硅铁
矽鐵是含矽的铁合金，矽的重量百分比一般在15–90%，有高比例的鐵矽化物[1]。
製備和反應
[编辑]矽鐵的製備是是鐵存在時，用焦炭還原二氧化硅或沙而製備。典型鐵的來源是鐵廢料或氧化鐵皮。矽含量低於15%的矽鐵是由內層有耐火砖的高爐製成[2]
矽含量更高的矽鐵是用電弧爐製造[2]。市場上常見的矽比例有15%、45%、75%和90%，剩下的是鐵，約有2%是鋁或是鈣。一般會用過量的二氧化硅，以避免碳化硅的生成。在製造過程中，會生成副產物微矽粉。
矽鐵接觸到水時，會慢慢的產生氢氣，此反應在鹼性環境下會加速，可以用在製氫上。硅铁的熔點和密度都會隨矽含量而變化，有兩個接近共晶的區域，一個在Fe2Si附近，另一個則在FeSi2和FeSi3之間。
矽鐵的物理性質[3][4] 矽的质量分数（%） 0 20 35 50 60 80 100 固相線溫度（°C） 1538 1200 1203 1212 1207 1207 1414 液相線溫度（°C） 1538 1212 1410 1220 1230 1360 1414 密度（g/cm3） 7.87 6.76 5.65 5.1 4.27 3.44 2.33
用途
[编辑]硅铁可以提供矽元素，還原金屬的氧化物，製成脫氧鋼以及其他鐵合金，也可以避免碳從熔化的鋼裡流失。錳鐵、鏡鐵、硅化钙等材料也可以用在這樣的應用上[5]。硅铁可以用來製造其他的鐵合金。硅铁也可以用來生產矽、耐蝕、耐高溫的鐵矽合金、电动机和變壓器磁芯中使用的电工钢。在电工钢裡，硅铁的比例約是3–3.5%。
在製造铸铁時，可以加入矽鐵以加速石墨化。電弧焊裡也會用矽鐵作電極的塗層。
硅铁是製造鎂矽鐵（MgFeSi）之類合金（prealloy）的基礎，鎂矽鐵可以用來製造延性鐵。鎂矽鐵含有3–42%的镁，少量的稀土元素。若要控制鑄鐵中的矽含量，也可以加入鎂矽鐵。
鎂矽鐵有助於延性鐵中石墨球的形成，讓延性鐵有柔韌性。和灰鑄鐵裡的片狀石墨不同，延性鐵中的石墨成球狀，因此不容易破裂。
製氫
[编辑]此種製氫法在第一次世界大战起就已經使用。之前使用的製氫和氫純化方式是用蒸汽通過熱鐵上，該製程很難控制[6]。製氫的化學反應用氢氧化钠（NaOH）、矽鐵和水。在此製程中，會用很重鐵制的压力容器，裡面有氫氧化鈉和矽鐵，關閉後再加入控制份量的水，氫氧化鈉溶解後會讓混合物加熱到約200 °F（93 °C），開始反應，會產生硅酸鈉、氫氣和蒸氣[7]。一般認為整體反應如下[2][註 1]：
- 2NaOH + Si + H2O → Na2SiO3 + 2H2
在軍事上也會用矽鐵快速的產生氫氣，填充航空气球。產生器很小，可以用卡車運送，只需要很少的電力，材料穩定，不會燃燒．一直要到混合之後才會產生氫氣[8]。
有一份報告指出，美軍在二十世紀初就已使用此一方式製氫，但約一百年後才有較深入的研究[2]。
腳註
[编辑]- ^ 反應中刻意的省略鐵
參考資料
[编辑]- ^ Rudolf Fichte, Ferroalloys, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley-VCH, 2005, doi:10.1002/14356007.a10_305
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Brack, Paul; Dann, Sandie E.; Wijayantha, K. G. Upul; Adcock, Paul; Foster, Simon. An old solution to a new problem? Hydrogen generation by the reaction of ferrosilicon with aqueous sodium hydroxide solutions. Energy Science & Engineering. November 2015, 3 (6): 535–540. Bibcode:2015EneSE...3..535B. S2CID 54929253. doi:10.1002/ese3.94
（英语）.
- ^ Materials Science and International Team. Selected Systems from C-Cr-Fe to Co-Fe-S. Springer. 2008: 22 (Fig. 2 – Phase diagram of the Fe-Si system) [25 December 2011]. ISBN 978-3-540-74193-0. doi:10.1007/978-3-540-74196-1_12.
- ^ Yuan, W.J.; Li, R.; Shen, Q.; Zhang, L.M. Characterization of the evaluation of the solid solubility of Si in sintered Fe–Si alloys using DSC technique. Materials Characterization. April 2007, 58 (4): 376–379. doi:10.1016/j.matchar.2006.06.003.
- ^ Ramesh Singh. Applied Welding Engineering: Processes, Codes, and Standards. Elsevier. 3 October 2011: 38– [25 December 2011]. ISBN 978-0-12-391916-8.
- ^ Hydrogen for Airships, A.M. Burgess and Cleveland Industrial Archaeology Society
- ^ Candid science: conversations with famous chemists, István Hargittai, Magdolna Hargittai, p. 261, Imperial College Press (2000) ISBN 1-86094-228-8
- ^ Report No 40: The ferrosilicon process for the generation of hydrogen
延伸閱讀
[编辑]- Jorgenson, John D.; Corathers, Lisa A.; Gambogi, Joseph; Kuck, Peter H.; Magyar, Michael J.; Papp, John F.; Shedd, Kim B. Minerals Yearbook 2006: Ferroalloys (PDF). United States Geological Survey. [2009-04-24]. （原始内容 (PDF)存档于2013-08-06）.