Étude de l'effet du silicium sur la lacune de miscibilité en phase liquide de l'alliage Cu-Co-Fe du procédé de fusion réductrice des minerais oxydés cupro-cobaltifères

Les procédés de fusion réductrice des minerais oxydés cupro-cobaltifères sont utilisés depuis 1925 en R. D. Congo, dont le produit de fusion est un « alliage blanc ». Cet alliage, du point de vue industriel, est un liquide métallique du système Cu-Co-Fe riche en cobalt de composition industrielle : 40-45 % de Co, 15-20 % de Cu, 20-35 % de Fe. Le reste est constitué de Si et d'autres impuretés mineures. Les conditions d’élaboration de l’alliage Cu-Co-Fe riche en cobalt sont complexes. En effet ; lors de la production de ces alliages, on constate que ces derniers ne sont jamais homogènes à l’état solide, car la séparation dans les deux phases liquides est métastable (Cu et Co-Fe). Il présente aussi des proportions massiques différentes (une phase riche en cuivre et une autre riche en cobalt). Par ailleurs ; on admet que le maintien de la teneur en silicium à au moins 1,5 % en poids a un effet positif sur la lacune de miscibilité et permet la séparation de l’alliage en deux phases liquides métalliques immiscibles. Notre objectif principal porte sur la détermination des conditions de fabrication, dans un four électrique, de l'alliage liquide métallique Cu-Co-Fe contenant au moins 1,5 % en poids de Si. Le but ultime étant de trouver une réponse scientifique et les conditions expérimentales optimales qui permettent la séparation de la phase liquide riche en Cu de la phase du mélange liquide riche en Co-Fe. Pour atteindre cet objectif, dans un premier temps, le diagramme de phase du système Cu-Co-Fe a été étudié expérimentalement sans le silicium. Cette étude a été réalisée en utilisant une combinaison de microscopie optique et de microscopie électronique à balayage (SEM) couplée à une analyse EDS. Les isothermes et les sections verticales du système d'alliage Cu-Co-Fe, non disponible dans le logiciel FactSage, ont été calculées à l'aide du module « phase diagram » de ce logiciel. FacSage n’a pas à ce jour des données qui permettent d'identifier correctement les structures de solidification d'alliages pour le refroidissement à l'air et dans le four. Les bases de données spécialisées FactPS et FSsteel des solutions solides, de FactSage, et la base de données privée KALUsoln, de la solution liquide, ont été utilisées pour les calculs. La base de données privée a été développée dans ce travail à l’aide de celle contenue dans « compound » et dans « solution » de FactSage. Les diagrammes de phase calculés et les propriétés thermodynamiques du système Cu-Co-Fe sont en bon accord avec les données expérimentales disponibles dans la littérature.

Abstract

Reductive smelting processes for oxidized cupro-cobaltiferous ores have existed since 1925 in the D.R. Congo, the fusion product of which is a "white alloy". This alloy, from the industrial point of view, is a metallic liquid of the system Cu-Co-Fe rich in cobalt of industrial composition: 40-45 % Co, 15-20 % Cu, 20-35 % Fe; the remainder being Si and other minor impurities. The conditions for making the cobalt-rich Cu-Co-Fe alloy are complex and problematic. In effect, during the production of these alloys, it is found that the latter is never homogeneous in the solid state, because the separation in the two liquid phases is metastable (Cu and Co-Fe) while having different mass proportions (one phase rich in copper and another rich in cobalt). Moreover, it is believed that maintaining the silicon content of at least 1.5% by weight has a positive effect on the miscibility gap and allows the separation of the alloy into two immiscible metallic liquid phases. Our main objective concerns the determination of the manufacturing conditions, in an electric furnace, of the liquid metallic Cu-Co-Fe alloy containing at least 1.5 % by weight of Si. The ultimate goal being to find a scientific answer and the optimal experimental conditions which allow the separation of the liquid phase rich in Cu from the phase of the liquid mixture rich in Co - Fe. studied experimentally without the silicon using a combination of optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) coupled with EDS analysis. In order to correctly identify alloy solidification structures for air and furnace cooling, isotherms and vertical sections of the Cu-Co-Fe alloy system, not available in the FactSage software, were calculated using the “phase diagram” module of this software. The specialized databases FactPS and FSsteel for the solid solutions, from FactSage, and the private database KALUsoln, for the liquid solution, were used for the calculations. The private database was developed in this work using FactSage compound and solution databases. The calculated phase diagrams and the thermodynamic properties of the Cu-Co-Fe system is in good agreement with the experimental data available in the literature. Subsequently, the effect of silicon on the miscibility vacancy formation temperature of liquid Cu-Co-Fe alloy is studied from DSC measurements.