سیلیکون متال و فروسیلیکون

سیلیکون و فروسیلیکون به میزان زیادی در فولادسازی، آلومینیوم سازی و زمینه­‌های الکتریکی کاربرد دارند. سیلیکون و فروسیلیکون به صورت کربوترمیک در کوره های قوس الکتریک تولید می­‌شوند. مهم­‌ترین تفاوت بین تولید سیلیکون و فروسیلیکون وجود و یا عدم وجود آهن در سیستم می­‌باشد. انرژی الکتریکی به وسیله سه الکترود به کوره انتقال داده می­‌شود که به آهستگی حین فرایند مصرف می­‌شوند. در ذوب فروسیلیکون الکترودها معمولا Self-baked یا Soderberg type و در ذوب سیلیکون از نوع Self-baked می­‌باشند. مهم­‌ترین مواد کربنی مورد استفاده در تولید آلیاژهای پر سیلیکون عبارتند از: زغال سنگ، کک، زغال چوب، چیپس چوب و پترولیوم کک که چیپس چوب با توجه به خواص ویژه‌­ای که دارد در همه ترکیبات مواد احیایی استفاده می­‌شود.

 

معرفی سیلیسیم
سیلیسیم یک عنصر خاکستری و درخشان با عدد اتمی 14 و جرم اتمی 28.086 می باشد. این عنصر در جدول تناوبی بین کربن و ژرمانیوم قرار دارد و دارای سه ایزوتوپ طبیعی زیر می باشد.

بر اساس جایگاه این عنصر در جدول تناوبی، این عنصر دارای 4 الکترون در لایه ظرفیت می­‌باشد که دوتا از آنها در لایه 3s و دوتا در لایه 3p قرار دارند. سیلیسیم همانند الماس، ژرمانیوم و قلع α با ساختار الماسی کریستاله می شود. سیلیسیم عنصری نیمه هادی و غیر فلزی با مقاومت الکتریکی 400 kΩcm در دمای اتاق و در خالص‌­ترین حالتش می­‌باشد. مقاومت الکتریکی این عنصر با افزایش دما و غلظت عناصری مانند B، Al، Ga، In، Tl، P، As و Sb کاهش می­‌یابد. برای مثال؛ ناخالص کردن سیلیسیم به وسیله برون، می­‌تواند مقاومت الکتریکی آن را در دمای اتاق تا 9 برابر کاهش دهد. به جز ورقه­‌های بسیار نازک، سیلیکون در مقابل نور مرئی نفوذ ناپذیر است اما در مقابل نور مادون قرمز نفوذپذیر می باشد. نفوذ پذیری مادون قرمز با کاهش مقاومت الکتریکی، کاهش می­‌یابد. پس از اکسیژن (50.5%)، سیلیکون فراوان­‌ترین عنصر پوسته زمین می­‌باشد (27.5%). این عنصر در حالت فلزی وجود ندارد و تنها در شکل­‌های اکسیدی و سیلیکاتی یافت می­‌شود.

کاربرد سیلیکون
سیلیکون و فروسیلیکون می­‌توانند در زمینه های زیادی کاربرد داشته باشند و توانایی قرار گرفتن در دسته محصولات اصلی را دارند.
اول، در فولادسازی به عنوان عنصر آلیاژی باعث ایجاد استحکام در HSLA و تعدادی فولاد دیگر با تشکیل محلول جامد می­ شود، مقاومت به اکسیداسیون را در دمای بالا بهبود می­ بخشد (Cr-Mo-V و فولاد زنگ نزن با Si 2 – 1 درصد) باعث اطمینان از اتلاف الکتریکی کمتر در فولادهای الکتریکی (برای مثال فولاد "soft magnetic" در ترنسفورماتورها ، موتورهای الکتریکی و ژنراتورها) می­ شود. اکسیژن زدایی و آلیاژسازی فولاد و چدن بزرگ‌ترین کاربرد فروسیلیکون می­ باشد. فروسیلیکون باعث احیای اکسید عناصر ارزشمند مانند Cr در تولید فولاد زنگ نزن می ­شود. فروسیلیکون همچنین به عنوان عنصر آلیاژی برای افزایش الاستیسیته، تنش تسلیم و مقاومت به آنیل فولاد کاربرد دارد. این آلیاژ ارزشمند در تولید چدن به همراه دیگر عناصر به منظور جوانه زنی گرافیت­ ها استفاده می­ شود. اگرچه عمده ­ترین نوع سیلیکون که در عملیات فولاد سازی کاربرد دارد FeSi و FeSiMn می­ باشد، برخی دیگر از فروآلیاژهای سیلیکون هم به میزان زیادی استفاده می­ شوند.
دوم، بخش زیادی از سیلیکون تولیدی از فروآلیاژهای سیلیکون به عنوان عناصر آلیاژی در آلومینیوم برای افزایش خواص مکانیکی قطعات ریخته ­گری شده و آلومینیوم کارشده استفاده می­ شود. از آنجایی که آهن عنصر زیان آوری در آلومینیوم می­ باشد، به همین دلیل میزان آهن موجود در سیلیکون برای این هدف باید کنترل شود.

سومین عرصه اهمیت استفاده از فروسیلیکون در صنعت شیمیایی برای تولید سیلیکون­ ها و مشتقاتشان می ­باشد. سیلیکون چون از لحاظ شیمیایی خنثی، دافع آب و تا 400 پایدار است می­ تواند به عنوان روغن مایع، گریس، پلاستیک و رزین جامد استفاده شود. دیگر کاربردهای آن در کاربردهای پزشکی، عایق الکتریکی، پوشش­های محافظتی، سیال­ های هیدرولیک و روان کننده­ ها می­ باشد.
مهم­ترین ویژگی سیلیکون و آلیاژهای آن که مدنظر مشتریان می­ باشد، میزان ناخالصی­ های موجود در این آلیاژهاست، اما ساختار و اندازه دانه­ های کلوخه­ های سیلیکون نیز مهم می­ باشد.
در نهایت به عنوان نیمه رسانا، سیلیکون به طور گسترده در صنایع الکتریکی استفاده می­ شود. برای این کاربردها، کنترل ناخالصی­ ها یک فاکتور بحرانی می­ باشند، از این رو به منظور برآورده کردن الزامات، گرید متالورژیکی (Si (MG Si باید پالایش و خالص ­سازی بیش­تری شود. اگرچه MG-Si معمولا %5/99-5/98 سیلیکون دارد، ولی میزان ناخالصی­ها برای مثال در دستگاه­های solar photovoltaic باید در حد ppm و برای دستگاه­های الکتریکی در حد ppb باشد. پرکاربردترین روش پالایش برای هر دو محصول روش Siemens می­ باشدکه در آن مواد خام سیلیکونی به گازهای Silicon-Chlorine تبدیل می­ شوند. در مرحله بعدی فرآیند پس از تقطیر گاز تولید شده، سیلیکون خالص بدست می­ آید .