كربيد السيليكون الأسود المعدني هو مادة اصطناعية تُنتج في أفران المقاومة الكهربائية عند درجات حرارة تزيد عن 2200 درجة مئوية. موادها الخام الأساسية هي رمل السيليكا عالي الجودة (SiO₂) وفحم الكوك البترولي (C). يتميز بلونه الأسود أو الأزرق الداكن، وبريقه المعدني، ونقائه المنخفض (عادةً حوالي 98.5% SiC) مقارنةً بكربيد السيليكون الأخضر (الذي يُعد أنقى، إذ يحتوي على أكثر من 99% SiC، ويُستخدم في الطحن الدقيق وأشباه الموصلات).
الخصائص الرئيسية
تشمل الخصائص التي تجعله لا غنى عنه في صناعة المعادن والصناعات الأخرى ما يلي:
قوة تحمل درجات الحرارة العالية: تحافظ على بنيتها وقوتها في درجات الحرارة العالية جدًا.
خصائص ترموديناميكية ممتازة:
قابلية الاختزال القوية: عند درجات الحرارة العالية، فإنه يتخلى بسهولة عن الكربون والسيليكون للتفاعل مع الأكسجين والعناصر الأخرى.
التفاعل الطارد للحرارة: تفاعلاته الأكسدة تطلق كمية كبيرة من الحرارة.
موصلية حرارية عالية: تنقل الحرارة بكفاءة.
قدرة جيدة على الكشط: على الرغم من أنها ليست صلبة مثل SiC الأخضر، إلا أنها لا تزال أقوى من معظم المعادن والعديد من المعادن.
الخمول الكيميائي: يقاوم هجوم الأحماض والخبث والمعادن المنصهرة.
التطبيقات والوظائف الأساسية
تعتمد تطبيقات SiC من الدرجة المعدنية بشكل كامل تقريبًا على دورها كمختزل قوي في درجات الحرارة العالية، وعامل سبائك، ومادة مضافة موفرة للطاقة.
1. صناعة الصلب (أكبر التطبيقات)
في أفران القوس الكهربائي (EAF)، وأفران المغرفة، والمسابك، يتم استخدامه كمادة مضافة متعددة الوظائف:
مزيل الأكسدة: مزيل أكسدة أكثر فعالية من الفيروسيليكون التقليدي. يزيل محتوى السيليكون والكربون الأكسجين بقوة من الفولاذ المنصهر، مما يُحسّن نظافة الفولاذ وخصائصه الميكانيكية.
رد فعل:
SiC + O₂ → SiO₂ + CO
معيد الكربنة: وهو مصدر ممتاز للكربون لضبط محتوى الكربون النهائي للفولاذ حسب المواصفات المطلوبة.
موفر للطاقة (عامل تسخين): أكسدة كربيد السيليكون طاردة للحرارة بدرجة عالية. إضافته إلى الفرن أو المغرفة يساعد على رفع درجة حرارة المعدن المنصهر، مما يقلل استهلاك الطاقة الكهربائية اللازمة، ويختصر زمن التسخين.
عامل السبائك: يقوم بإضافة كل من السيليكون والكربون إلى المصهور في وقت واحد، مما يؤدي إلى تعديل التركيب الكيميائي.
2. صب الحديد (المسابك)
في أفران القبة والحث لإنتاج الحديد الزهر:
المُلقِّح/المُهيِّئ المُسبق: تُعزِّز إضافة كربيد السيليكون (SiC) إلى الحديد المُصهور (وهي عملية تُسمى عادةً “التهييء المُسبق للحديد”) تكوين رقائق أو عُقيدات الجرافيت (في الحديد المُطاوع). هذا:
يمنع البرودة: يقلل من تكوين السمنتيت الصلب والهش (كربيد الحديد)، مما يمنع ظهور الحواف “الباردة” التي لا يمكن تشغيلها.
تحسين البنية الدقيقة: مما يؤدي إلى الحصول على بنية جرافيت أكثر تجانسًا ودقة.
تعزيز الخصائص: يزيد من قوة الشد والصلابة والتوصيل الحراري للمنتج النهائي من الحديد الزهر.
3. إنتاج السبائك الحديدية
يُستخدم كعامل اختزال في أفران القوس المغمورة المستخدمة لإنتاج سبائك حديدية مختلفة:
معدن السيليكون والفيروسيليكون: في هذه العمليات، يعتبر SiC منتجًا وسيطًا يلعب دورًا حاسمًا في اختزال السيليكا إلى السيليكون.
سبائك أخرى: يمكن استخدامه أيضًا في إنتاج السيليكون والمنجنيز وغيره من السبائك المعقدة.
4. المواد المضافة المقاومة للحرارة
مع أنه ليس المكون الرئيسي، يُضاف كربيد السيليكون المعدني المسحوق غالبًا إلى المواد المقاومة للحرارة MgO-C (المغنيسيوم والكربون) وAl₂O₃-SiC-C (الألومينا وكربيد السيليكون والكربون) المستخدمة في تبطين أفران ومغارف صناعة الصلب. ومن فوائده:
زيادة مقاومة الخبث: تحسين قدرة المواد المقاومة للحرارة على مقاومة الخبث المسبب للتآكل.
مقاومة الصدمات الحرارية المحسنة: تساعد الطوب على تحمل التغيرات السريعة في درجات الحرارة دون التشقق.
تحسين قوة تحمل درجات الحرارة العالية.
5. تطبيقات أخرى
المواد الكاشطة: تُستخدم في تصنيع أدوات الطحن المُلصقة (مثل عجلات الطحن) والمواد الكاشطة المطلية حيث لا تتطلب نقاءً عاليًا. كما تُستخدم في التنظيف بالتفجير والتلميع.
علم المعادن غير الحديدية: يستخدم كمختزل في صهر بعض المعادن غير الحديدية.