Исследование распределения бора между кремнием и шлаками систем CaO-SiO₂, MgO-SiO₂, CaO-MgO-SiO₂, CaO-Al₂O₃-SiO₂

Цель – изучение распределения бора между кремнием и шлаком систем CaO-SiO₂, MgO-SiO₂, CaO-MgO-SiO₂, CaO-Al₂O₃-SiO₂ в восстановительных условиях для определения принципиальной возможности и условий применения борсодержащих материалов для устранения ошлакования плавильной зоны при выплавке технического кремния в рудотермических печах. В качестве объекта исследования применялись модельные шлаки, полученные сплавлением оксидов марки ХЧ, а также сплавы на основе кремния с примесью бора. Кремний использовался качества 5N производства ТОО «Kazakhstan Solar Silicon». Сплавы с бором изготавливались самостоятельно сплавлением кремния с бором. Эксперименты проводились путем выдержки в графитовых тиглях шлака и сплавов в жидком состоянии при температуре 1600°С в слабо восстановительных условиях. Содержание бора в образцах шлака и кремния анализировалось методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. В результате исследований установлено, что коэффициент распределения бора в вышеуказанных системах составляет от 2 до 2,5 во всей области расплавов этих систем при 1600°C. Показано, что коэффициент распределения бора уменьшается с увеличением содержания Al₂O₃ в трехкомпонентной системе CaO-Al₂O₃-SiO₂, что согласуется с аналогичными данными, полученными другими авторами. Показано, что при использовании в экспериментах графитовых тиглей создаются восстановительные условия, приближенные к условиям рабочей подины рудотермической печи. Соответственно, это обеспечило получение более адекватных данных при прогнозировании равновесного содержания бора в кремнии (в сравнении с экспериментами, проводимыми в глиноземных тиглях другими авторами). Также установлено, что коэффициент распределения бора не зависит от содержания оксида магния в двойной (MgO-SiO₂) и трехкомпонентной (CaO-MgO-SiO₂) системах. Таким образом, полученные в исследованиях результаты позволяют исключить ограничения по содержанию бора в борсодержащих флюсах при выплавке технического кремния. 

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

2. Гасик М.И., Гасик М.М. Электротермия кремния. Днепропетровск: Национальная металлургическая академия Украины, 2011. 487 p.

3. Gasik M. Handbook of ferroalloys: theory and technology. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2013. 536 p.

4. Sun Kaidi, Wang Tongtong, Gong Weibo, Lu Wenyang, He Xin, Eddings E.G., Fan M., et al. Synthesis and potential applications of silicon carbide nanomaterials / nanocomposites // Ceramics International. 2022. Vol. 48. Iss. 22. P. 32571–32587. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.07.204.

5. Henstock J.R., Canham L.T., Anderson S.I. Silicon: the evolution of its use in biomaterials // Acta Biomaterialia. 2015. Vol. 11. P. 17–26. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2014.09.025.

6. Наумов А. Рынок поликристаллического кремния: состояние и перспективы // Электроника: наука, технология, бизнес. 2015. № 9. С. 94–98. EDN: SVLEPS.

7. Dazhou Ya. Siemens process // Handbook of Photovoltaic Silicon / eds. Deren Yang. Berlin, Heidelberg: Springer, 2017. Р. 1–32. https://doi.org/10.1007/978-3-662-52735-1_4-1.

8. Zobnin N.N., Baisanov S.O., Baisanov A.S., Musin A.M. Effect of silicon oxide reduction operational aspects on material and heat flow ratio in ore-thermal furnace // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. 444–459. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-444-459.

9. Ilin A.A., Zobnin N.N., Pikalova I.A., Nemchinova N.V. Distribution of iron and boron between silicon metal smelting products in industrial saf using borate fluxes // Silicon. 2024. https://doi.org/10.1007/s12633-024-02895-z.

10. Ким А.С. Особенности выплавки ферросплавов с использованием боратовых руд // Сталь. 2008. № 8. С. 55–58. EDN: JUWNUZ.

11. Ефимец А.М., Акбердин А.А., Ким А.С. Разработка и промышленное освоение технологии производства ферросилиция в руднотермических печах на борсодержащих шлаках // Труды Карагандинского государственного университета. 1999. Вып. 5. С. 65–68.

12. Акбердин А.А., Ким А.С., Султангазиев Р.Б. Исследование кинетики взаимодействия карбида кремния с расплавленным шлаком производств ферросилиция // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 9. С. 191–200. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-9-191-200. EDN: ZIVWHV.

13. Немчинова Н.В., Тютрин А.А., Хоанг В.В., Жидков К.И. Шлаки кремниевого производства // Международный научно-исследовательский журнал. 2022. № 11. https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.125.3. EDN: ZNLKJP.

14. Немчинова Н.В., Тютрин А.А., Бузикова Т.А. Исследование шлаков пирометаллургии кремния // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технология. 2015. Т. 8. № 4. С. 457–467. EDN: TZJUXX.

15. Немчинова 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/10.17073/00213438-2017-1-31-39. EDN: XWTXUH.

16. Немчинова Н.В., Хоанг В.В., Апончук И.И. Изучение химического состава рафинировочных шлаков кремниевого производства для поиска путей их рациональной переработки // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2021. Т. 25. № 2. С. 252–263. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-2-252263. EDN: ESAGII.

17. Хоанг В.В., Тютрин А.А., Евсеев Н.В. Обзор методов переработки шлаков кремниевого производства // Молодежный вестник Иркутского государственного технического университета. 2022. Т. 12. № 1. С. 35–40. EDN: IARKKE.

18. Mills K. Slag atlas. 2nd ed. Dusseldorf: Verein Deutscher Eisenhüttenleute, 2008. P. 349–401.

19. Teixeira L.A.V., Morita K. Removal of boron from molten silicon using CaO–SiO2 based slags // ISIJ International. 2009. Vol. 49. Iss. 6. P. 783–787. https://doi.org/10.2355/isijinternational.49.783.

20. Suzuki K., Sugiyama T., Takano K., Sano N. Thermodynamics for removal of boron from metallurgical silicon by flux treatment // Journal of the Japan Institute of Metals. 1990. Vol. 54. Iss. 2. P. 168–172.

21. White J.F., Allertz C., Sichen D. The thermodynamics of boron extraction from liquid silicon using SiO2–CaO –MgO slag treatment // International Journal of Materials Research. 2013. Vol. 104. Iss. 3. P. 229–234. https://doi.org/10.3139/146.110867.

22. Fujiwara H., Yuan L.J., Miyata K., Ichise E., Otsuka R. Distribution equilibria of the metallic elements and boron between Si based liquid alloys and CaO-Al2O3-SiO2 fluxes // Journal of the Japan Institute of Metals. 1996. Vol. 60. Iss. 1. P. 65–71.

23. Johnston M.D., Barati M. Distribution of impurity elements in slag–silicon equilibria for oxidative refining of metallurgical silicon for solar cell applications // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2010. Vol. 94. Iss. 12. P. 2085–2090.