Technologie de traitement industriel du silicium : concassage, broyage, criblage et lavage

Ce que couvre le traitement industriel du silicium

Le silicium industriel quitte le four à arc immergé-sous la forme d'un bloc de fonte contenant des scories piégées, des fines et une contamination de surface. Le traitement est la séquence d'étapes mécaniques et chimiques qui transforment ce bloc en un produit vendable avec une distribution granulométrique définie et une chimie définie. Les principales étapes sont le concassage, le broyage, le criblage, le lavage à l'acide, le dépoussiérage et l'emballage, et chaque étape est sélectionnée en fonction de l'application finale plutôt que appliquée uniformément à tous les matériaux.

Le but de la séquence peut être énoncé simplement : le concassage et le broyage fixent la taille, le criblage classe la taille, le lavage acide enlève une partie de la surface du fer et de l'aluminium, le dépoussiérage élimine les fines qui autrement contamineraient un produit propre, et l'emballage protège ce qui a été réalisé. Une ligne de transformation est donc conçue à rebours des spécifications du client.

Concassage et broyage

La réduction de taille s'effectue normalement par étapes, car la réduction d'un bloc coulé en une poudre fine en une seule étape gaspille de l'énergie et produit un excès de fines indésirables.

Le concassage primaire réduit le bloc coulé en morceaux de la taille d'un poing, généralement à l'aide d'un concasseur à mâchoires. L'objectif à cette étape est de libérer les inclusions de scories visibles afin qu'elles puissent être éliminées par tri manuel ou séparation magnétique.

Le concassage secondaire réduit davantage les morceaux, généralement avec un concasseur à cône ou à marteau, produisant une alimentation adaptée au criblage en fractions en morceaux.

Le broyage produit les fractions fines. Un broyeur à boulets ou un broyeur pendulaire est utilisé et le temps de séjour contrôle la finesse du produit.

Le filtrage intermédiaire entre les étapes supprime le matériel qui répond déjà aux spécifications, afin qu'il ne soit pas au-dessus du sol. Cette étape constitue le moyen le plus efficace de contrôler la quantité de poudre fine indésirable dans un produit en morceaux.

Le contrôle de la contamination lors de la réduction de taille est important. Les pièces d'usure dans la chambre de concassage libèrent du fer dans le produit au fur et à mesure de leur usure, de sorte que le choix du matériau de revêtement et la fréquence de remplacement ont un effet direct sur la teneur en fer du silicium fini.

Criblage et classification de taille

Le silicium métallique est vendu en fonction d'une plage de tailles, et non d'une taille unique, et la plage est généralement exprimée en millimètres pour les morceaux et en mailles pour la poudre.

Forme du produit	Désignation de taille typique	Utilisation principale
Grumeau	10-50mm, 10-100mm	Désoxydation de l'acier et ajout d'alliages
Granulaire	1-3mm, 3-8mm	Inoculation en fonderie et ajout continu
Poudre, grossière	16-60 mailles	Alliage d'aluminium, alimentation par gravité
Poudre, moyenne	60-120 mailles	Désoxydation générale et alliage
Poudre, très bien	120-200 mailles	Ajout à-dissolution rapide, matière première chimique

Un tamis vibrant à deux ou trois étages produit plusieurs coupes en un seul passage. Les matériaux surdimensionnés retournent à l'usine et les matériaux sous-dimensionnés sont soit vendus comme une qualité fine distincte, soit mélangés si les spécifications le permettent. Parce que chaque étape de criblage consomme de l’énergie et crée une perte de rendement, le prix de la poudre augmente à mesure que la coupe devient plus fine.

Lavage acide et réglage de la pureté

Lorsqu'une faible teneur en fer et en aluminium est requise, le silicium broyé est traité avec un acide dilué puis lavé à l'eau claire jusqu'à ce que l'acide résiduel soit éliminé. Le traitement attaque les phases riches en fer-qui se trouvent sur les joints de grains et dissout une partie du métal de surface, de sorte que le matériau lavé présente une teneur en fer et en aluminium inférieure à celle du même matériau non lavé. L'effet est plus important sur les fractions fines, car la surface disponible pour l'acide est plus grande.

Trois conditions pratiques régissent le résultat. La concentration d'acide et la température déterminent l'agressivité avec laquelle la surface est attaquée. Le temps de lessivage détermine la profondeur de pénétration de l’attaque. L’étape de lavage et de séchage détermine s’il reste de l’acide ou de l’humidité résiduelle, ces deux facteurs affectant l’utilisation en aval. Les matériaux insuffisamment lavés peuvent corroder l'emballage et créer des risques de manipulation. Le séchage et la neutralisation font donc partie du processus plutôt qu'après coup.

Dépoussiérage, emballage et contrôle qualité

Le dépoussiérage élimine les fines particules générées lors du concassage et du criblage. Les filtres à manches et les séparateurs cycloniques constituent l'équipement habituel, et la poussière récupérée est normalement vendue séparément sous forme de poussière fine plutôt que jetée.

La détection des métaux et la séparation magnétique éliminent les fragments de l'équipement de concassage qui autrement apparaîtraient comme une contamination ferreuse dans le produit fini.

La préparation et l'analyse des échantillons confirment les teneurs en silicium, fer, aluminium et calcium de chaque lot avant sa libération. Une qualité est une promesse concernant la chimie, de sorte que le résultat de l'analyse régit l'étiquette de qualité plutôt que le réglage du processus.

L'emballage est sélectionné en fonction de la forme du produit : matériau en morceaux dans des sacs ou des fûts en vrac, poudre dans des sacs étanches à l'humidité -pour éviter la poussière et l'absorption de l'humidité.

Les enregistrements de traçabilité relient un lot livré à son lot de four et à ses enregistrements de criblage et de lavage, ce qui permet à un client de résoudre un litige avec des données plutôt qu'avec des arguments.

Cible de qualité chimique et de traitement

La voie de traitement est choisie pour atteindre une qualité spécifiée, et la qualité est définie par la teneur maximale autorisée en fer, en aluminium et en calcium. Le tableau ci-dessous présente la chimie requise par les principales qualités.

Grade	Si (pourcentage min)	Fe (pourcentage maximum)	Al (pourcentage maximum)	Ca (pourcentage maximum)
Silicium métal 2202	99.58	0.2	0.2	0.02
Silicium métal 3303	99.37	0.3	0.3	0.03
Silicium métal 411	99.4	0.4	0.1	0.1
Silicium métal 421	99.3	0.4	0.2	0.1
Silicium métal 441	99.1	0.4	0.4	0.1
Silicium métal 551	98.9	0.5	0.5	0.1
Silicium métal 553	98.7	0.5	0.5	0.3

Lues ensemble, les notes montrent pourquoi la profondeur de traitement suit les spécifications. Le passage de 553 à 441 nécessite des limites plus strictes pour l'aluminium et le calcium et peut être atteint grâce à une sélection et un criblage minutieux des matières premières. Atteindre 411 ou 421 exige un contrôle plus strict de l'aluminium, ce qui nécessite à son tour un réducteur à faible teneur en aluminium - et un équipement de criblage propre. Atteindre 2202 nécessite un contrôle simultané des trois impuretés et est normalement soutenu par un lavage acide, un tri supplémentaire et une pratique de fusion dédiée. D'autres compositions chimiques et gammes de tailles peuvent être produites sur commande lorsqu'une spécification client diffère des qualités standard.

Foire aux questions

Q : Quelles sont les principales étapes du traitement industriel du silicium ?
La séquence comprend le concassage primaire et secondaire, le broyage, le criblage intermédiaire et final, le lavage acide lorsqu'une faible teneur en fer ou en aluminium est requise, le dépoussiérage, la détection des métaux, l'échantillonnage et l'analyse, et enfin le conditionnement. L'itinéraire spécifique est sélectionné pour correspondre à la qualité et à la taille spécifiées par le client.

Q : Pourquoi le broyage et le criblage sont-ils effectués en plusieurs étapes ?
Une seule étape de réduction gaspille de l’énergie et crée un excès de fines. Le criblage entre les étapes élimine le matériau qui répond déjà aux spécifications, de sorte qu'il ne soit pas au-dessus du sol, et le surplus est renvoyé à l'usine. Cela permet de contrôler la distribution des tailles et de réduire la perte de produit en morceaux commercialisable.

Q : À quoi sert le lavage à l’acide ?
La lixiviation acide diluée attaque les phases riches en fer-à la surface et le long des joints de grains du silicium broyé, puis le matériau est lavé et séché. Le résultat est une teneur en fer et en aluminium en surface plus faible, avec un effet plus important sur les fractions fines car elles présentent une plus grande surface.

Q : Comment la taille du silicium métallique est-elle exprimée ?
Le matériau en morceaux est décrit en millimètres, par exemple 10-50 mm, tandis que la poudre est décrite en mailles, par exemple 16-200 mesh. Le matériau granulaire se situe entre les deux et est généralement décrit en millimètres, par exemple 1 à 3 mm ou 3 à 8 mm pour une utilisation en fonderie.

Q : Le traitement modifie-t-il la teneur en silicium ?
Le traitement modifie principalement la distribution granulométrique et la chimie de la surface. La teneur en silicium d'une nuance est largement déterminée par la charge du four et la qualité du réducteur, tandis que le concassage, le criblage et le lavage sont utilisés pour maintenir les niveaux de fer et d'aluminium dans les limites autorisées par la nuance.

Q : Quelle qualité nécessite le traitement le plus approfondi ?
Les qualités telles que le 2202, qui limitent à la fois le fer, l'aluminium et le calcium, nécessitent la pratique la plus minutieuse : des matières premières sélectionnées à faible teneur en impuretés, un équipement de concassage et de criblage propre, et généralement un lavage à l'acide et un tri supplémentaire. Les qualités standards telles que le 553 nécessitent uniquement un concassage, un criblage et un dépoussiérage.

Q : Comment la qualité du produit est-elle vérifiée avant expédition ?
Chaque lot est échantillonné et analysé pour le silicium, le fer, l'aluminium et le calcium, et la séparation magnétique et la détection des métaux sont utilisées pour éliminer les fragments de fer introduits par l'usure de l'équipement de concassage. Le résultat de l'analyse plutôt que le paramètre du processus détermine la qualité déclarée.