JPS61117110A

JPS61117110A - 金属珪素の製造方法ならびにその製造装置

Info

Publication number: JPS61117110A
Application number: JP23583584A
Authority: JP
Inventors: Matao Araya; 荒谷　復夫; Takeshi Fukutake; 福武　剛
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1984-11-07
Filing date: 1984-11-07
Publication date: 1986-06-04
Also published as: JPH0411485B2

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】〈発明の目的〉産業上の利用分野本発明は金２珪素（以下単に金属Ｓｉという。）の製造
方法ならびにその製造装置に係り、詳しくは、例えば、
純度９９，９９９％以上の如き高純度を要求される太陽
電池用の金属Ｓｉを効率よくかつ経済的に製造６でき、
粉状のＳｉＯ２等を用いても製造できる方法およびその
製造装置に係る。

従来の技術従来から、珪石（Ｓｆ（ｈ　）及び炭素から金属Ｓ１を
製造する際に、アーク炉を用いて金属Ｓｉあるいはフェ
ロシリコンを製造する方法が一般的な工業的製造法とし
て利用されている。この方法では、炉内装入物間での通
気の確保や、炉内高温部でＳｉの生成反応を効率よく起
こさせるために塊状の珪石（Ｓ！Ｏｚ　）の利用が不可
欠である。

しかるに、最近、高純度の金属Ｓｉが太陽電池等に利用
され、その金属Ｓｉは９９．９９９％以上という高純度
が要求されている。一般に、この高純度の金属Ｓｉを製
造するための原料としては天然の珪石（ＳｉＯ２）を精
製したＳｉＯ２が使用されるため、ＳｉＯ２は粉末状あ
るいは数ｍｍ以下という細かい粒状原料となり、従来方
法ではそのまま利用できず、更に、塊成化などの工程を
加えることが必要になり、経済的にも、不純物の混入の
点からも不利である。これを解決する手段として従来方
法を改善したものとして特開昭５７−１１２２３号に示
される方法が提案されている。この方法でも、炉に装入
するＳｉＯ２原料の一部は３〜１２ｍ１Ｒという塊状の
ＳｉＯ２が必要であり、これらのところを十分に解決し
たものと云えない。

発明が解決しようとする問題点本発明は上記欠点の解決を目的とし、具体的には、従来
方法では、細粒あるいは粉状のＳｉＯ２を原料として利
用した場合には、通気の悪化や高温部での反応進行への
障害による金属Ｓｉの回収効率の悪さのため、精製され
た細粒状等のＳｉＯ２原料の塊成化等の特別の事前処理
が必要であり、このため、従来方法では高純度Ｓｉを製
造するには不向きであることの問題点を解決することを
目的とする。

〈発明の構成〉問題点を解決するための手段ならびにその作用すなわち、本発明の骨子とするところは、炭素若しくは
炭素含有物質またはこれらのうちの少なくとも一方のＳ
ｉＣ若しくはＳｉＯ□のうちの少なくとも一方との混合
物が充填されたアーク炉内でその１８００℃以上の高温
領域、つまり５１０２の還元による金属Ｓｉの生成反応
が主に起る高温領域に、ＳｉＯ２あるいはＳｉＯの細粒
あるいは粉末を直接吹込み、このＳｉＯ２またはＳｉＯ
を炭素あるいはＳｉＣと高温下で反応溶融させて金属Ｓ
ｉを製造するものである。

また、ＳｉＣを含む混合物がアーク炉に充填されている
ときには、固体炭素等の一部がＳｉＣで置換されている
ため、炉内発生ガス量を減少させることができる。

そこで、この手段たる構成ならびにその作用につき詳し
く説明すると、次の通りである。

従来から、電気炉内で金属Ｓｉを製造する際に、総括的
には次の（１）の反応によって金属Ｓｔが製造されてい
る。

ＳｉＯ２＋　２Ｃ→Ｓｉ　＋　２ＧＯ・・・・・・（１
）しかし、実際には（１）式の反応は次のような各素反
応に分解され、これらの素反応が併行して起こっている
ものと考えられる。

Ｓｔ、２＋　Ｃ−）　ＳｉＯ＋　Ｇｏ　　・・・・・・
・・・・・・・・・・・・（２）ＳｉＯ＋　２０→Ｓｉ
Ｃ＋　ＣＯ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３
）Ｓｉｎ２＋　３Ｇ　−）　ＳｉＣ＋　２ＣＯ・・・・
・・・・・・・・・・・（４）ＳｉＯ＋　Ｃ−ｅ　Ｓｉ
　＋　Ｇｏ　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・（５）ＳｉＣ＋　ＳｉＯ□→Ｓｉ　＋　ＳｉＯ＋
　Ｇｏ　　・・・・・・（６）Ｓｉ　＋　ＳｉＯ２→２
ＳｉＯ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（
７）ＳｉＯ＋　ＳｉＣ→２Ｓｉ　＋　ＧＯ・・・・・・
・・・・・・・・・（８）このような反応が起こってい
る電気炉において粉状のＳｉＯ２を使用すると、このＳ
ｉＯ２は塊状のＳｉＯ２　（珪石）に比較して反応性が
良いことがら、昇温過程で（２）式の反応が起こり、こ
れにより多量のＳｉＯを発生し、とくに、ＳｉＯは蒸気
圧が高く外部に飛散し易いことから、歩留り低下を引き
おこす。更に、残りのＳｉＯ２は（４）式の反応によっ
てＳｉＣとなっで炉底に沈積固化して操業トラブルの原
因となり、高純度に精製された粉状のＳｉＯ２から高純
度の金属Ｓｉを効率よく得ることは上記の如く困難であ
った。

この点について、本発明者等は熱力学的検討および実験
室での実験を重ねたところ、アーク炉内にその炉頂から
炭素若しくはピッチあるいは有機化合物などの炭素含有
物（以下、単に炭素という。）あるいはこれらのうちの
少なくとも一方とＳｉＣ若しくはＳｉＯ□のうちの少な
くとも一方との混合物を装入し、しかも、炉内の最高温
度を示すアーク火点に直接ＳｉＯ２粉末を吹込むと、Ｓ
ｉの歩留りが大巾に改善され、更に、火点に吹込むＳｉ
Ｏ２量を調整することで、炉底へのＳｉＣの沈積固化に
よるトラブルの防止が図れることがわかった。

また、実験結果から炉頂から混合物を装入する場合は、
炭素等とＳｉＣの混合物のときはＣ／ＳｉＣのａｇｏｌ
比が１７２以上、炭素等とＳｉＯ２の混合物のときは、
Ｃ／ＳｉＯ２のｍｏｌ比が３．５以上が好ましく、こう
することによって、炉頂からのＳｉＯとしてのＳｉのロ
スを低減できることがわかった。

また、炉頂から炭素等とＳｉＣの混合物あるいは炭素等
とＳｉＯ２の混合物を装入した場合には炉内の熱量（ガ
スの顕然）の有効利用が図れ、かつ、アーク火点で必要
となる反応熱が減少するため、火点の昇温が容易となり
操業が非常に容易となり、かつ反応によって生成するガ
ス量が大巾に減じるため、炉内の通気確保が容易となり
安定した操業が確保できる。

また、実際にＳｉＯ２粉末を吹込む場合、アーク炉にお
いては後記の如く、中空電極を利用して電極の内孔を通
してキャリヤーガスとともにＳｉＯ２あるいはＳｉＯの
粉、粒状物を炉内に吹込むことができ、このとき用いら
れるキャリヤーガスはＨ２、炭化水素、Ａｒ、　Ｎ２な
どの非酸化性ガスを利用することができる。また、炉頂
から装入する炭素又は炭素と５ｉＣ５炭素とＳｉＯ２の
混合物は、利用する炭材、ＳｉＯ２とも高純度に精製さ
れている場合には、一般に粉末となっているが、砂糖、
フェノール樹脂、澱粉等を結合剤として粒状化したもの
を利用するのが好ましく、このようにすると、十分に通
気性が確保できる。

更に、アーク炉の火点に代表される高温反応域を後記の
如く外部加熱により上部に拡大すると、Ｓｉの回収率の
上昇と操業の安定性が確保できる。この外部加熱は通常
高周波誘導加熱法の利用により、装置外壁あるいは装入
物を１８００℃以上、望ましくは２０００℃以上に加熱
することでその効果を得ることができる。

また、以上の通りに本発明方法により金属珪素を製造す
る際に、次の通りの製造装置を用いると、容易にＳｉＯ
２等を吹込むことができ、更に、アーク火点は上部に拡
大し、金１ｉ１ｓｔの回収率を一層高めることができる
。

すなわち、第１図は本発明方法を実施する装置の一例の
一部の縦断面図であって、符＠１で示す炉体は黒鉛質耐
火材よりなって、その炉体１内には下部電極２および下
部電極３が設けられている。上部電極３はその中心軸に
沿って供給通路８が形成され、炉体１の外部の少なくと
もア一り火点９に対応するところには、加熱装置として
高周波誘導加熱炉コイル４を設ける。この構造のアーク
炉においてその炉頂より中空状の上部電極３の周囲に上
記の炭素等や混合物６を装入し、下部電極２と上部電極
３の間のアーク火点９において、上部電極３の連通通路
８より非酸化性ガスのキャリアーとともに吹込まれたＳ
ｉＯ２やＳｉＯから金属Ｓｉが溶融物として回収され、
溜り１０が形成される。

また、炉体１の外部から高周波誘導加熱コイル４によっ
て内部の装入物等は１８００℃以上望ましくは２０００
℃以上に加熱されているため、アーク火点のほかに反応
域は上部に拡大されているため、金属Ｓｉの回収率は上
昇する。

また、第１図に示す装置の電極１．２は、大型炉にあっ
ては第２図および第３図に示す如く水平あるいは傾斜し
て向い合うように設置することで同様の効果を挙げるこ
とができる。

実施例次に、実施例について説明する。

まず、第１図に示す小型のアーク炉を使用し、′Ｒ２！
は直流を使用し、その炉頂部から、上部電極の供給通路
から、Ｈ２ガスをキャリアとしてＳｉＯ２粉末をアーク
火点に直接吹込み、炉頂部から直径８〜１５ｍｍのＳｉ
Ｃと炭素のベレットを装入した。なお、このベレットは
ＳｉＣを内装し表面にＧが存在する二層ベレットであっ
た。

また、炉体の外部の高周波誘導加熱コイルによって加熱
高温反応ゾーンを拡大することも行なった。この際の一
般的な操業条件は次の通りであり、この外部加熱ありと
外部加熱なしの各場合の結果は第１表に示す通りであっ
た。

装入ベレットのＣ／５ｉＣ−？／１　（モル比ンＳｉＯ
２の吹込速度　　　５ｋ（１／時Ｈ２ガスの吹込速度　
　３ＮＩＩｌ１１／時電力消費１　　　　　１００ＫＷ
ＩＩなお、比較のために従来法によって第１図で示す装置に
おいてＳｉＯ２ベレツトとＯのベレットをＣ／ＳｉＯ□
＝２７１のモル比で原料として金Ｒ８１を製造し、その
結果も第１表に示した。

第　　１　　表第１表の対比から明らかのように本発明方法による場合
は外部加熱ありなしの何れかのときにも従来法に較べる
と、金属Ｓｉの歩留りは大巾に向上し、しかも、ＳｉＯ
２が飛散せずに固定されるため、電力原単位も大巾に向
上している。

また、本発明方法による場合でも高周波誘導加熱によっ
て外部加熱を行なった時には外部加熱を行なわない場合
に較べると、金ｆｉｓｉ歩留りは９５％に達し、電力原
単位も１９にＷ／ｋｑ−ｓｉｃ達し、大巾に向上した。

なお、ＳｉＣとＣとから成るペレットを使用せずにＳｉ
Ｏ２とＣとから成るペレットを炉頂部から装入し、上記
の如き条件でＳｉＯ２粉末をキャリアガスとともに吹込
んで、金属Ｓｉを製造した。この場合も第１表に示す結
果（外部加熱のあり、なしの何れの場合も）とほとんど
同様な結果が得られた。

〈発明の効果〉以上詳しく説明したように、本発明方法は、アーク炉内
にその炉頂部から炭素若しくは炭素と炭化珪素の混合物
を装入し、ＳｉＯ２の還元による金属Ｓ１の生成反応が
主として起こる高温領域にＳｉＯ２等を粉末状態で供給
して金属Ｓｉを製造するものである。従って、高純度の
金属Ｓｉの製造に、国産の低品位ＳｉＯ２を精製して純
度を向上させた粉状のＳｉＯ２を原料として利用できる
ため、従来例のガス化法に依存せずに、太陽電池用の高
純度Ｓｉが安価かつ大量、更には効率よく製造できる。

また、本発明においては、アーク炉の炉体内に、中心軸
に沿って供給通路を有する中空状の電極が設けられると
共に、炉体の外面に加熱装置が取付けられている。この
ため、供給通路を通って粉末状態のＳｉＯ２は容易にア
ーク火点に供給でき、外部からの加熱により高温領域が
炉上部に拡大し、金属Ｓｉの収率は一部向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する装置の一例の一部を示す
縦断面図、第２図および第３図は夫々他の例の一部を示
す縦断面図である。符号１・・・・・・炉体　　　　　２・・・・・・下部
電極３・・・・・・上部電極４・・・・・・高周′ｔＬ誘導加熱コイル５・・・・・
・出湯口

Claims

【特許請求の範囲】１）アーク炉内に炭素および／若しくは炭素含有物質あ
るいはこれらのうちの少なくとも一方と炭化珪素若しく
はＳｉＯ＿２のうちの少なくとも一方との混合物を充填
し、電極間に発生するアーク火点にＳｉＯ＿２またはＳ
ｉＯを含む物質を直接供給して、高温下で反応溶融して
金属珪素を製造することを特徴とする金属珪素の製造方
法。２）耐火性炉材よりなるアーク炉々体に、ＳｉＯ＿２ま
たはＳｉＯ等の供給通路を有する中空電極を設け、この
アーク炉々体外部の少なくともアーク火点直上に相当す
るところに加熱装置を設けて成ることを特徴とする金属
珪素の製造装置。