JP4997051B2 - 金属状ケイ素の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、珪石を還元することにより金属状ケイ素を製造する方法に関する。

金属状ケイ素は、通常、天然鉱物の珪石（ＳｉＯ_２）を原料とし、これを還元することにより得ている。還元方法としては、例えば、特許文献１および２に記載されているように、シャフト炉やアーク炉において珪石と黒鉛あるいはコークスを主とする炭素源とを混合した後、２０００℃以上に加熱し一定時間この温度に保持する方法が知られている。

しかしながら、上記還元方法では、２０００℃以上という高温が必要であるので、エネルギー消費が莫大なものとなり、また、加熱および降温のために長時間を要する。そのため、より安価で効率的な製造方法を開発することが望まれている。
特開昭５９−２１５１６号公報 特開平４−１１４８５号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、安価でかつ効率的に金属状ケイ素を製造する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、本発明は、珪石（珪砂とも称されるが、いずれの用語を用いたとしても限定的な意義は有していない）を還元することにより金属状ケイ素を製造する方法であって、金属状アルミニウムおよび／または金属状マグネシウムを還元剤とする珪石の自己燃焼還元反応により金属状ケイ素を生成させると共に、該自己燃焼還元反応により生じた熱を利用して、珪石と炭素源とから金属状ケイ素を生成させる反応を開始させ、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であり、炭素源の平均粒径が１００μｍ以下であることを特徴とするものである。

より詳細には、本発明の金属状ケイ素の製造方法は、化学式（１）および／または（２）：
ＳｉＯ_２＋２Ｍｇ→Ｓｉ＋２ＭｇＯ （１）
３ＳｉＯ_２＋４Ａｌ→３Ｓｉ＋２Ａｌ_２Ｏ_３ （２）
に示すような金属状アルミニウムおよび／または金属状マグネシウムを還元剤とする自己燃焼還元反応を生じさせ、その際に発生する熱を利用して、同一反応器内に装填した珪石と炭素源（カーボンまたは炭化ケイ素）との化学式（３）または（４）：
ＳｉＯ_２＋Ｃ→Ｓｉ＋ＣＯ_２ （３）
ＳｉＯ_２＋ＳｉＣ→２Ｓｉ＋ＣＯ_２ （４）
に示すような反応により金属状ケイ素を生成させるものである。

上記の式（１）または（２）により表される自己燃焼還元反応は、金属状のマグネシウムおよび／またはアルミニウムの粉末にトーチ等で着火することにより、瞬間的に開始・進行し、その際に２０００℃以上の高熱が発生し、この高熱は、続く式（３）または（４）によって表される珪石と炭素源との還元反応を進行させるのに十分な熱量となる。

上記の自己燃焼還元反応および珪石と炭素源との反応の両方の反応が終了しても、金属状ケイ素の融点以上の高温が維持されているため、比重差により金属状ケイ素は下方に沈降し、目的物である金属状ケイ素と、上部に残る副生成物（Ｍｇ、Ａｌの酸化物）とは容易に分離することができる。

本発明の方法では、上記反応式から分かるように、熱源を供給する自己燃焼還元反応自体も珪石を還元して金属状ケイ素を生成させ、また、シャフト炉やアーク炉等の高温を発生させる発熱手段が不要であるので、非常に効率的に金属状ケイ素を生成させることができる。

珪石の純度が９０％に満たない場合には、得られた金属状ケイ素に不純物が混入するおそれがあるので、本発明の方法に用いられる珪石には、その純度が９０％以上であるものが用いられる。

また、金属状のマグネシウム、アルミニウムについては、上記反応を完了させるのに必要な理論モル数以上の量が存在すればよく、純度の優劣は反応に影響を及ぼさない。他方で、反応性を高くする点からは、各原料の粒度はより細かい方が望ましいが、アルミニウム、マグネシウムについては微細過ぎると取扱いが難しくなる。以上の点を考慮して、金属状のマグネシウム、アルミニウムは、その平均粒径が５００〜１０００μｍであるものが用いられる。

炭素源としては、黒鉛、コークス等のカーボン類、炭化ケイ素等の金属炭化物が挙げられる。

平均粒径が１００μｍを超える炭素源を用いた場合満足な金属状ケイ素純度を得ることができないおそれがあるため、炭素源としては、その平均粒径が１００μｍ以下のものが用いられる。

なお、本発明の方法により目的物である金属状ケイ素が得られるが、副生成物として得られる酸化物も、耐火物等の窒業用原料として再利用することが可能である。

本発明の方法においては、珪石の自己燃焼還元反応により発生した熱を、珪石と炭素源とから金属状ケイ素を生成させる反応を開始・進行させるのに利用するので、高熱を発生させる炉等を別途設ける必要がなく、しかも、熱源となる自己燃焼還元反応からも金属状ケイ素が得られるため効率的に金属状ケイ素を製造することができる。

本発明の方法によって得られた金属状ケイ素は、製鋼用の脱酸剤もしくは耐火物、ファインセラミックス用原料、さらには太陽電池用ウエハーに適用することができる。

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。

本発明の方法を実施するための反応容器として断熱容器を用いた。

図１は、各原料が装填された反応前の反応容器内の状態を説明する概略図であり、図２は、反応後の反応容器内の状態を説明する概略図である。

（実施例１）
図１に示すように、断熱容器（１）内の中央部に天然の珪石粉末（純度９５％、平均粒径９０μｍ）とカーボン（平均粒径８０μｍ）の混合物（Ｂ）、その周りに天然の珪石粉末（純度９５％、平均粒径９０μｍ）と金属状アルミニウム（平均粒径６００μｍ）の混合物（Ａ）が来るように両混合物を装填した。

両混合物を反応容器に装填した後、トーチで混合物（Ａ）に着火すると、反応器内の周辺部の金属状アルミニウムを還元剤とする珪石の自己燃焼還元反応が瞬間的に開始・進行し、さらに、ここで発生した２０００℃以上の高温により、中央部の珪石と炭素源との反応も進行した。

反応終了後も反応生成物は高温を維持するために、反応容器内において生成した金属状ケイ素は沈降し、図２に示すように、生成した金属状ケイ素（Ｃの領域）の上に副生物の酸化アルミニウム（Ｄの領域）が存在するかたちとなり、これらは容易に分離することができる。

冷却後、得られた生成物を粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）で分析した。

（実施例２）
実施例１の金属アルミニウムを金属マグネシウム（平均粒径３００μｍ）とし、炭素源をカーボンから炭化ケイ素（平均粒径８０μｍ）に変更した他は、実施例１と同様にして実施した。

（実施例３）
実施例１の金属アルミニウムを等モル比の金属アルミニウムおよびマグネシウムの混合物（それぞれ、平均粒径６００μｍ）とし、炭素源をカーボンから炭化ケイ素（平均粒径８０μｍ）に変更した他は、実施例１と同様にして実施した。

（実施例４）
実施例１の炭素源をカーボンから、等モル比のカーボンおよび炭化ケイ素の混合物（それぞれ、平均粒径８０μｍ）に変更した他は、実施例１と同様にして実施した。

（比較例１）
純度が８０％の珪石を用いた他は、実施例１と同様にして実施した。

（比較例２）
平均粒径が１３０μｍの珪石を用いた他は、実施例１と同様にして実施した。

（比較例３）
平均粒径が１２００μｍの金属状アルミニウムを用いた他は、実施例１と同様にした実施した。

（比較例４）
平均粒径が９００μｍの金属状アルミニウムを用い、炭素源として、平均粒径が１４０μｍの炭化ケイ素を用いた他は、実施例１と同様にして実施した。

結果を下記表１に示す。

表１に示す結果から、本発明に相当する実施例１〜４では非常に高純度に金属状ケイ素が得られることが分かった。また、実施例３の結果から、ＡｌとＭｇを同時に使用しても同様の結果が得られ、実施例４の結果から、カーボンと炭化ケイ素を同時に使用しても同様の結果が得られることが分かった。

本発明における珪石の純度、平均粒径等の要件のいずれかを満たさない比較例１〜４では、ＸＲＤの強度が弱く、満足な結果が得られなかった。

各原料が装填された反応前の反応容器内の状態を説明する概略図である。 反応後の反応容器内の状態を説明する概略図である。

符号の説明

１ 断熱容器

Claims (4)

1. 珪石を還元することにより金属状ケイ素を製造する方法であって、
   金属状アルミニウムおよび／または金属状マグネシウムを還元剤とする珪石の自己燃焼還元反応により金属状ケイ素を生成させると共に、該自己燃焼還元反応により生じた熱を利用して、珪石と炭素源とから金属状ケイ素を生成させる反応を開始・進行させ、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であり、炭素源の平均粒径が１００μｍ以下であることを特徴とする金属状ケイ素の製造方法。
2. 前記炭素源は、カーボン類および／または金属炭化物である、請求項１に記載の方法。
3. 前記カーボン類は、黒鉛および／またはコークスである、請求項２に記載の方法。
4. 前記金属炭化物は、炭化ケイ素である、請求項２に記載の方法。

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