فروسیلیس (Ferrosilicon) آمیژانی است از آهن و سیلیسیم (Fe-Si) که در کوره‌های قوس الکتریکی و در گریدهای مختلف از جمله 10% Fe-Si الی 90% Fe-Si تولید می‌گردد که منظور از عدد میزان سیلیسیم موجود در آمیژان می‌باشد، اما گریدهای مورد نیاز صنعت به خصوص صنایع فولاد سازی Fe-Si70 الی Fe-Si75 می‌باشد. از جمله عناصر دیگر که در این آمیژان وجود دارد و جز عناصر ناخواسته می‌باشد می توان از Al, P, S, C, Mn, Cr, Ti نام برد و معمولا اکثر فولادسازها با درصد آلومینیوم زیر 2 درصد درخواست می‌نمایند.
موارد استفاده از فروسیلیس
این آمیژان در صنایع فولاد سازی به عنوان اکسیژان زدا و تنظیم کننده ترکیبات شیمیایی با توجه به گرید فولاد و در زمان تخلیه مذاب از کوره به پاتیل و یا در حین عملیات متالورژی ثانویه استفاده می‌شود. از دیگر موارد استفاده در صنایع چدن سازی به عنوان جوانه زا و یا تولید چدن‌های پر‌سیلیسیم و به صورت فروسیلیکو منیزیم به عنوان عامل نشکن ساز مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین از این محصول در کارخانجات تولید فروسیلیکو منیزیم و فروسیلیکو منگنز نیز استفاده می‌شود.
مواد اولیه مورد نیاز و منابع تولید فروسیلیس
سیلیسیم (Si) عنصری است از گروه چهارم جدول تناوبی با جرم اتمی 28.08 و دومین عنصر بعد از اکسیژن در لایه لیتوسفر زمین. با شبکه کریستالی F.C.C و چگالی 2.3 gr/cm3 و نقطه ذوب 1414 درجه سانتی گراد که به صورت اکسید سیلیسیوم (SiO2) در طبیعت یافت می‌شود.
انواع مواد اولیه مصرفی
در فرآیند تولید فروسیلیسیم مواد اولیه متنوعی استفاده می‌شود ولی به طور کلی می‌توان این مواد را در سه گروه دسته بندی کرد:
- مواد حامل سیلیسیم
- مواد احیا کننده
- مواد حامل آهن
با توجه به اینکه فرآیند تولید فروسیلیس یک فرآیند بدون سرباره می‌باشد، تقریباً تمامی عناصر موجود در مواد اولیه وارد محصول میشوند. بنابراین یکی از مهمترین ویژگی‌هایی که در کلیه مواد مشترک می‌باشد، خلوص بالای مواد می‌باشد. با بالا رفتن ناخالصی‌های موجود در مواد، درصد ناخالصی‌های موجود در محصول از جمله آلومینیوم 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
در کلیه کانی‌ها موجود می‌باشد. تاکنون بیش از SiO2 سیلیسیم در طبیعت معمولاً به صورت اکسید سیلیسیم از دویست نوع کانی مختلف حاوی سیلیس شناسائی شده است ولی مهمترین کانی‌هایی که در فرآیند تولید فروسیلیس مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از:
- کوارتزیت
- کوارتز
کوارتزیت سنگی رسوبی متشکل از دانه‌هاي کوارتز است که در زمینه‌اي از ترکیبات سیلیکاتی قرار دارد. در حالی که کوارتز کانی است فشرده که در بسیاري مناطق یافت می‌شود . کوارتز یا کوارتزیت مورد استفاده در تولید فروسیلیسیم باید داراي ویژگی‌هاي زیر باشد:
- میزان SiO2 موجود در آن حداقل 97 درصد باشد.
- میزان ناخالصی‌های موجود از جمله آلومینا، اکسید کلسیم در حداقل مقدار ممکن و ترجیحاً کمتر از 0.5% باشد.
- میزان P2O5 محتوی کمتر از 0.02 درصد باشد.
- نقطه ذوب بالایی داشته و پس از ذوب نیز کرانروی آن زیاد باشد.
- دارای پایداری حرارتی بالایی باشد.
از میان ویژگی‌هاي فوق پایداري حرارتی و نقطه ذوب از اهمیت زیادي برخوردار است. این موضوع از دو دیدگاه اهمیت دارد اول اینکه از نظر مکانیزم‌هاي کنترلی و تولیدي بهتر است که احیاء کوارتز توسط کربن قبل از ذوب سیلیس صورت پذیرد. چنانچه پایداري حرارتی کوارتز پایین باشد، سیلیس قبل از رسیدن به مناطق پایین کوره ذوب شده و احیاء آن به سختی صورت پذیرفته و درنتیجه امکان وجود کوارتز احیاء نشده و سرباره در محصول حتی با وجود کربن کافی در مخلوط شارژ افزایش می‌یابد. از طرف دیگر چنانچه پایداري حرارتی کم باشد، قطعات کوارتز در داخل کوره خرد شده و درنتیجه تخلخل شارژ را کاهش می‌دهد که از عوامل منفی در پیشرفت واکنش‌هاي احیایی می‌باشد.
حضور ناخالصی‌ها معمولاً موجب کاهش نقطه ذوب کوارتز می‌گردد . اکسید آهن یکی از ناخالصی‌هاي عمده در کاهش پایداري حالت جامد سیلیس محسوب می‌شود و از این نظر در بسیاري از موارد حداکثر مقدار اکسید آهن حدود 0.3 درصد توصیه می‌شود. کوارتز مصرفی در کوره باید قبل از شارژ شستشو و دانه بندي شود. شستشوي کواتز باعث حذف بسیاري از ناخالصی‌ها و همچنین مواد ریز دانه می‌گردد. دانه بندي مناسب براي کوره از یک طرف به ابعاد کوره و از طرف دیگر به مشخصات کوارتز بستگی دارد ولی به طور کلی دانه بندي در محدوده 100-15 میلیمتر توصیه می‌شود.
مواد احیاء کننده
احیاء سیلیس در کوره توسط کربن انجام می‌شود. از مواد کربنی متنوعی در فرآیند تولید فروسیلیس می‌توان استفاده کرد، ولی خواص عمومی مواد مناسب به شرح زیر می‌باشد:
- میزان خاکستر آنها حتی الامکان کم باشد. بالا بودن میزان خاکستر باعث افزایش ناخالصی‌هاي محتوا در محصول می‌گردد.
- استحکام مکانیکی و پایداري حرارتی آنها زیاد بوده تا در حین حمل و نقل، شارژ به کوره و در حین عبور از مناطق مختلف حرارتی خرد نشوند. در غیر این صورت تخلخل شارژ و متعاقب آن قابلیت نفوذ گاز کاهش می‌یابد.
- مقاومت الکتریکی بالایی داشته باشند. هر چه مقاومت الکتریکی مواد احیاء کننده بالاتر باشد، الکترودها در موقعیت پایین تري قرار داشته و بازدهی کوره افزایش می‌یابد.
- داراي قدرت واکنش پذیري زیادي باشند تا به سرعت با گازهاي خروجی از کوره واکنش کرده و از تلفات سیلیسیم جلوگیري شود. هر چه واکنش پذیري یشتر باشد بهتر است.
با توجه به ویژگی‌هاي ذکر شده موادي که در این فرآیند قابل استفاده می‌باشند عبارتند از:
- کک متالورژیکی
- کک نفتی
- کک گازي – کک واره
- زغال سنگ
- زغال قهوه‌اي (لیگنیت)
- آنتراسیت
- زغال چوب
- تراشه چوب
هر یک از این مواد تنها برخی از خواص لازم را دارا می‌باشند و مجموعه ویژگی‌ها در هیچ یک از مواد فوق الذکر به تنهایی وجود ندارد. معمولاً هیچ یک از مواد فوق الذکر به تنهایی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد و هر تولید کننده با توجه به شرایط محلی حداقل دو نوع ماده کربنی را در مخلوط شارژ به کار می‌گیرد. زیرا:
اولا – هیچ یک از مواد کربنی کلیه ویژگی‌هاي مورد نیاز را دارا نمی‌‌باشند .
ثانیا – تولید فروسیلیس با مجموعه‌اي از واکنش‌هاي متفاوت فیزیکی و شیمیایی و در مقاطع مختلف کوره همراه است. به عنوان مثال مقداري از کربن در سطح شارژ و با گاز کند که در این واکنش ویژگی واکنش پذیري کربن بر سایر خواص اولویت داشته، در حالی که مقداري از کربن محتوي در مخلوط شارژ باید با حفظ دانه بندي اولیه و بدون خرد شدن به قسمت‌هاي زیرین کوره رفته و به طور مستقیم با Sio2 واکنش نماید که استحکام مکانیکی و پایداري حرارتی ماده کربنی اهمیت می‌یابد.
در انتخاب مواد کربنی مناسب براي هر کوره و نسبت استفاده از هر یک، علاوه بر پارامترهاي متالورژیکی، باید مسائل اقتصادي و قیمت مواد نیز مورد توجه قرار گیرند. در مقایسه اقتصادي باید قیمت مواد به ازاي هر کیلوگرم کربن ثابت (Carbon Fixed) مبنا محاسبات قرار گیرد.
مواد حامل آهن
قسمتی از آهن مورد نیاز در محصول توسط خاکستر مواد احیاء کننده و هم چنین پوسته الکترود تامین می‌شود. ولی در هر حال براي تامین آهن نیاز به استفاده از مواد حامل آهن در مخلوط شارژ وجود دارد. با توجه به اینکه مواد آهنی حجم کمی از مخلوط شارژ را در برمی‌گیرد، ویژگی‌هاي این مواد در مقایسه با سایر مواد مصرفی در کوره از اهمیت چندانی برخوردار نیست. تنها عاملی که در انتخاب ماده مناسب موثر است ترکیب شیمیایی است که ناخالصی‌هاي موجود باید در حداقل مقدار ممکن و کمتر از پنج درصد باشد میزان فسفر موجود نیز باید کمتر از 0507 باشد. مواد آهنی که معمولاً در کوره‌هاي فروسیلیس استفاده می‌شود به شرح زیر است:
- سنگ آهن با خلوص بالا
- پوسته اکسیدي نورد (پوسته اکسیدي باید عاري از عناصر آلیاژي باشد).
- گندله سنگ آهن
- براده هاي تراشکاري
- قراضه آهن
روش تولید فروسیلیس
به طور کلی فروآلیاژها که آلیاژهاي سیلیسیم نیز از نظر نحوه تولید در این رده بندي قرار می‌گیرد تا قبل از سالهاي 1900 میلادي مانند ذوب کانه‌هاي آهن در بوته‌هاي گرافیتی و در کوره‌هاي زمینی همراه با کک و سایر مواد لازم صورت می‌گرفت. در این کوره‌ها مواد سیلیسی به همراه سنگ آهن و کک به کوره شارژ شده و در اثر سوختن کک، حرارت لازم جهت واکنش‌هاي احیایی تامین می‌شد. با استفاده ازاین روش‌ها تنها محصولاتی که درجه حرارت تولید آنها کمتر از 1400 باشد قابل تولید می‌باشند و فروآلیاژهایی که داراي نقطه ذوب بالا باشند میسر نیست. به همین دلیل عیار فروسیلیس تولیدي با این روش‌ها حاوي حداکثر 27 درصد سیلیس می‌بود که امکان تامین نیاز صنایع با این نوع سیلیسیم وجود ندارد. با ساخته شدن ژنراتورها و ایجاد صنایع تولید نیروي برق، تاریخچه تولید فروآلیاژها تکامل گسترده‌اي یافت.
کلیه عناصري که بخاطر نقطه ذوب و درجه حرارت احیاي بالاي اکسیدهایشان امکان تولید در کوره بلند را نداشتند در یک کار منظم توسط MOISSAN فرانسوي در یک کوره قوس الکتریکی آزمایشگاهی، آزمایش شدند. نتایج آزمایشات این شخص توسط HEROULT به صنعت کشانده شد. در حال حاضر تولید سیلیسیم فلزي و فروسیلیسیم در دنیا تنها با استفاده از روش کوره‌هاي الکتریکی قوس مخفی (Submerged Electric Arc Furnace) صورت می‌گیرد. در این روش مواد اولیه‌اي که قبلاً اشاره شد با دانه بندي مشخص پس از توزین و مخلوط شدن توسط لوله‌هاي باردهی یا ماشین باردهی به طور مداوم به داخل کوره شارژ میشوند.
پس از گذشت زمان معینی که با توجه به توان و جریان الکتریکی مصرفی کوره می‌باشد. بین حدوداً 4-2 ساعت فلز تولید شده از مجراهاي تخلیه کوره به داخل پاتیل تخلیه شده و به مسیرهاي بعدي که ریخته‌گري می‌باشد انتقال می‌یابند. کوره‌هاي قوس الکتریکی تولید فروآلیاژها از نظر الکتریکی تقریباً مشابه کوره‌هاي فولادسازي می‌باشند ولی از نظر ابعاد و طراحی شکل کوره تفاوت‌هاي زیادي با این نوع کوره‌ها دارند. این کوره‌ها داراي تقسیم بندي‌هاي مختلفی هستند.
