metallurgydata متالورژی دیتا

فروسیلیسیم یکی از آلیاژ های مورد مصرف در صنایع مختلف بخصوص صنایع فولاد و صنایع متالوژی است و از این نظر اهمیت نسبتاً بالایی یافته است .چگونگی کاربرد 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 اکسیژن زدا و سیلیسیم تقریباً خالص در صنایع الکترونیکی به عنوان نیمه هادی و یکسو کننده به کار می رود . علاوه بر آن مشتقات ترکیبی آن رد ساخت رزین های سیلیسیمی ، لعاب ها ، لاستیک و.. مصرف می شود .
دستیابی به تکنولوژی تولید فروسیلیسیم بدون شناسائی خواص هریک از عناصر آهن و یا سیلیسیم و یا محصول ترکیبی آن ها میسر نخواهد بود و از این نظر در این فصل مسائل عمده کاربر فروسیلیسیم با توجه به خواص وویژگی های آن مورد بحث قرار می گیرد.

خواص فیزیکی و شیمیایی سیلیسیم :
سیلیسیم عنصری است در تناوب چهارم جدول عناصر شیمیایی که در مدار آخر خود 4 الکترون دارد و به همین دلیل و بر خلاف کربن در تمام ترکیبات شیمیایی با ظرفیت 4 ظاهر می شود مانند :  ، حضور سیلیسیم در ترکیبات با ظرفیت 2 نیز ثابت شده است ، ولی این ترکیبات ناپایدار بوده و به سرعت به ترکیبات با ظرفیت 4 تبدیل می شوند  و فقط بر حسب شرایط ترکیبی نقش واسطه را دارند.
گرمای تشکیل یک مول سیلیس «Sio2» بر حسب شرایط تشکیل کوارتز   یا کربوسیتوبالیت متفاوت و به صورت زیر است :
در حالی که گرمای تشکیل منواکسید سیلیسیم وسیلیس به صورت زیر گزارش شده است :
گاز Sio در کمتر از C º1500 تجزیه شده و به سیلیسیم و سیلیس تبدیل می شود .
نقطه ذوب سیلیسیم   درجه سانتیگراد است که با توجه به میل ترکیبی شدید آن با اکسیژن و سایر مواد اکسید کننده ، در طبیعت به صورت آزاد یافت نمی شود . ترکیب عمده آن ، شکل های مختلف سیلیس است که به صورت تقریباً‌خالص وبا درجه خلوط بیش از 98 درصد و همچنین به صورت اسپینل ( اکسید مضاعف با آلومینیوم ) یا سیلیکات ها به نسبت های مختلف در طبیعیت وجود دارد سیلیسیم بعد از اکسیژن مهمترین ماده تشکیل دهنده پوسته زمین بوده و مقدار آن 28 درصد برآورد شده است ، درحالی که مقدار اکسیژن در پوسته زمین برابر 49 درصد ، آلومینیوم 2/7 درصد و آهن 6/5 درصد تخمین زده شده است .

سیلیسیم در سه شکل( پلی مرفی ) وجود دارد که عبارتند از :
سیلیسیم بی شکل ، به صورت گرد قهوه ای رنگ با چگالی   است این ماده به سرعت اکسید 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 تشکیل سیلیسیم بی شکل یا سیلیسیم قهوه ای می گردد .
ب- سیلیسیم گرافیتی (‌متورق )، سیلیسیمی است که از احیاء سیلیس توسط کربن در دمای بالاتر از 1400 درجه سانتیگراد تشکیل می شود علاوه بر آن از حرارت دادن سیلیسیم قهوه ای در محیط بسته عاری از اکسیژن ) نیز این ماده تولید می شود عموماً به صورت لایه ای و پولک سیاه و براق است و مقاومت بیشتری در مقابل هوا و محلول های اسیدی نشان می دهد چگالی آن حدود  است و در اکثر مواردی که اضافه کردن سیلیسیم خالص به مذاب ضرورت می یابد از این نوع سیلیسیم استفاده نمی شود .
سیلیسیم )متبلور ( یا سیلیسیم تکه ای ، که عنوان سیلیسیم فلزی نیز شناخته شده است ، عموماً از افزایش دما در کوره احیاء سیلیس و یا حرارت دادن سیلیسیم گرافیتی در محیط بسته ، تولید می شود در اکثر موارد و در کاربردهای سیلیسیم خالص در صنایع الکترونیکی ، این نوع سیلیسیم مورد استفادهق رار می گیرد و چگالی آ»   گزارش شده است .
سیلیسیم تکه ای و سیلیسیم گرافیتی به دلایل تشابه در چگونگی تولید در اغلب موارددر کنار هم وجود دارند که نوع گرافیتی آن به دلیل قابلیت انحلال بهتر در مواد مذاب ، در صنایع متالورژیکی کاربرد بیشتری دارد ، ولی از نوع سیلیسیم تکه ای نیز می توان در مقاصد متالورژیکی استفاده نمود و اختلاف عمده ، کندتر بودن سرعت واکنش آن ، نسبت به نوع قبلی است سیلیسم متبلور در ساختار مکعبی الماس و با ثابت شبکه   گزارش شده است .

سیلیسیم  و صنعت
سیلیسیم به طور خالص و یا به صورت ترکیبی در صنعت کاربردهای مختلفی یافته است  که اهم آ» به شرح زیر طبقه میباشد:

صنایع متالورژی
اکسیژن زدا :سیلیسیم نسبت به بسیاری از فلزات اصلی در صنایع ، متالورژی (آهن ،‌مس ، نیکل ، کرم و ...) قابلیت اکسایش بیشتری دارد و از این رو برای بسیاری از آلیاژهای صنعتی به عنوان اکسیژن زدا به کار می رود که از آن جمله می توان به کاربر این عنصر در صنایع فولاد سازی و ریخته گری فولاد اشاره نمود .
سیلیسیم به عنوان اکسیژن زدا ، در فولادها ، عموماً به صورت خالص به کار نمی رود و اغلب ترکیبات آمیژانی فروسیلیسیم ، فروسیلیکو منگنز ، فروسیلیکو آلومینیوم و یا سیلیکو کلسیم مورد استفاده قرار می گیرد .
مهمترین عامل در انتخاب سیلیسیم (‌همراه و یا بدون آلومینیوم ) به عنوان اکسیژن زدا در فولادها آن است که :
1-چگالی سیلیس ، حدود 2 تا 4/2 بوده و از این رو با توجه به رابطه استوک
به سرعت در سطح مذاب جمع می شود که در آن :
2-پسماند سیلیسیم در مقادیر کمتر از 1/0 درصد در فولاد و چدن اثرات مضر بحرانی ندارد ، در حالی که مقدار آلومینیوم در فولادها باید در حدود 01/0 درصد کنترل شود
3-سیلیسیم حاصل در دمای ذوب فولاد ، می تواند با جذب اکسیدهای دیگر نظیر آهن ، کلسیم و... ترکیبات سیلیکاته تشکیل داده و حالت شلاکه ای آن ، باعث حذف بهرت آن اکسیدها شود .
در مورد تأثیر اکسیژن زدایی سیلیسیم در فولاد و مقایسه آن با سایر مواد اکسیژن زدا می توان نکات زیر را مورد توجه قرار داد .
حد اکسیژن زدایی سیلیسیم بسیار کمتر از آلومینیوم و چندین برابر منگنز است ، در این مورد ازمایش Brinel برای تعیین درجه اکسیژن زدایی بر اساس پسماند عناصر به کار می رود .
 در همین حال بر اساس آزمایشات Swidem؛ تأثیر پسماند سیلیسیم در اکسیژن زدایی فولاد و حذف تخلخل های ناشی از گاز Co به صورت زیر گزارش شده است .
با توجه به توضیحات فوق مشخص می گردد که کاربرد سیلیسیم به صورت ترکیبات فروسیلیسیم و فروسیلیکو آلومینیوم و  مشابه آن ها یکی 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 کیلوگرم است.
علاوه بر آن سیلیسیم به عنوان اکسیژن 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 مک و حفره گازی نباید وجود داشته باشد ) در این حالت میزان مصرف سیلیسیم بین 3/0 تا 6/0 درصد گزارش شده است.
جوانه زا :سیلیسیم عنصری است به شدت گرافیت زا ، به طوری که تشکیل 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 ترکیب و یا آمیژان بستگی دارد . از طرف دیگر چنانچه از سیلیسیم خالص به این منظور استفاده شود امکان عدم انحلال کامل آن وجود دارد و به همین منظور د راکثر موارد از آمیژان های آهن و سیلیسیم با نسبت های ترکیبی 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 که 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 کیلوگرم فروسیلیسیم برای تولید هر تن چدن گرافیتی است.
علاوه بر آن سیلیسیم  به عنوان جوانه زا به صورت سیلیسیم – کلسید   نیز به کار می رود که حضور کلسیم در آن عمالی برای برای گوگرد زدایی و تشدید اکسیژن زدای نیز محسوب  می شود .
تلقیح منیزیم برای کروی کردن گرافیت نیز در اغلب موارد توسط آمیژان هایی از آهن – سیلیسیم – منیزیم انجام میگیرد تا عملیات جوانه زایی و اصلاح گرافیت همزمان انجام گیرد
عنصر آلیاژی : سیلیسیم یکی از عناصر آلیاژی در خانواده آلیاژهای آهنی و غیر آهنی است مهمترین

آلیاژهای صنعتی حاوی سیلیسیم عبارتند از :
چدن ها ، سیلیسیم یکی 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 واکنش های احیایی توسط کربن ، حاوی مقادیر لازم از سیلیسیم است ولی اکسایش سیلیسیم  در عملیات ذوب این شمش ها ، افزایش مقادیر 1 تا 5/1 درصد سیلیسیم را به صورت های آمیژان فروسیلیسیم ایجاب می کند . از طرف دیگر با توجه به تولید چدن از طریق قراضه آهن در کوره های القایی و یا استفاده از درصدی از قراضه در سایر روش ها ، تأمین کمبود سیلیسیم لازم معمولاً به میزان 5/2 تا 5/3 درصد انجام می گیرد . افزایش این سیلیسیم معمولاً‌به صورت فروسیلیسیم با نسبت های ترکیبی مختلف صورت می پذیرد چدن های نقره ای محتوی بی شاز 10 تا 22 درصد سیلیسیم که عموماً ضد اسید هستند ، از طریق ذوب در کوره بلند ویا ذوب در کوره های الکتریکی با افزودن سیلیسیم متبلور تولید  میشوند.
فولادها ، معمولاً حاوی کمتر از 3/0 درصد سیلیسیم هستند که از پسماند عملیات اکسیژن زدایی حاصل می شوند ولی فولادهای سیلیسیم دار محتوی 3 تا 5 درصد سیلیسیم نیز وجوددارند و عموماً تحت عنوان فولادهای ترانسفورماتور به کار 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 حداکثر 3 درصد در شرایط ویژه کاربردی نظیر استحکام بالا ، مقاومت به خوردگی ، مقاومت در برابر اسید در یاتاقان ها و.... به کار می روند سیلیسیم در اکثر 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 کمبود مصرف هنوز تولید نشده است و از ترکیبات آهن – سیلیسیم نیز ، جزء در مواردی که آهن یکی از عناصر آلیاژی محسوب شود نمی توان استفاده کرد کلیسیم سیلیسید نیز در آلیاژهای مس ، با توجه به قابلیت اکسیژن زدایی کلیسمی ، می تواند به کر رود ولی این امر در مواردی امکان پذیر است که مقدار سیلیسیم مورد نیاز کمتر از 5/0 درصد باشد .
آلومینیوم ها ، اکثر آلیاژهای آلومینیوم حاوی مقادیر 1/0 تا 5/0 درصد سیلیسیم به عنوان ناخالصی هستند که 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 کار 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 کار 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 کلی میانگین مصرف سیلیسیم در آلیاژهای ریختگی آلومینیوم را بر حسب میزان مصرف ، می توان تا 10 درصد پیش بینی کرد . در حالی که برای آلیاژهای نوردی این مقدار به کمتر از 4 درصد کاهش می یابد سیلیسیم در این آلیاژها ، موجب افزایش استحکام و بهبود شرایط ریختگی می شود علاوه بر موارد فوق سیلیسیم در آلیاژهای منیزیم و ... نیز کاربرد دارد که به عنوان مصرف سیلیسیم و ترکیبات آن نمی توانند مورد توجه قرار گیرد .
ت- سایر مصارف متالوژیکی ، سیلیس ، به صورت ماسه و آجر نسوز یکی از مهمترین مواد اولیه صنایع متالورژی است که عملاً‌ماده اولیه آن به صورت طبیعی یافت می شود. کاربید سیلیسیم ماده است که با عملیات تخلیص در ساخت الکترودهای نسوز و بوته ها وهمچنین به عنوان سنگ سایا در صنایع متالوژیکی کاربرد دارد.

صنایع الکترونیکی
 به آن گونه که قبلاً‌توضیح داده شد سیلیسیم یک نیمه هادی و یکسو کننده قوی است مقاومت الکتریکی آنبه   اهم سانتی متر می رسد سیلیسیمی که در صنایع الکترونیکی به کار می رود عموماً‌با درجه خلوص بیش از 9/99 درصد بوده و به صورت تکه ای ،‌نوار و... تولید می شود علاوه بر آن از کار 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 که با آرایش مولکولی پلاستیکی با هیدروژن ساخته می شوند و به عنوان پلاستیک های غیر آلی نیز شناخته می شوند و. سیلان فرمول   مشابه به مان به صورت گاز است. فرمول عمومی رزین های کلریدی را می توان به صورت   نشان داده و از نظر شرایط تولید بر اساس واکنش های شیمیایی در مقیاس صنعتی تولید می شوند .
 سیمان سیلیسی لعاب های سیلیسی ، انواع پلیمرهای سیلیسیمی و لاستیک و... مشتقات دیگر ترکیبات سیلیسیم هستند که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند .
تولید فروسیلیسیم به روش های گوناگونی انجام می پذیرد که در هر فرآیند مواد اولیه متفاوتی کاربرد خواهندداشت متداو لترین روشی که در جهان امورد استفاده قرار گرفته است ، تهیه فروسیلیسیم در کوره های قوس الکتریکی است که بر مبنای واکنش های احیایی مواد حاصل سیلیسیم و آهن ؛ توسط مواد حاصل کربن در دمای مناسب و با افزودن انرژی الکتریکی صورت می پذیرد بدیهی است هریک از مواد اصلی فوق در طبیعیت به صورت های مختلفی یافت می شوند . که بر حسب وفور  ترکیب شیمیایی ، عملیات آماده سازی و ... شرایط و ویژگی های کاربدری متفاوتی دارند .
یکی از مهمترین نکاتی که در فرآیند تولید فروسیلیسیم باید مورد توجه قرار گیرد عدم تشکیل سرباره و مواد اکسیدی و مختلفی است که از پسماند واکنش ها حاصل می شوند بدیهی است حضور مواد ناخالصی و سرباره زا ، در هریک از مواد اولیه می تواند مسئله تشکیل سرباره را تشدید و تولید را با اشکالات متالورژیکی و یا تکنولوژیکی متعددی روبرو سازد بنابراین در انتخاب مواد اولیه و آماده سازی آنها ، باید به عوامل سرباره زا و همچنین روش های پیشگیری از تشکیل آنها توجه نمود .
از طرف دیگر ، مواد طبیعی و یا ساخته شده در دامنه ای از تغییرات ترکیبی یا فیزیکی قرار می گیرند که عدم توجه به آنها و نبود سنجش های کمی و کیفی و عدم رعایت استانداردهائی که با فرآیند تولید منطبق باشد می تواند تولید را ناهمگون و کنترل هایی لازم را غیر ممکن سازد.
 تحت شرایط کلی ، مواد اولیه بایستی شرایط عمومی زیر را دارا باشند .
ترکیب شیمیایی ، مواد اولیه باید به گونه ای انتخاب شوند که قادر به تولید محصول مورد نظر باشند حضور ناخالصی هائی نظیر اهن ‌، آلومینیوم ، کلسیم و بور و ... علاوه بر آنکه ترکیب شیمیایی محصول را دگرگون می سازند مستلزم  عملیات حذف و کاهش نیز می باشند از طرف دیگر ناخالصی ها می توانند قابلیت واکنش پذیری مواد را تغییر داده و شرایط کاری کوره رادچار اشکال سازند .
 مشخصات فیزیکی 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 کمتر در تهیه آن ها است لذا در انتخاب مواد اولیه باید به موارد عمومی فوق توجه نمود.