فروسیلیس ( فروسیلیسیم )

فروسیلیس چیست ؟

فروسیلیس فروآلیاژی است که خلوص سیلیس آن بالا بوده و به منظور افزایش سیلیس در مذاب به آن اضافه می‌شود. از لحاظ تجاری فرو سیلیس توسط درجه (خلوص) و سایز آن متمایز می شود .درجات (خلوص) فرو سیلیس توسط میزان درصد سیلیس و عناصر جزیی موجود در محصول تعریف می شود.

آهن از سنگ آهن ، آهن یا ضایعات فولادی و …. به دست می آید و سیلیس از کلوخه های کوارتزیت تهیه می شود. این محصول به طور گسترده در صنایع فولادی ، ریخته گری و سایر تولیدات صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

فروسیلیس ، فرو آلیاژی از سیلیس و آهن است. نسبتی که در آن هر دو ماده شیمیایی ، با هم با نسبت متغیری از سیلیس بین 15 تا 90 درصد ترکیب شده اند . این آلیاژ با نام فروسیلیسیوم نیز شناخته می شود.

طبقه بندی فروسیلیس به چه صورت است ؟

شاخصه ی اصلی درصد سیلیس موجود در فروسیلیس بوده که در درجه ی اول خلوص این فرو آلیاژ توسط این فاکتور شناسایی می شود . در حالی که درجات معمولی (خلوص معمول یا رایج) فروآلیاژ ها به طور معمول حاوی 15 تا 90 درصد سیلیس می باشد.

میزان سیلیس معمول موجود در فرو آلیاژ فرو سیلیس موجود در بازار معمولا به میزان : 15 ، 45 ، 65 ، 75 و 95 درصد می باشد . درصد مابقی را آهن و عناصر جزیی دیگری تشکیل می دهند . این عناصر جزیی شامل : آلومینیوم (Al) ، کلسیم ، کربن ، منگنز ، فسفر و گوگرد ، که هر کدام درصد کمی را در فروآلیاژ دارند ، می باشد .

فروسیلیس معمولا در 4 خلوص تولید می شوند . این خلوص عبارتند از :

1. خلوص استاندارد
2. گرید با آلومینیوم کم (پایین)
3. گرید با کربن کم
4. گرید با خلوص بالا شامل تیتانیوم

گرید استاندارد فروسیلیس شامل حداکثر تا 2 درصد آلومینیوم می باشد در حالی که گرید الومینیوم پایین دارای میزان محتوای آلومینیوم حداکثر تا 5/0 درصد می باشد .

فرو سیلیس رایج و مورد استفاده

بیش از %75 فروسیلیس تولید شده و مورد استفاده در صنایع مختلف شامل 75 درصد سیلیس در خود است. در درجات بعدی خلوص فروسیلیس ها توسط عناصر جزیی موجود در آن ها تعیین می شود.

خلوص رایج و مورد استفاده، فرو سیلیسیم 75% است، بدین معنی که این محصول شامل 75 درصد سیلیس و مابقی آن عناصر جزیی شناخته شده است . درجه خلوص های دیگر فروسیلیس متفاوت از خلوص رایج فروسیلیس می باشند ، چراکه آنها دارای محدودیت های بیشتری از محتوای عناصری مثل آلومینیوم ، تیتانیم و کلسیم در فرو آلیاژها دارند.

فرو سیلیسیم همچنین در درجه خلوصی که شامل میزان کنترل شده ای از عناصر جزیی می باشد ، تولید می شود که این محصول با هدف اضافه شدن به فولاد یا در آهن ریخته گری که در آن از فروسیلیس به عنوان افزودنی استفاده می شود کاربرد خواهد داشت. این محصولات فرو سیلیس گاها تحت نام inoculants نیز شناخته می شوند .

ویژگی های فرو سیلیسیم چیست ؟

فروسیلیس جامدی غیر خطرناک با ظاهری به رنگ خاکستری نقره ای است. در حقیقت ، رنگ فروسیلیس می تواند بین خاکستری نقره ای و خاکستری تیره متغییر باشد.

فرو سیلیسیم دارای سطح فلزی است. شکل ذرات پودرفروسیلیس می تواند کروی و یا نامنظم باشد. این ماده بو ندارد اما هنگام استنشاق می تواند خطرناک باشد.

فروسیلیس ممکن است به محض تماس با آب ، هیدروژن (H2) تولید کند. گرد و غبار ایجاد شده از فروسیلیس در آب با حلالیت 0.015 میلی گرم سیلیس بر لیتر در پی اچ pH 5/5-5-9 و دمای 20 درجه سانتیگراد ، حل می شود . هنگام واکنش این آلیاژ با رطوبت یا بازها و اسیدها، می‌تواند واکنش دهد که گازهای سمی و قابل اشتعال تولید می‌کند.

فرو سیلیس جامد غیر قابل اشتعال است و دارای کمترین میزان حد انفجار 60+- میلی گرم در هر متر مکعب است. دمای احتراق خودکار فروسیلیس  بالاتر از 400 درجه سانتیگراد است. با این حال ذرات فروسیلیس معلق در هوا می توانند در شرایط خاصی باعث انفجار گرد و غباری شوند.

از این رو از پراکنده شدن گرد و غبار جلوگیری به عمل می آید . همچنین مهم است که هیچ گونه شعله ی باز در نزدیکی پودر فروسیلیسیم وجود نداشته باشد. در حین آتش سوزی ، مخازن حاوی فروسیلیس حتی پس از خاموش شدن شعله ها باید با آب جاری خنک شوند .

ذخیره سازی فروسیلیس می بایست با اعمال شرایط مناسبی برای تهویه مناسب و امکان تمیزکاری فراهم شود تا از تجمع گرد و غبار جلوگیری به عمل آید .

ویژگی‌های فیزیکی این محصول

چگالی فرو سیلیسیم به میزان محتوای سیلیس موجود در آن بستگی دارد و با افزایش مقدار سیلیس ، کاهش می یابد. چگالی برخی از گریدهای فرو سیلیس به قرار زیر است:

• 5.15 گرم بر سانتیمتر مکعب (گرم / سی سی) با 45٪ سیلیس
• 3.5 گرم بر سی سی با 75٪ سیلیس
• 2.4 گرم بر سی سی با 90٪ سیلیس

نقطه جوش سیلیس 2355 درجه سانتیگراد است. فروسیلیس را به عنوان ماده ای که از خود مقاومت خوبی در برابر سایش و در برابر خوردگی نشان می‌دهد ، می شناسند . خاصیت مغناطیسی بالایی دارد که امکان بازیابی مغناطیسی را در آن فراهم می کند .

فروسیلیس عمدتا به صورت توده یا گرانول در دسترس می باشد . توده های درشت برای نفوذ بهتر سرباره در هنگام دفع اکسیداسیون (احیا) مورد استفاده قرار می گیرند در حالی که اندازه های ریزتر به عنوان افزودنی آلیاژ ، برای اطمینان از انحلال مورد استفاده قرار میگیرد.

فرو سیلیسیم نسبتاً شکننده است و استفاده بیش از حد از آن منجر به ایجاد ذرات ریز ناخواسته می شود .

کاربردهای کلی فروسیلیس چیست ؟

در زیر حوزه های کاربردی رایج فروسیلیس آورده شده است :

• به عنوان منبعی از سیلیس بوده که منجر به احیای فلزات از اکسیدشان می شود و برای دفع اکسیداسیون فولاد و سایر آلیاژهای آهنی استفاده می شود . این موضوع مانع از بین رفتن کربن از فولاد مایع می شود.
• از این ماده در ساخت سایر آلیاژهای آهن استفاده می شود.
• از این ماده در تولید سیلیس ، آلیاژهای آهنی سیلیس دار مقاوم در برابر خوردگی و مقاوم در برابر درجه حرارت بالا
• از این ماده برای تولید آلیاژهای از قبیل فرو سیلیس منیزیم (FeSiMg) که برای اصلاح آهن مالیبل به کار می آید ، استفاده می شود. FeSiMg در تشکیل گره ها مؤثر بوده و منجر به بخشیدن خاصیت انعطاف پذیری به آهن می شود . برخلاف چدن خاکستری ، که تشکیل رشته (میله) های گرافیتی می دهد ، آهن داکتیلی که حاوی گره های گرافیتی یا منافذ است ، احتمال ایجاد ترک را سختتر کند. FeSiMg حاوی 3٪ تا 42٪ منیزیم و مقادیر کمی از فلزات خاکی کمیاب است.
• از این ماده به عنوان افزودنی چدن ، برای کنترل میزان محتوای اولیه ی سیلیس استفاده می شود.
• از این ماده در صنایع ذوب فلز ، ریخته گری ، فرآوری مواد معدنی و صنعت ذوب میله استفاده می شود. .
• از آن برای جداسازی و کوچک سازی مواد سنگین استفاده می شود .
• در صنعت ریخته گری ، ذوب و صنایع وابسته به متالورژی و مرتبط با آن استفاده می شود .
• از این ماده برای تولید نیمه هادی خالص سیلیس در صنعت برق و مس سیلیس در صنایع شیمیایی استفاده می شود .

کاربرد فروسیلیسیم در صنایع فلزی

فرو سیلیس به صورت عمده در صنعت فولاد سازی و در کارخانه های ذوب فولاد کربنی ، فولاد ضدزنگ به عنوان عامل احیاکننده و برای آلیاژسازی فولاد و چدن مورد استفاده قرار میگیرد.

این فروآلیاژ به عنوان عامل احیاکننده بخصوص در تولید فولادهای ضدزنگ مورد استفاده قرار میگیرد . به عنوان عامل احیا کننده ، سیلیس با اکسید کروم واکنش می دهد تا اکسید سیلیسیوم تولید شود و کروم به مذاب فولاد برمیگردد و در نهایت منجر به افزایش میزان کلی کروم بازیابی شده از فرایند می شود .

فرو سیلیسیم معمولا به همراه فرومنگنز در حین فولاد سازی توسط ملاقه اضافه می شود .  هر دو عنصر سیلیس و منگنز نقش مهمی را در تولید فولاد به عنوان احیاکننده ، سولفور کننده و عناصر آلیاژی بازی می‌کنند . سیلیس زودتر از منگنز احیا شده و احیاکننده ی قوی تری از آن است .

از فرو سیلیس ، فرومنگنز و سیلیکو منگنز به عنوان احیاکننده های اولیه استفاده می شود . میزان سیلیس اضافه شده وابسته به دمای بهره برداری ، میزان اکسیژن موجود در مذاب فولاد و سطح سیلیس باقی مانده ی مورد نیاز در فولاد چدنی است .

دفع اکسیداسیون اولیه ی کوره با فرو سیلیس می بایست با دقت بالایی انجام شود چراکه سیلیس قدرت احیاکنندگی اکسید فسفر ( P₂O₅ ) را در سرباره دارد. اگر میزان فسفر موجود در سرباره بالا باشد و سرباره سرخ نشده باشد، بعد از افزودن فروسیلیس به صورت ناکافی باقی می ماند.

این شرایط ممکن است منجر به بازگشت فسفر به گرما شود ، علی الخصوص اگر سرباره داغ باشد  و آنالیز حمام در حدود 10/0 درصد سیلیس و 40/0 درصد منگنز در میزان کربن بالاتر از 15/0 درصد ، افزایش می یابد .

فروسیلیسیم در فولاد

به عنوان دفع اکسیداسیون در صنعت فولاد سازی استفاده می شود. به منظور دست یابی به ترکیب شیمیایی فولاد واجد شرایط و اطمینان از کیفیت فولاد ، در مرحله نهایی تولید فولاد ، می بایست دفع اکسیداسیون صورت پذیرد.

سیلیس و اکسیژن میل شیمیایی زیادی دارند ، بنابراین فروسیلیسیم ، اکسید فولادی قوی‌ای برای رسوب و دفع اکسیداسیون می باشد. در فولاد با افزودن مقدار مشخصی از سیلیس ، می توان مقاومت فولاد ، سختی و انعطاف پذیری را به میزان قابل توجهی بهبود بخشید.

بنابراین در ذوب فولاد سازه (حاوی 30 ، 70%) ، فولاد ابزار (حاوی 3-1.8 % SiO) فولاد بهار (حاوی 0-2.8 % SiO) و فولاد سیلیکون برای ترانسفورماتورها (2.81-4.8 % سیلیس) ، فروسیلیس به عنوان یک آلیاژ مورد استفاده قرار میگیرد.

در صنعت چدن

در صنعت چدن به عنوان تلقیح کننده و nodulizer استفاده می شود. چدن یک ماده فلزی مهم در صنعت مدرن است ، این ماده ارزان تر از فولاد بوده و ذوب آسانی دارد ، با عملکرد عالی در ریخته گری، به ویژه چدن داکتیل،خواص مکانیکی آن نزدیک به رفتار مکانیکی فولاد می باشد.

افزودن مقدار مشخصی از  فروسیلیس در چدن می تواند از تشکیل کاربیدهای موجود در آهن جلوگیری کرده و باعث تشویق رسوب و کروی سازی گرافیت شود. بنابراین ، در تولید آهن داکتیل ، فرو سیلیس یک ماده تلقیحی مهم (برای کمک به رسوب گرافیت) می باشد.

فروسیلیسیم در تولید آلیاژهای آهنی

در تولید آلیاژ آهنی به عنوان عامل احیا کننده استفاده می شود . نه تنها بین سیلیس و اکسیژن تمایل شیمیایی بسیار زیاد است ، و محتوای کربن فروسیلیس با میزان سیلیس بالا بسیار کم است.

بنابراین ، فروسیلیسیم با میزان سیلیس بالا (یا آلیاژ سیلیس) یک فروآلیاژ در تولید فروآلیاژ کم کربن است و بیشتر به عنوان ماده احیا کننده مورد استفاده قرار می گیرد.

دیگر مصارف فروسیلیس

پودر فرو سیلیس اتمیزه شده یا آسیاب شده ، می تواند به عنوان فاز معلق در صنعت استفاده شود. در صنعت تولید الکترود می تواند به عنوان پوشش الکترود مورد استفاده قرار گیرد . فروسیلیس با سیلیس بالا در صنایع شیمیایی می تواند برای تولید سیلیس و سایر محصولات مورد استفاده قرار گیرد.

بطور کلی صنعت فولاد سازی ، صنعت ریخته گری و صنعت فروآلیاژ بیشترین کاربران فروسیلیس هستند و حدود 90٪ فروسیلیس تولید شده را مصرف می کنند. در بین گریدهای متنوع فروسیلیس ، بیشترین کاربرد را گرید 75٪ فروسیلیس دارد. در صنعت فولاد ، هر یک تن فولاد ، حدود 5/5 کیلوگرم از فروسیلیس 75 درصد را مصرف میکند.

سایزهای کاربردی فروسیلیس کدامند ؟

فروسیلیس در درجه ی اول به صورت توده و در سایز آن مورد استفاده قرار میگیرد . سایز و اندازه مهم است چراکه در کارایی تعیین شده ی فروسیلیس اثرگذار است .

توده های بزرگ معمولا در کوره های اولیه ی فولادسازی مورد استفاده قرار میگیرد چرا که انها در لایه های سرباره ی بالای مذاب فولاد ، راحتتر نفوذ میکنند . توده های کوچکتر معمولا در فرآیند آلیاژسازی برای اطمینان از انحلال سریع در مذاب فولاد مورد استفاده قرار میگیرند .

پودرها کمتر از توده ها مورد استفاده قرار میگیرند چراکه بازیابی سیلیس موجود در آنها سختتر است .

فروسیلیس چگونه تولید می‌شود ؟

خلوص تجاری فرو سیلیس که شامل 15 درصد سیلیس در خود باشد معمولا در کورههای ذوب تولید می شوند . کوره های ذوب از آجرهای نسوز اسیدی پوشانده شده است .فرو سیلیسی که دارای میزان بیشتری از محتوای سیلیس باشد ، معمولا در SAF تولید می شود .

فروسیلیسی که دارای 15 درصد سیلیس است برای کاربردهای متالورژیکی برای تولید فولاد یا چدن مورد استفاده قرار نمیگیرد . گرید خاص فرو سیلیس 15 درصد را با آب ترکیب می کنند تا فرو سیلیسیم نیمه متراکمی تولید شود تا در جدایش جاذبه ای مینرال ها ، اگریگیت ها و فلزات مورد استفاده قرار گیرد .

فروسیلیسیم در صنعت توسط احیای کربوترمیک سیلیکا و کربن تولید می شود . این فروآلیاژ توسط ذوب کردن مواد محتوی آهن و سیلیس به دست خواهد آمد . این مواد با مواد کربنی مانند زغال سنگ و یا کک نفتی و یا عاملی حجیم مانند تراشه های چوبی تامین می شوند .

کوارتزیت منبعی برای سیلیس در این پروسه ی کربوترمیک می باشد . ذوب فروسیلیس یک فرآیند پیوسته در کوره ی قوس الکتریکی به همراه الکترودهای خود پخت می باشد .

روش دیگر برای بدست آوردن این آلیاژ استفاده از کوره قوس الکتریکی غوطه ور برای ذوب کوارتز ، قراضه فولاد به همراه عامل کاهنده است. آلیاژ مایع گرم سپس در یک بستر ماسه ای جمع آوری می شود ، سپس سرد شده و به قطعات کوچک شکسته می شود.

این قطعات کوچک تحت خردایش بیشتری قرار میگیرند تا به اندازه ی مطلوب برسند . مقادیر زیادی از سیلیکا برای جلوگیری از تشکیل کاربید سیلیکون مورد نیاز است. میکروسیلیکا یک محصول فرعی مهم حاصل از این واکنش است .

روند کلی تولید

تمام گریدهای فروسیلیس در اصل توسط یک فرآیند مشابه تولید می شوند . ولی یکسری مراحل اضافی اساسی برای تولید خلوص بالای فرو سیلیس مورد نیاز است.

برای دستیابی به این خلوص ، از مواد خامی که شامل میزان کمتری ناخالصی هستند ، استفاده می شود . در ادامه مذاب فروسیلیس را تحت پالایش قرار می دهند تا ناخالصی های ناخواسته از آن جدا شده و عناصر آلیاژی خاصی را به آن در پاتیل می افزایند.

این مرحله به منظور تولید فروسیلیس با خلوص بالاتر تحت عنوان متالورژی ladle شناخته می شود . بخصوص در خلوص 15 درصد فرو سیلیس در کاربردهای نیمه متراکم معمولا با ذوب مجددا فروسیلیسیم 75 درصد به همراه ضایعات فولاد در کوره ی قوس الکتریکی و ذوب در فشار بالا توسط اسپری آب تولید می شود .

فرو سیلیس های دارای میزان محتوای متفاوتی از سیلیس در بازارهای جهانی یافت می شوند. فروسیلیس هایی که دارای نسبت 15٪ ، 45٪ ، 75٪ و 90٪ سیلیس می باشند را میتوان یافت .

در جوشکاری قوس الکتریکی ، فروسیلیس را میتوان در برخی از پوشش های الکترودها یافت کرد . تقریبا تمام فروسیلیس مصرفی در صنعت فولاد و چدن شامل سیلیس 65 درصد تا 90 درصد می باشد .

• فرو سیلیس به عنوان منبع سیلیکون خالص در صنعت برق مورد استفاده قرار می گیرد.
• از این ماده برای ساخت مس سیلیکون در صنایع شیمیایی استفاده می شود.
• فروسیلیسیم نیز گاهی به عنوان یک جزء در پوشش های الکترود برای جوشکاری قوس الکتریکی استفاده می شود.
• از این ماده به عنوان منبع سیلیکون و همچنین برای تولید آلیاژهای آهنی سیلیکونی مقاوم در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی استفاده می شود.
• منیزیم فروسیلیس به عنوان اصلاح کننده ی مذاب آهن مالیبل استفاده می شود.

خواص فیزیکی و شیمیایی فرو سیلیس چیست ؟

خواص فیزیکی و شیمیایی فروسیلیس به قرار زیر است :

دمای ذوب : دمای ذوب این ماده وابسته به میزان سیلیس موجود در آن متفاوت است . فروسیلیس حاوی 45 درصد سیلیس دارای دمای ذبی در محدوده ی 1215 تا 1300 درجه سانتی گراد است . فرو سیلیس حاوی 75 درصد سیلیس محدوده ی دمای ذوب آن برابر 1210 تا 1315 درجه سانتی گراد و فروسیلیس حاوی 90 دصد سیلیس دارای محدوده دمای ذوب 1210 تا 1380 درجه سانتی گراد می باشد .

دمای جوش : 2355 درجه سانتی گراد

دانسیته (چگالی): دانسیته ی فرو سیلیس متناسب با ترکیب آلیاژ متفاوت است : فروسیلیس 24 درصد سیلیس برابر 5.1 گرم بر سانتی متر مکعب ، فروسیلیس حاوی 75 درصد سیلیس برابر 2.8 گرم بر سانتی متر مکعب ، فروسیلیس 90 درصد سیلیس برابر 2.4 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد .

شکل ظاهری : شکل ذرات پودر فرو سیلیس به صورت کروی یا غیر منظم است : مانند توده ، خرد شده یا آسیاب شده .

خوردگی : این آلیاژ مقاوم در برابر خوردگی و سایش است .

رنگ : متغییر بین خاکستری نقره ای و خاکستری تیره

بویایی : بی بو؛ هنگام استنشاق می تواند خطرناک باشد .

انحلال : فروسیلیس می تواند با آب واکنش دهد تا هیدروژن تولید کند .

احتراق : گرد و غبار فروسیلیس مشتعل است .

چگالی ویژه : متغییر با میزان ترکیب هر دو ماده ی موجود در آن ، به طور مثال در فروسیلیس 75 درصد برابر 3.01 می باشد .