ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2021-2-252-263ipolytech-481Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEИзучение химического состава рафинировочных шлаков кремниевого производства для поиска путей их рациональной переработкиResearch into the chemical composition of refinery slag from silicon production for its efficient recyclingНемчиноваН. В.NemchinovaN. V.

Немчинова Нина Владимировна - доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой металлургии цветных металлов.

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Nina V. Nemchinova - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Non-Ferrous Metals Metallurgy,

83, Lermontov St., Irkutsk 664074

ninavn@yandex.ruХоангВ. В.HoangV. V.

Хоанг Ван Виен – аспирант.

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Vien V. Hoang - Postgraduate Student.

83, Lermontov St., Irkutsk 664074

hoangvanvien01121994@mail.ruАпончукИ. И.AponchukI. I.

Апончук Ирина Игоревна - старший преподаватель, кафедра рекламы и журналистики.

664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Irina I. Aponchuk - Senior Lecturer - Department of Advertising and Journalism.

83, Lermontov St., Irkutsk 664074

aponchuk55@inbox.ruИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation202102052021252252263Copyright © Немчинова Н.В., Хоанг В.В., Апончук И.И., 20212021Немчинова Н.В., Хоанг В.В., Апончук И.И.Nemchinova N.V., Hoang V.V., Aponchuk I.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/481

Цель - провести аналитические исследования химического состава рафинировочного шлака кремниевого производства для выбора путей его дальнейшей переработки. Объектом исследований явились образцы шлака после окислительного рафинирования с АО «Кремний» компании «РУСАЛ» (г. Шелехов Иркутской обл., Россия). Исследования химического состава образцов шлака проводили рентгенофазовым, рентгенофлюоресцентным, металлографическим методами исследования, а также методом сканирующей электронной микроскопии. В результате проведенных аналитических исследований было установлено, что основные составляющие рафинировочного шлака в основном представлены элементным кремнием, его карбидом и оксидом. Также присутствует углерод в элементном виде. Показано, что карбид кремния является продуктом недовосстановления карботермического процесса в руднотермической печи. По данным рентгенофлюоресцентного анализа в образце шлака кроме кремния содержатся, % масс.: Са - 7,40; Al - 3,80; Fe - 0,30; Ba - 0,19; K - 0,14; Na - 0,09; Sr - 0,09; Mg - 0,08; Ti - 0,05; S - 0,02. Кальций и алюминий присутствуют в шлаке в основном в виде оксидов, также фиксируются сложные оксиды типа анортита: CaO-Al2O3-2SiO2. В незначительном количестве присутствуют оксиды других металлов, переходящие в рафинировочный шлак в составе печного шлака, образующегося при плавке кремнеземсодержащего сырья. Шлаки окислительного рафинирования производства кристаллического кремния являются техногенным сырьем, содержащим ценные компоненты. Ввиду значительного содержания в рафинировочном шлаке кремния (от 42% до 65%) проведен анализ основных способов переработки данного техногенного сырья для доизвлечения кремния или получения товарных кремнийсодержащих продуктов, востребованных в различных отраслях промышленности.

The aim was to investigate the chemical composition of refinery slag obtained during silicon production in order to identify approaches to its further recycling. Research samples were collected from the slag remained after oxidation refining at the JSC Silicon (AO Kremny), RUSAL (Shelekhov, Irkutsk Oblast). The methods of X-ray phase, X-ray fluorescence, metallographic and scanning electron microscopy were employed to investigate the chemical composition of the samples. It was found that the refinery slag under study includes such basic components as elemental silicon, its carbide and oxide, as well as elemental carbon. It was shown that silicon carbide is the product of incomplete reduction, resulting from melting silica-containing ores in a smelting furnace. According to the conducted X-ray fluorescent analysis, the samples also contain (wt %): Ca - 7.40; Al - 3.80; Fe - 0.30; Ba - 0.19; K - 0.14; Na - 0.09; Sr - 0.09; Mg - 0.08; Ti - 0.05; S - 0.02. Calcium and aluminium are present in the slag mostly in the form of oxides. Complex oxides of an anor-thite type were also found: CaO Al2O3 2SiO2. The refinery slag under study also features insignificant amounts of other metal oxides, which are released from the furnace slag forming during the smelting process. The slag produced by oxidation refining during crystalline silicon production is a technogenic raw material containing valuable components. Due to the significant content of silicon in the refinery slag (from 42% to 65%), the existing methods applied to recycle such an industrial material were analysed in terms of additional silicon extraction or production of commercial silicon-containing products, which are in demand in various industries.

производство кремниярафинирование кремнияшлакпримесиметаллографияsilicon productionsilicon refiningslagimpuritiesmetallographyReferencesHolappa L. Toward sustainability in ferroalloys production // Proceeding of the Twelfth Intern. Ferroalloys Congress (Helsinki, 6-9 June 2010). Helsinki, 2010. P. 1-10.Holappa L. Toward sustainability in ferroalloys production. In: Proceeding of the Twelfth Intern. Ferroalloys Congress. 6-9 June 2010, Helsinki. Helsinki; 2010, p. 1-10.Сизяков В.М., Власов А.А., Бажин В.Ю. Стратегические задачи металлургического комплекса России // Цветные металлы. 2016. № 1. С. 32-37. https://doi.org/10.17580/tsm.2016.01.05Sizyakov VM, Vlasov AA, Bazhin VYu. Strategy tasks of the Russian metallurgical complex. Tsvetnye Metally. 2016;1:32-37. https://doi.org/10.17580/tsm.2016.01.05Архипов С.В., Катков О.М., Руш Е.А. [и др.]. Технология выплавки технического кремния / под ред. О.М. Каткова. Иркутск: ЗАО «Кремний», 1999. 245 с.Katkov OM. Smelting technology of industrial silicon. Irkutsk: ZAO Kremniy; 1999, 244 p. (In Russ.).Гасик М.И., Гасик М.М. Электротермия кремния. Днепропетровск: Национальная металлургическая академия Украины, 2011. 487 p.Gasik MI, Gasik MM. Silicon electrothermy. Dnepropetrovsk: National Metallurgical Academy of Ukraine; 2011, 487 p.Schei A., Tuset J.Kr., Tveit Н. Production of High Silicon Alloys. Trondheim: Tapir, 1998. 363 p.Schei A, Tuset JKr, Tveit Н. Production of high silicon alloys. Trondheim: Tapir; 1998, 363 p.Andresen B. The metallurgical silicon process revisited // Silicon for the Chemical and Solar Industry X: Proceedings of the International Conference (Alesund - Gei-ranger, 28 June - 2 July 2010). Alesund - Geiranger: Norwegian University of Science and Technology, 2010. Р. 11-23.Andresen B. The metallurgical silicon process revisited. In: Silicon for the Chemical and Solar Industry X: Proceedings of the International Conference. 28 June - 2 July 2010, Alesund - Geiranger. Alesund - Geiranger: Norwegian University of Science and Technology; 2010, p. 11-23.Немчинова Н.В. Поведение примесных элементов при производстве и рафинировании кремния: монография. М.: Академия естествознания, 2008. 237 с.Nemchinova NV. Behavior of impurity elements in silicon production and refining: monograph. М.: Akademiya yestestvennykh nauk; 2008, 218 p.Ringdalen E. Changes in Quartz During Heating and the Possible Effects on Si Production // JOM. 2015. Vol. 67. Iss. 2. P. 484-492. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1149-yRingdalen E. Changes in quartz during heating and the possible effects on Si production. JOM. 2015;67(2):484-492. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1149-yЗобнин Н.Н., Байсанов С.О., Байсанов А.С., Мусин А.М. Влияние операционных аспектов процесса восстановления оксида кремния на соотношение материального и теплового потоков в рудно-термической печи // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 444-459. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-444-459Zobnin NN, Baisanov SO, Baisanov AS, Musin AM. Effect of silicon oxide reduction operational aspects on material and heat flow ratio in ore-thermal furnace. Vest-nik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo univer-siteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2020;24(2):444-459. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-444-459Немчинова Н.В., Леонова М.С., Тютрин А.А. Экспериментальные работы по плавке окомкованной шихты в производстве кремния // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 1. С. 209-217. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-1-209-217Nemchinova NV, Leonova MS, Tyutrin AA. Experimental works on pelletized charge smelting in silicon production. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnich-eskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017;1(21 ):209-217. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-1-209-217Nemchinova N.V., Leonova M.S., Tyutrin A.A., Bel'skii 5.5. Optimizing the Charge Pelletizing Parameters for Silicon Smelting Based on Technogenic Materials // Metallurgist. 2019. Vol. 63. Iss. 1-2. Р. 115-122. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00800-3Nemchinova NV, Leonova MS, Tyutrin AA, Bel'skii SS. Optimizing the charge pelletizing parameters for silicon smelting based on technogenic materials. Metallurgist. 2019;63(1 -2): 115-122. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00800-3Tesfahunegn Y.A., Magnusson T., Tangstad M., Saevarsdottir G. Effect of electrode shape on the current distribution in submerged arc furnaces for silicon production -a modelling approach // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2018. Vol. 118. Р. 595600. https://doi.org/10.17159/2411-9717/2018/v118n6a6Tesfahunegn YA, Magnusson T, Tangstad M, Sae-varsdottir G. Effect of electrode shape on the current distribution in submerged arc furnaces for silicon production -a modelling approach. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2018; 118(6):595-600.B0rset M.T., Kolbeinsen L., Tveit H., Kjelstrup S. Exergy based efficiency indicators for the silicon furnace // Energy. 2015. Vol. 90. Part. 2. P. 1916-1921. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.07.010B0rset MT, Kolbeinsen L, Tveit H, Kjelstrup S. Exergy based efficiency indicators for the silicon furnace. Energy. 2015;90(2): 1916-1921.Nemchinova N.V., Tyutrin А.А., Korepina N.A., Belskii 5.5. On the possibility of carbonaceous dust waste use of prebaked anode production in silicon metallurgy // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2018. Vol. 411. P. 012052. https://doi.org/10.1088/1757-899X/411/1/012052Nemchinova NV, Tyutrin АА, Korepina NA, Belskii SS. On the possibility of carbonaceous dust waste use of prebaked anode production in silicon metallurgy. In: Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2018;411:012052. https://doi.org/10.1088/1757-899X/411/1/012052Ringdalen E., Tangstad M. Reaction mechanisms in carbothermic production of silicon, study of selected reactions // International Smelting Technology Symposium (Incorporating the 6th Advances in Sulfide Smelting Symposium) (Orlando, 11-15 March 2012). Orlando: John Wiley & Sons, 2012. Р. 195-203. https://doi.org/10.1002/9781118364765.ch24Ringdalen E, Tangstad M. Reaction mechanisms in carbothermic production of silicon, study of selected reactions. In: International Smelting Technology Symposium (Incorporating the 6th Advances in Sulfide Smelting Symposium). 11-15 March 2012, Orlando. Orlando: John Wiley & Sons; 2012, p. 195-203. https://doi.org/10.1002/9781118364765.ch24Vangskasen J. Metal-producing mechanisms in the carbothermic silicon process, NTNU-Trondheim, 2012. [Электронный ресурс]. URL: https://ntnuopen.ntnu.no/ntnu-xmlui/handle/11250/249099(20.12.2020).Vangskasen J. Metal-producing mechanisms in the carbothermic silicon process, NTNU-Trondheim, 2012. Available from: https://ntnuopen.ntnu.no/ntnuxmlui/handle/11250/249099 zavedeniya [Accessed 20th December 2020].Gasik M. Handbook of ferroalloys: theory and technology. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2013. 536 p.Gasik M. Handbook of ferroalloys: theory and technology. Oxford: Butterworth-Heinemann; 2013, 536 p.Тютрин А.А., Фереферова Т.Т. Применение современных методов анализа для исследования шлаков кремниевого производства // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 9. С. 139-146. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2016-9-139-146Tyutrin AA, Fereferova TT. Using modern analysis methods to study silicon production slags. Izvestiya Ir-kutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016;20(9):139-146. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2016-9-139-146Немчинова Н.В., Бузикова Т.А. Исследование фазово-химического состава печных шлаков кремниевого производства // Известия вузов. Цветная металлургия. 2017. № 1. С. 31-39. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-1-31-39Nemchinova NV, Buzikova TA. Study of the phase-and-chemical composition of silicon production furnace slags. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya = Izvesti-ya. Non-Ferrous Metallurgy. 2017;(1 ):31-39. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-1-31-39Nemchinova N.V., Hoang V.V., Tyutrin A.A. Formation of impurity inclusions in silicon when smelting in ore-thermal furnaces // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 969. P. 012038. https://doi.org/10.1088/1757-899X/969/1/012038Nemchinova NV, Hoang VV, Tyutrin AA. Formation of impurity inclusions in silicon when smelting in ore-thermal furnaces. In: Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020;969:012038. https://doi.org/10.1088/1757-899X/969/1/012038Валявин Г.Г., Запорин В.П., Габбасов Р.Г., Калимуллин Т.И. Процесс замедленного коксования и производство нефтяных коксов, специализированных по применению // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2011. № 8. С. 44-48.Valyavin GG, Zaporin VP, Gabbasov RG. Delayed coking process and specialized petroleum coke production. Temtonja “NEFTEGAS” = Oil and Gas Territory. 2011;8:44-48.Анисович А.Г. Современная металлография - основа литейного материаловедения // Литье и металлургия. 2019. № 2. С. 99-108. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-2-99-108Anisovich AG. Modern metallography - the basis of foundry material science. Litiyo i Metallurgiya = Foundry production and metallurgy. 2019;2:99-108. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-2-99-108Немчинова Н.В., Тютрин А.А. Металлографическое исследование образцов алюминиевых рондолей // Фундаментальные исследования. 2015. № 3. С. 124-128. [Электронный ресурс]. URL: www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=10006363(20.12.2020).Nemchinova NV, Tyutrin AA. Metallographic investigation of aluminum rondol samples. Fundamental'nyye issledovaniya = Fundamental research. 2015;3:124-128. Available from: www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=10006363 [Accessed 20th December 2020].Пат. № 2690877, Российская Федерация, С22В 7/04, С01В 33/06. Способ выделения металлического кремния из шлака технического кремния / И.Д. Рожихина, О.И. Нохрина, И.Е. Ходосов, А.В. Проровский, А.И. Карлина, К.С. Ёлкин; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет». Заявл. 27.09.2018; опубл. 06.06.2019. Бюл. № 16.Rozhikhina ID, Nokhrina OI, Khodosov IE, Prorovskij AV, Karlina AI, Elkin KS. Method of extracting metallic silicon from technical grade slag. Patent RF, no. 2690877; 2019. (In Russ.)Арабей А.В., Рафальский И.В. Синтез алюминиево-кремниевых сплавов методом прямого восстановления кремния с использованием алюмоматричных композиционных лигатур // Литье и металлургия. 2011. № 3. С. 19-25.Arabei AV, Rafalski IV. Synthesis of aluminium-siliceous alloys by means of silicon direct revivification using of alumina-matrix composition alloys. Litiyo i Metallurgiya = Foundry production and metallurgy. 2011;3:19-25.Арабей А.В., Рафальский И.В., Немененок Б.М. Синтез сплавов системы Al-Si из алюмоматричных композиций, полученных с использованием отходов алюминия и кварцевого песка // Металл и литье Украины. 2013. № 4. С. 3-7.Arabei AV, Rafalski IV, Nemenenok BM. The synthesis of alloys of system Al-Si of aluminium-matrix composites on the basis from waste aluminum and quartz materials. Metall i lit'ye Ukrainy = Metal and casting of Ukraine. 2013;4(239):3-7.Рафальский И.В., Арабей А.В., Немененок Б.М. Физико-химические основы синтеза силуминов с использованием кварцсодержащих материалов: монография. Минск: БНТУ, 2015. 140 с.Rafalski IV, Arabei AV, Nemenenok BM. Physicochemical foundations of silumin synthesis using quartz-containing materials: monograph. Minsk: BNTU; 2015, 140 p.Пат. № 2209683, Российская Федерация, В03В 13/06. Способ сортировки шлаков производства кремния / П.Н. Антонов, В.А. Федосенко, Ю.О. Федоров, И.У. Кацер; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Кремний». Заявл. 29.08.2001; опубл. 10.08.2003. Бюл. № 22.Antonov PN, Fedosenko VA, Fedorov YuO, Katser IU. Sorting method for silicon production slags. Patent RF, no. 2209683; 2003. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.