فرآیند تولید فروسیلیسیم
مقدمه
فروسیلیسیم یکی از آمیژان های مورد مصرف در صنایع مختلف بخصوص صنایع متالورژی ست 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 ۴ الکترون دارد و به همین دلیل و بر خلاف کربن در تمام ترکیبات شیمیایی با ظرفیت ۴ ظاهر می شود مانند : ، حضور سیلیسیم در ترکیبات با ظرفیت ۲ نیز ثابت شده است ، ولی این ترکیبات ناپایدار بوده و به سرعت به ترکیبات با ظرفیت ۴ 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 º۱۵۰۰ 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 ۹۸ 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 ۲۸ درصد برآورد شده است ، درحالی که مقدار اکسیژن در پوسته زمین برابر ۴۹ درصد ، آلومینیوم ۲/۷ درصد و آهن ۶/۵ درصد تخمین زده شده است .
سیلیسیم در سه شکل( پلی مرفی ) وجود دارد که عبارتند از :
الف – 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 ۱۰۰ تا ۱۲۰۰ 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 ۱۴۰۰ 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 .
پ- 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 .
فهرست مطالب
فصل اول: ویژگیهای عمومی ۵
۱-۱- مقدمه ۵
۲-۱- خواص فیزیکی و شیمیایی سیلیسیم ۵
۳-۱- سیلیسیم و صنعت ۸
۱-۳-۱- صنایع متالورژی ۸
۲-۳-۱- صنایع الکترونیکی ۱۶
۳-۳-۱- سایر صنایع ۱۶
فصل دوم: مواد اولیه ۱۷
۲-۲- مواد حاصل سیلیسیم ۱۹
۳-۲- کوارتز ، کوارتزیت و به میزان کمی کالسه دوان (Chalcedony) ۲۱
۴-۲- کوارتزیت ۲۳
۵-۲- کالسه دوان (Chalcedony) 25
۶-۲- مواد حامل کربن ۲۵
۷-۲- کک نفتی و کک قیری ۳۰
۸-۲- کک متالورژی ۳۰
۹-۲- زغال چوب ۳۲
۱۰-۲- زغال سنگ ۳۳
۱۱-۲- تراشه چوب ۳۷
۱۲-۲- مواد حامل آهن ۴۰
۱۵-۲- عملیات بر روی مواد اولیه بار آرایی ۴۳
دانه بندی مواد اولیه ۴۶
خشک کردن و کاهش میزان رطوبت مواد اولیه ۴۹
۱۶-۲- میزان مصرف مواد اولیه و محاسبه شارژ ۵۱
مقدار کوارتز مصرفی ۵۲
مقدار گندله سنگ آهن مصرفی ۵۳
مقدار مواد احیاء کننده مصرفی ۵۴
فصل سوم: کوره های تولید فروسیلیسم ۵۷
۲-۳- انواع کوره های قوس الکتریکی تولید فرو آلیاژها ۵۸
۳-۳- سیستم الکتریکی ۵۸
نوع الکترود ۵۹
استقرار الکترودها ۵۹
۴-۳- وضعیت بوته ۶۰
وضعیت سقف کوره ۶۱
۵-۳- نحوه تولید حرارت ۶۳
فصل چهارم: ترمودینامیک و شیمی فیزیک تولید فرو سیلیسیم ۶۵
۲-۴- مشخصات فیزیکی ، شیمیائی و ترمودینامیکی فرو سیلیسیم ۶۸
۱-۲-۴- سیستم های دوتایی سیلیسیم ۶۹
۳-۴- ترمودینامیک واکنش ها ۷۸
۴-۴- عملیات تصفیه و حذف ناخالصی ها ۸۹
۱-۴-۴- تصفیه اکسایشی ۹۲
۲-۴-۴- تصفیه کلرایشی ۹۴
فصل پنجم: مهندسی تولید ۹۸
۲-۵- تکنیک های علمی در پیشرفت فرآیند ۱۰۱
۳-۵- ترکیب صحیح مواد خام ۱۰۲
۴-۵- موقعیت الکترود ۱۰۵
جلوگیری از تنوره ۱۰۶
بارگیری ۱۰۸
توقف کوره ۱۱۰
توقف های پیش بینی شده ۱۱۰
توقف های غیر منتظره ۱۱۲
راه اندازی مجدد بعد از توقف کوره ۱۱۲
۵-۵- تغییر رژیم کوره ۱۱۶
فصل ششم: الکترود ۱۱۸
۲-۶- الکترودهای زودر برگ ۱۲۰
۳-۶- خواص خمیر الکترود ۱۲۶
۴-۶- اصول کار الکترودهای زودر برگ ۱۲۷