimisation indicateurs économiques. Périodes opération stable SAF : conditions évolution continue nouveaux produits réduction SiO₂ dans zones réaction. Processus cyclique, associé fusion + pénétration périodique SiO₂ liquide dans chambres arc.

SAF : hotte partie haute → gaz chauds vers cheminée → épuration gaz. Matières premières (quartzite, matériaux Fe, matériaux C) sur convoyeurs → stockées séparément silos journaliers. Mélange batch (quartzite, réducteurs C, porteurs Fe) pesé, combiné proportions requises, mélangé, chargé four par tubes de charge (sorties vers électrodes). Nombre tubes variable selon four. Matériau chargé au niveau sol extérieur, entouré hotte avec portes d'étouffage sections ouvrables pendant période étouffage.

Procédé de production Fe-Si

Matières premières chargées par le haut. Électricité fort courant/faible tension via transformateur → four par électrodes C. Procédé très énergivore : ~9000-10 000 kWh/t Fe-Si 75 %.

SAF Fe-Si = cycles opérationnels : étouffage, charge, coulée. Pendant étouffage : croûte mince sommet charge brisée, vieille charge poussée vers électrode. Nouvelle charge posée sur vieille.

Cycle étouffage-charge = cycle opérationnel. Étouffage par machine spéciale avec tige étouffage montée devant. Charge inégale répartie par machine par porte étouffage. Vieux matériau surface réparti vers électrodes où dépressions formées par zone réaction chaude cavité.

Dans four, charge chauffée ~1815 °C. Quartzite + C réducteurs → CO + libération Si → alliage Fe fondu. Fe-Si fondu s'accumule fond four. Éléments traces matières premières (quartzite, réducteurs, électrodes) → produit.

Périodiquement (intervalles réguliers) ferroalliage liquide coulé en poche par trou de coulée dans revêtement. Trous transition paroi latérale/fond. Nombre variable. Trou ouvert mécaniquement, fermé argile spéciale.

Gaz sortie → épuration : poussière (principal SiO₂ amorphe condensé) → utilisée comme charge béton, céramiques, réfractaires, caoutchouc... Four produit ~0,2-0,4 t poussières SiO₂/t ferroalliage. Gaz épuré : principalement CO, SO₂, CO₂, NOx. Chaleur gaz récupérable système récupération chaleur fatale.

Les réactions

Procédé = haute température, SiO₂ réduite par C en Si + CO(g). Réaction globale basée sur réaction carbothermique idéalisée :

SiO₂(s) + 2C(s) = 2Si(l) + 2CO(g)  ΔH à 2000 °C = 687 kJ/mol

Four Fe-Si divisé en deux zones : (i) zone interne chaude, (ii) région externe plus froide. Si produit zone interne. Condition équilibre production Si :

SiO(g) + SiC(s) = 2Si(l) + CO(g)

Température production Si ~2000 °C. Pression équilibre SiO pour réaction ci-dessus à 1 atm = 0,5 atm. Pour haut rendement Si, ce SiO doit être récupéré parties froides four. Récupération SiO : réaction avec C ou condensation. SiO non récupéré → perdu comme poussières SiO₂.

Capacité d'un matériau C à réagir avec SiO = réactivité. Haute réactivité : beaucoup C réagit avec SiO → SiC zone externe. Faible réactivité : C libre atteint zone interne → moins Si, plus SiO et CO. Faible réactivité zone externe → plus condensation SiO. Condensation apporte chaleur → limite condensation. Si limite dépassée → SiO sort four. Faible réactivité → bilan C charge à réduire pour éviter dépôts SiC → rendement Si diminue.

Perte Si gaz toujours présente en exploitation pratique. Principalement perte espèce gazeuse SiO. SiO brûle avec CO en excès air au-dessus charge. Description précise plus complexe : nombreuses réactions intermédiaires. Intérieur SAF = zone haute température (~2000 °C) et zone basse température (<1815 °C) où réactions différentes dominent. Zone haute température (pointe électrode) :

2SiO₂(s,l) + SiC(s) = 3SiO(g) + CO(g)  ΔH 2000 °C = 1364 kJ/mol
SiO₂(s,l) + Si(l) = 2SiO(g)           ΔH 2000 °C = 599 kJ/mol
SiO(g) + SiC(s) = Si(l) + CO(g)       ΔH 2000 °C = 167 kJ/mol

Les plus lentes = probablement réactions produisant SiO(g) → consomment majeure partie énergie électrique. Si produit par réaction >1815 °C. Gaz SiO remonte four → récupéré soit par réaction C (ci-dessous) soit condensation (température suffisamment basse <1800 °C). Deux dernières réactions réversibles.

SiO(g) + 2C(s) = SiC(s) + CO(g)           ΔH 1800 °C = -78 kJ/mol
3SiO(g) + CO(g) = 2SiO₂(s,l) + SiC(s)     ΔH 1800 °C = -1380 kJ/mol
2SiO(g) = SiO₂(s,l) + Si(l)               ΔH 1800 °C = -606 kJ/mol

Deux dernières réactions produisant condensat = fortement exothermiques = principal facteur transport chaleur vers le haut four. Conditions équilibre autres réactions Figure 2.

Figure 2 : Pression partielle de SiO(g) en équilibre avec SiO₂, SiC et C

Sommet charge four : température 1000-1700 °C. Rendement Si industriel typique ~85 % four bien opéré. Réaction formation SiC = récupération SiO préférée >1512 °C. En dessous, gaz SiO généralement capturé par deux dernières réactions condensation. Température = grand effet sur équilibre. Si température sommet ~1620 °C (pression partielle SiO=0,1 atm) et récupération principale par condensation → rendement Si ~80 %.

Affiner et coulée Fe-Si

Impuretés ferroalliage liquide (Al, Ca) éliminables par O₂/air mientras alliage fondu en poche avant coulée. Ferroalliage liquide coulé four → poche acier réfractaire.

Fe-Si liquide versé poches → grands moules fonte plats. Moules préparés : couche fines Fe-Si surface. Pièces coulées démoulées quand refroidies à niveau résistance suffisante → empilées pour refroidissement final. Après refroidissement/solidification : concassage + criblage → calibres requis. Concassage génère fines → peuvent être broyées poudre + liant → briquettes. Fusion aussi granuable.

Tous grades Fe-Si = même procédé de base, mais étapes supplémentaires pour grades haute pureté : matières premières moins impures + affinage poche (métallurgie de poche) pour éliminer impuretés indésirables + ajout éléments alliage spéciaux. Grade spécial 15 % Fe-Si pour milieu dense : généralement refusion 75 % Fe-Si + ferraille acier en four arc électrique + coulée jet eau haute pression.