Повышение качества металлического кремния методом рентгеновского радиометрического разделения сырьевых и готовых продуктов

Цель – исследовать процесс рентгенорадиометрического разделения сырьевых материалов (кварца, углеродистого восстановителя), используемых для выплавки кремния в руднотермических печах, и самого продукта плавки. Объектами исследования явились кварц месторождения Актас (Казахстан), уголь Шубаркульского месторождения и металлический кремний различных марок, выплавленный в ТОО «Tau-Ken Temir» (г. Караганда, Казахстан). Рентгенофазовый анализ проводили с помощью порошкового дифрактометра фирмы «Philips». Для определения содержания SiO₂ и Fe₂O₃ использовали рентгенофлюоресцентный спектрометр ARL PERFORM’X. Для удаления примесей применяли одноручьевой рентгенорадиометрический сепаратор типа СРФ1- 150М. Установлено, что при радиометрическом разделении образца исходного кварца с содержанием Fe₂O₃ ~ 0,10–0,15% обеспечивается получение чистого кварца с содержанием Fe₂O₃ менее 0,05% при выходе продукта 65–70%. При содержании в исходном кварце Fe₂O₃ до 0,5% также возможно получение концентратов с содержанием Fe₂O₃ 0,05% при выходе чистого продукта 35–55%. Чистый кварц с содержанием Fe₂O₃ 0,01% возможно получить с выходом лишь 15–20%. Показано, что при использовании радиометрического метода разделения достигается уменьшение фосфора в кварце в 2–3 раза. Уголь с различной зольностью (2,0, 4,1 и 7,3%) эффективно обогащается предложенным методом с получением концентрата, содержащего 1,5% золы, при выходе 25%. При обогащении металлического кремния (с исходным содержанием железа 1,2–1,5%) может быть получен продукт, соответствующий сорту кремния 773 (с выходом продукта ~ 50%), сорту 553 (с выходом ~ 35%) или сорту 441 (с выходом 20%). Радиометрический метод обогащения материалов позволяет снизить содержание основных примесей в кварце, металлическом кремнии и золе угля, что способствует получению кремния высших марок.

1. Schei A., Tuset J.Kr., Tveit Н. Production of high silicon alloys. Trondheim: Tapir, 1998. 363 p.

2. Супоненко А.Н. Новые направления применения кремния в промышленности // Цветные металлы и минералы – 2016: сб. тез. докл. VIII Междунар. конгр. (г. Красноярск, 13–16 сентября 2016 г.). Красноярск: Научно-инновационный центр, 2017. С. 130.

3. Рагулина Р.И., Емлин Б.И. Электротермия кремния и силумина. М.: Металлургия, 1972. 239 с.

4. Гасик М.И., Гасик М.М. Электротермия кремния (физикохимия и технология). Днепропетровск: Изд-во НМетАУ, 2011. 487 с.

5. Andresen B. The metallurgical silicon process revisited // Silicon for the Chemical and Solar Industry X: Proceedings of the International Conference (Ålesund – Geiranger, 28 June ‒ 2 July 2010). Ålesund – Geiranger, 2010. P. 11‒23.

6. Degel R., Fröhling C., Köneke M., Hecker E., Oterdoom H., Van Niekerk A. History and new milestones in submerged arc furnace technology for ferro alloy and silicon production // Infacon XIV – The Fourteenth International Ferro-Alloys Congress (Kiev, 31 May – 4 June 2015). Kiev, 2015. Р. 7–16.

7. Nemchinova N.V., Leonova M.S., Tyutrin A.A., Bel’skii S.S. Optimizing the charge pelletizing parameters for silicon smelting based on technogenic materials // Metallurgist. 2019. Vol. 63. Issue 1-2. Р. 115‒122. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00800-3

8. Li Fei, Tangstad M., Solheim I. Quartz and carbon black pellets for silicon production // Infacon XIV: The Fourteenth International Ferroalloys Congress (Kiev, 31 May – 4 June 2015). Kiev, 2015. Р. 390–401.

9. Ringdalen E. Changes in quartz during heating and the possible effects on si production // JOM. 2015. Vol. 67. No. 2. P. 484–492. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1149-y

10. Зобнин Н.Н. Влияние термической стойкости кварца и гранулометрического состава шихтовых материалов на процесс электротермической плавки металлургического кремния // Цветные металлы и минералы – 2017: сб. докл. IX Междунар. конгресса (г. Красноярск, 11–15 сентября 2017 г.). Красноярск: ООО «Научно-инновационный центр», 2017. С. 779‒786.

11. Nemchinova N.V., Mineev G.G., Tyutrin A.A., Yakovleva A.A. Utilization of dust from silicon production // Steel in Translation. 2017. Vol. 47. Issue 12. Р. 763–767. https://doi.org/10.3103/S0967091217120087

12. Сафонов А.А., Маусымбаева А.Д., Портнов В.С., Парафилов В.И., Коробко С.В. Анализ возможного использования углей месторождения Шубарколь при выплавке технического кремния // Уголь. 2019. № 2. С. 68–72. http://doi.org/10.18796/0041-5790-2019-2-68-72

13. Nemchinova N.V., Tyutrin A.A., Zelinskaya E.V. Acidic-ultrasonic refining of silicon by carbothermic technology // Metallurgist. 2015. Vol. 59. No. 3. P. 258–263. https://doi.org/10.1007/s11015-015-0094-5

14. Manel BF, Gallala W, Saadi A. Quartz sand beneficiation using magnetic and electrostatic separation to glass industries // Journal of New Technology and Materials. 2016. Vol. 6. No. 1. Р. 60–72. https://doi.org/10.12816/0043925

15. Bouabdallah S., Bounouala M., Chaib A.S. Removal of iron from sandstone by magnetic separation and leaching: case of El-Aouana deposit (Algeria) // Mining Science. 2015. Vol. 22. 33−44. https://doi.org/10.5277/msc152203

16. Deniz A.F., Abakay T.H., Bozkurt V. Removal of Impurities from tailing (quartz) obtained from bitlis kyanite ore by flotation method // International Journal of Applied Science and Technology. 2011. Vol. 1. No. 1. 74–81.

17. Hacifazlioglu H. Enrichment of silica sand ore by cyclojet flotation cell // Separation Science and Technology. 2014. Vol. 49. Issue 10. Р. 1623–1632. https://doi.org/10.1080/01496395.2014.893357

18. Tuncuk A., Akcil A. Removal of iron from quartz ore using different acids a laboratory-scale reactor study // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2014. Vol. 35. Issue 4. Р. 217–228. https://doi.org/10.1080/08827508.2013.825614

19. Zhang Zhizhen, Li Jingsheng, Li Xiaoxia, Huang Houquan, Zhou Lifen, Xiong Tiantian. High efficiency iron removal from quartz sand using phosphoric acid // International Journal of Mineral Processing. 2012. Vol. 114-117. Р. 30–34. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2012.09.001

20. Ibrahim S.S., Selim A.Q., Hagrass A.A. Gravity separation of silica sands for value addition // Particulate Science and Technology. 2013. Vol. 31. Issue 6. Р. 590–595. https://doi.org/10.1080/02726351.2013.800930

21. Kheloufi A., Fathi M., Rahab H., Kefaifi A., Keffous A., Medjahed S.A. Characterization and quartz enrichment of the Hoggar deposit intended for the electrometallurgy // Chemical Engineering Transactions. 2013. Vol. 32. Р. 889–894. https://doi.org/10.3303/CET1332149

22. Von Ketelhodt L., Bergmann C. Dual energy X-ray transmission sorting of coal // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2010. Vol. 110. No. 7. Р. 371–378.

23. Zobnin N.N., Mandryukov G.V., Kuzembaeva A.A. Operational aspects of silicon oxidereduction process and their effects on the material and thermal flows balance in carbothermic reactors // Oriental Journal of Chemistry. 2018. Vol. 34. No. 6. Р. 3079–3087. http://doi.org/10.13005/ojc/340651