Sammensetning, struktur og variasjon av tappeslagg fra silisium produksjon

Abstract

Slagget som dannes i ovnen er et biprodukt av silisiummetallproduksjonen og betraktes som «avfall». Analysen av tappeslagget kan gi verdifull innsikt i de pågående prosessene i ovnen. Slagget består hovedsakelig av urenheter fra råmaterialene, elektrodene og fluksen som benyttes i prosessen.

Formålet med oppgaven var å undersøke sammensetningen og variasjonen i slagget, samt å sammenligne to prøvetyper. Den ene prøvetypen innebærer å ta slaggprøver mens det fortsatt er i flytende fase, mens den andre prøvetypen innebærer å ta slagget som har akkumulert i fast fase i enden av tapperennen.

I løpet av en 41-dagers periode ble det tatt totalt 28 slaggprøver fra en ovn ved et av Elkems verk, hvorav 27 prøver ble analysert. Analysemetodene som ble brukt inkluderte SEM-EDS og EPMA-WDS. I tillegg ble bildeanalyse benyttet for å undersøke variasjonene i prøvene.

Den gjennomsnittlige sammensetningen til slagget basert på resultatene ble funnet til å være 56 vekt% SiO2 - 28 vekt% CaO - 16 vekt% Al2O3. Slaggsammensetningen varierte mellom 44-71 vekt% SiO2 med et CaO/Al2O3-forholdstall mellom 0,4 til 3,8.

Det ble analysert 18 delprøver med SEM-EDS, noe som ga mer detaljerte resultater om prøvenes innhold. Tilstedeværelsen av silisiummetall ble bekreftet i alle prøvene, SiC ble bekreftet i 14 av 18 delprøver og ureagert karbon ble funnet i 5 av de 18 delprøvene, hvilket utgjør 33% av prøvene analysert med SEM-EDS. De resterende 30 prøvene ble analysert med EPMA-WDS, hvor slaggsammensetningen fra et homogent område ble identifisert.

Resultatene viste at 44% av slaggprøvene inneholdt varierende mengder kondensat, og omtrent 15% inneholdt ureagert kvarts. Det er bekreftet kjemisk for noen av prøvene, men en stor del av observasjonene er antatt fra observasjoner i stereomikroskopet og ikke kjemisk bekreftet. Disse observasjonene har vist at noe av råmaterialet, som kvarts og karbonmaterialer, sannsynligvis har gått gjennom ovnen uten å reagere.

Bildeanalysen viste seg å være et effektivt hjelpemiddel dersom en bruker det korrekt. I dette forsøket ble bilder tatt med stereomikroskop samt kjemisk analyse fra fargesammensetningen benyttet for å finne variasjon i prøvene. Denne metoden ville vært forbedret ved å koble bildeanalysen til pikselkoordinatene til den kjemiske sammensetningen funnet ved SEM-EDS. Det foreslås derfor å bruke SEM/EPMA-bilder i bildeanalysen i stedet for stereomikroskopbilder.

Prøvemetodene viste seg å være relativt like. Flyteslagg har i gjennomsnitt høyere viskositet enn skjeggprøvene, men det er uklart om dette er tilfeldig. Det kan antas at det er lettere å samle slaggprøver i flytende fase med høyere viskositet, i motsetning til en med samme viskositet som silisiummetallet. En skjeggprøve bestående av rent silisium ble funnet, noe som indikerer at skjeggprøver kan være utsatt for flere ytre påvirkninger over tid.

Slag formed in the furnace is a byproduct of silicon metal production and is considered “waste”. Analyzing the tapped slag can provide valuable insights into the ongoing processes in the furnace. The slag mainly consists of impurities from the raw materials, electrodes, and flux that is used in the process.

The aim of this thesis was to investigate the composition and variation in the slag, as well as to compare two sampling methods. One sample method involved taking slag samples while it is still in the liquid phase, while the other sample method involved collecting the solid slag at the end of the runner.

Over a 41-day period, a total of 28 slag samples were collected from one of Elkem’s furnaces, of which 27 samples were analyzed. The methods used for analysis was SEM-EDS and EPMA-WDS. Additionally, image analysis was employed to examine the variations within the samples.

The average composition of the slag based on the results was found to be 56 wt% SiO2 - 28 wt% CaO - 16 wt% Al2O3. The slag composition varied between 44-71 wt% SiO2, with a CaO/Al2O3 ratio ranging from 0.4 to 3.8.

A total of 18 subsamples were analyzed with SEM-EDS, this provided more detailed results about the sample contents. The presence of silicon metal was confirmed in all samples, SiC was confirmed in 14 out of 18 subsamples, and unreacted carbon was found in 5 of the 18 subsamples, which constitutes 33% of the samples analyzed with SEM-EDS. The remaining 30 samples were analyzed with EPMA-WDS, where the slag composition from a homogeneous area was identified.

The results showed that 44% of the slag samples contained varying amounts of condensate, and approximately 15% contained unreacted quartz. This was confirmed chemically for some of the samples, but a significant portion of the observations are assumed from observations in a stereomicroscope and is therefore not chemically confirmed. This experiment has shown that some of the raw materials, such as quartz and carbon materials, have likely passed through the furnace without reacting.

Image analysis proved to be an effective tool when used correctly. In this experiment, images taken with a stereomicroscope, along with chemical analysis from the different colors, were used to find variations in the samples. This method would be improved by linking the image analysis to the pixel coordinates of the chemical composition found by SEM-EDS. Therefore, it is suggested to use SEM/EPMA images in the image analysis instead of stereomicroscope images.

The sampling methods proved to be relatively similar. Liquid slag samples generally had a higher viscosity than the solid slag samples, though it is unclear if this is coincidental. It can be assumed that it is easier to collect slag samples in the liquid phase with higher viscosity, as opposed to those with the same viscosity as silicon metal. A settled slag sample consisting of pure silicon was found, indicating that settled slag samples can be subjected to more external influences over time.