High-temp Quartz - Characterizing quartz properties predicting high temperature performance in production of ferrosilicon and silicon alloys

Kvarts (SiO2) er kilden for silisium i produksjonen av silisiumlegeringer. Silisiumlegeringer produseres i elektriske ovner ved svært høye temperaturer, mer enn 2000 C. High-temp Quartz prosjektet vil i perioden 2016-2020 undersøke oppførselen til kvarts, ved slike høye temperaturer. High-temp Quartz prosjektet skal undersøke hvordan kvartsens materialegenskaper påvirker produksjonsprosessen for silisiumlegeringer. Basert på denne nye kunnskapen, er målet å utvikle målemetoder som gjør det mulig å forutsi hvordan et bestemt kvartsmateriale vil fungere for en bestemt silisiumovn. De nye testmetodene, inkludert måleutstyr og metoder, vil være kvalifiseringstester for ny kvarts før industriell bruk. Basert på den nye kunnskapen om hvordan kvarts påvirker ovnsforholdene, vil det være mulig å tilpasse ovnsdriften til de faktiske kvartsegenskapene. Det forventes at dette vil resultere i betydelige forbedringer i ovnsproduktiviteten og gi redusert energiforbruk. Ny kunnskap om sammenheng mellom geologisk historie og kvartsens egenskaper, i kombinasjon med den nye testmetodikken for høytemperatur materialegenskaper, vil bli brukt i utforskning av nye kvartsforekomster. Kvartsundersøkelsene har startet i laboratorie-skala. Etter dette, vil testmetoder og hypoteser bli bekreftet i pilotskala, før de testes på industrielle silisiumovner. I tillegg benyttes også produksjonsdata for å vurdere kvartsens effekt på ovnsdrift. Elkem Silicon Materials er en stor produsent av silisium legeringer med tre fabrikker og to kvartsgruver i Norge, i tillegg til internasjonale operasjoner. Prosjektresultatene vil kunne bidra til at Elkem får en lønnsomhetsforbedring på 50-100 MNOK/år. I tillegg vil prosjektresultatene forbedre Elkems konkurranseposisjon som kvartsleverandør og øke muligheten for å etablere nye produksjonsanlegg for kvarts i Norge. Elkem Technology er prosjektleder, med Elkem Silicon Materials, Sintef Materialer og Kjemi og NTNU Fakultet for Naturvitenskap og Teknologi som prosjektpartnere. Prosjektet omfatter en PhD kandidat ved NTNU og fire MSc studenter ved NTNU og Universitetet i Århus, samt deler av en Postdoc. stilling. ved Universitet i Bilbao, Spania. Elkem har i flere år hatt et tett samarbeid med et doktorgradsprogram ved University of Oxford, Institute for Applied Mathematics. Dette er tatt inn i prosjektet der en DPhil student skal modellere flyten av kvarts gjennom ovnen. PhD studenten ved NTNU startet sitt arbeid i august 2016. Hun undersøker hvordan utvalgte kvartsegenskaper endrer seg ved oppvarming til temperaturer funnet i industrielle silisum- og ferrosilisiumsovner. Blant egenskapene undersøkt er fasetransformasjoner og oppsprekking under sjokkoppvarming de viktigste. Hun ser også på sammenhengen mellom ulike egenskaper og om, og eventuelt hvordan, disse påvirker hverandre. En del av arbeidet går også ut på å undersøke nye testmetoder. Her har raman spektroskopi, infrarød spektroskopi (FT-IR), computertomografi (CT) og differential thermal analysis (DTA) vært testet for å undersøke om det kunne gi ny informasjon om kvartsen som er brukt. Arbeidet har resultert i 3 publikasjoner i forbindelse med internasjonale konferanser i Sør-Afrika, Canada og Norge. PhD studenten har selv deltatt og presentert arbeidet sitt på disse konferansene. I tillegg har hun skrevet en større journalartikkel om fasetransformasjon i forskjellige kvartstyper. PhD studenten disputerte i juni 2020. To MSc studenter innenfor geologi var en del av prosjektet i 2017-18. Århus. De benyttet teknikker for å karakterisere kvartsen for å beskrive ulike generasjoner forekomsten. Det er også gjort undersøkelser med mikrotermometri, der men kan se på kvartsen i mikroskopi samtidig som man varmer opp enkelte punkt. Den ene MSC studenten ble ansatt i Elkem etter studiet og hun har fortsatt mikrotermometri-undersøkelsene. Vi forsøker også å forstå hvorfor noen kvartser tilsynelatende smelter fortere enn andre. Sintef og NTNU har gjort tester i en liten ovn der en kvartsbit blir varmet opp til nesten to tusen grader. Dette tas opp på film slik at vi kan se hva som skje med kvartsen når temperaturen stiger. I 2020 har Sintef gjennomført en omfattende forsøksprogram i denne ovnen for å studere mykning- og smelteforholdene av ulike kvartser. Prosjektet har finansiert deler av en Postdoc. stilling ved Universitetet i Bilbao, Spania. I dette arbeidet ble dannelseshistorien til en forekomst beskrevet og undersøkt i laboratoriet. Elkem har laget en database for en rekke kvartstyper som omfatter alle målinger, materialdata, forsøksresultater, petrografiske studier og mikrotermometri fra prosjektet. Det vil nå gjennomføres en multivariat dataanalyse på denne kvarts-databasen. Det er stor interesse for prosjektet fra Elkems silisiumverk og det er flere deltakere fra verkene med i prosjektmøtene og prosjektet deltar i workshops på verk. Elkem har startet et internt «formidlingsprosjekt» i 2021.

Prosjektet har resultert i ny kunnskap om hvordan materialegenskaper i ulike kvartstyper endres som følge av oppvarming og hvordan dette vil påvirke grad av oppsprekking, faseomvandling, nedsmelting og flytbarhet til den smeltede kvartsen. Vi har også kunnet etablere sammenhenger mellom kvartstypenes geologiske historie og hvordan de oppfører seg ved oppvarming til høye temperaturer. Det vil ha en stor økonomisk verdi å ta denne nye kunnskapen og etablere driftsstrategier for smelteovnen som tar hensyn til de ulike kvartstypenes egenskaper ved høye temperaturer. Den nye kunnskapen vil også ha en stor økonomisk verdi i søk etter egnede kvartsforekomster. Ved hjelp av de nye testmetodene vil vi nå kunne gi en bedre vurdering av hvordan en forekomst vil kunne egne seg som en smelteovnskvarts.

Quartz (SiO2) is the silicon source in the production of silicon alloys. The High-temp Quartz project in 2016-19 will develop novel knowledge about the high temperature material properties of quartz that enables more energy-efficient production of silicon with reduced raw material consumption. High-temp Quartz will investigate how quartz material characteristics affect the production processes for silicon alloys, and develop measuring methods that makes it possible to predict how suited a specific quartz will be for a specific silicon furnace operation. The new test scheme with measuring equipment and methods will be implemented in Elkem by 2020. This will be a qualification test for quartz prior to industrial use, as well as a tool in exploration for new quartz sources. The knowledge about how quartz affects the furnace conditions will result in significant improvements by adapting the furnace operation parameters to the quartz properties. The project will investigate the material properties of quartz during heating of up to the process temperatures for a silicon furnace, study the interaction with the silicon process conditions and develop a quartz "furnacability" test. Correlation of important properties with geological characteristics will broaden the use to a powerful tool in quartz exploration. Elkem Silicon Materials is a major producer of silicon alloys with three plants and two quartz mines in Norway, in addition to international operations. Elkem has a potential profitability improvement of 50-100 MNOK/y by applying the project results. Finally, the project will improve Elkem's competitive position as a quartz supplier and increase the possibility of establishing new quartz production facilities in Norway. Elkem Technology will be the project manager, with Elkem Silicon Materials, Sintef Materials and Chemistry and NTNU Faculty of Natural Science and Technology as project partners. The project includes one PhD candidate and 3-4 MSc students.