4．1．1硅的物理性質(zhì)

    硅是元素周期表中第四主族的第二個(gè)元素，純硅是一種深灰色不透明，有金屬光澤的晶體物貢。它質(zhì)硬而脆，是一種良好的半導(dǎo)體材料。硅的主要物理性質(zhì)如下。

    密度    2．34g／cm。

    熔點(diǎn)    1413℃

    沸點(diǎn)    2613℃

    摩爾熱容(25℃時(shí))    20.5 J／(mo1·K)

    比電阻(25℃時(shí))    21 4000()Ω·cm

1．1．2硅的化學(xué)性質(zhì)

    硅在常溫下很不活潑，但在高溫下很易和氧、硫、氮、鹵素及許多金屬化合成相應(yīng)的化合物。

    (1)二氧化硅。二氧化硅在自然界中有兩種存在形式：a結(jié)晶態(tài)和無(wú)定形態(tài)，結(jié)晶態(tài)二氧化硅主要以簡(jiǎn)單氧化物及復(fù)雜氧化物的形式存在于自然界。冶煉硅鐵使用的硅石，就是以簡(jiǎn)單氧化物形式廣泛存在的結(jié)晶態(tài)二氧化硅。

    結(jié)晶態(tài)二氧化硅根據(jù)晶型的不同，在自然界存在著三種不同的形態(tài)，a石英、鱗石英和方石英，這幾種不同形態(tài)的二氧化硅又各有高溫型和低溫型兩種變體。因而，結(jié)晶態(tài)二氧化硅實(shí)際上有六種不同的晶型，各種不同晶型的存在范圍、轉(zhuǎn)化情況如圖4—1所示。

    在鐵合金的冶煉過(guò)程中，隨著爐內(nèi)溫度逐漸升高，不同晶型的二氧化硅在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，不僅晶型發(fā)生變化，而且晶體的體積也伴隨著發(fā)生變化，特別是a石英轉(zhuǎn)化成鱗石英時(shí)，體積發(fā)生明顯的膨脹，這是硅石在冶煉過(guò)程中發(fā)生爆裂的主要原因。硅石爆裂后顆粒變細(xì)、透氣性降低，這對(duì)硅鐵生產(chǎn)不利，因此要求硅石的抗爆性要好。大電爐爐口溫度高，爆裂嚴(yán)重，所以要求硅石有較好的抗爆性。

    結(jié)晶態(tài)二氧化硅是一種堅(jiān)硬、較脆、難熔的固體，熔點(diǎn)1713。C，沸點(diǎn)2590。C。

    二氧化硅在低溫下比電阻很高，但溫度升高時(shí)，二氧化硅的比電阻急劇降低，比電阻大對(duì)硅鐵冶煉有利。

    二氧化硅是一種很穩(wěn)定的氧化物，化學(xué)性質(zhì)很不活潑。除氫氟酸外，二氧化硅不熔于任何酸。

    (2)一氧化硅。硅與氧在自然界中普遍存在的形式是二氧化硅，但是在一定條件下，例如將

硅和二氧化硅混合物加熱到150C)℃以上，或者將碳和過(guò)量的二氧化硅混合物加熱到大約2000℃時(shí)，可獲得揮發(fā)性很強(qiáng)的氣態(tài)物質(zhì)siO。SiO的揮發(fā)性很強(qiáng)，其蒸汽壓在1890℃時(shí)就可達(dá)到1．01325×105 Pa。siO的高揮發(fā)性，在硅石的還原過(guò)程中起著十分重要的有益作用，它可以促進(jìn)反應(yīng)的加速進(jìn)行。

    圖4—1二氧化硅的晶型轉(zhuǎn)變

    (3)碳化硅。硅與碳可以形成碳化硅，純碳化硅是一種無(wú)色透明、極硬的晶體物質(zhì)。工業(yè)純的碳化硅因含有硅、碳和二氧化硅等物質(zhì)，呈黑或黑綠兩種顏色不同的晶體。碳化硅的活潑性很小，但在高溫時(shí)碳化硅能與某些氧化物或氧化性強(qiáng)的氣體作用而發(fā)生分解，如SiC在高溫下遇到二氧化硅時(shí)，就能按下式反應(yīng)發(fā)生分解：

    Si(：+2Si()2—3Si()+CO

    總的來(lái)說(shuō)，碳化硅的主要特點(diǎn)是穩(wěn)定，難分解，高溫下比電阻小，不溶于合金。siC的產(chǎn)生和積存是硅鐵電爐爐底上漲的主要原因，尤其是小電爐，由于爐內(nèi)溫度較低，破壞碳化硅的反應(yīng)不易進(jìn)行，因此有時(shí)有較多的碳化硅積存在爐底致使?fàn)t底上漲。因此，為了防止?fàn)t底上漲，必須要保持爐膛有較高的溫度。一旦發(fā)生爐底上漲，要盡快洗爐消除siC。

    (4)硅化鐵。硅與鐵可以形成Fe2 Si、Fe5Si3、FeSi、FeSi2等硅化物，它們是硅鐵的主要組分。

圖4—2為硅鐵狀態(tài)圖，由圖可以看出：

    1)硅鐵中的硅主要以FeSi和FeSi2形式存在，特別是FeSi較為穩(wěn)定。

    2)不同成分的硅鐵的熔點(diǎn)也不相同，例如，45％硅鐵為1260℃，75％硅鐵為1340℃，工業(yè)硅熔點(diǎn)為14lO℃左右。一般冶煉溫度比熔點(diǎn)高300℃左右。

    3)在硅鐵相圖中有ξ相存在，成分在ξ相區(qū)附近的硅鐵較易粉化。

    4)硅鐵密度。硅鐵的密度如圖4—3所示，從圖4—3可以看出，硅鐵的密度與硅鐵中含硅量有明顯的簡(jiǎn)單關(guān)系，隨著含硅量的增加，硅鐵的密度逐漸減少。據(jù)此在工廠中常利用密度法來(lái)快速測(cè)定硅含量，以供爐前作為確定合金含硅量的依據(jù)。密度法測(cè)定硅，使用校正后的誤差為1％。對(duì)精確度要求高的分析，可采用重量法，重量法誤差對(duì)45％硅鐵為±O．2％，對(duì)75％硅鐵為±0.25％，對(duì)90％硅鐵為0．3％。

    (5)其他化合物。在1200~1300C以上的溫度，將細(xì)粉狀硅在氮?dú)夥罩屑訜釙r(shí)，能形成極為堅(jiān)固的氮化硅Si3N2。硅與鈣可形成一系列硅化鈣如Ca2Si、CaSi、CaSi2等。