מדוע סיליקון פרוסילון יכול להתרוקן?

יכולת הסרת החמצון שלפרוסיליקוןנובע בעיקרו מהתגובתיות הגבוהה של סיליקון עם חמצן והיציבות של המוצרים. המנגנון הספציפי הוא כדלקמן:

 בסיס תרמודינמי של זיקה חמצן חזקה:

האנרגיה החופשית של תגובה כימית בין סיליקון (Si) לחמצן (O) נמוכה ביותר (2SiO + O₂=2SiO₂, ΔG₂₀₀₀K=-1520kJ/mol), נמוכה בהרבה מזו שבין ברזל לחמצן (2Fe + O₂ {{6₀}K₀KFeO,=-540kJ/mol). משמעות הדבר היא שבטמפרטורות גבוהות, הסיליקון מתמזג עם חמצן, ומסיר את החמצן מיסודו מפלדה/ברזל מותכת.

 הסרה קלה של מוצרי תגובה:

סיליקון מגיב עם חמצן ליצירת דו תחמוצת הסיליקון (SiO₂), בעל נקודת התכה גבוהה של 1713 מעלות. בפלדה מותכת (1500-1600 מעלות), היא קיימת כחלקיקים מוצקים עם צפיפות (2.65 גרם/ס"מ³) נמוכה בהרבה מזו של פלדה מותכת (7.8 גרם\\ס"מ³). הוא צף במהירות אל פני הפלדה המותכת ומוסר יחד עם הסיגים, ומשיג הפרדת חמצן יעילה.

 יציבות-בטמפרטורה גבוהה מבטיחה תגובה מלאה:

לסיליקון יש נקודת התכה של 1410 מעלות, בעוד סגסוגות סיליקון ברזל (כגוןFeSi75) בעלי נקודת התכה של כ-1200 מעלות, נמוכה מסביבת-הטמפרטורה הגבוהה של ייצור/יציקה פלדה (1500-1600 מעלות). לאחר ההוספה, FeSi נמס במהירות, מה שמאפשר לאטומי סיליקון להתפזר במלואו ולהגיב לחלוטין עם חמצן, תוך הימנעות מהחמצן מקומי לא שלם.

תכולת סיליקון גבוהה משפרת את יכולת ההתחמצנות:

דרגות פרוסיליקון תעשייתיות נפוצות הן FeSi75 (תכולת סיליקון 72%-80%) וFeSi65(תוכן סיליקון 60%-65%). ככל שתכולת הסיליקון גבוהה יותר, כך יעילות ההתחמצנות ליחידת מסה של פרוסיליקון גבוהה יותר. לדוגמה, 1 ק"ג של Ferro Silicon 75% יכול להסיר כ-0.4 ק"ג של חמצן מפלדה מותכת, שהם פי 1.5-2 מזה של סגסוגות סיליקון נמוכות.

קצב תגובה מותאם לתהליכים מתכתיים:

קצב התגובה בין סיליקון לחמצן עולה עם הטמפרטורה. מעל 1500 מעלות, ניתן להשלים את התגובה תוך דקות, תוך עמידה בדרישות התהליך של ייצור פלדה ל"סילוק חמצון מהיר וקיצור מחזורי התכה", תוך הימנעות מחמצון משני של פלדה מותכת עקב זמני ניקוי חמצון ארוכים מדי.

לא הוכנסו זיהומים מזיקים:

הרכיבים העיקריים של סיליקון Ferro הם רק סיליקון וברזל, ללא יסודות מזיקים כגון גופרית וזרחן (תעשייתי-דרגה 75# FeSi דורש S פחות או שווה ל-0.05%, P פחות או שווה ל-0.04%). הוא אינו מזהם את הפלדה המותכת במהלך הסרת החמצון, מה שמבטיח את טוהר חומר המתכת.

ניקוי חמצון עיקרי בייצור פלדה:

בייצור פלדה ממיר ותנור קשת חשמלי, סגסוגת סיליקון ברזל משמשת לעתים קרובות בשילוב עם פרומנגן ואלומיניום ("פרוסיליקון-מנגן טרום-דה חמצון + הסרת חמצון סופית מאלומיניום"). תוספת FerroSilicon 75% היא בדרך כלל 0.3%-0.8% ממסת הפלדה המותכת, מה שיכול להפחית את תכולת החמצן של הפלדה המותכת מ-80-100ppm ל-30-50ppm, להפחית תכלילים תחמוצת ולשפר את הקשיחות וביצועי העיבוד של הפלדה.

ניקוי חמצון של יציקה:

בייצור של ברזל רקיע וברזל יצוק אפור, סגסוגת fesi יכולה להשיג בו זמנית הן השפעות של דה-אוקסידציה והן השפעות חיסון. הוספת 0.2%-0.5% FeSi 75 יכולה להסיר חמצן מברזל מותך (למנוע היווצרות של תכלילי תחמוצת המשפיעים על כדוריות גרפיט) ​​ולקדם משקעים של גרפיט, ובכך לשפר את התכונות המכניות של יציקות.

ניקוי סגסוגת מיוחד:

בייצור של פלדת אל חלד ופלדה מסגסוגת- נמוכה, באמצעותפרוסיליקון אלומיניום נמוך-(Al פחות או שווה ל-1%) יכול למנוע היווצרות של תכלילי AlN מאלומיניום המגיב עם חנקן בפלדה, מה שמבטיח את עמידות הסגסוגת בפני קורוזיה ויכולת ריתוך.

בחירת דרגת פרוסיליקון:

עבור דרגות פלדה עם דרישות- גבוהות (כגון פלדת מיסבים ופלדת קפיצים), FeSi75 מועדף כדי להבטיח ניקוי חמצון יסודי; עבור פלדת פחמן רגילה, ניתן להשתמש ב-FeSi65 כדי לאזן בין עלות ותוצאה.

תזמון ושיטת הוספה:

יש להוסיף אותו לפני או במהלך תהליך ההקשה של פלדה מותכת כדי למנוע הוספה מוקדמת המובילה לחמצון סיליקון על ידי הסיגים; תנורים חשמליים גדולים יכולים להשתמש בשיטת "זרימה-בנוסף" כדי להבטיח ערבוב יסודי של פרוסיליקון ופלדה מותכת.

בקרת טמפרטורת פלדה:

כאשר הטמפרטורה נמוכה מ-1400 מעלות, קצב התגובה בין סיליקון לחמצן יורד באופן משמעותי. יש צורך להבטיח שטמפרטורת הפלדה לא תרד מתחת ל-1500 מעלות כדי למנוע הפחתה ביעילות ההתחמצנות.

התאמת סגל בסיסיות:

כאשר בסיסיות הסיגים (CaO/SiO₂) נשלטת בין 1.8 ל-2.2, היא מקדמת את השילוב של SiO₂ ו-CaO ליצירת סיגים של סידן סיליקט (CaSiO₃), ומפחיתה את הפירוק מחדש של SiO₂ לתוך הפלדה ומשפרת את יציבות ההתחמצנות.

עלות-יעילות גבוהה:

עלות הסרת החמצון של פרוסיליקון היא רק 1/3 עד 1/2 מזו של אלומיניום, והוא זמין באופן נרחב, מה שהופך אותו למסיר החמצון החסכוני ביותר בייצור-תעשייתי.

יכולת הסתגלות חזקה לתהליך:

ניתן להתאים אותו לציוד מתכתי שונה כגון ממירים, תנורים חשמליים ובתי יציקה, ללא צורך בשינויים נוספים בתהליך, וקל לתפעול.

יש לו מספר פונקציות:

תוך כדי ניקוי חמצון, הוא יכול להשלים סיליקון ולהתאים את הרכב הפלדה/ברזל (כגון שיפור חוזק הפלדה וביצועי היציקה של ברזל יצוק), ובכך להשיג "חומר אחד לשימושים מרובים".