کاربید سیلیکون سیاه متالورژیکی یک ماده مصنوعی است که در کورههای مقاومت الکتریکی در دمای بالاتر از 2200 درجه سانتیگراد تولید میشود. مواد اولیه اولیه آن ماسه سیلیسی با کیفیت بالا (SiO₂) و کک نفتی (C) هستند. این ماده با رنگ سیاه یا آبی تیره-سیاه، درخشندگی فلزی و خلوص کمتر (معمولاً حدود 98.5٪ SiC) در مقایسه با همتای خود، کاربید سیلیکون سبز (که خالصتر است، >99٪ SiC، و برای سنگزنی دقیق و نیمههادیها استفاده میشود) مشخص میشود.
ویژگیهای کلیدی
خواصی که آن را در متالورژی و سایر صنایع ضروری میکند عبارتند از:
استحکام در دمای بالا: ساختار و استحکام خود را در دماهای بسیار بالا حفظ میکند.
خواص ترمودینامیکی عالی:
کاهشپذیری قوی: در دماهای بالا، به راحتی کربن و سیلیکون خود را برای واکنش با اکسیژن و سایر عناصر از دست میدهد.
واکنش گرمازا: واکنشهای اکسیداسیون آن مقدار قابل توجهی گرما آزاد میکنند.
رسانایی حرارتی بالا: گرما را به طور مؤثر منتقل میکند.
سایندگی خوب: اگرچه به سختی SiC سبز نیست، اما همچنان از اکثر فلزات و بسیاری از مواد معدنی سختتر است.
بیاثری شیمیایی: در برابر اسیدها، سربارهها و فلزات مذاب مقاومت میکند.
برنامهها و عملکردهای اصلی
کاربردهای SiC با گرید متالورژیکی تقریباً به طور کامل بر اساس نقش آن به عنوان یک احیاکننده قوی در دمای بالا، عامل آلیاژساز و افزودنی صرفهجویی در انرژی است.
۱. فولادسازی (بزرگترین کاربرد)
در کورههای قوس الکتریکی (EAF)، کورههای پاتیلی و ریختهگریها، از آن به عنوان یک افزودنی چند منظوره استفاده میشود:
اکسیدزدا: این ماده، اکسیدزدای کارآمدتری نسبت به فروسیلیکون سنتی است. محتوای سیلیکون و کربن آن به طور موثری اکسیژن را از فولاد مذاب حذف میکند و باعث بهبود تمیزی و خواص مکانیکی فولاد میشود.
واکنش:
SiC + O₂ → SiO₂ + CO
کربنزدایی: منبع عالی کربن برای تنظیم محتوای کربن نهایی فولاد به مشخصات مورد نظر است.
صرفهجویی در مصرف انرژی (عامل گرمایش): اکسیداسیون SiC بسیار گرمازا است. افزودن آن به کوره یا پاتیل به افزایش دمای فلز مذاب کمک میکند، انرژی الکتریکی ورودی مورد نیاز را کاهش میدهد و زمانهای ذوب را کوتاه میکند.
عامل آلیاژساز: این عامل همزمان سیلیکون و کربن را به مذاب اضافه میکند و ترکیب شیمیایی را تنظیم میکند.
۲. ریختهگری آهن (ریختهگری)
در کورههای کوپلا و القایی برای تولید چدن:
تلقیح کننده / پیش آماده ساز: افزودن SiC به آهن مذاب (فرآیندی که اغلب “پیش آماده سازی آهن” نامیده می شود) تشکیل پوسته ها یا گره های گرافیتی (در چدن داکتیل) را افزایش می دهد. این:
جلوگیری از سرمازدگی: تشکیل سمنتیت سخت و شکننده (کاربید آهن) را کاهش میدهد و از لبههای “سرد شده” که غیرقابل ماشینکاری هستند، جلوگیری میکند.
بهبود ریزساختار: منجر به ساختار گرافیتی یکنواختتر و اصلاحشدهتر میشود.
بهبود خواص: استحکام کششی، سختی و رسانایی حرارتی محصول نهایی چدن را افزایش میدهد.
۳. تولید فروآلیاژها
این ماده به عنوان عامل کاهنده در کورههای قوس الکتریکی غوطهور که برای تولید فروآلیاژهای مختلف استفاده میشوند، عمل میکند:
فلز سیلیکون و فروسیلیکون: در این فرآیندها، SiC یک محصول واسطه است که نقش مهمی در کاهش سیلیس به سیلیکون ایفا میکند.
سایر آلیاژها: همچنین میتوان از آن در تولید سیلیکو منگنز و سایر آلیاژهای پیچیده استفاده کرد.
۴. افزودنیهای نسوز
اگرچه SiC با گرید متالورژیکی خرد شده، ماده اصلی نیست، اما اغلب به دیرگدازهای MgO-C (منیزیم-کربن) و Al₂O₃-SiC-C (آلومینا-کاربید سیلیکون-کربن) که برای پوشش کورهها و پاتیلهای فولادسازی استفاده میشوند، اضافه میشود. مزایای آن عبارتند از:
افزایش مقاومت در برابر سرباره: توانایی نسوز را در برابر سربارههای خورنده بهبود میبخشد.
مقاومت در برابر شوک حرارتی افزایش یافته: به آجر کمک میکند تا در برابر تغییرات سریع دما بدون ترک خوردن مقاومت کند.
استحکام بهبود یافته در دمای بالا.
۵. سایر کاربردها
مواد ساینده: برای ساخت ابزارهای سنگزنی چسبی (مانند چرخهای سنگزنی) و مواد ساینده پوششدار که در آنها خلوص بسیار بالا مورد نیاز نیست. همچنین برای تمیزکاری انفجاری و صیقلکاری سطحی استفاده میشود.
متالورژی غیرآهنی: به عنوان یک عامل کاهنده در ذوب برخی از فلزات غیرآهنی استفاده میشود.