Scaling in the Si Off-gas Systems - The Effect of Alkali Content

Abstract

Hensikten med denne masteren har vært å undersøke komposisjonen av avsetningen som finnes i pipen på silisiums og ferrosilisiums verk. Resultatet vil kunne brukes til å oppnå en bedre forståelse av hvilke faktorer som bidrar til oppbygningen av avsetningen. Dermed kan man unngå at avsetningen tar plass ved å gjøre endringer på operasjonen av ovnene. Avsetning i avgass kanaler leder til at industri er tvunget til å ha regelmessige nedstengninger slik at overflatene kan bli rengjort. Dermed kan dette også føre til færre nedstengninger. To prøver fra pipen til to silisiums verk og en prøve fra pipen på en ferrosilisiums ovn ble undersøkt. Prøvene som ble valgt ut for EPMA analyse ble valgt basert på interessante egenskaper som farge og form, men de resulterende bildene viste ingen forskjell. Den største forskjellen ble sett mellom ovnene. Analysen ble gjort for å karakterisere og undersøke prøvens sammensetning av faser. Prøvemateriale som ikke ble brukt til EPMA ble knust ned til representative homogene prøver. For XRD ble prøvene dopet med aluminium slik at den amorfe mengden kunne kvantifiseres. XRD kvantifiserte også krystallfasene. De representative prøvene ble også sendt til ALS Scandinavia i Luleå for å kvantifiseres med ICP-MS. Prøver ble også sendt til Elkem Technology Lab for kvantifikasjon av silisiums metall ved hjelp av en Fedorov analyse. Representative prøver ble også brukt til å karakterisere mykningstemperaturen i en sessile drop furnace(SDF). Komposisjonen av disse prøvene som ble testet i SDF ble også testet i fem forskjellige modeller for prediksjon av mykningstemperatur. Wavelength dispersive x-ray spectroscopy(WDS) ble brukt til a karakterisere fem forskjellige faser: silisium, silisiumkarbid, silisium metall, ferrosilisium og en slagg fase. Silisiumkarbid, silisium metal og ferrosilisium er veldig sannsynlig resultatet av kondensasjonsreaksjoner, silisiumkarbid kan også ha kommet fra ovnsmaterialet. Kondensasjonsreaksjon er et direkte resultat av ureagert SiO i pipen på grunn av ustabil drift. X-ray powder diffraction(XRD) kvantifiserte fem forskjellige faser i tillegg til den amorfe mengden. De malte krystallstrukturene var cristobalitt, kvarts, tridymitt, silisiumkarbid og magnetitt. Før undersøkelse av prøver var det forventet at prøven skulle være amorf, men resultatet fra hver ovn tilsier at det er en god del krystallint materiale i pipene. cristobalitt og tridymitt kan dannes når Mirosilica er utsatt for temperaturer over 820°C, fordi dette er når nukleeringen starter for amorf silika. tridymitt krever kalium til stede for å formere siden stoffet bade promoterer dannelsen samt stabiliseringen av krystallstrukturen slik at den kan eksistere ved standard tilstand. Amorf mengde varierte fra 40 til 50% for prøvene. Komposisjonen fra ICP-MS ble justert for oksider og sa sammenlignet med Microsilica komposisjonen fra samme tidsperiode som avsetningsprøven var tatt. Resultatet var forskjellig for alle ovnene, men generelt sa var det økt CaO, Al2O3 og Fe2O3 innhold. Mengden K2O, Na2O og MgO var generelt redusert for avsetningsprøvene. Mykningstemperaturen ble malt jevnt over 1600°C og i ett tilfelle rett under 1600°C. Resultatet sier ikke mye konklusivt om avsetningen, annet enn at det er en sjanse for at avsetningen ikke er et resultat av smeltefaser

The aim for this thesis was to investigate the composition of the scales from the chimney of two silicon furnaces and one ferrosilicon furnace. The investigation of composition is meant to get a better understanding of the underlying mechanism for the formation of the fouling in scales seen for both silicon and ferrosilicon furnaces. When the scales start to accumulate in the chimney it leads to multiple problems and forces industries to have regular shutdowns. With a greater understanding of the underlying mechanism the process can be adjusted to make the process more efficient by avoiding or minimizing the fouling problem. This can then lead to less downtime by reducing regular shutdowns. Two samples from two silicon furnaces and one sample from a ferrosilicon furnace was split and prepared for investigation. The fouling samples were selected based on interesting attributes like colour or shape for the EPMA analysis, but there was no difference in the resulting images. The only noticeable difference was between the furnaces. The analysis was carried out to characterize the samples and investigate its inherent phase composition. The remaining sample that was not utilized for the EPMA analysis was later crushed down to produce representative homogeneous samples. These samples were then doped with a known amount of alumina for so to be characterised with XRD. The alumina helped with quantitatively determining the amorphous content. The XRD quantified the crystal phases. The representative samples were also used for ICP-MS analysis, the analysis was carried out by ALS Scandinavia at their lab in Lulea. The representative samples were also sent to Elkem Technology lab for quantification of silicon metal by a Fedorov analysis. The representative samples were also tested in a wetting furnace also known as sessile drop furnace(SDF) to determine the softening temperature. The composition of the samples tested in the SDF were also tested in five different prediction models for softening temperature. Wavelength dispersive x-ray spectroscopy identified five different phases: silica, silicon carbide, silicon metal, ferrosilicon and a slag phase. The silicon carbide, silicon metal and the ferrosilicon are very likely a product of condensation reactions, but silicon carbide could also come from the charge material. The condensation reactions are a direct result of unreacted SiO gas in the chimney. X-ray powder diffraction(XRD) quantified five different phases as well as the amorphous content. The crystal phases were cristobalite, quartz, tridymite, silicon carbide and magnetite. The fouling sample was prior to investigation expected to be amorphous, but the result from every furnace indicated the presence of a large amount of crystalline content. Cristobalite and tridymite was formed by the exposure to temperatures above 820°C, because amorphous silica will crystallize above 820°C. Tridymite does however require potassium to both form and be stable at standard state. The amorphous content varied from 40 to 50% of the fouling. The composition from ICP-MS was adjusted for oxides and then compared to the composition of Microsilica that was produced during the same time period as the fouling formed. The result differed for all furnaces, but generally the fouling had increased CaO, Al2O3 and Fe2O3 content. The K2O, Na2O and MgO was generally reduced in the fouling sample. The softening temperature was measured consistently above 1600°C and slightly below 1600°C for one sample. This result does not really say anything conclusive about the scales, but there is a chance that the fouling is not formed due to melting phases.