فرو سیلیسیم
فرو سیلیسیم (به انگلیسی: Ferrosilicon) آمیژانی است از آهن و سیلیسیم که در کوره قوس الکتریکی و در گریدهای مختلف ازجمله ۱۰ الی ۹۰ درصد تولید می‌گردد؛ که منظور از عدد میزان سیلیسیم موجود در آمیژان می‌باشد، اما گریدهای مورد نیاز صنعت به خصوص صنایع فولاد سازی ۷۰ الی ۷۵ درصد می‌باشد. از جمله عناصر دیگر که در این آمیژان وجود دارد و جز عناصر ناخواسته می‌باشد، می‌توان به تیتانیوم، کرم، کربن، گوگرد، آلومنیوم، فسفر نام برد و معمولاً اکثر فولادسازها با درصد آلومنیوم زیر ۲ درصد در خواست می‌نمایند. فرو سیلیسیم تولیدی در سه سایز (اندازه) به بازار مصرف ارایه می‌شود: ۱–۱۰ تا ۶۰ میلی‌متر ۲–۳ تا ۱۰ میلی‌متر ۳–۰ تا ۳ میلی‌متر که هر یک از صنایع با توجه به نوع مصرف از سایز مورد نیاز استفاده می‌کنند، به عنوان مثال در صنایع فولاد سازی و ریخته‌گری مداوم بیشتر از اندازه ۱۰ تا ۶۰ میلی‌متر استفاده می‌شود.
موارد استفاده فرو سیلیسیم
این آمیژان در صنایع فولاد سازی و ریخته‌گری به عنوان اکسیژن زدا و تنظیم کننده ترکیب شیمیایی با توجه به گرید فولاد و در زمان تخلیه مذاب از کوره به پاتیل یا در حین عملیات متالورژی ثانویه استفاده می‌شوند. از دیگر موارد استفاده در صنایع چدن سازی به عنوان جوانه زا یا تولید چدن‌های پر سیلیسیم و به صورت فروسیلیکو منیزیوم به عنوان عامل نشکن ساز در چدن‌های نشکن مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین از این محصول در کارخانجات تولید فروسیلیکو منیزیوم و فروسیلیکو منگنز نیز استفاده می‌شود.
انواع مواد اولیه مصرفی
در فرایند تولید فروسیلیسیم مواد اولیه متنوعی استفاده می‌شود ولی به‌طور کلی می‌توان این مواد را در سه گروه دسته‌بندی کرد:
- مواد حامل سیلیسیم
- مواد احیا کننده
- مواد حامل آهن
با توجه به این که فرایند تولید فروسیلیسیم یک فرایند بدون سرباره می‌باشد، تقریباً تمامی عناصر موجود در مواد اولیه را وارد محصول می‌شوند؛ بنابراین یکی از مهمترین ویژگی‌هایی که در کلیه مواد مشترک می‌باشند خلوص بالای مواد می‌باشد. با بالا رفتن ناخالصی‌های موجود در مواد، درصد ناخالصی‌های موجود در محصول از جمله آلومنیوم و کلسیم افزایش می‌یابد. ویژگی مشترک دیگر، یکنواختی ترکیب شیمیایی هر یک از مواد است که باید در کلیه محموله‌ها رعایت شود.
مواد حامل سیلیسیم
تاکنون بیش از دویست نوع کانی مختلف حاوی سیلیس شناسایی شده‌است ولی مهمترین کانی‌هایی که در فرایند تولید فروسیلیسیم مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از :
کوارتز و کوارتزیت مورد استفاده در تولید فروسیلیسیم باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:
- میزان اکسید سیلیسیم در آن حداقل ۹۷ درصد باشد.
- میزان ناخالصی‌های موجود از جمله آلومینا، اکسید کلسیم در حداقل مقدار ممکن و کمتز از نیم درصد باشد.
- نقطه ذوب بالایی داشته و پس از ذوب نیز گرانروی آن زیاد باشد.
- دارای پایداری حرارتی بالایی باشد.
از میان ویژگی‌های بالا پایداری حرارتی و نقطه ذوب از اهمیت زیادی برخوردار است.
مواد احیا کننده
احیا سیلیس در کوره توسط کربن انجام می‌شود. از مواد کربنی متنوعی در فرایند تولید فروسیلیسیم می‌توان استفاده کرد، ولی خواص عمومی مواد مناسب به شرح زیر می‌باشد: میزان خاکستر آن در کمترین حالت باشد. بالا بودن میزان خاکستر باعث افزایش ناخالصی‌های محتوی در محصول می‌گردد. استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی آن‌ها زیاد بوده تا در حین حمل ونقل، شارژ به کوره و در حین عبور از مناطق مختلف حرارتی خرد نشود. در غیر این صورت تخلخل شارژ و متعاقب آن قابلیت نفوذ گاز کاهش می‌یابد مقاومت الکتریکی بالایی داشته باشند. دارای قدرت واکنش پذیری زیادی باشند. با توجه به ویژگی‌های ذکر شده موادی که در این فرایند قابل استفاده می‌باشند عبارتند از:
- کک متالورژیکی
- کک نفتی
- کک گازی
- زغال سنگ
- زغال قهوه ای
- زغال چوبی
- تراشه چوب
هریک از این مواد تنها برخی از خواص لازم را دارا می‌باشند و مجموعه ویژگی‌ها در هیچ‌یک از مواد بالا به تنهایی وجود ندارد.
مواد حامل آهن
قسمتی از آهن مورد نیاز در محصول توسط خاکستر مواد احیا کننده و هم چنین پوسته الکترود تأمین می‌شود ولی در هر حال برای تأمین آهن نیاز به استفاده از مواد حامل آهن در مخلوط شارژ وجود دارد. با توجه به این که موادآهنی حجم کمی از مخلوط شارژ را در بر می‌گیرد، ویژگی‌های این مواد در مقایسه با سایر مواد مصرفی در کوره از اهمیت چندانی برخوردار نیست. تنها عاملی که در انتخاب ماده مناسب مؤثر است ترکیب شیمیایی است که ناخالصی‌های موجود باید در حداقل مقدار ممکن و کمتر از پنج درصد باشد و میزا نفسفر موجود نیز باید کمتر از ۰٫۰۵ دردصد باشد. موادآهنی که در کوره‌های فروسیلیسیم استفاده می‌شود به شرح زیر است:
- سنگ آهن با خلوص بالا
- پوسته اکسیدی نورد
- گندله سنک آهن
- براده‌های تراشکاری
- قراضه آهن
روش تولید فروسیلیسیم
در حال حاضر تولید سیلیسم فلزی و فروسیلیسیم در دنیا تنها با استفاده از روش کوره‌های الکتریکی قوس مخفی صورت می‌گیرد. در این روش مواد اولیه ای که قبلاً اشاره شد با دانه بندی مشخص پس از مخلوط شدن توسط لوله‌های بار دهی یا ماشین باردهی به‌طور مداوم به داخل کوره شارژ می‌شوند پس از گذشت زمان معینی که با توجه به توان و جریان الکتریکی مصرفی کوره می‌باشد، بین ۲ تا ۴ ساعت فلز تولید شده از جراهای تخلیه کوره به داخل پاتیل تخلیه شده و به مسیرهای بعدی که ریخته‌گری می‌باشد انتقال می‌یابند. کوره‌های قوس الکتریکی تولید فروآلیاژها از نظر الکتریکی تقریباً مشابه کوره‌های فولاد سازی می‌باشند ولی از نظر ابعاد و طراحی شکل کوره تفاوت‌های زیادی با این نوع کوره‌ها دارند.
سیستم‌های جانبی در کوره‌های قوس الکتریکی
سیستم انتقال مواد
مهمترین موضوع در مکانیزم تولید در هر واحد تولیدی ، انتقال مواد در درون کارخانه به‌طور منظم و براساس معیارهای کنترلی لازم، نیروی انسانی و ویژگی‌های کمی و کیفی آن است.
سیستم انتقال مواد خام
مکانیزم انتقال مواد خام شامل همه فعالیت‌هایی است که منجر به انتقال هدف مند مواد خام از انبار مواد به درون کوره می‌گردد.
انتقال و آماده‌سازی محصول
مکانیزم انتقال و آماده‌سازی محصول شامل همه فعالیت‌هایی است که منجر به تبدیل مذاب گرفته شده از کوره تا محصول آماده برای فروش می‌گردد.
سیستم خنک‌کننده و آب گرد کوره
کوره الکتریکی تولید فروسیلیسیم با ایجاد دمای بیش از۲۰۰۰ درجه سانتی گراد، منبع حرارتی بزرگی است که باعث گرم شدن تجهیزات و تأسیسات مجاور می‌شود. این حرارت چنانچه از تجهیزات دور نشود باعث از بین رفتن یا کاهش عمرآن‌ها می‌گردد. به همین دلیل خنک کردن قسمت‌های مختلف کوره با روش‌های مختلف امری اجتناب ناپذیر است.
سیستم خنک کن کف کوره
علاوه بر سیستم خنک کن آب گرد کوره، برای جلوگیری از افزایش درجه حرات در کف بوته کوره، از سیستم دمش هوا به منظور ایجاد تهویه مناسب برای تبادل حرارتی با محیط، استفاده می‌شود. این امر در کوره‌های بزرگ، بخصوص در فرایندهایی نظیر تولید سیلیسیم که به درجه حرارت‌های بالایی جهت انجام واکنش‌ها نیاز دارد، از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
سیستم خنک کن ترانسفورماتور کوره
از دیگر بخش‌های مهم در سیستم‌های خنک کن مورد استفاده در صنایع کوره‌های قوص الکتریکی، سیستم خنک سازی ترانسفورماتور کوره می‌باشد.
سیستم غبارگیر کوره
فرایند تولید فروسیلیسیم با تولید مقدار زیادی گاز و غبار همراه است که در درجه اول جهت حفظ محیط زیست و همچنین حفظ ارزش‌های اقتصادی غبار، تصفیه گازهای خروجی الزامی است.
تولید فروسیلیسیم در دنیا و ایران
یکی از پیشگامان این تکنولوژی در دنیا شرکت Elkem نوروژ و SmS Demag آلمان می‌باشند که نوروژ در اروپا با بیشترین میزان تولید فروسیلیسیم رتبه نخست را دارد. اما هم‌اکنون کشور چین بالاترین میزان تولید فروسیلیسیم در دنیا را دارد و بعد از آن کشورهای برزیل، روسیه، هند و… می‌باشند. در ایران نیز نخستین کارخانه صنعت فروآلیاژ در سال ۱۳۷۲ با فناوری الکم نوروژ در شهرستان ازنا استان لرستان راه اندازی شد. دومین کارخانه تولید فروسیلیسیم در سمنان و باظرفیت تولید ۲۵۰۰۰ تن در سال کار می‌کند در مجموع کل تولید این دو واحد صنعتی به حدود سالانه ۱۰۰ هزار تن می‌رسد. نزدیک به دو سال است که سومین واحد تولید فروسیلیسیم در شهرستان ملایر استان همدان با ظرفیت ۱۲۰۰۰ هزار تن در سال نیز راه اندازی گردیده‌است. در حال حاضر چند واحد کوچکتر در اشتهارد و کاشان و … نیز به تولید فروسیلیسیم مشغول می‌باشند.
منابع
- Rudolf Fichte, "Ferroalloys", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley-VCH, doi:10.1002/14356007.a10_305
- Materials Science and International Team (2008). Selected Systems from C-Cr-Fe to Co-Fe-S. Springer. p. 22 (Fig. 2 – Phase diagram of the Fe-Si system). doi:10.1007/978-3-540-74196-1_12. ISBN 978-3-540-74193-0. Retrieved 25 December 2011.
- Yuan, W.J. ; Li, R. ; Shen, Q. ; Zhang, L.M. (آوریل ۲۰۰۷). "Characterization of the evaluation of the solid solubility of Si in sintered Fe–Si alloys using DSC technique". Materials Characterization. 58 (4): 376–379. doi:10.1016/j.matchar.2006.06.003. Retrieved 18 April 2018.
- Ramesh Singh (۳ اکتبر ۲۰۱۱). Applied Welding Engineering: Processes, Codes, and Standards. Elsevier. pp. 38–. ISBN 978-0-12-391916-8. Retrieved 2۵ دسامبر ۲۰۱۱
- Candid science: conversations with famous chemists, István Hargittai, Magdolna Hargittai, p. 261, Imperial College Press (2000) ISBN 1-86094-228-8