| dc.description.abstract | Hovedformålet med oppgaven var å undersøke likevekten mellom silisium (Si) og calcia-alumina (CaO-Al2O3) slagger. Ved å variere forholdet mellom metall og slagg i dette systemet vil det ideelt sett bli en linje på i den nedre delen på tvers av ulike slaggkomposisjoner av CaO-Al2O3-SiO2 fasediagrammet der SiO2 innholdet vil øke med økende forhold. Motivasjonen for å undersøke dette området av fasediagrammet har en grobunn fra SisAl prosessen, som er en ny, patentert industriell prosess for å produsere silisium, som danner biproduktet CaO-Al2O3 slagg. Ettersom artikler som publiseres som oftest fokuserer på det SiO2-rike området av fasediagrammet, er dataene i den CaO-Al2O3-rike delen av CaO-Al2O3-SiO2 slaggsystemet svært begrenset. På grunnlag av den begrensede tilgjengeligheten av informasjon ble oppgaven om å utforske denne delen av fasediagrammet utformet.
To ulike slagger ble preparert for likevektseksperimenter med silisum; et 35-65 vekt% og et 45-55 vekt% CaO-Al2O3 slagg. Fem ulike forhold mellom metall/slagg ble undersøkt med en konstant masse på 24 g; 1/1, 2.5/1, 5/1, 7.5/1 og 10/1. Likevektseksperimentene ble utført i en lukket induksjonsovn, der slagget og metallet ble tilsatt i en grafittdigel. Alle eksperimenter ble utført i en argonatmosfære ved 1650 °C og en time holdetid. Etter likevektseksperimentene, ble ovnen avslått og prøvene avkjølt til romtempereatur, uten ytre påvirkning. Da alle eksperimentene var blitt utført ble diglene kuttet. Deretter ble metall- og slaggprøver støpt i epoksy for videre analyser med elektronmikrosondeanalysator (EPMA) og avbildning med tilbakespredte elektroner (BSE). Induktivt koblet massespektrometri (ICP-MS) ble også utført på metallprøvene.
Resultatene viser at konsentratsjonen av Al og Ca, i likevekt med 35-65 vekt% og 45-55 vekt% CaO-Al2O3 slagger, avtar med økende metall/slaggforhold. For slaggserien med 35-65 vekt% CaO-Al2O3, var Al-konsentrasjonene 2.19 ± 0.23-9.74 ± 0.14 vekt% og Ca-konsentrasjonenene var 1.08 ± 0.10-6.13 ± 0.05 vekt%. For slaggserien med 45-55 vekt% CaO-Al2O3, var Al-konsentrasjonene 0.38 ± 0.20- 4.57 ± 0.02 og Ca-konsentrasjonene 2.35 ± 0.02-11.39 ± 0.10 vekt%.
Eksperimentene viste også at Ca-konsentrasjonen øker når forholdet mellom CaO/Al2O3 øker, samtidig som Al-konsentrasjonen avtar. SiO2-konsentrasjonen i slagget øker når metall/slagg forholdet økes, der SiO2-konsentrasjonen etter likevektseksperimenter etter 35-65 vekt% CaO-Al2O3 serien var mellom 9.83-27.08 vekt%. Etter 45-55 vekt% CaO-Al2O3 serien var SiO2-konsentrasjonen mellom 13.52-26.06 vekt%. Aktivitetskoeffisientene til Al og Ca i Si er også beregnet, og ble bestemt til å være i området γ0Al = 0.32-1.16 og γ0Ca= 0.002-0.056 for 35-65 vekt% slaggserien og γ0Al = 1.43-3.14 og γ0Ca = 0.001-0.093 for 45-55 vekt% slaggserien.
Videre ble det gjort undersøkelser av mikrostrukturen og de intermetalliske fasene i Si-metallet, etter likevekt med slaggene. I Si-metallet ekvilibrert med 35-65 vekt% CaO-Al2O3 slagg, var tre faser tilstede og disse ble bestemt til å være Si2Al2Ca, Si-matrise og fcc Al. I Si-metallet ekvilibrert med 45-55 vekt% CaO-Al2O3 var også tre faser tilstede og disse tre ble bestemt til å være Si2Ca, Si2Al2Ca og Si-matrisen. Fraksjonene av alle fasene ble fastslått med bildeanalyse, og kjemisk sammensetning, og resultatene fra dette viser at fraksjonen av alle fasene avtar når metall/slagg forholdet økes. Dette viser seg å være i god overenstemmelse med de modellerte resultatene fra FactSage.
I slaggene var to faser observert. I 35-65 vekt% slaggen, var en melilitt og en CaAl12O19 fase observert, med fraksjoner på henholdsvis 36.85-68.01 vekt% og 31.94-63.15 vekt%. Også i 45-55 vekt% slaggen ble det observert to faser. De ble bestemt til å være henholdsvis melilitt og CaAl2SiO8, med fraksjoner på henholdsvis 64.84-74.69 vekt% og 25.31-35.16 vekt%. Størkningsberegninger fra FactSage viste at det var 3-4 faser i slaggene. Ved å kun ta hensyn til de fasene som ble bestemt eksperimentelt, var resultatene i rimelig enighet. | |
| dc.description.abstract | The main aim of this work was to investigate the equilibrium between silicon (Si) and calcia-alumina (CaO-Al2O3) slags and to determine the distribution of aluminum (Al) and calcium (Ca) in the silicon after equilibrium. By varying the metal/slag ratio in this system, ideally, a line will form across slag compositions in the lower parts of the CaO-Al2O3-SiO2 phase diagram, where the SiO2 concentration increases with increasing ratio. The motivation for investigating this area of the phase diagram came from the SisAl process, which is a novel, patented industrial process for producing silicon. A CaO-Al2O3 slag forms as a by-product of this process, and due to very little data in the CaO-Al2O3-rich region of the CaO-Al2O3-SiO2 slag system, as most published work focuses on the SiO2-rich area of the system, the present work was conducted to investigate that area.
Two different slags were prepared for equilibration with Si; a 35-65 in weight% (wt%) and a 45-55 wt% CaO-Al2O3 slag. Five metal/slag ratios were investigated; a metal slag ratio of 1/1, 2.5/1, 5/1, 7.5/1, and 10/1, where the mass of the slag was kept constant at 24 g. Equilibrium experiments were conducted in a closed induction furnace, and the slag and metal were charged in a graphite crucible. All experiments were conducted at 1650 °C, with one-hour holding time in an argon atmosphere. After equilibration, the furnace was shut off, and the samples were cooled down to room temperature without outer influence. After all experiments, the crucibles were cut, and slag and metal samples were cast in epoxy for analysis with EPMA (electron probe microanalyzer) and imaged with BSE (backscatter electrons). ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) was also conducted on the metal samples.
The results show that the concentration of Al and Ca in Si in equilibrium with 35-65 wt% and 45-55 wt% CaO-Al2O3 slags decreases with increasing metal/slag ratio. For the 35-65 wt% CaO-Al2O3 slag series, the Al concentrations were 2.19 ± 0.23-9.74 ± 0.14 wt% and the Ca concentrations were between 1.08 ± 0.10-6.13 ± 0.05 wt %. For the 45-55 wt% CaO-Al2O3 slag series, the Al concentrations were 0.38 ± 0.20- 4.57 ± 0.02, and the Ca concentrations were between 2.35 ± 0.02-11.39 ± 0.10 wt%.
Experiments also showed an increase of Ca concentration with increasing CaO/Al2O3 ratio, while the Al concentration decreases. The SiO2 concentration in the slag increases with increasing metal/slag ratio, and the obtained SiO2 concentrations after the equilibria experiments with 35-65 wt% and 45-55 wt% CaO-Al2O3 slags were between 9.83-27.08 wt% and 13.52-26.05 wt %, respectively. The activity coefficients of Al and Ca in Si has been calculated, and were determined to be in the range γ0Al= 0.32-1.16 and γ0Ca= 0.002-0.056 for the 35-65 wt% slag series and γ0Al = 1.43-3.14 and γ0Ca = 0.001-0.093 for the 45-55 wt% CaO-Al2O3 slag series.
The microstructure and intermetallic phases in the Si metal and the slag after equilibration were also investigated. In the Si metal equilibrated with 35-65 wt% CaO-Al2O3 slag, three prominent phases were present, which was determined to be Si2Al2Ca, the Si matrix and fcc Al. In the Si metal equilibrated with 45-55 wt% CaO-Al2O3 slag, three phases were present which was determined to be Si2Ca, Si2Al2Ca, and the Si-matrix. The fractions of the phases, determined by image analysis and the chemical composition of the phases, decreased with increasing metal/slag ratio, which is in good agreement with the modeled results from FactSage. In the slags, two phases were present. In the 35-65 wt% slag, a melilite phase, and a CaAl12O19 phase was observed, with fractions of 36.85-68.01 wt% and 31.94-63.15 wt%, respectively. In the 45-55 wt% slag, two phases were present, which was determined to be melilite and CaAl2Si2O8, with fractions of 64.84-74.69 wt% and 25.31-35.16 wt%, respectively. Solidification calculations from FactSage showed the presence of three to four phases in the slags. However, with respect to the experimentally observed phases, the results were in reasonable agreement. | |
