Preview

Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Образование углеродных нанотрубок и микрокремнезема в ходе получения кристаллического кремния в трехфазных рудно-термических печах

https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-3-4-13

Полный текст:

Аннотация

Объем ежегодно образующихся отходов кремниевого производства в Иркутской обл. составляет 20 тыс. т/год, а объем накопленных на трех шламовых полях АО «Кремний» отходов превышает 3 млн м3. Основным видом отходов производства кристаллического кремния является пыль систем газоочистки рудно-термических печей. В связи с этим в настоящей работе проведено исследование ее химического состава и возможностей использования входящих в ее состав ценных компонентов – аморфного кремнезема и углеродных нанотрубок (УНТ). Показана возможность разделения данного продукта методом флотации на 3 составляющие – песковую фракцию, камерный продукт, обогащенный SiO2, и пенный продукт, обогащенный углеродом в форме УНТ. Изучена структура углеродных нанотрубок и определены их физико-механические свойства: модуль упругости (2000 ГПа), предел прочности (75 ГПа) и теплопроводность (4000 Вт/(м·K)). Проведены расчеты количества тепла, необходимого для получения 1 кг УНТ в рудно-термических печах. На основе материального баланса электроплавки технического кремния установлено, что в ходе эндотермического процесса на 1 т кристаллического кремния образуется 153 кг УНТ, а также 336 кг камерного продукта, который на 75 % состоит из частиц аморфного микрокремнезема. По результатам расчетов теплового эффекта и энергии Гиббса реакций образования аморфного микрокремнезема выявлено, что все процессы являются экзотермическими, а наибольшей термодинамической вероятностью обладает процесс окисления кислородом воздуха твердых частиц карбида кремния (2SiC+ 3O2 → 2SiO2 + 2CO). Проведен расчет экономической эффективности использования аморфного кремнезема для получения литейных силуминов, результаты которого наглядно демонстрируют быстрый срок окупаемости (6 мес.), а также высокий уровень его доходности (819 672 долл. США).

Об авторах

М. П. Кузьмин
Байкальский государственный университет (БГУ; Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИРНИТУ)
Россия

Кандидат технических наук, проректор по международной деятельности БГУ, доцент кафедры металлургии цветных металлов ИРНИТУ

664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 1,

 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83



В. В. Кондратьев
Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИРНИТУ)
Россия

Кандидат технических наук, руководитель Инновационно-технологического центра

664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 1



А. С. Кузьмина
Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИРНИТУ)
Россия

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем

664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 1,



А. Е. Бурдонов
Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИРНИТУ)
Россия

Кандидат технических наук, доцент кафедры обогащения полезных ископаемых и охраны окружающей среды

664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 1,



Jia Q. Ran
Университет Шэньчжэня
Китай

PhD, доцент Колледжа мехатроники и управления

3688 Nanhai ave., Shenzhen, Guang Dong Province



Список литературы

1. Попов С.И. Металлургия кремния в трехфазных руднотермических печах. Иркутск: ЗАО «Кремний», 2004.

2. Айлер Р. Химия кремнезема. М.: Мир, 1982.

3. Белов Н.А. Фазовый состав алюминиевых сплавов. М.: Изд. Дом «МИСиС», 2009.

4. Кузьмин П.Б., Кузьмина М.Ю. О производстве чушек первичных силуминов, модифицированных стронцием. Литейное производство. 2014. No. 8. С. 2—5.

5. Zhi-kai Zheng, Yong-jian Ji, Wei-min Mao, Rui Yue, Zhiyong Liu. Influence of rheo-diecasting processing parameters on microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al—30%Si alloy. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2017. Vol. 27. P. 1264—1272.

6. Kuz’min M.P., Kondrat’ev V.V., Larionov L.M., Kuz’mina M.Y., Ivanchik N.N. Possibility of preparing alloys of the Al—Si system using amorphous microsilica. Metallurgist. 2017. Vol. 61. P. 86—91.

7. Kuz’min M.P., Kondratiev V.V., Larionov L.M. Production of Al—Si аlloys by the direct silicon reduction from the amorphous microsilica. Solid State Phenomena. 2018. Vol. 284. P. 647—652.

8. Jeon J.H., Shin J.H., Bae D.H. Si phase modification on the elevated temperature mechanical properties of Al—Si hypereutectic alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2019. Vol. 748. P. 367—370.

9. Kuz’min M.P., Kuz’mina M.Yu., Kuz’min P.B. Possibilities and prospects for producing silumins with different silicon contents using amorphous microsilica. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2020. Vol. 30. No. 5. P. 1406—1418.

10. Sunil Kumar, Tiwari Harpreetsingh, Anil Midathada, Sumit Sharma, Uday Krishna Ravella. Study of fabrication processes and properties of Al—CNT composites reinforced by carbon nano tubes: A review. Mater. Today: Proc. 2018. Vol. 5 (14). P. 28262—28270.

11. Kuz’min M.P., Kuz’mina M.Yu., Kuz’mina A.S. Production and properties of aluminum-based composites modified with carbon nanotubes. Mater. Today: Proc. 2019. Vol. 19 (5). P. 1826—1830.

12. Kuz’min M.P., Ivanov N.A., Kondrat’ev V.V., Kuz’mina M.Yu., Begunov A.I., Kuz’mina A.S., Ivanchik N.N. Preparation of aluminum—carbon nanotubes composite material by hot pressing. Metallurgist. 2018. Vol. 61. P. 815—821.

13. Ok Hyoung Lee., Quanli Hu., Yoon-Jae Baek, Yun-Soo Lim, Tae-Sik Yoon. Secondary growth of CNTs on the surface of CNTs for the formation of high-density network structure. Curr. Appl. Phys. 2013. Vol. 13. P. S84— S87.

14. Yasser Zare, Kyong Yop Rhee. A simple and sensible equation for interphase potency in carbon nanotubes (CNT) reinforced nanocomposites. J. Mater. Res. Technol. 2020. Vol. 9. P. 6488— 6496.

15. Sijia Shen, Lingwei Yang, Chuanyun Wang, Liming Wei. A effect of CNT orientation on the mechanical property and fracture mechanism of vertically aligned carbon nanotube/carbon composites. Ceram. Inter. 2020. Vol. 46. P. 4933—4938.

16. Cao W., Chen S.-L., Zhang F., Wu K., Yang Y., Chang Y.A., Schmid-Fetzer R., Oates W.A. PANDAT software with PanEngine, PanOptimizer and PanPrecipitation for multi-component phase diagram calculation and materials property simulation. Calphad. 2009. Vol. 33 (2). P. 323—342.

17. Gowri Sanka P.A. Udhayakumar Kaithamalai. Mechancal and electrical properties of single walled carbon nanotubes: A computational study. Eur. J. Sci. Res. 2011. Vol. 60 (3). P. 342—358.

18. Bakker H. Enthalpies in alloys. Miedema’s semi-empirical model. Switzerland: Trans. Tech. Publ. Ltd., 1998.

19. Кузьмин М.П., Бегунов А.И. Приближенные расчеты термодинамических характеристик интерметаллических соединений на основе алюминия. Вестник ИрГТУ. 2013. No. 1 (72). С. 98—102.

20. Терентьев В.Г., Школьников P.M., Гринберг И.С., Черных А.Е., Зельберг Б.И., Чалых В.И. Производство алюминия. Иркутск: Папирус—АРТ, 1998.

21. Гаврилин И.В., Кечин В.А., Колтышев В.И. Применение кремнийсодержащих материалов для получения сплавов алюминий—кремний. Теория и технология литейных сплавов. 1999. No. 5. С. 10—12.

22. Jiang B., Ji Z., Hu M., Xu H., Xu S. A novel modifier on eutectic Si and mechanical properties of Al—Si alloy. Mater. Lett. 2019. Vol. 239. P. 13—16.

23. Кузьмин М.П., Кузьмина М.Ю., Григорьев В.Г., Касим А.М. Расчет нагрева стального стержня, используемого при рафинировании технического алюминия. Вестник ИрГТУ. 2019. No. 23 (3). С. 617—627.

24. Hernández-Martíneza D., Leyva-Verduzco A.A., RodríguezFélix F., Acosta-Elías M., Wong-Corral F.J. Obtaining and characterization of silicon (Si) from wheat husk ash for its possible application in solar cells. J. Cleaner Product. 2019. Vol. 279. Art. 122698.

25. Kuz’min M.P., Xiao-Yuan Li, Kuz’mina M.Y., Begunov A.I., Zhuravlyova A.S. Changing the properties of indium tin oxide by introducing aluminum cations. Electrochem. Commun. 2016. Vol. 67. P. 35—38.

26. Yan Hu, Hai Hao. Effect of different parameters on solidification structure of multi-crystalline silicon produced by continuous casting. Int. J. Heat Mass. Trans. 2019. Vol. 137. P. 1221—1231.

27. Kuz’min M.P., Kuz’mina M.Yu., Kuz’min P.B. Production of primary silumins ingots modified with strontium. Solid State Phenomena. 2021. Vol. 316. P. 490—495.

28. Kuz’min M.P., Xiao-Yuan Li, Kuz’mina M.Y., Begunov A.I., Zhuravlyova A.S. Changing the properties of indium tin oxide by introducing aluminum cations. Electrochem. Commun. 2016. Vol. 67. P. 35—38.

29. Kuz’mina A.S., Kuz’mina M.Yu., Kuz’min M.P. Morphology of ZnO films fabricated bу electrochemical oxidation of metallic Zn. Mater. Sci. Forum. 2019. Vol. 989. P. 210— 214.

30. Kuz’min M.P., Chu P.K., Qasim A.M., Larionov L.M., Kuz’mina M.Yu., Kuz’min P.B. Obtaining of Al—Si foundry alloys using amorphous microsilica — Crystalline silicon production waste. J. Alloys Compd. 2019. Vol. 806. P. 806—813.

31. Zenkov E.V., Tsvik L.B. The formation of differently directed test forces and experimental evaluation of material strength under biaxial stretching. PNRPU Mech. Bull. 2018. Vol. 1-2. P. 71—76.

32. Zenkov E.V. Update of the equations of the limit state of the structural material with the realization of their deformation. J. Phys.: Conf. Ser. 2017. Vol. 944. Art. 012128.

33. Zenkov E.V., Tsvik L.B. Increasing the reliability the combined criteria of the static strength of a material of complexly loaded deformable structures. Mater. Phys. Mech. 2018. Vol. 40. P. 124—132.

34. Fedorov S.N., Kurtenkov R.V., Vasiliev V.V. Stabilization TiO2 anatase by F-ion doping for solar panel producing. J. Phys.: Conf. Ser. 2018. Vol. 1124. P. 1— 5.

35. Gorlanov E.S., Bazhin V.Yu., Fedorov S.N. Carbide formation at a carbon-graphite lining cathode surface wettable with aluminum. Refract. Industr. Ceram. 2016 Vol. 57(3). P. 292—296.


Для цитирования:


Кузьмин М.П., Кондратьев В.В., Кузьмина А.С., Бурдонов А.Е., Ran J.Q. Образование углеродных нанотрубок и микрокремнезема в ходе получения кристаллического кремния в трехфазных рудно-термических печах. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2021;(3):4-13. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-3-4-13

For citation:


Kuz’min M.P., Kondratiev V.V., Kuz’mina A.S., Burdonov A.E., Ran J.Q. Formation of carbon nanotubes and microsilica when obtaining crystalline silicon in three-phase electric ore smelting furnaces. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2021;(3):4-13. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-3-4-13

Просмотров: 56


ISSN 1997-308X (Print)
ISSN 2412-8767 (Online)