Research into the chemical composition of refinery slag from silicon production for its efficient recycling

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The aim was to investigate the chemical composition of refinery slag obtained during silicon production in order to identify approaches to its further recycling. Research samples were collected from the slag remained after oxidation refining at the JSC Silicon (AO Kremny), RUSAL (Shelekhov, Irkutsk Oblast). The methods of X-ray phase, X-ray fluorescence, metallographic and scanning electron microscopy were employed to investigate the chemical composition of the samples. It was found that the refinery slag under study includes such basic components as elemental silicon, its carbide and oxide, as well as elemental carbon. It was shown that silicon carbide is the product of incomplete reduction, resulting from melting silica-containing ores in a smelting furnace. According to the conducted X-ray fluorescent analysis, the samples also contain (wt %): Ca - 7.40; Al - 3.80; Fe - 0.30; Ba - 0.19; K - 0.14; Na - 0.09; Sr - 0.09; Mg - 0.08; Ti - 0.05; S - 0.02. Calcium and aluminium are present in the slag mostly in the form of oxides. Complex oxides of an anor-thite type were also found: CaO Al2O3 2SiO2. The refinery slag under study also features insignificant amounts of other metal oxides, which are released from the furnace slag forming during the smelting process. The slag produced by oxidation refining during crystalline silicon production is a technogenic raw material containing valuable components. Due to the significant content of silicon in the refinery slag (from 42% to 65%), the existing methods applied to recycle such an industrial material were analysed in terms of additional silicon extraction or production of commercial silicon-containing products, which are in demand in various industries.

About the authors

N. V. Nemchinova

Irkutsk National Research Technical University

Email: ninavn@yandex.ru

V. V. Hoang

Irkutsk National Research Technical University

Email: hoangvanvien01121994@mail.ru

I. I. Aponchuk

Irkutsk National Research Technical University

Email: aponchuk55@inbox.ru

References

  1. Holappa L. Toward sustainability in ferroalloys production // Proceeding of the Twelfth Intern. Ferroalloys Congress (Helsinki, 6-9 June 2010). Helsinki, 2010. P. 1-10.
  2. Сизяков В.М., Власов А.А., Бажин В.Ю. Стратегические задачи металлургического комплекса России // Цветные металлы. 2016. № 1. С. 32-37. https://doi.org/10.17580/tsm.2016.01.05
  3. Архипов С.В., Катков О.М., Руш Е.А.. Технология выплавки технического кремния / под ред. О.М. Каткова. Иркутск: ЗАО «Кремний», 1999. 245 с.
  4. Гасик М.И., Гасик М.М. Электротермия кремния. Днепропетровск: Национальная металлургическая академия Украины, 2011. 487 p.
  5. Schei A., Tuset J.Kr., Tveit Н. Production of High Silicon Alloys. Trondheim: Tapir, 1998. 363 p.
  6. Andresen B. The metallurgical silicon process revisited // Silicon for the Chemical and Solar Industry X: Proceedings of the International Conference (Alesund - Gei-ranger, 28 June - 2 July 2010). Alesund - Geiranger: Norwegian University of Science and Technology, 2010. Р. 11-23.
  7. Немчинова Н.В. Поведение примесных элементов при производстве и рафинировании кремния: монография. М.: Академия естествознания, 2008. 237 с.
  8. Ringdalen E. Changes in Quartz During Heating and the Possible Effects on Si Production // JOM. 2015. Vol. 67. Iss. 2. P. 484-492. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1149-y
  9. Зобнин Н.Н., Байсанов С.О., Байсанов А.С., Мусин А.М. Влияние операционных аспектов процесса восстановления оксида кремния на соотношение материального и теплового потоков в рудно-термической печи // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 444-459. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-444-459
  10. Немчинова Н.В., Леонова М.С., Тютрин А.А. Экспериментальные работы по плавке окомкованной шихты в производстве кремния // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 1. С. 209-217. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-1-209-217
  11. Nemchinova N.V., Leonova M.S., Tyutrin A.A., Bel'skii 5.5. Optimizing the Charge Pelletizing Parameters for Silicon Smelting Based on Technogenic Materials // Metallurgist. 2019. Vol. 63. Iss. 1-2. Р. 115-122. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00800-3
  12. Tesfahunegn Y.A., Magnusson T., Tangstad M., Saevarsdottir G. Effect of electrode shape on the current distribution in submerged arc furnaces for silicon production -a modelling approach // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2018. Vol. 118. Р. 595600. https://doi.org/10.17159/2411-9717/2018/v118n6a6
  13. B0rset M.T., Kolbeinsen L., Tveit H., Kjelstrup S. Exergy based efficiency indicators for the silicon furnace // Energy. 2015. Vol. 90. Part. 2. P. 1916-1921. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.07.010
  14. Nemchinova N.V., Tyutrin А.А., Korepina N.A., Belskii 5.5. On the possibility of carbonaceous dust waste use of prebaked anode production in silicon metallurgy // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2018. Vol. 411. P. 012052. https://doi.org/10.1088/1757-899X/411/1/012052
  15. Ringdalen E., Tangstad M. Reaction mechanisms in carbothermic production of silicon, study of selected reactions // International Smelting Technology Symposium (Incorporating the 6th Advances in Sulfide Smelting Symposium) (Orlando, 11-15 March 2012). Orlando: John Wiley & Sons, 2012. Р. 195-203. https://doi.org/10.1002/9781118364765.ch24
  16. Vangskasen J. Metal-producing mechanisms in the carbothermic silicon process, NTNU-Trondheim, 2012.. URL: https://ntnuopen.ntnu.no/ntnu-xmlui/handle/11250/249099(20.12.2020).
  17. Gasik M. Handbook of ferroalloys: theory and technology. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2013. 536 p.
  18. Тютрин А.А., Фереферова Т.Т. Применение современных методов анализа для исследования шлаков кремниевого производства // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 9. С. 139-146. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2016-9-139-146
  19. Немчинова Н.В., Бузикова Т.А. Исследование фазово-химического состава печных шлаков кремниевого производства // Известия вузов. Цветная металлургия. 2017. № 1. С. 31-39. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-1-31-39
  20. Nemchinova N.V., Hoang V.V., Tyutrin A.A. Formation of impurity inclusions in silicon when smelting in ore-thermal furnaces // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 969. P. 012038. https://doi.org/10.1088/1757-899X/969/1/012038
  21. Валявин Г.Г., Запорин В.П., Габбасов Р.Г., Калимуллин Т.И. Процесс замедленного коксования и производство нефтяных коксов, специализированных по применению // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2011. № 8. С. 44-48.
  22. Анисович А.Г. Современная металлография - основа литейного материаловедения // Литье и металлургия. 2019. № 2. С. 99-108. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-2-99-108
  23. Немчинова Н.В., Тютрин А.А. Металлографическое исследование образцов алюминиевых рондолей // Фундаментальные исследования. 2015. № 3. С. 124-128.. URL: www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=10006363(20.12.2020).
  24. Пат. № 2690877, Российская Федерация, С22В 7/04, С01В 33/06. Способ выделения металлического кремния из шлака технического кремния / И.Д. Рожихина, О.И. Нохрина, И.Е. Ходосов, А.В. Проровский, А.И. Карлина, К.С. Ёлкин; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет». Заявл. 27.09.2018; опубл. 06.06.2019. Бюл. № 16.
  25. Арабей А.В., Рафальский И.В. Синтез алюминиево-кремниевых сплавов методом прямого восстановления кремния с использованием алюмоматричных композиционных лигатур // Литье и металлургия. 2011. № 3. С. 19-25.
  26. Арабей А.В., Рафальский И.В., Немененок Б.М. Синтез сплавов системы Al-Si из алюмоматричных композиций, полученных с использованием отходов алюминия и кварцевого песка // Металл и литье Украины. 2013. № 4. С. 3-7.
  27. Рафальский И.В., Арабей А.В., Немененок Б.М. Физико-химические основы синтеза силуминов с использованием кварцсодержащих материалов: монография. Минск: БНТУ, 2015. 140 с.
  28. Пат. № 2209683, Российская Федерация, В03В 13/06. Способ сортировки шлаков производства кремния / П.Н. Антонов, В.А. Федосенко, Ю.О. Федоров, И.У. Кацер; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Кремний». Заявл. 29.08.2001; опубл. 10.08.2003. Бюл. № 22.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).