Dissolution Rate and Wettability of SiO2-CaO-Al2O3 Slags on Quartz

Abstract

Denne studien har som mål å undersøke fuktningsgraden og reaksjonskinetikken av SiO2 –CaO–Al2O3 slagg på industriell kvarts for å forstå interaksjonene mellom industrislagg og -kvarts i silisium- og ferrosilisiumproduksjon. Studien er viktig for å utvikle mer kunnskap om hvordan man kan øke massestrømmen av råmaterialer og redusere energiforbruket i industriovner.

Tre syntetiske slagger med varierende kjemisk sammensetning ble varmet opp i en fuktningsovn til 1500°C og holdt isotermisk i 0 min, 15 min og 30 min for å studere fuktningen, testet med to forskjellige slaggstørrelser på ca. 50mg og 150mg. Prøvene ble videre analysert med en elektronprobe-mikroanalyser (EPMA) for å undersøke tverrsnittene deres.

Fuktningseksperimentene viste gode fuktningsforhold for slagger med 50%SiO2-21%CaO-29%Al2O3 og 62%SiO2 –20%CaO–18%Al2O3, mens slagger med 38%SiO2-20%CaO-42%Al2O3 opplevde ingen fuktning da slaggen var i fast fase. Fuktningsvinkelen ble redusert med minkende SiO2 og lengre isotermisk holdetid. Derimot, å holde slaggen i 30 min indikerte lignende fuktningsforhold for slagger med 50%SiO2 og 62%SiO2, noe som tyder at silisiumslagg opplever gode fuktningsegenskaper på industriell kvarts. Det ble ikke funnet noen signifikant forskjell mellom 50mg og 150mg slagger.

Slaggene viste en økning i SiO2 med lengre holdetid og en mindre størrelse. De kjemiske analysene indikerte i midlertidig en trend med konstant innhold av SiO2 i slaggbulken, noe som indikerer at slaggen ikke var diffusjonsbegrenset. Slagg var også tilstede i kvartssprekker som følge av en volumekspansjon i substratet, som viste en økning i SiO2 lenger ned i sprekkene.

For 50% SiO2 var hastighetskonstanten 2.25 · 10−4gs−1 og 1.21 · 10−4gs−1, for 50.9mg og 149.9mg. For 62%SiO2 var de 7.66 · 10−5gs−1 and 3.06 · 10−5gs−1. Oppløsningshastigheten til SiO2 viste seg å være raskere for 50% SiO2 sammenlignet med 62% SiO2, spesielt for slagger av liten størrelse. Resultatene viste en langsommere reaksjonshastighet ved lavere temperaturer enn tidligere forskning, noe som tyder på behovet for ytterligere undersøkelser ved høyere temperaturer innenfor driftstemperaturer ved industrien.

This study aims to investigate the wettability and reaction kinetics of SiO2 –CaO–Al2O3 slag on industrial quartz to understand the interactions between industrial slag and quartz during silicon and ferrosilicon production. The study is important to develop more knowledge on how to increase the mass flow of charge materials and decrease the energy consumption in industrial furnaces.

Three synthetic slags with varying chemical compositions were heated in a sessile drop furnace to 1500°C and held isothermally for 0 min, 15 min and 30 min to investigate the wettability, tested with two different slag sizes of approximately 50mg and 150mg. The wet samples were further analyzed with an electron probe microanalyzer (EPMA) to examine their cross-sections.

The wetting experiments demonstrated favorable wetting conditions for slags with 50% SiO2-21% CaO-29% Al2O3 and 62%SiO2 –20%CaO–18%Al2O3. In contrast, slags with 38% SiO2-20% CaO-42% Al2O3 did not exhibit wetting due to their solid phase. The wetting angle decreased with decreasing silica content and longer isothermal holding time. However, holding the slags for 30 min indicated similar wetting conditions for slags with 50%SiO2 and 62%SiO2, proving that silicon slags experience good wetting properties on industrial quartz. No significant difference was found between 50mg and 150mg slags.

The slags exhibited an increase in SiO2 with longer holding time and smaller size. However, the chemical analyses indicated a trend of constant silica content in the slag bulk, meaning the slags were not diffusion-controlled. Slags were present in quartz cracks as a result of a volume expansion in the substrate, showing an increase in SiO2 further down in the cracks.

For 50%SiO2, the rate constant was 2.25 · 10−4gs−1 and 1.21 · 10−4gs−1 for 50.9mg and 149.9mg. For 62%SiO2, they were 7.66 · 10−5gs−1 and 3.06 · 10−5gs−1. The dissolution rate of SiO2 was found to be faster for 50% SiO2 compared to 62% SiO2, particularly for small-sized slags. The results showed a slower reaction rate at lower temperatures compared to earlier research, suggesting the need for further investigations at higher temperatures within the operating range.