Основные физико-химические свойства кремния

Кремний имеет следующие основные свойства: относительная атомная масса – 28,06; плотность – 2400 кг/м³; температура плавления – 1414^оС; температура кипения – 2287^оС; теплота плавления – 39,76 кДж/моль.

Согласно данным Дж. Чипмана с сотрудниками при образовании 1% раствора кремния в железе по реакции

Согласно уравнению (12.2) растворение кремния в железе является сильной экзотермической реакцией. По этой причине легирование стали кремнием может сопровождаться значительным повышением температуры металла.

Высокий тепловой эффект реакции (12.1) свидетельствует о наличии сильного взаимодействия между атомами железа и кремния. Анализ диаграммы состояния системы железо-кремний показывает, что кремний образует с железом несколько химических соединений типа силицидов – Fe₃Si₂, FeSi и FeSi₅. Наиболее устойчивым из них является силицид FeSi, который содержит 33,3% кремния и имеет температуру плавления 1410^оС. При образовании силицида FeSi по реакции

при 1600^оС  H = – 119,4 кДж/моль. Тепловой эффект реакции (12.3) практически не отличается от теплового эффекта реакции растворения кремния в железе. По этой причине наиболее вероятной формой существования кремния в расплавах железа принято считать группировки атомов близкие по составу к химическому соединению FeSi.

Наиболее устойчивым кислородным соединением кремния в сталеплавильных ваннах является SiO₂, температура плавления которого равна 1710^оС.

Общая термодинамическая характеристика реакции окисления кремния

Основными реакциями, определяющими поведение кремния в сталеплавильных ваннах, являются

Согласно данным А.Д. Крамарова для реакции (12.1)

Для реакции (12.2)

Из приведенных данных видно, что реакции (12.1) и (12.2) являются сильными экзотермическими реакциями. Следовательно, протеканию этих реакций в направлении образования SiO₂ способствуют низкие температуры начального периода плавки, высокая активность (FeO) и растворенного в металле кислорода, а также низкая активность (SiO₂). Высокие температуры заключительного периода плавки в сочетании с низкой окисленностью ванны и высокой активностью (SiO₂) способствуют протеканию реакций в направлении восстановления кремния.

Расчеты показывают, что при 1600^оС константы равновесия реакций (12.1) и (12.2) равняются соответственно 1,32•10³ и 3,57•10⁴. Высокие значения констант равновесия реакций свидетельствуют о том, что в условиях сталеплавильных процессов реакции (12.1) и (12.2) протекают в направлении образования кремнезема даже при относительно малой окисленности ванны и высокой активности (SiO₂).

Кремнезем является сильным кислотным оксидом. Поэтому полнота протекания реакций окисления кремния во многом зависит от химического состава шлака, под которым проводится плавка.

В основных процессах кремнезем, взаимодействуя с компонентами шлака, образует устойчивые соединения. Предполагается, что в начальном периоде плавки преимущественно образуются силикаты железа 2FeO*SiO₂ и кальция CaO*SiO₂. В заключительном периоде плавки при высокой основности шлака возможно образование ортосиликата кальция 2CaO*SiO₂. В результате протекания этих реакций активность кремнезема в основных сталеплавильных шлаках является очень низкой даже при высоких его концентрациях. Поэтому в основных сталеплавильных процессах кремний по ходу плавки окисляется практически полностью.

Активность кремнезема в шлаках кислых сталеплавильных процессов значительно выше. В этих условиях концентрация кремния в металле по ходу плавки несколько выше, а при высоких температурах заключительного периода плавки возможно восстановление значительного количества кремния из шлака.