فروسیلیس یكی از آلیاژ های مورد مصرف در صنایع مختلف بخصوص صنایع متالورژی ست و از این نظر اهمیت نسبتاً بالایی یافته است .چگونگی كاربرد این ماده در صنعت تا حدود زیادی به نسبت آهن و سیلیسیم موجود در آن و همچنین ناخالصیهای متعارف بستگی دارد .فروسیلیسیم در صنایع متالورژی به عنوان عنصر آلیاژی ، جوانه زا و اكسیژن زدا و سیلیسیم تقریباً خالص در صنایع الكترونیكی به عنوان نیمه هادی و یكسو كننده به كار می رود . علاوه بر آن مشتقات تركیبی آن رد ساخت رزین های سیلیسیمی ، لعاب ها ، لاستیك و.. مصرف می شود .دستیابی به تكنولوژی تولید فروسیلیسیم بدون شناسائی خواص هریك از عناصر آهن و یا سیلیسیم و یا محصول تركیبی آن ها میسر نخواهد بود و از این نظر در این فصل مسائل عمده كاربر فروسیلیسیم با توجه به خواص وویژگی های آن مورد بحث قرار می گیرد .
خواص فیزیكی و شیمیایی سیلیسیم :
سیلیسیم عنصری است در تناوب چهارم جدول عناصر شیمیایی كه در مدار آخر خود 4 الكترون دارد و به همین دلیل و بر خلاف كربن در تمام تركیبات شیمیایی با ظرفیت 4 ظاهر می شود مانند : ، حضور سیلیسیم در تركیبات با ظرفیت 2 نیز ثابت شده است ، ولی این تركیبات ناپایدار بوده و به سرعت به تركیبات با ظرفیت 4 تبدیل می شوند و فقط بر حسب شرایط تركیبی نقش واسطه را دارند.
گرمای تشكیل یك مول سیلیس «Sio2» بر حسب شرایط تشكیل كوارتز یا كربوسیتوبالیت ( ) متفاوت و به صورت زیر است :
در حالی كه گرمای تشكیل منواكسید سیلیسیم وسیلیس به صورت زیر گزارش شده است :
گاز Sio در كمتر از C º1500 تجزیه شده و به سیلیسیم و سیلیس تبدیل می شود .
نقطه ذوب سیلیسیم درجه سانتیگراد است كه با توجه به میل تركیبی شدید آن با اكسیژن و سایر مواد اكسید كننده ، در طبیعت به صورت آزاد یافت نمی شود . تركیب عمده آن ، شكل های مختلف سیلیس است كه به صورت تقریباً‌خالص وبا درجه خلوط بیش از 98 درصد و همچنین به صورت اسپینل ( اكسید مضاعف با آلومینیوم ) یا سیلیكات ها به نسبت های مختلف در طبیعیت وجود دارد سیلیسیم بعد از اكسیژن مهمترین ماده تشكیل دهنده پوسته زمین بوده و مقدار آن 28 درصد برآورد شده است ، درحالی كه مقدار اكسیژن در پوسته زمین برابر 49 درصد ، آلومینیوم 2/7 درصد و آهن 6/5 درصد تخمین زده شده است .
سیلیسیم در سه شكل( پلی مرفی ) وجود دارد كه عبارتند از :
الف – سیلیسیم بی شكل ، به صورت گرد قهوه ای رنگ با چگالی است این ماده به سرعت اكسید شده ودر مجاورت هوا به سیلیس تبدیل می شود احیاء پودر سیلیس توسط پودر منیزیم در دمای حدود Cº 100 تا 1200 عموماً منجر به تشكیل سیلیسیم بی شكل یا سیلیسیم قهوه ای می گردد .
ب- سیلیسیم گرافیتی (متورق )، سیلیسیمی است كه از احیاء سیلیس توسط كربن در دمای بالاتر از 1400 درجه سانتیگراد تشكیل می شود علاوه بر آن از حرارت دادن سیلیسیم قهوه ای در محیط بسته عاری از اكسیژن ) نیز این ماده تولید می شود عموماً به صورت لایه ای و پولك سیاه و براق است و مقاومت بیشتری در مقابل هوا و محلول های اسیدی نشان می دهد چگالی آن حدود است و در اكثر مواردی كه اضافه كردن سیلیسیم خالص به مذاب ضرورت می یابد از این نوع سیلیسیم استفاده نمی شود .
پ- سیلیسیم «متبلور » یا سیلیسیم تكه ای ، كه عنوان سیلیسیم فلزی نیز شناخته شده است ، عموماً از افزایش دما در كوره احیاء سیلیس و یا حرارت دادن سیلیسیم گرافیتی در محیط بسته ، تولید می شود در اكثر موارد و در كاربردهای سیلیسیم خالص در صنایع الكترونیكی ، این نوع سیلیسیم مورد استفادهق رار می گیرد و چگالی آ» گزارش شده است .
سیلیسیم تكه ای و سیلیسیم گرافیتی به دلایل تشابه در چگونگی تولید در اغلب موارددر كنار هم وجود دارند كه نوع گرافیتی آن به دلیل قابلیت انحلال بهتر در مواد مذاب ، در صنایع متالورژیكی كاربرد بیشتری دارد ، ولی از نوع سیلیسیم تكه ای نیز می توان در مقاصد متالورژیكی استفاده نمود و اختلاف عمده ، كندتر بودن سرعت واكنش آن ، نسبت به نوع قبلی است
سیلیسم متبلور در ساختار مكعبی الماس و با ثابت شبكه گزارش شده است .
3-1- سیلیسیم و صنعت
سیلیسیم به طور خالص و یا به صورت تركیبی در صنعت كاربردهای مختلفی یافته است كه اهم آ» به شرح زیر طبقه بندی یم شود :
صنایع متالورژی
الف – اكسیژن زدا :سیلیسیم نسبت به بسیاری از فلزات اصلی در صنایع ، متالورژی (آهن ،مس ، نیكل ، كرم و …) قابلیت اكسایش بیشتری دارد (شكل 1-1- جدول ریچاردسون ) و از این رو برای بسیاری از آلیاژهای صنعتی به عنوان اكسیژن زدا به كار می رود كه از آن جمله می توان به كاربر این عنصر در صنایع فولاد سازی و ریخته گری فولاد اشاره نمود .
سیلیسیم به عنوان اكسیژن زدا ، در فولادها ، عموماً به صورت خالص به كار نمی رود و اغلب تركیبات آمیژانی ف روسیلیسیم ، فروسیلیكو منگنز ، فروسیلیكو آلومینیوم و یا سیلیكو كلسیم مورد استفاده قرار می گیرد .
مهمترین عامل در انتخاب سیلیسیم (همراه و یا بدون آلومینیوم ) به عنوان اكسیژن زدا در فولادها آن است كه :
چگالی سیلیس ، حدود 2 تا 4/2 بوده و از این رو با توجه به رابطه استوك
به سرعت در سطح مذاب جمع می شود كه در آن :
V: سرعت شناوری
:r اندازة ذره یا سیلیس تشكیل شده
چگالی مذاب
چگالی سیلیس
ویسكوزیته مذاب
است .
پسماند سیلیسیم در مقادیر كمتر از 1/0 درصد در فولاد و چدن اثرات مضر بحرانی ندارد ، در حالی كه مقدار آلومینیوم در فولادها باید در حدود 01/0 درصد كنترل شود
سیلیسیم حاصل در دمای ذوب فولاد ، می تواند با جذب اكسیدهای دیگر نظیر آهن ، كلسیم و… تركیبات سیلیكاته تشكیل داده و حالت شلاكه ای آن ، باعث حذف بهرت آن اكسیدها شود .
شكل1-1 دیاگرام ریچارد سیون
در مورد تأثیر اكسیژن زدایی سیلیسیم در فولاد و مقایسه آن با سایر مواد اكسیژن زدا می توان نكات زیر را مورد توجه قرار داد .
حد اكسیژن زدایی سیلیسیم بسیار كمتر از آلومینیوم و چندین برابر منگنز است ، در این مورد ازمایش Brinel برای تعیین درجه اكسیژن زدایی بر اساس پسماند عناصر به كار می رود .
در همین حال بر اساس آزمایشات Swidem؛ تأثیر پسماند سیلیسیم در اكسیژن زدایی فولاد و حذف تخلخل های ناشی از گاز Co به صورت زیر گزارش شده است .
درصد سیلیسیم 12/0-15/0 15/0-18/0 18/0-2/0 2/0 >
درصد قطعات 100 8/57 8/13 0
در این آزمایش میزان كربن 55/0 و مقدار منگنز 7/0 درصد بوده است
با توجه به توضیحات فوق مشخص می گردد كه كاربرد سیلیسیم به صورت تركیبات فروسیلیسیم و فروسیلیكو آلومینیوم و مشابه آن ها یكی از مهمترین موارد استفاده در صنعت متالورژی محسوب می شود مقدار سیلیسیم مصرفی برای این مقصود معمولاً بیش از 3/0 درصد بوده و چنانچه با توجه به فروسیلیسیم 75 درصد محاسبه شود (حدود متوسط 4/0 درصد فروسیلیسیم ) به ازاء‌هر تن فولاد تهیه شده مقدار فروسیلیسیم مصرفی حدود 4 تا5 كیلوگرم است.
علاوه بر آن سیلیسیم به عنوان اكسیژن زدا در ریخته گری فولاد در مقادیر بیشتری مصرف می شود (حد بحرانی حضور سیلیسیم در فولاد ریختگی بالاتر است و علاوه بر آن هیچ گونه مك و حفره گازی نباید وجود داشته باشد ) در این حالت میزان مصرف سیلیسیم بین 3/0 تا 6/0 درصد گزارش شده است.
ب – جوانه زا :سیلیسیم عنصری است به شدت گرافیت زا ، به طوری كه تشكیل گرافیت ها در انواع چدن ها به حضور سیلیسیم به عنوان عنصر آلیاژی و گرافیت های ظرفیت ، به تلقیح سیلیسیم (به صورت فروسیلیسیم در مراحل انتهایی ذوب و قبل از بار ریزی بستگی دارد .
قابلیت جوانه زایی سیلیسیم به مقدار سیلیسیم موجود در تركیب و یا آمیژان بستگی دارد . از طرف دیگر چنانچه از سیلیسیم خالص به این منظور استفاده شود امكان عدم انحلال كامل آن وجود دارد و به همین منظور د راكثر موارد از آمیژان های آهن و سیلیسیم با نسبت های تركیبی 70 تا 90 درصد سیلیسیم استفاده به عمل می آید . میزان مصرف سیلیسیم به عنوان عنصر جوانه زا در تمام چدن های گرافیتی در حدود 6/0تا 1درصد گزارش شده است كه اگر این نسبت با فروسیلیسیم 75 درصد سنجیده شود حدود 1 تا 5/1درصد و به عبارت دیگر مقدار مواد جوانه زاحدود 10 تا 15 كیلوگرم فروسیلیسیم برای تولید هر تن چدن گرافیتی است
علاوه بر آن سیلیسیم به عنوان جوانه زا به صورت سیلیسیم – كلسید نیز به كار می رود كه حضور كلسیم در آن عمالی برای برای گوگرد زدایی و تشدید اكسیژن زدای نیز محسوب می شود .
تلقیح منیزیم برای كروی كردن گرافیت نیز در اغلب موارد توسط آمیژان هایی از آهن – سیلیس – منیزیم انجام میگیرد تا عملیات جوانه زایی و اصلاح گرافیت همزمان انجام گیرد
عنصر آلیاژی : سیلیسیم یكی از عناصر آلیاژی در خانواده آلیاژهای آهنی و غیر آهنی است مهمترین آلیاژهای صنعتی حاوی سیلیسیم عبارتند از :
چدن ها ، سیلیسیم یكی از عناصر اصلی و در حقیقت دومین عنصر آلیاژی تمام چدن های معمولی است میزان سیلیسیم در این چدن ها معمولاً1 تا 7/2 درصد است چدن خام به دلیل واكنش های احیایی توسط كربن ، حاوی مقادیر لازم از سیلیسیم است ولی اكسایش سیلیسیم در عملیات ذوب این شمش ها ، افزایش مقادیر 1 تا 5/1 درصد سیلیسیم را به صورت های آمیژان فروسیلیسیم ایجاب می كند . از طرف دیگر با توجه به تولید چدن از طریق قراضه آهن در كوره های القایی و یا استفاده از درصدی از قراضه در سایر روش ها ، تأمین كمبود سیلیسیم لازم معمولاً به میزان 5/2 تا 5/3 درصد انجام می گیرد . افزایش این سیلیسیم معمولاً‌به صورت فروسیلیسیم با نسبت های تركیبی مختلف صورت می پذیرد چدن های نقره ای محتوی بی شاز 10 تا 22 درصد سیلیسیم كه عموماً ضد اسید هستند ، از طریق ذوب در كوره بلند ویا ذوب در كوره های الكتریكی با افزودن سیلیسیم متبلور تولید میشوند.
فولادها ، معمولاً حاوی كمتر از 3/0 درصد سیلیسیم هستند كه از پسماند عملیات اكسیژن زدایی حاصل می شوند ولی فولادهای سیلیسیم دار محتوی 3 تا 5 درصد سیلیسیم نیز وجوددارند و عموماً تحت عنوان فولادهای ترانسفورماتور به كار می روند افزایش سیلیسیم در این فولادها نیز از طریق تلقیح آمیژان های فرو سیلیسیم انجام می گیرد .
برنزها و برنج ها ؛ آلیاژهای مس – قلع و مس – روی با افزایش سیلیسیم در مقادیر 2/0تا حداكثر 3 درصد در شرایط ویژه كاربردی نظیر استحكام بالا ، مقاومت به خوردگی ، مقاومت در برابر اسید در یاتاقان ها و…. به كار می روند سیلیسیم در اكثر آلیاژهای مس ، به عنوان عنصر مضر شناخته می شود ولی در برنج ها و برنزهای مخصوص به صورت سیلیسیم متبلور به مذاب افزوده می شود .
آمیژان های مس – سیلیسیم به دلیل كمبود مصرف هنوز تولید نشده است و از تركیبات آهن – سیلیسیم نیز ، جزء در مواردی كه آهن یكی از عناصر آلیاژی محسوب شود نمی توان استفاده كرد كلیسیم سیلیسید نیز در آلیاژهای مس ، با توجه به قابلیت اكسیژن زدایی كلیسمی ، می تواند به كر رود ولی این امر در مواردی امكان پذیر است كه مقدار سیلیسیم مورد نیاز كمتر از 5/0 درصد باشد .
آلومینیوم ها ، اكثر آلیاژهای آلومینیوم حاوی مقادیر 1/0 تا 5/0 درصد سیلیسیم به عنوان ناخالصی هستند كه تحت شرایط تولید و از طریق مواد اولیه به مذاب وارد می شود . ولی سیلیسیم به عنوان عنصر آلیاژی در آلیاژهای ریختگی ونوردی 6000.4000.400.300 به عنوان عنصر دوم و در سایر خانواده های آلیاژی به عنوان عناصر سوم وچهارم به كار می رود مقدار سیلیسیم در آلیاژهای مختلف آلومینیوم از 1 تا بیش از 13 ردصد است و علاوه بر آلیاژهای جدیدی با حدود 16 تا 20 درصد سیلیسیم نیز در ساخت پیستون ها به كار می رود . افزودن سیلیسیم به آلیاژها یا آلومینیوم از طریق استفاده از سیلیسیم متبلور و همچنین انواع آمیژان ها نظیر آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیم ، انجام می گیرد به طور كلی میانگین مصرف سیلیسیم در آلیاژهای ریختگی آلومینیوم را بر حسب میزان مصرف ، می توان تا 10 درصد پیش بینی كرد . در حالی كه برای آلیاژهای نوردی این مقدار به كمتر از 4 درصد كاهش می یابد سیلیسیم در این آلیاژها ، موجب افزایش استحكام و بهبود شرایط ریختگی می شود علاوه بر موارد فوق سیلیسیم در آلیاژهای منیزیم و … نیز كاربرد دارد كه به عنوان مصرف سیلیسیم و تركیبات آن نمی توانند مورد توجه قرار گیرد .
ت- سایر مصارف متالوژیكی ، سیلیس ، به صورت ماسه و آجر نسوز یكی از مهمترین مواد اولیه صنایع متالورژی است كه عملاً‌ماده اولیه آن به صورت طبیعی یافت می شود. كاربید سیلیسیم ماده است كه با عملیات تخلیص در ساخت الكترودهای نسوز و بوته ها وهمچنین به عنوان سنگ سایا در صنایع متالوژیكی كاربرد دارد .
صنایع الكترونیكی
به آن گونه كه قبلاً‌توضیح داده شد سیلیسیم یك نیمه هادی و یكسو كننده قوی است مقاومت الكتریكی آنبه اهم سانتی متر می رسد سیلیسیمی كه در صنایع الكترونیكی به كار می رود عموماً‌با درجه خلوص بیش از 9/99 درصد بوده و به صورت تكه ای ،نوار و… تولید می شود علاوه بر آن از كار بید سیلیسیم متبلور نیز در ساخت نیمه هادیها در درجه حرارت های بیش از Cº350 استفاده بهعمل آید
سایر صنایع
رزین های سیلیسیمی ، موادی غیر آلی هستند كه با آرایش مولكولی پلاستیكی با هیدروژن ساخته می شوند و به عنوان پلاستیك های غیر آلی نیز شناخته می شوند و. سیلان فرمول مشابه به مان ( ) به صورت گاز است. فرمول عمومی رزین های كلریدی را می توان به صورت نشان داده و از نظر شرایط تولید بر اساس واكنش های شیمیایی در مقیاس صنعتی تولید می شوند .
سیمان سیلیسی لعاب های سیلیسی ، انواع پلیمرهای سیلیسیمی و لاستیك و… مشتقات دیگر تركیبات سیلیسیم هستند كه در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند .
فصل دوم: مواد اولیه
فروسیلیس
تولید فروسیلیسیم به روش های گوناگونی انجام می پذیرد كه در هر فرآیند مواد اولیه متفاوتی كاربرد خواهندداشت متداو لترین روشی كه در جهان امورد استفاده قرار گرفته است ، تهیه فروسیلیسیم در كوره های قوس الكتریكی است كه بر مبنای واكنش های احیایی مواد حاصل سیلیسیم و آهن ؛ توسط مواد حاصل كربن در دمای مناسب و با افزودن انرژی الكتریكی صورت می پذیرد بدیهی است هریك از مواد اصلی فوق در طبیعیت به صورت های مختلفی یافت می شوند . كه بر حسب وفور تركیب شیمیایی ، عملیات آماده سازی و … شرایط و ویژگی های كاربدری متفاوتی دارند .
یكی از مهمترین نكاتی كه در فرآیند تولید فروسیلیسیم باید مورد توجه قرار گیرد عدم تشكیل سرباره و مواد اكسیدی و مختلفی است كه از پسماند واكنش ها حاصل می شوند بدیهی است حضور مواد ناخالصی و سرباره زا ، در هریك از مواد اولیه می تواند مسئله تشكیل سرباره را تشدید و تولید را با اشكالات متالورژیكی و یا تكنولوژیكی متعددی روبرو سازد بنابراین در انتخاب مواد اولیه و آماده سازی آنها ، باید به عوامل سرباره زا و همچنین روش های پیشگیری از تشكیل آنها توجه نمود .
از طرف دیگر ، مواد طبیعی و یا ساخته شده در دامنه ای از تغییرات تركیبی یا فیزیكی قرار می گیرند كه عدم توجه به آنها و نبود سنجش های كمی و كیفی و عدم رعایت استانداردهائی كه با فرآیند تولید منطبق باشد می تواند تولید را ناهمگون و كنترل هایی لازم را غیر ممكن سازد
تحت شرایط كلی ، مواد اولیه بایستی شرایط عمومی زیر را دارا باشند .
تركیب شیمیایی ، مواد اولیه باید به گونه ای انتخاب شوند كه قادر به تولید محصول مورد نظر باشند حضور ناخالصی هائی نظیر اهن ، آلومینیوم ، كلسیم و بور و … علاوه بر آنكه تركیب شیمیایی محصول را دگرگون می سازند مستلزم عملیات حذف و كاهش نیز می باشند از طرف دیگر ناخالصی ها می توانند قابلیت واكنش پذیری مواد را تغییر داده و شرایط كاری كوره رادچار اشكال سازند .
مشخصات فیزیكی مواد اولیه بر حسب موقعیت استفاده ( محل معدن ، ساخت و…) از نظر چگالی ، ساختار ، اندازه و… نیز متفاوت هستند بدیهی است هرگونه تغییری در این مشخصات می تواند شرایط تولید را نامتشابه سازد .
وفور و هزینه های اقتصادی تهیه فروسیلیسیم نیز نظیر سایر فرآیندهای تولیدی باید با توجه به ارزش افزوده محصول ، اقتصادی باشد مسلماً‌در چنین حالتی تهیه آن ها است و لذا مستلزم فراوانی و مصرف انرژی كمتر در تهیه آن ها است لذا در انتخاب مواد اولیه باید به موارد عمومی فوق توجه نمود.
با توجه به فرآیند تولید فروسیلیسیم مواد اصلی كه در تهیه این ماده به كار می روند.