4．1．1硅的物理性質

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

    密度    2．34g／cm。

    熔點    1413℃

    沸點    2613℃

    摩爾熱容(25℃時)    20.5 J／(mo1·K)

    比電阻(25℃時)    21 4000()Ω·cm

1．1．2硅的化學性質

    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結晶態和無定形態，結晶態二氧化硅主要以簡單氧化物及復雜氧化物的形式存在于自然界。冶煉硅鐵使用的硅石，就是以簡單氧化物形式廣泛存在的結晶態二氧化硅。

    結晶態二氧化硅根據晶型的不同，在自然界存在著三種不同的形態，a石英、鱗石英和方石英，這幾種不同形態的二氧化硅又各有高溫型和低溫型兩種變體。因而，結晶態二氧化硅實際上有六種不同的晶型，各種不同晶型的存在范圍、轉化情況如圖4—1所示。

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

    結晶態二氧化硅是一種堅硬、較脆、難熔的固體，熔點1713。C，沸點2590。C。

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

    二氧化硅是一種很穩定的氧化物，化學性質很不活潑。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，或者將碳和過量的二氧化硅混合物加熱到大約2000℃時，可獲得揮發性很強的氣態物質siO。SiO的揮發性很強，其蒸汽壓在1890℃時就可達到1．01325×105 Pa。siO的高揮發性，在硅石的還原過程中起著十分重要的有益作用，它可以促進反應的加速進行。

    圖4—1二氧化硅的晶型轉變

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

    Si(：+2Si()2—3Si()+CO

    總的來說，碳化硅的主要特點是穩定，難分解，高溫下比電阻小，不溶于合金。siC的產生和積存是硅鐵電爐爐底上漲的主要原因，尤其是小電爐，由于爐內溫度較低，破壞碳化硅的反應不易進行，因此有時有較多的碳化硅積存在爐底致使爐底上漲。因此，為了防止爐底上漲，必須要保持爐膛有較高的溫度。一旦發生爐底上漲，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較為穩定。

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

    3)在硅鐵相圖中有ξ相存在，成分在ξ相區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單關系，隨著含硅量的增加，硅鐵的密度逐漸減少。據此在工廠中常利用密度法來快速測定硅含量，以供爐前作為確定合金含硅量的依據。密度法測定硅，使用校正后的誤差為1％。對精確度要求高的分析，可采用重量法，重量法誤差對45％硅鐵為±O．2％，對75％硅鐵為±0.25％，對90％硅鐵為0．3％。

    (5)其他化合物。在1200~1300C以上的溫度，將細粉狀硅在氮氣氛中加熱時，能形成極為堅固的氮化硅Si3N2。硅與鈣可形成一系列硅化鈣如Ca2Si、CaSi、CaSi2等。