CC BY
50
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
УДК 669.782; 669.054.82 Хоанг В.В., Немчинова Н.В.
ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ШЛАКООБРАЗУЮЩИХ СИСТЕМ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ РАФИНИРОВАНИИ КРЕМНИЯ
Аннотация. Металлургический кремний, имеющий широкое применение в различных отраслях промышленности (в качестве раскислителя стали, легирующей добавки в сплавах, для производства полупроводникового кремния и др.), получают при плавке кремнеземсодержащего сырья в руднотермических печах. Данный карботермический процесс относится к бесшлаковому. Однако в производстве кремния на АО «Кремний» (г. Шелехов, Иркутская область) образуются рафинировочные шлаки, формирующиеся в процессе окисления примесей кремниевого расплава в ковше продувкой воздухом (при температуре ~1500-1600°С), проводимого с целью удаления из целевого продукта примесей кальция, алюминия, титана. Ввиду высокой вязкости данного шлака в нем запутывается собственно кремний, содержание которого составляет 42,165,3 мас. %, что требует его доизвлечения для повышения эффективности производства в целом. Нами проведено изучение механизма формирования примесных включений в выбранном составе шлака (на основе СаО, А1203, Б102) с помощью компьютерного построения тройных диаграмм состояния с помощью программы «Diatris 1.2». Данная программа основана на термодинамическом методе расчета параметров ликвидуса тройной системы в точке с заданными значениями содержания компонентов по модели регулярного раствора. Изучен путь кристаллизации шлака следующего состава, мас. доли: СаО - 0,178, БЮ2 - 0,785, А1203 - 0,0365. Показано, что кристаллизация выбранного расплава состава смеси заканчивается в эвтектической точке с температурой плавления 1271,83°С и выделением анортита Са0А12032Б102, моносиликата кальция Са05г02 и фазы Са07Бг02-Ж. В дальнейшем планируется изучить двойные и тройные диаграммы состояния других компонентов, входящих в рафинировочный шлак, для подбора оптимального температурного режима для извлечения кремния.
Ключевые слова: металлургический кремний, окислительное рафинирование, шлак, диаграмма плавкости, путь кристаллизации.
Введение
Металлургические шлаки, образующиеся в процессе получения металлов и сплавов, в условиях возрастающего дефицита рудного сырья, необходимости решения экологических проблем и повышения эффективности производства подвергаются переработке с целью извлечения ценных компонентов и получения товарных продуктов [1-9].
Производство металлургического (технического) кремния относится к бесшлаковым процессам. Однако в зависимости от мощности руднотермических печей (РТП) при плавке он образуется в количестве от 2 до 5% [10].
Металлургический кремний находит широкое распространение в различных областях: в производстве сплавов, поликристаллического кремния, крем-нийорганических материалов и силанов, для раскисления стали и др. [11, 12]. Традиционно кремний получают восстановлением углеродом при плавке кварцсодержащего сырья в РТП при температуре выше 2000°С [10, 11]. Сырьем для получения кремния служат высококачественные кварциты, в качестве восстановителя используют материалы (древесный уголь, каменный уголь разных поставщиков, нефтяной кокс и др.) с различными реакционной способно-
© Хоанг В.В., Немчинова Н.В., 2022
стью и зольностью [11]. По объемам производства металлургического кремния в настоящее время Китай занимает 1-е место в мире [13]. В России крупнейшим предприятием по производству металлургического кремния является АО «Кремний» (г. Шелехов, Иркутская область), входящий в ОК «РУСАЛ». Годовая производительность завода составляет в среднем 33 тыс. т продукции в год, сырьем для получения кремния служит кварцит Черемшанского рудника, входящего в структуру предприятия.
Рафинировочный шлак как объект исследований
В процессе получения кремния образуется два вида шлаков: печной и рафинировочный. Источником образования печного шлака являются процессы недовосстановления кремнезема, примесных оксидов, неполного разложения карбида кремния, формирование сложных оксидов типа анортита [11, 14]. Данные соединения формируют подовую настыль, и при выпуске расплава кремния из РТП печной шлак захватывается и в незначительном количестве переходит в выпускаемый продукт.
Поскольку полученный при плавке продукт содержит незначительное количество примесных элементов ^е, Ca, Л!, Т^ С и др.) [11, 14], для получения кремния более высокого качества на предприятии АО «Кремний» проводится операция окислительного рафинирования путем продувки воздухом расплава в
ковше при введении флюса. В качестве флюса используется песок кварцевый обогащенный, поставляемый по ГОСТ 2138-91 «Пески формовочные. Общие технические условия», марки 2К20303.
Окислительное рафинирование расплава кремния сопровождается образованием двух продуктов -кремния и рафинировочного шлака. Рафинировочный шлак формируется из оксидов примесных элементов, образующихся при продувке кремниевого расплава воздухом (СаО, А1^3, SiO2) [11]. Количество образующегося при рафинировании шлака составляет приблизительно 10% от массы кремния. При этом учитывается и масса вводимого флюса.
Однако данный шлак имеет в своем составе также и включения SiC, свободного углерода, корольки кремния, в которых содержится незначительное количество интерметаллидов, оксидов и др. Ввиду того, что плотность рафинировочного шлака близка к плотности кремния (2,4-2,6 г/см3 против ~2,34 г/см3) [11, 12], отделение фазы кремния от шлака затруднено, что и приводит к потерям кремния при данном процессе. Кроме того, шлаки обладают значительной вязкостью [15], что также способствует запутыванию корольков кремния.
В рафинировочном шлаке содержится, в среднем, мас. %, соответственно: Si - 42,1-65,3; SiC - 3,112,1; C - 0-1,1; SiO2 (кварцит) - 0-2,9; SiO2 (кристоба-лит) - 2,2-4,6; CaO■Al2Oз■2SЮ2 (анортит) - 0-26; SiO2 (аморфная фаза) - 21,5-42,3 [16]. Химический состав образцов шлака изучали с помощью рентгеноспек-трального и химического методов анализа.
Высокое содержание технического кремния в шлаке имеет чрезвычайно высокую экономическую ценность. Как указывают авторы [15], снизить потери кремния возможно изменением состава шлаков, получением шлаков определенного химического состава, чтобы снизить температуру и вязкость плавления шлаковой системы. В связи с этим целью наших исследований явилась разработка методики термодинамического анализа механизма формирования примесных включений в шлаке, образующемся при окисли-
тельном рафинировании кремния. Также для изучения возможности доизвлечения кремния при выбранных оптимальных температуре и составе шлака необходимо изучить фазовые формы нахождения составляющих и путь кристаллизации различных составов шлаков, что в целом будет способствовать повышению эффективности производства металлургического кремния.
Нами были исследованы образцы рафинировочных шлаков АО «Кремний». Шлак - хрупкий материал темно-зеленого цвета с вкраплениями частиц кремния (рис. 1, а). При изучении химического состава образцов шлака в наших исследованиях использовали метод сканирующей электронной микроскопии (рис. 1 , б) с помощью микроскопа JIB-Z4500 (фирма «JEOL», Япония), металлографический метод анализа (рис. 1, в) на микроскопе «Olympus GX-51» («Olympus», Япония).
Как видно на рис. 1, б, рафинировочные шлаки содержат значительное количество элементов кремния в общей структуре оксидной фазы.
Разработка методики анализа формирования эвтектических включений в рафинировочных шлаках кремниевого производства
Изучение механизма кристаллизации шлаковых систем стандартными аналитическими методами затруднено, так как температура жидких продуктов в ковше при рафинировании находится в диапазоне 1500-1600°С. Поскольку рафинировочный шлак по своему составу имеет сложную структуру, для ее изучения нами была предложена методика изучения механизма формирования включений при кристаллизации на основе анализа диаграмм плавкости трехком-понентных систем.
На первоначальном этапе наших исследований были изучены двойные и тройные диаграммы состояния, компонентами которых являются оксиды кальция, алюминия и кремния, поскольку данные оксиды составляют основу рафинировочного шлака и имеют большое практическое значение [17, 18].
б
Рис. 1. Образцы рафинировочного шлака АО «Кремний»: а - общий вид; б - фото поверхности шлифа (сканирующая электронная микроскопия); в - поверхность микрошлифа (металлографическое исследование, увеличение х50, темное поле)
а
в
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
Построение и анализ двойных диаграмм плавкости оксидных систем
Анализ двойных диаграмм состояния и формирование базы данных по примесным соединениям нами было выполнено с помощью программы «FactSage 8.1»1, состоящей из серии модулей информации, вычислений и манипуляций, которые позволяют получить доступ и управлять базами данных соединений и растворов.
Полученные результаты анализа диаграмм состояния показали, что точки эвтектики конгруэнтно и инконгруэнтно плавящихся соединений не только зависят от температуры, но и от соотношения содержания составляющих в шлаке. Твердая и жидкая фаза соединений в рафинировочном шлаке различаются. Граница между соединениями очень четкая, и очевидна область двухфазного перехода. Изучен механизм формирования примесных включений при разных температурах t, давлении р, равном 0,101 МПа (1 атм.). Эти результаты являются теоретической основой для дальнейшей переработки кремниевого шлака и извлечения частиц кремния.
Система «А1203-8Ю2»
Общий вид диаграммы состояния «Лl2O3-SiO2» приведен на рис. 2, построенной при t = 1400-2200°С, р = 0,101 МПа. В системе существует одно бинарное соединение - муллит (3Лl2O3•2SiO2), плавящийся конгруэнтно при температуре 1895°С. Муллит в системе образует различные характерные точки и две эвтекти-
ки: одну с SiO2 при 1593°С (с содержанием 0,044 моль Al2O3) и вторую - с Л1^3 (корунд) при 1887°С (с 0,657 моль АДО^.
Система «Са0-$Ю2»
Аналогично с помощью программы «FactSage 8.1» была построена и проанализирована диаграмма состояния системы «СаО^Ю2». Как известно, в данной системе при плавлении образуется четыре химических соединения: двухкальциевый силикат -2CaO•SiO2 (C2S), трехкальциевый дисиликат -3CaO•2SiO2 (C3S2), трехкальциевый силикат -3CaO•SiO2 (C3S), однокальциевый силикат (метасили-кат кальция) - CaO•SiO2 (CS).
CS имеет две полиморфные модификации: вол-ластонит (В) - низкотемпературную форму, устойчивую до температуры 1124°С, выше которой она переходит в псевдоволластонит В^2). Псевдоволластонит - высокотемпературная форма метасиликата кальция, плавящаяся при температуре 1687°С конгруэнтно. С^ плавится конгруэнтно при температуре 2152°С. Он имеет две температурные области стабильного существования: низкотемпературную - бредигит, килхоанит (температурный интервал существования 900-1436°С) и высокотемпературную - лар-нит (в интервале 1436-2152°С). При переходе С2S(s3) уменьшается плотность и увеличивается удельный объем (на ~13%), что приводит к разрушению стойких соединений С^.
1https://www.factsage.com/
А12Оэ - БЮ2
1 аип
1300 1200 1100
0.4 0.6
А1;0у(А1:03+5Ю:) (то1/то1)
" щ
- 5Ю2(э6) + Уд ^ (\
МиИКе + |_гс| 1 I МиПКе
Ми1М1е + 5Ю2(з6) 1
А12Оэ(з4) + МиМНе
МиИНе + ЭЮ2(84)
,1
Рис. 2. Диаграмма состояния системы «Al2O3-SiO2»: SiO2(s4) - тридимит, SiO2(s6) - кристобалит, Al2O3(s4) - корунд (Liq - жидкость)
C3S стабильно существует в температурном диапазоне от 1300 до 1797°С. Ниже температуры 1300°С данное соединение нестабильно и разлагается в твердом состоянии на СаО+С^^2), а при 1797°С плавится инконгруэнтно с образованием жидкой фазы следующего состава, моль: 0,333 СаО и 0,667 С^(л). Диаграмму характеризуют следующие особенности: в высококремнеземистых составах этой системы наблюдается фазовое разделение однородного расплава на две несмешивающиеся жидкости (ликвация), причем при температуре 1687°С в трехфазном инвариантном равновесии с кристобалитом находится жидкость, содержащая 0,012 моль СаО и 0,956 моль SiO2, и жидкость, содержащая 0,28 моль СаО и 0,72 моль SiO2; добавление к кремнезему небольших количеств СаО приводит при нагревании к образованию в системе при температуре эвтектики 1436°С весьма малого количества расплава, и так как от этой эвтектики к области ликвации кривая ликвидуса имеет довольно крутой подъем, то и увеличение температуры не вызывает резкого нарастания количества жидкой фазы.
Система «СаО-Л12Оз»
В системе «Са0-А1203» образуется четыре химических соединения: 3Са0А1203 (С3А2), гексаалюминат кальция Са06А1203 (СА12), моноалюминат кальция Са0А1203 (СА2), диалюминат кальция Са0 2А1203 (САД При температуре СА12 выше 1832°С переходит в
фазу Al2O3(s4)+Liq. СА4 плавится конгруэнтно при 1764°С и имеет плотность 3050 кг/м3. СА2 с плотностью 2940 кг/м3 плавится конгруэнтно при 1603°С. Кроме этого, моноалюминат кальция образуется первым при реакциях взаимодействия СаО и А1203 в твердом состоянии, а другие алюминаты кальция - уже из него в зависимости от состава смеси.
Соединение С3А2 при нормальном давлении имеет плотность 3040 кг/м3, плавится инконгруэнтно при 1540°С на жидкость следующего состава, моль: 0,71 СаО и 0,29 Liq.
Построение и анализ состояния тройных оксидных систем
Для изучения механизма образования и кристаллизации шлака, содержащего оксиды кремния, алюминия и кальция, в наших исследованиях была использована компьютерная программа 1.2», предназначенная для расчета и графического изображения диаграмм плавкости тройных систем [19, 20]. Основой программы служит термодинамический метод расчета параметров ликвидуса тройной системы в точке с заданными значениями содержания компонентов по модели регулярного раствора.
На рис. 3 представлена диаграмма состояния тройной системы «Са0-А1203-8Ю2».
Шаг по изотермам: 50°С
Рис. 3. Тройная диаграмма состояния системы «Са0-А1203-8Ю2»
В системе «CaO-Al2O3-SiO2» существуют несколько бинарных и два тройных соединения. На изучаемой диаграмме состояния имеется десять полей кристаллизации. Два тройных соединения - анортит CaO-Al2O3-2SiO2 и геленит 2СаО-АЬОз-8Ю2 - плавятся конгруэнтно. Анортит плавится при 1550°С, существует в трех модификациях: гексагональной, триклинной, ромбической. Геленит имеет температуру плавления 1584°С, обладает тетрагональной син-гонией и плотностью, равной (2,9-3,1)-103 кг/м3. Из двойных соединений в изучаемой системе имеются: на стороне «СаО^Ю2» - соединения СА2, C3S2, C2S и C3S. На стороне «СаО-Al^» имеются все 4 соединения, описанные при анализе двойной диаграммы состояния (С3А2, CAi2, СА2, CA4). На линии, примыкающей к стороне «Al2O3-SiO2», присутствует муллит. Также на диаграмме состояния существуют три области кристаллизации однокомпонентных соединений: SiO2, СаО и Al2O3. Наиболее легкоплавкие эвтектики примыкают к полям кристаллизации анортита и геле-нита - это эвтектики с температурами плавления 1182,1 и 1297,02°С, соответствующие точкам E6, E11 на диаграмме.
Характеристики тройных эвтектик в системе «CaO-Al2O3-SiO2» представлены в табл. 1.
Для характеристики прироста количества кристаллов при прохождении многокомпонентным сплавом интервала кристаллизации и изучения влияния скорости изменения температуры смеси на формирование соединений в рафинировочном шлаке были
проведены расчеты содержания компонентов при кристаллизации с равным шагом изменения температуры (50°С) в данной трехкомпонентной системе.
Наиболее оптимальный состав шлака для полного его отделения от расплава кремния при рафинировании должен составлять в среднем соответственно, мас. %,: 8Ю2 - 69,0, А1203 - 18,0, СаО - 13,0 [16]. Кроме того, ввиду преобладающего количества в шлаке кремнезема, очевидно, что в основе большинства примесных соединений будет находиться именно данное соединение. Поэтому на первоначальном этапе исследований мы рассматривали трехкомпонентную смесь (А) следующего состава, мас. доли: СаО -0,178; 8Ю2 - 0,785; А12О3 - 0,0365.
Данный состав А лежит в поле кристаллизации СаО-78Ю2-Щ(Ж) и принадлежит фазовому треугольнику «СаО'А12О3-28Ю2 - СаО-8Ю2 - СаО^Ю2-Liq(Ж)» (рис. 4). Выделение первых кристаллов фазы СаО^Ю2-^(Ж) начинается при 2063,8°С (исходя из данных двухкомпонентной системы «СаО^Ю2»), и кристаллизация идет вниз к линии ликвидуса - пограничной кривой между анортитом и CaO•7SiO2-Liq(Ж). По пограничной кривой путь кристаллизации смеси пойдет вдоль к эвтектической точке Е5, имеющей температуру плавления 1271,83°С. Кристаллизация расплава А заканчивается в данной эвтектической точке с выделением анортита СаОА12О3^Ю2, моносиликата кальция СаО^Ю2 и фазы СаО^Ю2-Щ(Ж).
Изменение состава смеси А (по отдельным элементам) при кристаллизации можно оценить по рис. 5.
Таблица 1
Точки эвтектики системы тройной диаграммы «CaO-Al2O3-SiO2»
Точка Система Содержание компонентов, мол. доли / мас. доли Температура, °C V, кДж/моль
CaO SiO3 Al3O3
E1 3Al2O32SiO2 - Caü2Al3O3 - Al2O3 0,133 / 0,082 0,112 / 0,074 0,753 / 0,843 1624,89 -377,32
E2 3Al3O32Siü3 - Caü2Al3O3 -CaüAl2O32Siü2 0,243 / 0,191 0,470 / 0,397 0,286 / 0,411 1469,1 -297,66
E3 3Al3O32Siü3 - SiO2 -CaüAl2O32Siü2 0,050 / 0,045 0,898 / 0,870 0,050 / 0,083 1367,34 -127,19
E4 Caü■7Siü2-Liq(Ж) - SiO2 -CaüAl3O32Siü3 0,050 / 0,046 0,898 / 0,870 0,050 / 0,083 1367,93 -126,91
E5 Caü■7Siü2-Liq(Ж) - Caü Siü2 -CaüAl2O3-2Siü2 0,422 / 0,386 0,510 / 0,501 0,067 / 0,112 1271,83 -254,52
E6 2CaüAl3O3Siü3 - CaüSiü3 -CaüAl3O3-2Siü3 0,466 / 0,427 0,461 / 0,453 0,071 / 0,118 1182,1 -184,75
E7 2CaüAl3O3Siü3 - Caü2Al3O3 -CaüAl3O3-2Siü3 0,405 / 0,327 0,332 / 0,287 0,261 / 0,384 1363,43 -514,03
E8 2CaüAl3O3Siü3 - Caü2Al3O3 -12Caü7Al3O3 0,439 / 0,327 0,157 / 0,125 0,403 / 0,546 1487,21 288,42
E9 2Caü Al3O3 Siü3 - CaO -12Caü7Al3O3 0,646 / 0,557 0,176 / 0,163 0,177 / 0,279 1447 -23,99
E10 2Caü Al3O3 Siü3 - CaO - 2Caü Siü3 0,639 / 0,573 0,243 / 0,234 0,117 / 0,192 1440 -205,64
E11 CaüAl3O3Siü3 - Caü Siü3 -2CaüSiü3 0,538 / 0,512 0,437 / 0,446 0,023 / 0,040 1295 -1331,435
12Са0-7А1203 Са0-2А1203
Рис. 4. Путь кристаллизации смеси состава А
Рис. 5. Изменение содержания компонентов жидкой фазы (состав А) при кристаллизации расплава
Из данных рис. 5 видно, что содержание SiO2 по- стема представляет собой жидкую фазу. Иными слова-
степенно уменьшается, что приводит к увеличению со- ми, это температура, при которой в равновесных усло-
держания СаО и Л12O3 по отношению к оксиду крем- виях выпадает первый кристалл.
ния. Однако при температуре 1360°С содержание А1^3 Заключение
резко уменьшается (соответственно, содержание СаО
увеличивается), что объясняется началом выделения Нами были проанализированы образцы рафини-
твердой фазы состава CaO•Al2Oз+3СaO•Al2Oз из общей ровочного шлака АО «Кремний» компании
трехкомпонентной смеси. Выше этой температуры си- «РУСАЛ». Установлено, что основными соединения-
ми в шлаке являются оксиды кальция, алюминия, кремния, а также карборунд и корольки кремния. Поскольку содержание Si в шлаках достаточно высоко (42,1-65,3%), возникает необходимость доизвлечения кремния из данного отхода с целью повышения эффективности кремниевого производства.
На основе данных о составе и свойствах диаграмм плавкости двойных систем («Al2O3-SiO2», «CaO-SiO2», «CaO-Al2O3») была предложена методика термодинамического анализа механизма формирования примесных включений при кристаллизации трех-компонентного шлакового расплава. На первоначальном этапе исследований изучен путь кристаллизации смеси следующего состава, мас. доли: CaO - 0,178, SiO2 - 0,785, Al2O3 - 0,0365. Показано, что кристаллизация выбранного расплава состава А заканчивается в эвтектической точке, имеющей температуру плавления 1271,83°С, с выделением анортита CaOAl2O32SiO2, моносиликата кальция CaOSiO2 и фазы CaO7SiO2^.
В дальнейшем планируется изучить двойные и тройные диаграммы состояния других компонентов, входящих в рафинировочный шлак кремниевого производства, для подбора оптимального температурного режима для извлечения кремния.
Список литературы
1. Shatokhin I.M., Kuz'min A.L., Smirnov L.A., Le-ont'ev L.I., Bigeev V.A., Manashev I.R. New method for processing metallurgical wastes // Metallurgist. 2017. Т. 61. No. 7-8. Р. 523-528. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0527-4.
2. Технологические особенности комплексной переработки шлаков сталеплавильной отрасли в товарные продукты / Шешуков О.Ю., Михеенков М.А., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К., Лобанов Д.А., Овчинникова Л.А. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 75-й международной науч.-практ. конф. Т. 1. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2017. С. 87-90.
3. Утилизация отходов металлургического производства: монография / Н.В. Панишев, В.А. Бигеев, М.В. Потапова, И.В. Макарова, Т.О. Гаврилова. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2018. 69 с.
4. Sheshukov O.Y, Mikheenkov M.A., Nekrasov I.V., Egiazaryan D.K., Lobanov D.A. Stabilization of Refining Slag by Adjusting Its Phase Composition and Giving It the Properties of Mineral Binders // Refractories and Industrial Ceramics. 2017. Vol. 58. No. 3. P. 324330. https://doi.org/10.1007/s11148-017-0104-1.
5. Разработка технологии переработки шлаков медеплавильного производства методом флотации / Лесникова Л.С., Никитина О.А., Тозик В.М., Во-лянский И.В., Сосновский В.В. // Цветные металлы. 2013. № 6 (846). С. 23-26.
6. Шешуков О.Ю., Егиазарьян Д.К., Лобанов Д.А. Безотходная переработка ковшевого и электропечного шлака // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2021. Т. 64. № 3. С. 192-199. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-3-192-199.
7. Глубокая переработка сталеплавильных шлаков / Чижевский В.Б., Шавакулева О.П., Дегодя Е.Ю., Сединкина Н.А. // Сталь. 2014. № 4. С.124-126.
8. Dashevskii1 V.Y., Aleksandrov A.A., Zhuchkov V.I., Leonfev L.I. and Kanevskii A.G. Recycling of Waste Slag Upon Production of Manganese Ferroalloys // KnE Materials Science. Technogen. 2019. P. 46-50. https://doi.org/10.18502/kms.v6i1.8042.
9. Современное состояние переработки шлаков сталеплавильного производства / Бельский С.С., Зайцева А.А., Тютрин А.А., Исмоилов З.З., Баранов А.Н., Сокольникова Ю.В. // iPolytech Journal. 2021. Т. 25. № 6. С. 782-794. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-6-782-794.
10. Технология выплавки технического кремния / С.В. Архипов, О.М. Катков, Е.А. Руш и др.; под ред. О. М. Каткова. Иркутск: ЗАО «Кремний», 1999. 245 с.
11. Гасик М.И., Гасик М.М. Электротермия кремния. Днепропетровск: Национальная металлургическая академия Украины, 2011. 487 p.
12. Schei A., Tuset J.Kr., Tveit Н. Production of High Silicon Alloys. Trondheim: Tapir, 1998. 363 p.
13. Ферросплавное производство: состояние и тенденции развития в мире и России / Рожихина И.Д., Нохрина О.И., Ёлкин К.С., Голодова М.А. // «Металлургия: технологии, инновации, качество. Металлургия - 2019»: тр. XXI Междунар. науч.-практ. конф. (г. Новокузнецк, 23-24 ноября 2019 г.). Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2019. Ч. 1. С. 20-32.
14. Немчинова Н.В. Поведение примесных элементов при производстве и рафинировании кремния: монография. М.: Академия естествознания, 2008. 237 с.
15. Исследование основных характеристик шлаков рафинирования кристаллического кремния / Рожи-хина И.Д., Нохрина О.И., Ходосов И.Е., Ёлкин К.С. // «Металлургия: технологии, инновации, качество. Металлургия - 2019»: тр. XXI Междунар. науч.-практ. конф. (г. Новокузнецк, 23-24 ноября 2019 г.). Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2019. Ч. 1. С. 66-72.
16. Немчинова Н.В., Хоанг В.В., Апончук И.И. Изучение химического состава рафинировочных шлаков кремниевого производства для поиска путей их рациональной переработки // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2021. Т. 25, № 2 (157). С. 252-263. https://doi.org/10.21285/1814-3520- 2021-2-252-263.
17. Бобкова Н.М. Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. М.: Высшая школа, 2007. 303 с.
18. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Выпуск третий. Тройные силикатные си-
стемы / Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Ланин В.В., Курцева Н.Н., Бойкова А.И.; под ред. В.П. Барзаковского. Ленинград: Наука, Ленингр. отд., 1972. 448 с.
19. Удалов Ю.П., Морозов Ю.Г. Программа расчета диаграмм плавкости тройных систем Diatris 1.2 (алгоритм, интерфейс и техническое применение) // Диаграммы состояния в материаловедении: сб.
Сведения об авторах
тр. 6-й междунар. школы-конф. Киев, 2001. С. 121-142.
20. Тютрин А.А. Исследование процесса формирования примесей при кристаллизации расплава кремния на основе компьютерного построения тройных диаграмм плавкости // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 2 (18). С. 110-113.
Хоанг Ван Виен - аспирант кафедры металлургии цветных металлов, ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет», Иркутск, Россия. E-mail: hoangvanvien01121994@mail.ru
Немчинова Нина Владимировна - доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой металлургии цветных металлов, ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет», Иркутск, Россия. E-mail: ninavn@yandex.ru. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9895-1709
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
STUDY THE MECHANISM OF CRYSTALLIZATION OF SLAG FORMING SYSTEMS FORMED DURING SILICON REFINING
Hoang Vien V. - Postgraduate Student of the Department of Non-Ferrous Metals Metallurgy, Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk. E-mail: hoangvanvienO 1121994@mail.ru
Nemchinova Nina V. - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Non-Ferrous Metals Metallurgy, Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia. E-mail: ninavn@yandex.ru
Abstract. Metallurgical-grade silicon, widely used in various industries (as a steel deoxidizer or an alloying additive in alloys, for the semiconductor-grade silicon production, etc.), is obtained by melting silica-containing feeds in ore-thermal furnaces. This carbothermal process is slag-free. However, in the silicon production at Silicon JSC (Shele-khov, Irkutsk region), refinery slags are formed in the course of oxidizing silicon melt impurities in a ladle by blowing air (at ~1500-1600°C), performed to remove calcium, aluminum, and titanium impurities from the product. Due t o high viscosity, this slag entraps silicon, the content of which reaches 42.1-65.3 % wt. thus requiring additional extraction to improve the general efficiency of production. The paper studies the mechanism of impurity inclusions generation in the chosen slag composition (based on CaO, Al2O3, SiO2) with ternary diagrams built using the Diatris 1.2 software. This software is based on a thermodynamic technique for calculating the ternary system liquidus parameters at a point with given component contents using a regular solution model. The crystallization way has been studied for the slag of the following composition, wt. fractions: CaO - 0.178, SiO2 - 0.785, Al2O3 - 0.0365. It is shown that the melt of the chosen composition stops crystallizing at the eutectic point with a melting point of 1271.83°C with the release of anorthite CaOAl2O32SiO2, calcium monosilicate CaOSiO2, and the CaO7SiO2-L phase. It is planned to further study binary and ternary diagrams of other refinery slag components to choose the optimal temperature regime for extracting silicon.
Key words: metallurgical silicon, oxidation refining, slag, fusibility diagram, crystallization path.
Ссылка на статью:
Хоанг В. В., Немчинова Н. В. Изучение механизма кристаллизации шлакообразующих систем, образующихся при рафинировании кремния // Теория и технология металлургического производства. 2022. №1(40). С. 4-11.
Hoang V.V., Nemchinova N.V. Study the mechanism of crystallization of slag forming systems formed during silicon refining. Teoria i tecnología metallurgiceskogoproizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2022, vol. 40, no. 1, pp. 4-11.
