JP6489807B2 - 電気抵抗炉及びこれを用いた炭化珪素の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気抵抗炉及びこれを用いた炭化珪素の製造方法に関する。

従来から、電気抵抗炉の前後壁にそれぞれ取付られた電極間をグラファイトなどの炭素質粉末からなる棒状発熱体で接続した電気抵抗炉（アチソン炉）により、炉内の棒状発熱体の周りに充填した珪素を含む珪酸質原料と炭素を含む炭素質原料を混合した混合物を高温で反応させて、炭化珪素の塊状物を製造する、アチソン法と呼ばれる製造方法が知られている。

この製造方法によれば、棒状発熱体の外周に生成される炭化珪素の塊状物は、通電時間の経過に伴い成長する。

特許文献１には、グラファイトなど、融点が２４００℃を超える材質からなる壁を炉内に設置し、これら壁間にコークスと珪砂との混合物を充填して、これら混合物のほぼ全てを反応させて炭化珪素を製造することが記載されている。この製造方法によれば、原料の無駄は減少する。

特開昭５８−２１７４１５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の製造方法によれば、融点が２４００℃を超える材質から壁がなるので、壁の製造コストが高くなるという問題が生じる。

本発明は、炉の製造コストの上昇を抑え、且つ、原料の無駄を抑えることを図ることが可能な電気抵抗炉、及び炭化珪素の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の電気抵抗炉は、底壁、前記底壁の前後端部にそれぞれ形成された前後壁、並びに前記底壁の左右方向端部に形成され前記前後壁の間に形成された側壁からなる炉本体と、前記前後壁にそれぞれ取り付けられた電極とを備えた電気抵抗炉であって、少なくとも、前記電極同士を結ぶ直線を中心線とし、前記底壁又は前記側壁の内側面の何れか近い面の内側面と外周面が接する円筒形領域の外側と前記炉本体との間の領域に、耐熱温度が１５００℃以上の高耐火性部材を備える。

本発明の電気抵抗炉によれば、少なくとも、電極同士を結ぶ直線を中心線とし、底壁又は側壁の内側面の何れか近い面の内側面と外周面が接する円筒形領域の外側と前記炉本体との間の領域に、耐熱温度が１５００℃以上の高耐火性部材を備える。そのため、電極間を接続する発熱体の周りに略同心円状に成長する焼成物の外側に位置する炉本体内の空間に高耐火性部材が存在する。

よって、高耐火性部材が存在する部分に原料を充填する必要がないので、原料の使用量の削減を図ることが可能となる。そして、このように原料の使用量が削減されるので、加熱される原料が減少し、炉内の保温性の向上を図ることが可能となる。

また、高耐火性部材に接するまで焼成物を成長させることが可能となり、炉本体に接しないように十分な余裕を持って焼成物の成長を停止していた場合と比較して、十分に大きさの焼成物を得ることが可能となる。

また、高耐火性部材は、上記特許文献１に記載の壁のように融点が２４００℃を超える材質からなるものでなく、焼成物が炭化珪素である場合には耐熱温度が１５００℃以上であればよい。よって、高耐火性部材、ひいては電気抵抗炉の安価化を図ることが可能となる。

本発明の電気抵抗炉において、前記高耐火性部材はブロック状であり、前記底壁の上に積み重ねて構成されている。

これにより、ブロック状の市販品から構成可能であるので、高耐火性部材を安価に構成することが可能となる。

また、本発明の電気抵抗炉において、前記高耐火性部材の前後方向断面の内側はＵ字形状であり、前記底壁の上に設置されて構成されていることが好ましい。

この場合、混合材料の使用量の削減及び炉内の保温性の向上をより図ることが可能となる。

本発明の炭化珪素の製造方法は、底壁、前記底壁の前後端部に形成されたそれぞれ前壁及び後壁、並びに前記底壁の左右方向端部に形成され前記前壁と後壁との間に形成された側壁からなる炉本体と、前記前壁と前記後壁にそれぞれ取り付けられた電極とを備え、前記電極同士を結ぶ直線を中心線とし、前記底壁又は前記側壁の内側面のうち近い内側面と外周面が接する円筒形と前記底壁及び前記側壁との間に、耐熱温度が１５００℃以上の高耐火性部材が存在し、前記高耐火性部材はブロック状であり、前記底壁の上に積み重ねて構成されている電気抵抗炉を用いて、炭素質粉末からなる棒状発熱体によって前記電極間を接続する工程と、珪素を含む珪酸質原料及び炭素を含む炭素質原料からなる混合原料を前記棒状発熱体の周りを取り囲むように前記炉本体内に充填する工程と、前記電極間を通電し、前記棒状発熱体を加熱して、炭化珪素の塊状物を製造することを特徴とする。

本発明の炭化珪素の製造方法によれば、少なくとも、電極同士を結ぶ直線を中心線とし、底壁又は側壁の内側面の何れか近い面の内側面と外周面が接する円筒形領域の外側と前記炉本体との間の領域に、耐熱温度が１５００℃以上の高耐火性部材を備えた電気抵抗炉を用いる。そのため、電極間を接続する発熱体の周りに略同心円状に成長する炭化珪素の塊状物の外側に位置する炉本体内の空間に高耐火性部材が存在する。

そのため、この部分に混合原料を充填する必要がないので、混合原料の使用量の削減を図ることが可能となる。そして、このように混合原料の使用量が削減されるので、加熱される混合原料が減少するので、炉内の保温性の向上を図ることが可能となる。

また、高耐火性部材に接するまで炭化珪素の塊状物を成長させることが可能となり、炉本体に接しないように十分な余裕を持って炭化珪素の塊状物の成長を停止していた場合と比較して、十分な大きさの炭化珪素の塊状物を得ることが可能となる。

また、高耐火性部材は、上記特許文献１に記載の壁のように融点が２４００℃を超える材質からなるものでなく、耐熱温度が１５００℃以上であればよい。よって、高耐火性部材、ひいては電気抵抗炉の安価化を図ることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る電気抵抗炉の横断面図。 本発明の第１の実施形態に係る電気抵抗炉の縦断面図を示し、（ａ）は原料投入前、（ｂ）は原料投入後、（ｃ）は炭化珪素の塊状物の製造後の状態をそれぞれ示す。 本発明の第２の実施形態に係る電気抵抗炉の横断面図。 本発明の第２の実施形態に係る電気抵抗炉の縦断面図を示し、（ａ）は原料投入前、（ｂ）は原料投入後、（ｃ）は炭化珪素の塊状物の製造後の状態をそれぞれ示す。 本発明の別の実施形態に係る電気抵抗炉の縦断面図。 実施例２に係る高耐火性プレートの側面図。

以下、本発明の第１の実施形態に係る電気抵抗炉１０について図１及び図２（ａ）を参照して説明する。

電気抵抗炉１０は、全体として上方が開放された箱状の炉本体１１と、図１の炉本体１１の左右方向（図２の前後方向）の端部にそれぞれ配置された電極１２と、炉本体１１の内側に配置された高耐火性部材１３とを備えている。

炉本体１１は、底壁１１ａ、底壁１１ａの前後端部にそれぞれ形成された前後壁１１ｂ、並びに底壁１１ａの左右方向端部に形成され前後壁１１ｂの間に形成された側壁１１ｃからなる。炉本体１１は、ここでは、縦断面が矩形状であり全体とし上面が開放された直方体形状であるが、縦断面が台形状、又は全体として舟形形状などであってもよい。炉本体１１は、ここでは、耐火温度が１４００℃程度の直方体形状の耐火煉瓦１４を積み重ねることによって構成されている。なお、炉本体１１は、底壁１１ａを一枚又は複数枚の板状体から構成するなど、その構成は限定されない。

電極１２は、炉本体１１の前後壁１１ｂにそれぞれ固定され、その一端が炉本体１１の内側に露出している。

高耐火性部材１３は、炉本体１１を構成する部材、ここでは耐火煉瓦１４よりも耐火温度が高い部材である。高耐火性部材１３の耐火温度は、１５００℃以上、より好ましくは１６００℃以上である。高耐火性部材１３の材質の主成分は、ここでは酸化アルミニウムであるが、ムライト、ジルコニア、カルシア、スピネル、炭化珪素などであってもよい。高耐火性部材１３の材質は、焼成物である炭化珪素の塊状物Ｃ（図２（ｃ）参照）に不純物が含有されないように、高純度であることが好ましい。

高耐火性部材１３は、ここでは、直方体形状の高耐火性ブロック１５を、炉本体１１の内側に積み重ねることによって構成されている。このように高耐火性ブロック１５から構成されるので、高耐火性部材１３を市販物から構成でき、安価となる。

高耐火性部材１３は、少なくとも、電極１２同士を結ぶ直線Ｌを中心線とし、炉本体１１の底壁１１ａ又は側壁１１ｃの内側面のうち近い内側面と外周面が接するような半径Ｒを有する円筒形領域Ｐの外側と底壁１１ａ及び側壁１１ｃとの間に、少なくとも存在している。ここでは、円筒形領域Ｐは炉本体１１の底壁１１ａの内側面と外周面が接しているが、円筒形領域Ｐの外周面が底壁１１ａとは接触も交差もせずに側壁１１ｃの内側面と接していてもよい。

高耐火性部材１３は、ここでは、電極１２同士を結ぶ直線Ｌから所定の上下範囲内に位置する水平な直線Ｌ１を中心とした所定の半径Ｒ１を有する円筒形領域Ｐの外側と炉本体１１の内側との間に配置されている。直線Ｌから所定の上下範囲内に位置する水平な直線Ｌ１とは、後述する棒状発熱体Ｂの中心線と炭化珪素の塊状物Ｃの中心線との間の上限範囲内に位置する直線であり、適宜定めればよい。所定の半径Ｒ１は、底壁１１ａの上に少なくとも１段の高耐火性ブロック１５が積まれ、且つ、側壁１１ｃの内側に少なくとも１段の高耐火性ブロック１５が積まれるように定めればよい。

また、高耐火性部材１３は、前後壁１１ｂの内側にも積まれていてもよく、この場合、電極１２はその一端が高耐火性部材１３の内側に露出している。

以下、電気抵抗炉１０を用いた炭化珪素の製造方法について説明する。

まず、図２（ｂ）を参照して、炉本体１１の上下方向半分程度、すなわち電極１２が位置する高さ程度にまで、珪素を含む珪酸質原料及び炭素を含む炭素質原料からなる混合原料Ａを充填する。珪酸質原料は、例えば天然の硅砂及び珪石粉、人造の珪石粉、シリカフューム、非晶質シリカ、並びにこれらを混合物からなる粉末である。炭素質原料は、例えば石油コークス、石炭ピッチ、カーボンブラック、各種の有機樹脂、及びこれらの混合物からなる粉末である。

そして、電極１２間を接続するように、黒鉛などの炭素質粉末を密実に充填し、棒状発熱体Ｂを形成する。棒状発熱体Ｂは、ここでは、円柱状であるが、角柱状などであってもよい。

さらに、この棒状発熱体Ｂ及び露出した混合原料Ａの上の炉本体１１内に混合原料Ａを充填する。

その後、電極１２間を通電して棒状発熱体Ｂを通電発熱させ、棒状発熱体Ｂが１６００℃〜３０００℃、より好ましくは１６００℃〜２５００℃となるように加熱する。これにより、棒状発熱体Ｂの周囲で順次直接還元反応が起こり、炭化珪素の塊状物Ｃが生成され、棒状発熱体Ｂを中心として略同心円状に成長する。好ましくは、高耐火性部材１３に接するまで炭化珪素の塊状物Ｃを成長させる。

このように、炭化珪素の塊状物Ｃは、棒状発熱体Ｂを中心として略同心円状に成長するが、炭化珪素の塊状物Ｃの周りに残存する混合原料Ａは無駄になる。

従来のように高耐火性部材１３を配置しない場合には、耐火温度が低い炉本体１１に接するまで炭化珪素の塊状物Ｃを成長させると、炉本体１１が損傷する。そのため、炉本体１１に接するまで余裕を持った限度で、炭化珪素の塊状物Ｃを成長させていた。よって、炉本体１１の下の左右隅部など、炭化珪素の塊状物Ｃの周りに存在する混合原料Ａは、反応することなく無駄になると同時に、加熱されて熱が無駄になり炉全体としての保温性が劣る要因となっていた。

一方、本実施形態の電気抵抗炉１０によれば、高耐火性部材１３を配置しており、高耐火性部材１３に接するまで炭化珪素の塊状物Ｃを成長させることができる。そして、高耐火性部材１３の部分に存在していた混合原料Ａを減らすことができ、原料の無駄の削減及び保温性の向上を図ることが可能となる。

また、高耐火性部材１３は、上記特許文献１に記載の壁のように融点が２４００℃を超える材質からなるものでなく、耐熱温度が１５００℃以上であればよい。よって、高耐火性部材１３、ひいては電気抵抗炉１０の安価化を図ることが可能となる。

以下、本発明の第２の実施形態に係る電気抵抗炉２０について図３及び図４（ａ）を参照して説明する。

電気抵抗炉２０は、前記電気抵抗炉１０と同じ炉本体１１及び電極１２と、炉本体１１の内側に配置された高耐火性部材２３とから構成されている。

高耐火性部材２３は、炉本体１１を構成する部材、ここでは耐火煉瓦１４よりも耐火温度が高い部材である。高耐火性部材２３の耐火温度は、１５００℃以上、より好ましくは１６００℃以上である。高耐火性部材２３の材質は、上述した高耐火性部材１３の材質と同じである。

高耐火性部材２３は、内側面の縦断面が半円筒形状であり、底壁１１ａの上に設置可能に構成されている。高耐火性部材２３は、ここでは、外側面が炉本体１１の内壁面に沿った形状であり、全体として断面大略Ｕ字形状が前後方向に連続した形状となっている。そして、高耐火性部材２３は、大略Ｕ字形状の高耐火性プレート２５を、炉本体１１の底壁１１ａの上に前後方向に並べることによって構成されている。

高耐火性部材２３は、電極１２同士を結ぶ直線Ｌを中心線とし、炉本体１１の底壁１１ａ又は側壁１１ｃの内側面のうち近い内側面と外周面が接するような半径Ｒを有する円筒形と底壁１１ａ及び側壁１１ｃとの間に、少なくとも存在している。

高耐火性部材２３の半円筒形状の中心線Ｌ１は、ここでは、電極１２同士を結ぶ直線Ｌから所定の上下範囲内に位置する水平な直線Ｌ１である。直線Ｌから所定の上下範囲内に位置する水平な直線Ｌ１とは、後述する棒状発熱体Ｂの中心線と炭化珪素の塊状物Ｃの中心線との間の上限範囲内に位置する直線であり、適宜定めればよい。所定の半径Ｒ１は、底壁１１ａ及び側壁１１ｃと高耐火性部材２３との間隔が少なくとも所定以上の間隔、例えば２０ｍｍの間隔以上となるように定めればよい。

以下、電気抵抗炉２０を用いた炭化珪素の製造方法について説明する。

まず、図４（ｂ）を参照して、炉本体１１の上下方向半分程度、すなわち電極１２が位置する高さ程度にまで、混合原料Ａを充填する。

そして、電極１２間を接続するように、黒鉛などの炭素質粉末を密実に充填し、棒状発熱体Ｂを形成する。棒状発熱体Ｂは、ここでは、円柱状であるが、角柱状などであってもよい。

さらに、この棒状発熱体Ｂ及び露出した混合原料Ａの上の炉本体１１内に混合原料Ａを充填する。

その後、電極１２間を通電して棒状発熱体Ｂを通電発熱させ、棒状発熱体Ｂが１６００℃〜３０００℃、より好ましくは１６００℃〜２５００℃となるように加熱する。これにより、棒状発熱体Ｂの周囲で順次直接還元反応が起こり、炭化珪素の塊状物Ｃが生成され、棒状発熱体Ｂを中心として略同心円状に成長する。好ましくは、高耐火性部材２３に接するまで炭化珪素の塊状物Ｃを成長させる。

このように、炭化珪素の塊状物Ｃは、棒状発熱体Ｂを中心として略同心円状に成長する。よって、従来のように高耐火性部材２３を配置しない場合には、炭化珪素の塊状物Ｃの周りに存在する混合原料Ａは、反応することなく無駄になると同時に、加熱されるので炉の保温性が劣る。

一方、本実施形態の電気抵抗炉２０によれば、炉本体１１の内側に高耐火性部材２３を配置しているので、その部分に存在していた混合原料Ａを減らすことができ、原料の無駄の削減及び保温性の向上を図ることが可能となる。特に、高耐火性部材２３の内側略全体に接するまで炭化珪素の塊状物Ｃを成長させれば、このような効果は大きくなる。

また、高耐火性部材２３は、上記特許文献１に記載の壁のように融点が２４００℃を超える材質からなるものでなく、耐熱温度が１５００℃以上であればよい。よって、高耐火性部材２３、ひいては電気抵抗炉２０の安価化を図ることが可能となる。

本発明は、上述した実施形態に限定されない。

例えば、図５に示す電気抵抗炉２０Ａのように、高耐火性部材２３Ａは、内側面の縦断面が円筒形状であり、外側面が炉本体１１の底壁１１ａに上に設置可能な形状であり、全体として断面輪状のものが前後方向に延びた形状のものであってもよい。そして、このような高耐火性部材２３Ａは、輪状の高耐火性プレート２５Ａを、炉本体１１の内側に前後方向に並べることによって構成すればよい。

ここで、前記円筒形状の中心線Ｌ１は、ここでは、電極１２同士を結ぶ直線Ｌから所定の上下範囲内に位置する水平な直線を中心線とした水平な直線となっている。前記円筒形状の半径Ｒ１は、底壁１１ａ及び側壁１１ｃと高耐火性部材２３Ａとの間隔が少なくとも所定以上の間隔、例えば２０ｍｍの間隔以上となるように定めればよい。

なお、通電加熱時に発生する一酸化炭化ガスを炉外に排出するために、高耐火性部材２３Ａの上部に炉内と炉外とを連通する連通孔を設けることが好ましい。ただし、並んで設けられる輪状の高耐火性プレート２５Ａの間には微小な隙間が生じるので、この隙間から十分に一酸化炭化ガスを炉外に排出される場合には、前記連通孔を設ける必要はない。

以下、本発明の実施例及び比較例を具体的に挙げ、本発明を詳細に説明する。

〔実施例１，２〕
炉本体１１として、寸法が１５００ｍｍ×２２００ｍｍ×１０００ｍｍであり、耐火煉瓦製のものを用意した。電極１２は、炉本体１１の床面から６５０ｍｍの高さに位置していた。

実施例１として上述した第１の実施形態のように、耐火性ブロック（三石耐火煉瓦株式会社製ＳＫ−３８、酸化アルミニウム製、２３０ｍｍ×１１０ｍｍ×６０ｍｍ）を炉本体１１の底壁１１ａの上に積み上げて、高耐火性部材１３とした。

珪酸質原料である結晶質シリカ（共立マテリアル株式会社製、ＫＣＬＡ−１）と炭素質材料であるアモルファスカーボン（東海カーボン株式会社製、シースト６００）を１：２．９のモル比で混合して混合原料Ａとした。

炉本体１１の上下方向半分程度、すなわち電極１２が位置する高さ程度にまで混合原料Ａを充填した。そして、電極１２間を接続するように、混合原料Ａの上に炭素質粉末である分解黒鉛粉（伊藤黒鉛鉱業株式会社製、グラファイトパウダー）を密実に充填し、棒状発熱体Ｂを形成した。棒状発熱体Ｂは、１００ｍｍ×１５０ｍｍの矩形断面を有する角柱状であった。

さらに、この棒状発熱体Ｂ及び露出した混合原料Ａの上の炉本体１１内に混合原料Ａを充填する。混合原料Ａは合計８４０ｋｇ使用した。

その後、棒状発熱体Ｂが２５００℃以上となるように、電極１２間を１８時間通電させた。これにより、１０１ｋｇの炭化珪素の塊状物Ｃが得られた。炭化珪素の収率は１２．０％であった。

実施例２は、実施例１と同じ炉本体１１、電極１２、混合原料Ａ及び棒状発熱体Ｂを用いた。

実施例２では、炭化珪素粉末を成形して焼成して、上述した第２の実施形態のように、図６に縦断面を示す厚さ１００ｍｍの断面大略Ｕ状形状の高耐火性プレート２５を作成した。図６での数値の単位はｍｍである。

実施例２では、混合原料Ａは合計７３５ｋｇ使用し、棒状発熱体Ｂが２５００℃以上となるように、電極１２間を１６時間通電させた。これにより、１０３ｋｇの炭化珪素の塊状物Ｃが得られた。炭化珪素の収率は１４．０％であった。

比較例１は、実施例１と同じ炉本体１１、電極１２、混合原料Ａ及び棒状発熱体Ｂを用いた。比較例１では、実施例１，２のような高耐火性部材１３，２３を炉本体１１内に設置しなかった。

比較例１では、混合原料Ａは合計１０５０ｋｇ使用し、棒状発熱体Ｂが２５００℃以上となるように、電極１２間を２３時間通電させた。これにより、１００ｋｇの炭化珪素の塊状物Ｃが得られた。炭化珪素の収率は９．５％であった。

表１に、実施例１，２及び比較例１の使用した混合原料Ａの量、得られた炭化珪素の塊状物Ｃの量、通電時間及び炭化珪素の収率をまとまた。

表１から分かるように、実施例１，２は、比較例１と比較して、得られた炭化珪素の収率が向上している。これは、比較例１では炉本体１１内の混合原料Ａが存在した部分が、実施例１，２では高耐火性部材１３，２３が存在していたために、混合原料Ａの無駄が減少されたためである。

さらに、このような無駄な混合原料Ａが減少したので、炉内の保温性が向上して、ほぼ同じ量の炭化珪素の塊状物Ｃを得るまでの通電時間が、実施例１，２は、比較例１と比較して短縮されていることが、表１から分かる。

１０，２０，２０Ａ…電気抵抗炉、 １１…炉本体、 １１ａ…底壁、 １１ｂ…前後壁、 １１ｃ…側壁、 １２…電極、 １３，２３，２３Ａ…高耐火性部材、 １４…耐火煉瓦、 １５…高耐火性ブロック、 ２５、２５Ａ…高耐火性プレート、 Ａ…混合原料、 Ｂ…棒状発熱体、 Ｃ…炭化珪素の塊状物、 Ｐ…円筒形領域。

Claims (3)

1. 底壁、前記底壁の前後端部にそれぞれ形成された前後壁、並びに前記底壁の左右方向端部に形成され前記前後壁の間に形成された側壁からなる炉本体と、前記前後壁にそれぞれ取り付けられた電極とを備えた電気抵抗炉であって、
   少なくとも、前記電極同士を結ぶ直線を中心線とし、前記底壁又は前記側壁の内側面の何れか近い面の内側面と外周面が接する円筒形領域の外側と前記炉本体との間の領域に、耐熱温度が１５００℃以上の高耐火性部材を備え、
   前記高耐火性部材はブロック状であり、前記底壁の上に積み重ねて構成されていることを特徴とする電気抵抗炉。
2. 前記高耐火性部材の前後方向断面の内側はＵ字形状であり、前記底壁の上に設置されて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気抵抗炉。
3. 底壁、前記底壁の前後端部に形成されたそれぞれ前壁及び後壁、並びに前記底壁の左右方向端部に形成され前記前壁と後壁との間に形成された側壁からなる炉本体と、前記前壁と前記後壁にそれぞれ取り付けられた電極とを備え、前記電極同士を結ぶ直線を中心線とし、前記底壁又は前記側壁の内側面のうち近い内側面と外周面が接する円筒形と前記底壁及び前記側壁との間に、耐熱温度が１５００℃以上の高耐火性部材が存在し、前記高耐火性部材はブロック状であり、前記底壁の上に積み重ねて構成されている電気抵抗炉を用いて、
   炭素質粉末からなる棒状発熱体によって前記電極間を接続する工程と、
   珪素を含む珪酸質原料及び炭素を含む炭素質原料からなる混合原料を前記棒状発熱体の周りを取り囲むように前記炉本体内に充填する工程と、
   前記電極間を通電し、前記棒状発熱体を加熱して、炭化珪素の塊状物を製造することを特徴とする炭化珪素の製造方法。