4．1．1硅的物理性质

    硅是元素周期表中第四主族的第二个元素，纯硅是一种深灰色不透明，有金属光泽的晶体物贡。它质硬而脆，是一种良好的半导体材料。硅的主要物理性质如下。

    密度    2．34g／cm。

    熔点    1413℃

    沸点    2613℃

    摩尔热容(25℃时)    20.5 J／(mo1·K)

    比电阻(25℃时)    21 4000()Ω·cm

1．1．2硅的化学性质

    硅在常温下很不活泼，但在高温下很易和氧、硫、氮、卤素及许多金属化合成相应的化合物。

    (1)二氧化硅。二氧化硅在自然界中有两种存在形式：a结晶态和无定形态，结晶态二氧化硅主要以简单氧化物及复杂氧化物的形式存在于自然界。冶炼硅铁使用的硅石，就是以简单氧化物形式广泛存在的结晶态二氧化硅。

    结晶态二氧化硅根据晶型的不同，在自然界存在着三种不同的形态，a石英、鳞石英和方石英，这几种不同形态的二氧化硅又各有高温型和低温型两种变体。因而，结晶态二氧化硅实际上有六种不同的晶型，各种不同晶型的存在范围、转化情况如图4—1所示。

    在铁合金的冶炼过程中，随着炉内温度逐渐升高，不同晶型的二氧化硅在转化过程中，不仅晶型发生变化，而且晶体的体积也伴随着发生变化，特别是a石英转化成鳞石英时，体积发生明显的膨胀，这是硅石在冶炼过程中发生爆裂的主要原因。硅石爆裂后颗粒变细、透气性降低，这对硅铁生产不利，因此要求硅石的抗爆性要好。大电炉炉口温度高，爆裂严重，所以要求硅石有较好的抗爆性。

    结晶态二氧化硅是一种坚硬、较脆、难熔的固体，熔点1713。C，沸点2590。C。

    二氧化硅在低温下比电阻很高，但温度升高时，二氧化硅的比电阻急剧降低，比电阻大对硅铁冶炼有利。

    二氧化硅是一种很稳定的氧化物，化学性质很不活泼。除氢氟酸外，二氧化硅不熔于任何酸。

    (2)一氧化硅。硅与氧在自然界中普遍存在的形式是二氧化硅，但是在一定条件下，例如将

硅和二氧化硅混合物加热到150C)℃以上，或者将碳和过量的二氧化硅混合物加热到大约2000℃时，可获得挥发性很强的气态物质siO。SiO的挥发性很强，其蒸汽压在1890℃时就可达到1．01325×105 Pa。siO的高挥发性，在硅石的还原过程中起着十分重要的有益作用，它可以促进反应的加速进行。

    图4—1二氧化硅的晶型转变

    (3)碳化硅。硅与碳可以形成碳化硅，纯碳化硅是一种无色透明、极硬的晶体物质。工业纯的碳化硅因含有硅、碳和二氧化硅等物质，呈黑或黑绿两种颜色不同的晶体。碳化硅的活泼性很小，但在高温时碳化硅能与某些氧化物或氧化性强的气体作用而发生分解，如SiC在高温下遇到二氧化硅时，就能按下式反应发生分解：

    Si(：+2Si()2—3Si()+CO

    总的来说，碳化硅的主要特点是稳定，难分解，高温下比电阻小，不溶于合金。siC的产生和积存是硅铁电炉炉底上涨的主要原因，尤其是小电炉，由于炉内温度较低，破坏碳化硅的反应不易进行，因此有时有较多的碳化硅积存在炉底致使炉底上涨。因此，为了防止炉底上涨，必须要保持炉膛有较高的温度。一旦发生炉底上涨，要尽快洗炉消除siC。

    (4)硅化铁。硅与铁可以形成Fe2 Si、Fe5Si3、FeSi、FeSi2等硅化物，它们是硅铁的主要组分。

图4—2为硅铁状态图，由图可以看出：

    1)硅铁中的硅主要以FeSi和FeSi2形式存在，特别是FeSi较为稳定。

    2)不同成分的硅铁的熔点也不相同，例如，45％硅铁为1260℃，75％硅铁为1340℃，工业硅熔点为14lO℃左右。一般冶炼温度比熔点高300℃左右。

    3)在硅铁相图中有ξ相存在，成分在ξ相区附近的硅铁较易粉化。

    4)硅铁密度。硅铁的密度如图4—3所示，从图4—3可以看出，硅铁的密度与硅铁中含硅量有明显的简单关系，随着含硅量的增加，硅铁的密度逐渐减少。据此在工厂中常利用密度法来快速测定硅含量，以供炉前作为确定合金含硅量的依据。密度法测定硅，使用校正后的误差为1％。对精确度要求高的分析，可采用重量法，重量法误差对45％硅铁为±O．2％，对75％硅铁为±0.25％，对90％硅铁为0．3％。

    (5)其他化合物。在1200~1300C以上的温度，将细粉状硅在氮气氛中加热时，能形成极为坚固的氮化硅Si3N2。硅与钙可形成一系列硅化钙如Ca2Si、CaSi、CaSi2等。