| dc.description.abstract | SisAl Pilot-prosjektet er dedikert til å utforske en mer miljøvennlig tilnærming til produksjon av silisium. Hovedmålet er å redusere karbonavtrykket og energiforbruket forbundet med tradisjonelle metoder ved å erstatte karbon med aluminiumsskrap- og dross som reduksjonsmidler. Denne innovative tilnærmingen reduserer ikke bare karbondioksidutslipp, men fremmer også utnyttelsen av avfallsprodukter fra ulike industrier. Den resulterende silisiumlegeringen oppnådd gjennom aluminotermisk reduksjon har typisk en renhetsgrad på omtrent 72 vt% (vektprosent) silisium, og krever videre raffinering for å oppnå metallurgisk grad silisium med en minimumsrenhet på 96 vt%. Slaggraffinering vil bli testet som raffineringsmetode, der legeringen reagerer med en spesielt formulert slaggblanding. Denne reaksjonen utnytter de varierende oksygenaffinitetene til komponentene, noe som fører til oksidasjon av hovedforurensningene (aluminium og kalsium) og betydelig forbedring av legeringens renhet.
Arbeidet i denne avhandlingen gikk ut på å undersøke kinetikken i raffineringsprosessen ved hjelp av tre forskjellige slaggblandinger; anortositt, magnetisk separert anortositt og spent potlining. Målet med forskningen var å bestemme optimal varighet for effektiv raffinering. Den eksperimentelle oppsettet innebar å plassere de respektive slaggblandingene sammen med den forhåndsproduserte silisiumlegeringen i en smeltedigel. Smeltedigelen ble deretter utsatt for en temperatur på 1600°C i en lukket induksjonsovn under en inert argonatmosfære. Varigheten av raffineringsprosessen, referert til som holdetid, varierte blant eksperimentene og omfattet intervaller på 10, 20, 30, 40 og 60 minutter for hver av de tre slaggblandingene, noe som resulterte i totalt 15 kinetikkeksperimenter. I tillegg til dette kinetikkstudiet ble det utført to parallelle eksperimenter for å vurdere den generelle effektiviteten til SisAl-syklusen, som omfattet hele sekvensen fra aluminotermisk reduksjon av kvarts til raffinering av silisiumlegeringen, med bruk av de samme materialene gjennom hele prosessen. Deretter ble prøvene fra raffineringseksperimentene forberedt for skanningelektronmikroskopi-analyse, mens noe av silisiumen ble malt til pulverform for komposisjonsanalyse ved røntgenfluorescens.
Resultatene fra raffineringseksperimentene viste at både anortositt- og magnetisk separert anortosittslaggene effektivt raffinerte silisiumlegeringen, og resulterte i silisiumrenheter som varierte fra 97 vt% til 99 vt% ved de ulike holdetidene. I tilfellet med de to anortosittslaggene, var raffineringen rask og resulterte i en renhet på over 96 vt% innenfor 10 minutters holdetid. Å holde i mer enn 10 minutter ga kun en liten, men betydelig forbedring i renheten, opp til 99 vektprosent. Imidlertid ble raffineringsprosessen med SPL-slaggen ansett som mislykket, da den førte til en reduksjon i silisiumrenhet til 65-69 vt%. På samme måte var resultatene fra de parallelle eksperimentene som involverte den komplette SisAl-syklusen, inkludert aluminotermisk reduksjon og påfølgende raffinering, også mislykkede. Silisiuminnholdet i prøvene fra disse to eksperimentene var henholdsvis 58 vt% og 67 vt%, med åpenbare avvik mellom de to identiske parallelle eksperimentene som ble utført.
Etter grundig analyse av de oppnådde resultatene ble det tydelig at variasjonene i sammensetningen av raffineringsslaggene spilte en avgjørende rolle i å bestemme de divergerende resultatene som ble observert. I tilfellet med de to anortosittslaggene sikret inkluderingen av en 50 vt% SiO2-fraksjon en kontinuerlig drivkraft for raffineringsprosessen, og bidro til å ekstrahere urenheter fra metallfasen allerede etter 10 minutter med holdetid. Samtidig forhindret den kombinerte tilstedeværelsen av totalt 50 vt% CaO og Al2O3 metningspunktet for kalsium og aluminium innenfor slaggfasen, og intensiverte dermed massekinetikken for overføring av urenheter mellom metall- og slaggfasene. I motsetning til dette viste spent potliningslaggen, når det ble blandet med en slaggkomposisjon som inneholdt like mengder SiO2 og CaO, en tydelig avvikende total sammensetning i forhold til anortosittslagene. Bemerkelsesverdig inkluderte den en fraksjon på 40 vt% Al2O3-sammenlignet med et beskjedent 26 vt% SiO2-innhold. Denne spesifikke sammensetningen reduserte drivkraften for silisiumraffinering samtidig som den sannsynligvis forsterket kalsiotermisk reduksjon av Al2O3, noe som resulterte i økt aluminiumsfraksjon på 20 vt% innenfor metallfasen. De underliggende årsakene til de utilfredsstillende og inkonsekvente resultatene observert i de to identiske sirkulære eksperimentene forblir uklare, ettersom begge eksperimentene ble utført under identiske forhold. Følgelig er det avgjørende å karakterisere den mellomliggende legeringen generert under den aluminotermiske reduksjonsprosessen for å identifisere det spesifikke stadiet der prosessen møtte utfordringer. | |
| dc.description.abstract | The SisAl Pilot project is dedicated to exploring a more environmentally sustainable approach to silicon production. The core objective is to mitigate the carbon footprint and energy consumption associated with traditional methods by replacing carbon with aluminium scrap and dross as reducing agents. This innovative approach not only reduces carbon dioxide emissions but also promotes the utilization of waste materials from different industries. The resulting silicon alloy obtained through aluminothermic reduction typically possesses a purity level of approximately 72 wt% (weight percent) silicon, necessitating further refinement to attain metallurgical grade silicon with a minimum purity of 96 wt%. Slag refining serves as the refining process, involving the reaction between the alloy and a specially formulated slag. This reaction exploits the varying oxygen affinities of the constituents, leading to the oxidation of the primary impurities (aluminium and calcium) and significantly enhancing the purity of the alloy.
This thesis work focused on investigating the kinetics of the refining process through the utilization of three different slag bases, namely anorthosite, magnetically separated anorthosite, and the second cut of spent potlining. The objective of the research was to determine the optimal duration required for effective refining. The experimental setup involved placing the respective slags together with the pre-manufactured silicon alloy in a crucible. The crucible was then subjected to a temperature of 1600°C within a closed induction furnace under an inert argon atmosphere. The duration of the refining process, referred to as holding time, varied among the experiments, encompassing intervals of 10, 20, 30, 40, and 60 minutes for each of the three slags, resulting in a total of 15 kinetic experiments. Furthermore, to assess the overall effectiveness of the SisAl circular process, two parallel experiments were conducted, encompassing the entire sequence from an aluminothermic reduction of quartz to refining the silicon alloy, utilizing the same materials throughout. Subsequently, the samples obtained from the refining experiments were prepared for scanning electron microscopy analysis, and some of the silicon was milled into powder form for X-ray fluorescence compositional analysis.
The results obtained from the kinetic experiments demonstrated that both the anorthosite and magnetically separated anorthosite slags effectively refined the silicon alloy, yielding silicon purities ranging from 97 wt% to 99 wt% independent of holding time. In the case of the two anorthosite slags, the refining was rapid, yielding >96 wt% within 10 minutes of holding time. Holding for more than 10 minutes gave a small yet significant improvement of the purity, up to 99 wt%. However, the refining process using the spent potlining slag was deemed unsuccessful, as it led to a decrease in silicon purity to 65-69 wt% in the five kinetic experiments. Similarly, the results of the two parallel experiments involving the complete circular process were also unsuccessful. The silicon content in the samples from these two experiments was 58 wt% and 67 wt% respectively, with obvious discrepancies in purity between the two identical parallels performed.
Upon careful analysis of the obtained results, it became apparent that the compositional variations of the refining slags played a pivotal role in determining the divergent outcomes observed. In the case of the anorthosite slags, the inclusion of a 50 wt% SiO2 fraction ensured a sustained driving force for the refining process, effectively removing impurities even within 10 minutes of holding time. Simultaneously, the combined presence of nearly 50 wt% CaO and Al2O3 effectively prevented the saturation of calcium and aluminium within the slag phase, thereby intensifying the mass transfer kinetics of impurities between the metallic and slag phases. In contrast, the spent potlining slag, when mixed with a slag composition containing equal amounts of SiO2 and CaO, exhibited a distinctive overall slag composition dissimilar to that of the anorthosite slags. Notably, it encompassed a 40 wt% Al2O3 fraction alongside a mere 26 wt% SiO2 content. This particular composition diminished the driving force for silicon refinement while concurrently enhancing the calciothermic reduction of Al2O3 culminating in heightened aluminium fractions of 20 wt% within the metallic phase. The underlying causes for the unsatisfactory and inconsistent outcomes observed in the two identical circular process experiments remain elusive, as both experiments were conducted under identical conditions. Consequently, it is imperative to characterize the intermediate alloy generated during the aluminothermic reduction process to pinpoint the specific stage at which the process encountered deficiencies. | |
