JP2009084093A

JP2009084093A - スピネルの製造方法および金属状ケイ素の製造方法

Info

Publication number: JP2009084093A
Application number: JP2007253562A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yano; 淳矢野; Masayoshi Kondo; 雅芳近藤
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】余分な工程を必要とせず簡単に製造することができるスピネルの製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、製鋼用の脱酸剤を始め太陽電池、半導体部品等の原料として利用することのできる金属状ケイ素の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本願発明のスピネルまたは金属状ケイ素の製造方法は、２：２：１に従うモル比で、珪石（ＳｉＯ_２）、金属状アルミニウムおよび金属状マグネシウムを反応させることにより、スピネルおよび金属状ケイ素を生成させ、ここで、珪石の純度が９０重量％以上でありかつその平均粒径が１００μｍ以下であり、金属状アルミニウムおよびマグネシウムの平均粒径が５００〜１０００μｍであることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、セメント焼成用キルンの内張り耐火材の原料として用いられるスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）を製造する方法に関する。また、本発明は、製鋼用の脱酸剤を始め太陽電池、半導体部品等の原料として利用することのできる金属状ケイ素（Ｓｉ）を製造する方法に関する。

スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）は、非常に有用な材料であり、代表的には、セメント焼成用キルンの内張り耐火材の原料として使用されることが知られている。

天然鉱物としてのスピネルとしては尖晶石が知られているが、その産出量は少ないので、耐火物等の原料のためには、通常、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）とマグネシア（ＭｇＯ）の混合物を焼成することにより製造したものが用いられる。

しかしながら、このような焼成法の場合、アルミナとマグネシアの反応性が必ずしも十分に高いものではなく、得られた製品中に未反応のアルミナやマグネシアが残留していた。そのため、純度の高いスピネルを得るためには、アルミナおよびマグネシアの双方の融点を超える温度にまで加熱してこれらを溶融状態とし、これにより反応を促進させることにより未反応物の残留を抑えなければならなかった。

スピネルの製造方法として、例えば、特許文献１および２に記載されるようなアルミニウムドロスをアルミニウム源として用いる方法が知られている。

しかしながら、特許文献１の方法では、前処理として水洗等することを必要とし、加熱工程を行う前に複雑な工程を行うことが必要となる。また、特許文献２には、得られたスピネル中にα−Ａｌ_２Ｏ_３が含まれることが記載されており、十分な純度のスピネルを得ることができないことが分かる。

一方、金属状ケイ素の製造方法に関して特許文献３に記載の方法が知られている。この製造方法は、ガラス中のＳｉＯ_２分を、Ａｌを還元剤として還元することにより金属状ケイ素を得るものである。

しかしながら、この製造方法を用いた後に目的物である金属状ケイ素の他に存在するものは、未反応のＳｉＯ_２、Ａｌ、さらにはガラス中のＳｉＯ_２以外の成分であるＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＣａＯ、Ｂ_２Ｏ_３等およびこれらの副反応物であるが、目的物である金属状ケイ素以外のものは、いずれも再利用することができず、産業廃棄物として廃棄せざるを得ず、非効率的である。
特開２００２−２１１９１９号公報特開平７−３３０４００号公報特開２００２−１９３６１２号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、余分な工程を必要とせず簡単に製造することができるスピネルの製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、製鋼用の脱酸剤を始め太陽電池、半導体部品等の原料として利用することのできる金属状ケイ素の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願発明のスピネルの製造方法は、
化学式（１）：
２ＳｉＯ_２＋２Ａｌ＋Ｍｇ→ＭｇＡｌ_２Ｏ_４＋２Ｓｉ（１）
に従うモル比で、珪石（ＳｉＯ_２）、金属状アルミニウムおよび金属状マグネシウムを反応させることにより、スピネルおよび金属状ケイ素を生成させ、ここで、珪石の純度が９０重量％以上でありかつその平均粒径が１００μｍ以下であり、金属状アルミニウムおよびマグネシウムの平均粒径が５００〜１０００μｍであることを特徴とするものである。

また、本発明の金属状ケイ素の製造方法は、化学式（１）：
２ＳｉＯ_２＋２Ａｌ＋Ｍｇ→ＭｇＡｌ_２Ｏ_４＋２Ｓｉ（１）
に従うモル比で、珪石（ＳｉＯ_２）、金属状アルミニウムおよび金属状マグネシウムを反応させることにより、スピネルおよび金属状ケイ素を生成させ、ここで、珪石の純度が９０重量％以上でありかつその平均粒径が１００μｍ以下であり、金属状アルミニウムおよびマグネシウムの平均粒径が５００〜１０００μｍであることを特徴とするものである。

珪石（ＳｉＯ_２）は安定な材料であり、粉末状にて用いられる。なお、珪石粉末は、珪砂と同義語であり、珪砂とも称される。珪石粉末の粒度の平均粒径についての下限値は、微細である方がより望ましいと言えるが微粉砕に要する費用・時間をも勘案して適宜決められる。また、その上限値に関しては、平均粒径が１００μｍ超であると、目的物であるスピネルの他に未反応物（Ａｌ、Ｍｇ、ＳｉＯ_２）や複合酸化物が検出される等、満足することができる純度の生成物を得ることができないので、１００μｍ以下にする必要がある。

一方、他の原料である金属状アルミニウムおよび金属状マグネシウムについては、反応性の点から微細である方が有利であるが、その一方で、活性な金属粉末である点を考慮し、また、その平均粒径が１０００μｍを超えると、目的物であるスピネルの他に未反応物（Ａｌ、Ｍｇ、ＳｉＯ_２）や複合酸化物が検出される等、満足することができる純度の生成物を得ることができないので、その平均粒径は、５００〜１０００μｍの範囲とされる。

また、珪石の純度は、９０％以上であればスピネル、金属状ケイ素ともに十分な純度のものが得られる。

金属状アルミニウムは、試薬として用いられ得る高純度のものを用いてもよいが、アルミニウム精錬で発生するアルミニウムドロスを用いてもよい。その場合には、アルミニウムドロスに含まれるアルミニウムまたはマグネシウムの純度に基づいて、使用されるべきアルミニウムおよびマグネシウムの添加量が計算される。

さらに、上記の各原料を混合して得られる混合粉末を押し固めてペレット状に成形し、これを加熱するようにすればより容易に所望の生成物を得ることができる。

加熱については、誘導加熱を用いることができるが、反応開始に必要なエネルギーを与えればよく、例えば可燃物を混合粉末と接触させ、それにトーチ等で着火することによっても反応は生じ、所望の生成物を得ることができる。

本発明の方法により生成させられたスピネルおよび金属状ケイ素は、あらゆる方法により分離され得る。上記の反応が発熱反応でありまたこの反応が終了した後も、反応生成物は高温を維持するため、比重差により金属状ケイ素が下降し、スピネルが上部に存在する状態になる。この状態において、衝撃等の機械的作用を働かせることで両者を分離・回収するか（機械的作用を利用した分離方法）、または、金属状ケイ素が酸化しない程度の温度（３００℃程度）にこれを再加熱し、その後に急冷し、この急冷により両者の界面にクラックを発生させることによりこれらを分離・回収するか（熱的作用による分離方法）、または、酸により金属状ケイ素を溶解させ、不溶解のスピネルを回収し、また溶解した金属状ケイ素は化学的・冶金的方法で回収する（化学的作用による分離方法）。

本発明のスピネルの製造方法は、簡単な工程によりスピネルを製造することができる。また、本発明の金属状ケイ素の製造方法は、製鋼用の脱酸剤を始め太陽電池、半導体部品等の原料として利用することのできる金属状ケイ素を製造することができる。

以下、本発明について実施例に基づいて具体的に説明する。

（実施例１）
天然の珪石粉末（純度９５％、平均粒径９０μｍ）、金属状アルミニウム（平均粒径６００μｍ）および金属状マグネシウム（平均粒径６００μｍ）を、下記（１）式に従って、そのモル比が２：１：１になるような量に秤量し、乳鉢に加え、混合した。

２ＳｉＯ_２＋２Ａｌ＋Ｍｇ→ＭｇＡｌ_２Ｏ_４＋２Ｓｉ（１）
黒鉛製の容器に上記混合粉末を充填し、誘導加熱炉にて加熱すると、瞬間的に反応が開始し、短時間で反応は完了した。

得られた反応物を粉末X線回折（ＸＲＤ）で分析した。

（実施例２）
金属状アルミニウムの平均粒径および金属状マグネシウムの平均粒径を３００μｍとした以外は、実施例１と同様にして実施した。

（実施例３）
金属状アルミニウム原料としてアルミニウムドロスを用い、その平均粒径が９００μｍであった以外は、実施例１と同様にして実施した。

（比較例１）
珪石の純度を８０％とした以外は、実施例１と同様にして実施した。

（比較例２）
珪石の平均粒径を１３０μｍとした以外は、実施例１と同様にして実施した。

（比較例３）
金属状アルミニウムおよび金属状マグネシウムの平均粒径を１２００μｍとした以外は、実施例１と同様にして実施した。

実施例１〜３により得られた反応混合物を粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析すると、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）と金属状ケイ素のピークを確認することができ、他の副成物のピークは検出されなかった。

比較例１〜３により得られた反応混合物においては、スピネル、金属状ケイ素の他、未反応物および複合酸化物のピークが検出された。

Claims

化学式（１）：
２ＳｉＯ_２＋２Ａｌ＋Ｍｇ→ＭｇＡｌ_２Ｏ_４＋２Ｓｉ（１）
に従うモル比で、珪石（ＳｉＯ_２）、金属状アルミニウムおよび金属状マグネシウムを反応させることにより、スピネルおよび金属状ケイ素を生成させ、ここで、珪石の純度が９０重量％以上でありかつその平均粒径が１００μｍ以下であり、金属状アルミニウムおよびマグネシウムの平均粒径が５００〜１０００μｍであることを特徴とするスピネルの製造方法。
化学式（１）：
２ＳｉＯ_２＋２Ａｌ＋Ｍｇ→ＭｇＡｌ_２Ｏ_４＋２Ｓｉ（１）
に従うモル比で、珪石（ＳｉＯ_２）、金属状アルミニウムおよび金属状マグネシウムを反応させることにより、スピネルおよび金属状ケイ素を生成させ、ここで、珪石の純度が９０重量％以上でありかつその平均粒径が１００μｍ以下であり、金属状アルミニウムおよびマグネシウムの平均粒径が５００〜１０００μｍであることを特徴とする金属状ケイ素の製造方法。
前記金属状アルミニウムが、アルミニウム精錬時に発生するドロスに由来するものである、請求項１に記載の方法。
前記金属状アルミニウムが、アルミニウム精錬時に発生するドロスに由来するものである、請求項２に記載の方法。