Continued study to aluminothermic reduction process for silicon production

Hovedmålet med denne oppgaven var å undersøke effekten av understøkiometrisk reduksjonsmiddeltilsetning i silikabasert slagg under aluminotermisk reduksjonsprosess. Produksjon av Si med mindre Ca-innhold har vært et av temaene i Sisal-prosessen, hvor studiet av understøkiometrisk aluminiumtilsetning er et tillegg. Eksperimenter har også blitt utført med støkiometrisk aluminium med silikabasert slagg som inneholder små mengder CaF2, da CaF2 tas som levedyktige alternativer for flussmiddel i denne prosessen. I tillegg til disse har denne avhandlingsstudien også dekket en del undersøkelser av mikrostruktur og faser av Al-Si-legering dannet etter rask størkningsprosess. To forskjellige slagg ble testet i denne studien med tre forskjellige understøkiometriske mengder rent aluminium. Slagger var enten sure eller nøytrale. Nøytral slagg kommer fra Elkem som ofte blir sett på som REC-slagg i denne studien, med CaO:SiO2-forhold på 1,01. For sur slagg ble samme REC-slagg blandet med målt mengde kvarts for å gjøre det surt. Mål surhet av slagg var 0,6, men sur slagg vi brukte under studien hadde CaO:SiO2-forhold på 0,56. Tre forskjellige aluminiumstøkiometri, dvs. 0,3*Al, 0,4*Al og 0,5*Al, ble brukt, som var 0,3, o,4 og 0,5 ganger det støkiometriske aluminiumet som trengs for fullstendig reduksjon. Disse tre forskjellige understøkiometriene ble testet med både surt og nøytralt slagg, og resultatene er analysert basert på produktsammensetningen, massebalansen, produktstrukturen, temperaturobservasjonen og BSE-bilder fra EPMA. Disse resultatene ble også sammenlignet med verdiene oppnådd fra Factsage-simulering. For Al-Si-legeringer ble legeringer med 80\% Al og 20\% Si laget i muffelovn som videre ble tatt inn i smeltespinner for rask størkning. Båndformede Al-Si-legeringer ble fremstilt som ble analysert for observasjon av mikrostruktur. Resultatene fra sure og nøytrale slaggeksperimenter hvor understøkiometrisk aluminium ble brukt ga en ganske komparativ trend i motsetning til hver tredje forsøk. Selv om trenden var lik Factsage, var verdiene oppnådd for produktsammensetning ganske avviket fra simulert Factsage-verdi. For å bekrefte dette avviket ble det gjort et gjenbekreftelseseksperiment hvor kun 0,3*Al støkiometri ble testet med både surt slagg og nøytralt slagg. Eksperiment med \ce{CaF2} ble også utført i samme parallell. Resultatanalyse fra tre første forsøk og siste bekreftelsesforsøk viser at med synkende mengde reduksjonsmiddel, øker Si-innholdet i metall, mens Al- og Ca-innholdet i metall synker. Tilsvarende, når det gjelder slagg, med synkende mengde reduksjonsmiddel, øker SiO2- og CaO-innholdet i slagg, mens Al2O3-innholdet i slagg avtar. Med økende CaO: SiO2-forhold oppnås mindre rent silisium, noe som refererte til surt slagg for å produsere høyrent silisium, men vår forrige prøve viste motsatt trend. Nøytral slagg produserte rent silisium høyere enn forventet mens sure slaggforsøk ga mindre renhet av Si i legeringen. Men saken var motsatt under bekreftelsesforsøket, der surt slaggeksperiment hadde nesten 98 % rent silisium, noe som stemmer nærmere Factsage-verdien. Resultater fra bekreftelsesforsøk har også blitt støttet av dets produktmorfologi og faseobservasjon. Resultater fra CaF2 når det gjelder kjemisk sammensetning av oppnådd metall bekrefter at Si-innholdet i metall kan økes ved bruk av CaF2. Resultater fra eksperiment med CaF2 ble sammenlignet med tidligere eksperimenter der CaF2 ikke ble brukt, og positive utfall ble lagt merke til