Кремний-бариевые сплавы получают путем реакции восстановленных соединений бария (например, BaO или BaCO₃) с кремнием (или ферросилицием), используя либо электросиликатный термический метод, либо алюминий-термический метод.
1. термический метод получения кремния (плавка в электродуговой печи)
Применимость: подходит для крупномасштабного промышленного производства, низкая стоимость, но более высокое энергопотребление.
Сырье:
Источник бария: оксид бария (BaO) или карбонат бария (BaCO₃).
Редуцирующий агент: ферросилиций (FeSi75), порошок кремния (Si)
Плавильный агент: известь (CaO, регулирует текучесть шлака)
Технологический процесс:
Смешивание ингредиентов:
Смешайте BaO (или BaCO₃), ферросилиций и известь в соответствии со стехиометрическим соотношением (BaO : Si ≈ 1 : 1).
Восстановление в дуговой печи:
В трехфазной электродуговой печи, нагретой до 1400~1600°C, BaO восстанавливается Si:
BaO+Si→BaSi+SiO2
Железо (Fe) в ферросилиции не участвует в реакции и переходит в сплав (Fe-Ba-Si).
Отделение шлакового золота:
Кремний-бариевый сплав (более плотный) опускается на дно печи, шлак силиката кальция (CaSiO₃) всплывает.
Разливка и дробление:
Жидкий сплав разливается в слитки и после охлаждения дробится на кусковые или гранулированные продукты.
Характеристики:
Продукт содержит около 30%~50% Ba, остальное - Si и небольшое количество Fe.
Необходимо контролировать щелочность шлака (CaO/SiO₂), чтобы повысить степень извлечения бария.
2. термический метод получения алюминия (самораспространяющийся высокотемпературный синтез, СВС)
Применение: подходит для мелкосерийного производства SiBa высокой чистоты, реакция протекает бурно и требует строгого контроля.
Сырье:
Источник бария: BaO или BaCO₃.
Редуцирующий агент: алюминиевый порошок (Al).
Теплогенератор: хлорат калия (KClO₃, вспомогательный экзотермический)
Процесс:
Смешивание ингредиентов:
Смешайте BaO, порошок Al и небольшое количество KClO₃ в соответствии со стехиометрическим соотношением (BaO : Al ≈ 3 : 2).
Реакция прокаливания:
Прожигание в магниевом тигле для начала алюминотермической реакции (выше 2000°C):
3BaO + 2Al → 3Ba + Al2O3 + большое количество тепла.
Образующийся барий (Ba) соединяется с кремнием (Si), образуя сплав BaSi.
Седиментационное разделение:
Жидкий кремний-бариевый сплав опускается на дно, а шлак Al₂O₃ всплывает.
Рафинирование и литье:
Инертный газ (например, Ar) пропускают через сплав для удаления примесей, если необходимо, и отливают слитки.
Характеристики:
Продукт может содержать до 60 % и более Ba, с высокой степенью чистоты.
Реакция протекает бурно, требуются взрывобезопасные меры, подходит для лабораторных исследований или подготовки специальных сплавов.
