Il carburo di silicio nero di grado metallurgico è un materiale sintetico prodotto in forni a resistenza elettrica a temperature superiori a 2200 °C. Le sue materie prime principali sono sabbia silicea di alta qualità (SiO₂) e coke di petrolio (C). È caratterizzato dal colore nero o blu-nero scuro, dalla lucentezza metallica e da una purezza inferiore (tipicamente intorno al 98,5% di SiC) rispetto alla sua controparte, il carburo di silicio verde (che è più puro, >99% di SiC, e utilizzato per la rettifica di precisione e per i semiconduttori).
Proprietà chiave
Le proprietà che lo rendono indispensabile nella metallurgia e in altri settori industriali includono:
Resistenza alle alte temperature: mantiene la sua struttura e resistenza anche a temperature molto elevate.
Eccellenti proprietà termodinamiche:
Forte riducibilità: ad alte temperature, cede facilmente carbonio e silicio per reagire con l’ossigeno e altri elementi.
Reazione esotermica: le sue reazioni di ossidazione rilasciano una notevole quantità di calore.
Elevata conduttività termica: trasferisce efficacemente il calore.
Buona abrasività: sebbene non sia duro come il SiC verde, è comunque più duro della maggior parte dei metalli e di molti minerali.
Inerzia chimica: resiste all’attacco di acidi, scorie e metalli fusi.
Applicazioni e funzioni principali
Le applicazioni del SiC di grado metallurgico si basano quasi esclusivamente sul suo ruolo di potente riducente ad alta temperatura, agente di lega e additivo per il risparmio energetico.
1. Produzione di acciaio (applicazione più ampia)
Nei forni ad arco elettrico (EAF), nei forni siviera e nelle fonderie, viene utilizzato come additivo multifunzionale:
Disossidante: è un disossidante più efficiente del ferrosilicio tradizionale. Il contenuto di silicio e carbonio rimuove in modo aggressivo l’ossigeno dall’acciaio fuso, migliorandone la pulizia e le proprietà meccaniche.
Reazione:
SiC + O₂ → SiO₂ + CO
Ricarburante: è un’eccellente fonte di carbonio per adattare il contenuto finale di carbonio dell’acciaio alle specifiche desiderate.
Risparmio energetico (agente riscaldante): l’ossidazione del SiC è altamente esotermica. L’aggiunta di questo agente al forno o alla siviera contribuisce ad aumentare la temperatura del metallo fuso, riducendo l’apporto di energia elettrica richiesto e i tempi di colata.
Agente di lega: aggiunge simultaneamente silicio e carbonio alla massa fusa, regolandone la composizione chimica.
2. Fusione di ghisa (Fonderie)
Nei forni a cubilotto e a induzione per la produzione di ghisa:
Inoculante/Precondizionatore: l’aggiunta di SiC alla ghisa fusa (un processo spesso chiamato “precondizionamento della ghisa”) favorisce la formazione di scaglie o noduli di grafite (nella ghisa duttile). Questo:
Previene il raffreddamento: riduce la formazione di cementite (carburo di ferro) dura e fragile, prevenendo la formazione di bordi “raffreddati” che non sono lavorabili.
Migliora la microstruttura: si ottiene una struttura della grafite più uniforme e raffinata.
Migliora le proprietà: aumenta la resistenza alla trazione, la durezza e la conduttività termica del prodotto finale in ghisa.
3. Produzione di ferroleghe
Serve come agente riducente nei forni ad arco sommerso utilizzati per produrre varie ferroleghe:
Silicio metallico e ferrosilicio: in questi processi, il SiC è un prodotto intermedio che svolge un ruolo cruciale nella riduzione della silice in silicio.
Altre leghe: può essere utilizzato anche nella produzione di silicomanganese e altre leghe complesse.
4. Additivi refrattari
Sebbene non sia l’ingrediente principale, il SiC frantumato di grado metallurgico viene spesso aggiunto ai refrattari MgO-C (magnesia-carbonio) e Al₂O₃-SiC-C (allumina-carburo di silicio-carbonio) utilizzati per rivestire forni e siviere per la produzione di acciaio. I suoi vantaggi includono:
Maggiore resistenza alle scorie: migliora la capacità del refrattario di resistere alle scorie corrosive.
Maggiore resistenza agli shock termici: aiuta il mattone a resistere a rapidi sbalzi di temperatura senza rompersi.
Resistenza alle alte temperature migliorata.
5. Altre applicazioni
Abrasivi: per la produzione di utensili abrasivi legati (come mole abrasive) e abrasivi flessibili dove non è richiesta una purezza estremamente elevata. Viene utilizzato anche per la sabbiatura e la lappatura.
Metallurgia non ferrosa: utilizzato come agente riducente nella fusione di alcuni metalli non ferrosi.