硅铁

硅铁(Ferrosilicon)，属于铁合金，硅化物，硅占15-90%含量。外观为灰白色带有气泡孔洞细粒状固体颗粒，品种众多，按照含硅量划分，如FeSi90(含87%～95%Si)，FeSi 75(含72%～80%Si)，FeSi65(含63%～68%)，FeSi45(含40%～47%Si)，FeSi15(含14%～20%Si)等。根据不同用途对杂质Al、Ca、S、P、C、Mn、Cr等另有规定。
硅和铁的二元相图见下图1。硅和铁组成Fe3Si、Fe5Si3、FeSi、FeSi2等化合物。75硅铁(FeSi 75)熔化温度范围为1300～1330℃，45硅铁(FeSi 45)熔化温度范围为1250～1360℃。

硅铁密度随硅含量增加而减小。利用次特性可以快速测定硅铁的含硅量。
凝固后硅铁中的氢、氧含量与硅含量的关系见下图2。

以上信息由Chemicalbook的luyue编辑整理。1858年谢泼德(Shepard)在陨石中发现成分为87.28%Fe，11.01% Si的金属，并建议起名硅铁。1810年瑞典人贝采利乌斯(J.J.Brezelius)在锻工炉内用铁屑、石英石和松木炭冶炼出含2.2%～9.3%Si的5种硅铁。根据戴维斯(E.J.Davis)和盖特(A. D.Gate)的报导，美国于1872年在格洛比(Globe)钢铁公司的高炉生产6%～16% Si的硅铁。1875年普尔塞尔(A.Pourcel)在泰尔努瓦的高炉内，炼得含10%～18%Si的硅铁。1899年迪夏尔莫(Du Cholmol)在美国威尔逊铝公司的霍尔库姆罗克厂的电炉冶炼出25%～50% Si的硅铁，并获得美国专利。以后由电弧炉取代高炉生产硅铁，并以生产75% Si与50% Si两种硅铁为主。20世纪50年代以前，中国重庆用电炉试生产硅铁，鞍山在400～1200kVA电炉中生产硅铁。1952年抚顺铝厂开始用6000kVA电炉生产75% Si的硅铁。1956年吉林铁合金厂开始用12500kVA电炉生产45% Si的硅铁，以后又生产FeSi 75。

硅铁图片1，含硅量在8.0%至95.0%范围中的硅与铁组成的铁合金，含硅50%左右的硅铁，主要用于冲天炉熔铁时增硅;含硅75%左右的硅铁常用作铸铁的孕育剂和墨化剂、炼钢的脱氧剂和增硅材料;硅和氧之间的化学亲和力很大，很容易化合成二氧化硅，所以硅铁常用于炼钢时作脱氧剂(沉淀脱氧和扩散脱氧)。同时，硅铁还可作为合金元素加入剂，广泛应用于低合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、耐热钢及电工硅钢之中，硅铁在铁合金生产及化学工业中，常用作还原剂。 2，除沸腾钢和半镇静钢外，钢中硅的含量应不小于0.10%。硅在钢中不形成碳化物，而是呈固溶体存在于铁素体和奥氏体中。硅提高钢中固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用极强，但降低钢的韧性和塑性;对钢淬透性的影响中等，但可提高钢的回火稳定性和抗氧化性，故硅铁在炼钢工业中用作合金剂。
3，含硅90%左右的硅铁 主要用于生产低铁合金，还用来生产硅酮和高活性矿物硅酸活化剂;结晶硅用 于非铁基合金和高纯合金的生产，也是电子工业的重要原材料。硅还具有比电阻较大、导热性较差和导磁性较强等特性。钢中含有一定量的硅，能提高钢的导磁率，降低磁滞损耗，减少涡流损失。电工用钢含2%～3%Si，但要求钛、硼含量低。铸铁中添加硅可阻止碳化物的形成，促进石墨的析出和球化，硅镁铁是普遍使用的球化剂。含钡、锆、锶、铋、锰、稀土等的硅铁，在铸铁生产中用作孕育剂。
4，高硅硅铁是铁合金工业中生产低碳铁合金的还原剂。含硅约15%的硅铁粉(粒度<0.2mm)，在重介质选矿中用作增重剂。硅铁的生产设备是埋弧还原电炉。硅铁的含硅量通过铁原料的配加量来控制。生产高纯硅铁除选用纯净的硅石和还原剂外，还要进行炉外精炼以降低合金中的铝、钙、碳等杂质。硅铁生产工艺流程见下图。硅铁含Si≤65%可以用封闭电炉冶炼。Si≥70%的硅铁用敞口电炉或半封闭电炉冶炼。

硅铁的生产工艺流程图冶炼硅铁的原料有硅石、碳质还原剂和铁原料。
1.硅石要求SiO2>97%，Al2O3<1.0%，CaO<0.5%，P2O5<0.03%。硅石在加热过程中不爆裂，软化温度高。冶炼入炉前要经过水洗去除附着的泥土与杂物。
2.碳质还原剂要求碳质还原剂固定碳高，灰分和挥发物低，比电阻高，孔隙度大，化学反应活性好，高温热稳定性好，有一定的机械强度。常用的碳质还原剂有冶金焦、气煤焦、石油焦、烟煤、干馏煤等。用烟煤作部分还原剂，可改善冶炼操作和减少炉况波动。通过多种还原剂的综合搭配，可以提高炉子操作电阻、输入电功率和电效率。(见电碳热法)
3.常用铁原料有两种：(1)钢屑。为普通碳素钢屑，曲卷长度不超过100mm，含铁量应>95%，不能混有合金钢屑、有色金属屑和生铁屑。(2)铁矿石。冶炼75%Si硅铁用铁矿石含Fe≥60%、CaO≤1.0%、SiO2≤10%、P≤0.1%、S≤0.01%，最好用铁精矿球团矿，也可用轧钢氧化铁皮;冶炼Si≤50%的硅铁也可以用硅酸铁矿。冶炼硅铁时，二氧化硅被碳还原首先生成中间产物一氧化硅和碳化硅：
SiO2+C=SiO+CO↑ SiO2+3C=SiC+2CO↑
一氧化硅在高温下呈气体状态。在料层中慢慢上升，与炉料中的碳相互作用生成硅或碳化硅：
SiO+C=Si+CO↑ SiO+2C=SiC+CO↑
一氧化硅也会发生歧化反应，生成硅和二氧化硅：
2SiO=Si+SiO2
在高温下，碳化硅与二氧化硅或一氧化硅反应生成硅：
2SiC+SiO2＝3Si+2CO↑或SiC+SiO=2Si+CO↑
生成的碳化硅，在有铁存在时，可以在较低温度下与铁反应生成硅化铁：
SiC+Fe=FeSi+C
反应产生的硅也溶解于铁中。电工用钢要求纯度较高的硅铁，其中有些元素如Ti、Mn等需要选用纯净的原料，使产品达到要求。而产品中的Al、Ca、C等则靠炉外精炼来解决。硅铁炉外精炼方法有熔渣精炼法、氧气精炼法和氯气挥发法3类。
1.熔渣精炼法：在电炉内熔化石英石、石灰石和白云石得到合成渣。将出炉的硅铁和熔渣在钢包中混合，经炉-包反复倾倒数次后，即可得到含Al<0.01%的硅铁。精炼1t硅铁消耗电能2000～2500kWh。使用含45%～55%SiO2、25%～30%CaO、10%～13%CaF2、8%～10%FeO的合成渣，用量为硅铁重的13%～17%。
2.氧气精炼法：氧气从钢包底部的多孔塞柱吹入熔态硅铁，并在硅铁表面加渣料。
3. 氯气挥发法：往硅铁熔体中吹入氯气使Al、Ca生成氯化物挥发。此法因污染环境严重已不采用。用于炼钢、铸造等遇水易燃物品低毒皮肤-兔 LD50: > 20000 毫克/公斤遇水、酸、碱放出氢气易爆遇水产生可燃氢气库房通风低温干燥; 与含水物品、酸、碱分开存放干粉、干砂