Аннотация
Металлургический кремний, имеющий широкое применение в различных отраслях промышленности (в качестве раскислителя стали, легирующей добавки в сплавах, для производства полупроводникового кремния и др.), получают при плавке кремнеземсодержащего сырья в руднотермических печах. Данный карботермический процесс относится к бесшлаковому. Однако в производстве кремния на АО «Кремний» (г. Шелехов, Иркутская область) образуются рафинировочные шлаки, формирующиеся в процессе окисления примесей кремниевого расплава в ковше продувкой воздухом (при температуре ~1500-1600°С), проводимого с целью удаления из целевого продукта примесей кальция, алюминия, титана. Ввиду высокой вязкости данного шлака в нем запутывается собственно кремний, содержание которого составляет 42,165,3 мас. %, что требует его доизвлечения для повышения эффективности производства в целом. Нами проведено изучение механизма формирования примесных включений в выбранном составе шлака (на основе CaO, Al2O3, SiO2) с помощью компьютерного построения тройных диаграмм состояния с помощью программы «Diatris 1.2». Данная программа основана на термодинамическом методе расчета параметров ликвидуса тройной системы в точке с заданными значениями содержания компонентов по модели регулярного раствора. Изучен путь кристаллизации шлака следующего состава, мас. доли: CaO – 0,178, SiO2 – 0,785, Al2O3 – 0,0365. Показано, что кристаллизация выбранного расплава состава смеси заканчивается в эвтектической точке с температурой плавления 1271,83°С и выделением анортита CaO.Al2O3.2SiO2, моносиликата кальция CaO·SiO2 и фазы CaO·7SiO2-Ж. В дальнейшем планируется изучить двойные и тройные диаграммы состояния других компонентов, входящих в рафинировочный шлак, для подбора оптимального температурного режима для извлечения кремния.
Ключевые слова:
металлургический кремний, окислительное рафинирование, шлак, диаграмма плавкости, путь кристаллизации.
1. Shatokhin I.M., Kuz’min A.L., Smirnov L.A., Leont’ev L.I., Bigeev V.A., Manashev I.R. New method for processing metallurgical wastes // Metallurgist. 2017. Т. 61. No. 7-8. Р. 523–528. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0527-4.
2. Технологические особенности комплексной переработки шлаков сталеплавильной отрасли в товарные продукты / Шешуков О.Ю., Михеенков М.А., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К., Лобанов Д.А., Овчинникова Л.А. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 75-й международной науч.-практ. конф. Т. 1. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2017. С. 87–90.
3. Утилизация отходов металлургического производства: монография / Н.В. Панишев, В.А. Бигеев, М.В. Потапова, И.В. Макарова, Т.О. Гаврилова. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2018. 69 с.
4. Sheshukov O.Y, Mikheenkov M.A., Nekrasov I.V., Egiazaryan D.K., Lobanov D.A. Stabilization of Refining Slag by Adjusting Its Phase Composition and Giving It the Properties of Mineral Binders // Refractories and Industrial Ceramics. 2017. Vol. 58. No. 3. P. 324– 330. https://doi.org/10.1007/s11148-017-0104-1.
5. Разработка технологии переработки шлаков медеплавильного производства методом флотации / Лесникова Л.С., Никитина О.А., Тозик В.М., Волянский И.В., Сосновский В.В. // Цветные металлы. 2013. № 6 (846). С. 23–26.
6. Шешуков О.Ю., Егиазарьян Д.К., Лобанов Д.А. Безотходная переработка ковшевого и электропечного шлака // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2021. Т. 64. № 3. С. 192–199. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-3-192-199.
7. Глубокая переработка сталеплавильных шлаков / Чижевский В.Б., Шавакулева О.П., Дегодя Е.Ю., Сединкина Н.А. // Сталь. 2014. № 4. С.124–126.
8. Dashevskii1 V.Y., Aleksandrov A.A., Zhuchkov V.I., Leontˋev L.I. and Kanevskii A.G. Recycling of Waste Slag Upon Production of Manganese Ferroalloys // KnE Materials Science. Technogen. 2019. P. 46–50. https://doi.org/10.18502/kms.v6i1.8042.
9. Современное состояние переработки шлаков сталеплавильного производства / Бельский С.С., Зайцева А.А., Тютрин А.А., Исмоилов З.З., Баранов А.Н., Сокольникова Ю.В. // iPolytech Journal. 2021. Т. 25. № 6. С. 782–794. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-6-782-794.
10. Технология выплавки технического кремния / С.В. Архипов, О.М. Катков, Е.А. Руш и др.; под ред. О. М. Каткова. Иркутск: ЗАО «Кремний», 1999. 245 с.
11. Гасик М.И., Гасик М.М. Электротермия кремния. Днепропетровск: Национальная металлургическая академия Украины, 2011. 487 p.
12. Schei A., Tuset J.Kr., Tveit Н. Production of High Silicon Alloys. Trondheim: Tapir, 1998. 363 p.
13. Ферросплавное производство: состояние и тенденции развития в мире и России / Рожихина И.Д., Нохрина О.И., Ёлкин К.С., Голодова М.А. // «Металлургия: технологии, инновации, качество. Металлургия – 2019»: тр. XXI Междунар. науч.практ. конф. (г. Новокузнецк, 23-24 ноября 2019 г.). Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2019. Ч. 1. С. 20–32.
14. Немчинова Н.В. Поведение примесных элементов при производстве и рафинировании кремния: монография. М.: Академия естествознания, 2008. 237 с.
15. Исследование основных характеристик шлаков рафинирования кристаллического кремния / Рожихина И.Д., Нохрина О.И., Ходосов И.Е., Ёлкин К.С. // «Металлургия: технологии, инновации, качество. Металлургия – 2019»: тр. XXI Междунар. науч.практ. конф. (г. Новокузнецк, 23-24 ноября 2019 г.). Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2019. Ч. 1. С. 66–72.
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 (157). С. 252–263. https://doi.org/10.21285/1814-3520- 2021-2-252-263.
17. Бобкова Н.М. Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. М.: Высшая школа, 2007. 303 с.
18. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Выпуск третий. Тройные силикатные системы / Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Ланин В.В., Курцева Н.Н., Бойкова А.И.; под ред. В.П. Барзаковского. Ленинград: Наука, Ленингр. отд., 1972. 448 с.
19. Удалов Ю.П., Морозов Ю.Г. Программа расчета диаграмм плавкости тройных систем Diatris 1.2 (алгоритм, интерфейс и техническое применение) // Диаграммы состояния в материаловедении: сб. тр. 6-й междунар. школы-конф. Киев, 2001. С. 121–142.
20. Тютрин А.А. Исследование процесса формирования примесей при кристаллизации расплава кремния на основе компьютерного построения тройных диаграмм плавкости // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 2 (18). С. 110–113.