JPS60200818A - 低シヤフト電気炉内で原料石英からシリコンを製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、低シャフト電気炉内に粒状の原料石英、およ
びその他に石英と炭素から成る還元剤ブリケットを挿入
し、これら還元剤ブリケットが、反応Ｓ　ｉ　０２　＋
３Ｃ’＝　Ｓ　ｉ　Ｃ＋　２ＣＯに関して過剰の炭素を
含み、その際低シャフト電気炉の上部で１６００℃以下
の温度でまず、−還元剤ブリケット内の石英をＳｉＣに
変換し、かつそれから低シャフト電気炉の下部で１６０
０℃以上、なるべく　ｔｓｏｏないし２０００℃の温度
で、流動原料石英を還元する、低シャフト電気炉内で原
料石英からシリコンを製造する方法に関する。

還元剤ブリケットは、なるべく高温ブリケット製造法で
作られる。原料石英とは、シリコン製造のため使われる
すべての２酸化ケイ棄損体、特にケイ石およびケイ砂を
表わづ−０一般に還元剤ブリケットの製造のためケイ砂
が使われる。高温ブリケット製造とは結合剤を使わない
ブリケット製造のことであり、その際原料は、４３Ｏｆ
、ｆいし５４０℃の温度に加熱され、かつブリケットに
圧力をかけて成形する（ドイツ連邦共和国特許第１９１
！５９０５号明細薔参照）。しかし本発明の枠内におい
て別の方法で作った還元剤ブリケットを使用してもよ（
ゝ０ 従来技術 初めに述べたような公知の方法（ドイツ連邦共和国特許
第３０３２７２０号明細書）においては、反応５ｉ０２
　＋　３Ｃ””　ＳｉＣ＋　２ＣＯに対してせいぜいわ
ずかに過剰の炭素を含んだ還元剤ブリケットが使われる
。実際に還元剤ブリケットにおける前記反応の際には反
応の相手ができるだけ完全に変換１″ろことか望ましく
、しかもＳｉＣとＣＯになることが望ましく、その後還
元剤としてＳｉＣを使用し前記の高い温度で低シャフト
炉の下部において流動原料石英の還元を行うようにする
。過剰の炭糸は、２酸化ケイ素の還元の際に炭来が還元
剤ブリケット内で酸素とも反応し、かつその点において
２酸化ケイ素の還元のために不足するので含まれている
だけである。しかし公知の処置の枠内において２酸化ケ
イ素の還元を行った後の還元剤ブリケットは、実質的に
炭化ケイ素から成り、もはや炭素を含まない。公知の処
置は優れたものではあるが、シリコンの収量に関して、
従ってエネルギ需要に関して改善を要する。

発明の目的 本発明の課題は、初めに述べたような方法を改善し、エ
ネルギ需要を減少して高いシリコン収量を得るようにす
ることにある。

発明の構成 この課題を解決するため、本発明は次のことを示してい
る。１−なわち反応５ｉ０２　＋　３Ｃ””　ＳｉＣ４
−２ＣＯに関して５０重量％以上過剰の炭系を含む還元
剤ブリケットを使用し、また低シャフト電気炉の上部で
１６００℃以上の温度で、還元剤ブリケット内にＳｉＣ
と共に活性炭を形成し、その際還元剤ブリケットがコー
クス状構造をなし、また一方においてこの活性炭により
、他方においてＳｉＣにより、低シャフト電気炉の下部
で原料石英を還元する。なるべく本発明の枠内において
は、還元剤ブリケット内で過剰の炭素を使用し、この過
剰量は、９０重量％以下、なるべくほぼ８０重量％とす
る。さらに方法を全体的に次のようにすることにより最
適化が行われる。すなわち低シャフト電気炉の下部で、
使用した原料石英のうち少なくとも５０重量％を活性炭
により還元する。全体として材料の収支が合うように分
担を調節する。その際前記組成の還元剤ブリケットだけ
で作業する必要はない。それどころか還元剤ブリケット
から十分な量の活性炭が確実に得られさえすれば、古典
的な分担の範囲内で追加を行ってもよい（例えば３ｔの
石英１０　、４　ｔの木炭１０．４ｔの泥炭コークス／
ｌＪ　、　３　ｔの石油コークス１０，５ｔの灰分の少
ない石炭）。

すでに述べたように本発明による方法にとって、還元剤
ブリケットを製造する方法は原則的に任意である。もち
ろん前記のように低シャフト電気炉内に原料石英と共に
いわば分担として挿入し、かつここで前記のように反応
させるため、還元剤ブリケットは相応して確実に安定で
なげればならない。その際本発明の有利な実施形によれ
ば、卵形ブリケットまたはクッション形ブリケットの形
で高温ブリケット製造法により作られかつ１５な（・し
６０ｃｒｔＩの大きさを弔する還元剤ブリケットを使用
して処理される。これに関連してさらに本発明によれば
、含有炭素が、高温ブリケット製造のため必要である限
り粘結炭から、およびその他に不活性炭素担体、例えば
石油コークス、無煙炭、グラファイト、かつ炭コークス
および石炭コークスから成ることは望ましい。原料石英
と共に適当な物質、例えば鉄くずまたは鉄粉を低シャフ
ト電気炉内に挿入することにより、本発明による方法に
より引続きケイ素鉄およびシリコメタルが作られること
は明らかである。

本発明は次のような知識に基いている。すなわち炭素に
よる２酸化ケイ素の還元の際、還元剤ブリケット内で炭
化ケイ素の形成と共に活性炭の形成が行われ、この活性
炭は、低シャフト電気炉の下部において２酸化ケイ素を
還元するため炭化ケイ素と共にいわば純潔な炭素として
利用でき、その結果収量が改善されかつエネルギ需要が
減少する。これについて以下実施例により説明する。

実施例の説明 例１ はぼ６００　ｔのシリコンを作るため、１２００　ｔの
）゛リケットが製造され、これらブリケットを、ｂｈ　
＋１同量のつぷ状石英と共に電気炉に挿入した。

第１段階においてブリケットは、 ３０％′の粘結炭 ３２％の石油コークスおよび ３８％のケイ砂（９９，８％５ｉ０２）の混合物から高
温ブリケット製造法により作られ、すなわちほぼ５００
℃の温度で石炭を結合剤として使用して作られた。でき
上り冷却したフ゛リケットを検査したら、 （４２±０．４　）　５ｉ０２と（５２±０．７）Ｃｆ
ｉｘを含んでいた。

石油コークスおよび砂のような不活性物質を溶融しかつ
再び冷却した石炭に挿入することにより明確にすべき強
さテストによれは、１５０な（・し２００ｋｆの打点強
さが得られることがわかった。）゛リケットの内面の測
定により０．５ないし１−、Ｏｔｒ？／ｆが得られた。

すなわち大きな反応率でＳｌＯのようなガスと炭素の間
の不均一な反応を行うことがある反応力学的に重要な面
、債は存在しない。

第２の処理段階においてブリケットを低シャフト電気炉
に供給した。炉に入れる前に、運搬中に摩耗および破損
物として生じた材料をふるい分け、この微細材料の割合
は４％以下であった。これは極めで良好な結果であるが
、木炭、泥炭および石炭はずっと大幅に破損した。ｉｏ
％以上の数値が周知である。

連続的に充てんした際電気炉内にはつぷ状石英とブリケ
ットの混合物があり、この混合物は、流し込みの際同様
な動作様式に丞いて統計的に良好な分布で加熱されかつ
反応した。

Ｓ１製造の総括的な反応 ５ｉ０２　＋　２Ｃ＝Ｓｉ　＋２ＣＯ を考慮した場合、ブリケットの分析から、ブリケット内
に炭素か過剰計量して存在し、かつまず石英つぷとの別
の反応が完全な変換を保証することがわかった。しかし
　Ｓｔ影形成前に式８式％ に従って炭化ケイ素が生じるので、この場合ブリケット
中に十分に炭素があるかどうかが問題である。計算によ
れば、ブリケット中に反応のため必要な量のほぼ２倍の
炭素がある。これは１：５ないし１：６のモル比である
。このことは、炭化ケイ素を生じる反応により損失か生
じたとしても、高温ブリケット製造の際に生じた構造を
維持するために必要であった。

この見解が正しいことは、熱電対によって炭化反応が行
われている温度領域を見出したことにより証明された。

１５００ないし１６００℃の熱い材料から試料が取出さ
れ、この試料は、炭素とシリコンの間ですでに反応が始
まっており、または完全に終了していたにもかかわらず
、ブリケットがまだ始めの形をしていたことをはっきり
と示していた。

はとんどのブリケットは白い表面を有し、すなわちここ
で反応が行われたことを表わしている。

しかし得られたブリケットの内面の測定の方が意味があ
る。測定によれば、内面が２０ないし２３０？ＩＶ７に
大幅に広がったことがわかった。

それによりガス洗浄の際５１０２の発生が大幅に減少し
た。エネルギ消費とシリコン収量はこれに密に関連して
いる。炉において電流消費量がはホ１４俸減少しかつＳ
１収量が２０％以上増加したことが測定された。期待し
てはいなかったが重要な経済的利点は、電極の消耗が半
分になったことである。

これは、１２８に％ｔＳｉから５９ｋｆ／ｌＳｉに減少
した。電極の運動は最小になった。

例２ ケイ素鉄を製造する際このことはさらに望ましく・０こ
こでは損失はＳｉＯの形成によりさらに減少する。

′上記のように処理し、つぷ状石英およびブリケットの
使用量が互いに５０　：　５０の比のままであり、７５
合金を生じるくらい鉄（ずを那えるようにすると、ブリ
ケットの利点がさらにはっきり表われろ。

電流消費量は８係減少し、かつシリコン収量は１２裂増
加する。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）低シャフト電気炉内に粒状の原料石英、およびそ
   の他罠石英と炭素から成る還元剤ブリケットを挿入し、
   これら還元剤ブリケットが、反応５１０２＋　３Ｃ＝　
   Ｓ　ｉ　Ｃ＋　２ＣＯに関して過剰の炭素を含み、その
   際低シャフト電気炉の上部で１６００℃以下の温度でま
   ず、還元剤ブリケット内の石英をＳｉＣに変換し、かつ
   それから低シャフト電気炉の下部で１６００℃以上、な
   るべく１８００７よいし２０（１（１℃の温度で、流動
   原料石英を還元する、低シャフト電気炉内で原料石英か
   らシリコンを製造する方法において、反応Ｓ　ｉ０２　
   ＋　３Ｃ：　ＳｉＣ＋２ＣＯに関して５０重量饅以上過
   剰の炭素を含む還元剤ブリケットを使用し、また低シャ
   フト電気炉の上部で１６００℃以上の温度で、還元剤ブ
   リケット内にＳｉＣと共に活性炭を形成し、その際還元
   剤ブリケットがコークス状構造をなし、また一方にわい
   てこの活性炭により、他方においてＳｉＣにより、低シ
   ャフト電気炉の下部で原料石英を還７ｃすることを特徴
   とする、低シャフト電気炉内で原料石英からシリコンを
   製造する方法。
2. （２）９０重重量上りわずかに、なるべくほぼ８０重量
   係過剰の炭素を含む還元剤ブリケラトラ使用する、特許
   請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）低シャフト電気炉の下部で、使用した原料石英の
   うち少なくとも５０重量−を、還元剤ブリケットの活性
   炭によって還元する、特許請求の範囲第１項または第２
   項に記載の方法。
4. （４）卵形ブリケットまたはクッション形ブリケットの
   形で高温ブリケット製造法によって作ら１１だ還元剤ブ
   リケットを特徴する特許請求の範囲第１・〜３項の１つ
   に記載の方法。
5. （５）含有炭素が、高温ブリケット製造のため必要であ
   る限り、粘結炭から、およびその他に不宿性炭素担体、
   例えば石油コークス、無煙炭、グラファイト、かつ炭コ
   ークスおよび石炭コークスから成る、特許請求の範囲第
   ４項記載の方法。