JPS61209953A - 炭素成形体を再生する方法及び装置 - 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】 本発明は、元素状溶融ケイ素の存在下で使用した炭素成
形体、特〈黒鉛成形体の再生方法、ならびに同方法を実
施する九めの装置に関する。

工業技術の高温プロセスにおいて、炭素特に黒鉛はすぐ
れた性質を有する加工材料として知られている。電子要
素、太陽！池またはミクロ機械要素用の基材としての高
純度元素状ケイ素の製造範囲において、炭素特に黒鉛が
高温工程において用いられている。溶融ケイ素と炭素成
形体の間の直接接触は、高温で炭化ケイ素の形成が開始
されるため、できるだけ避けなければならないとしても
、炭素がこの製造に用いられている。このために、例え
ばチョクラルスキー法に従ってるつぼ内でのケイ素ロン
ドの引き上げまたはケイ素ブロックの鋳造のような大量
の溶融ケイ素を必要とするプロセスでは、外側を黒鉛る
つぼで囲繞した石英るつぼ内に溶融物を通常装入する。

そのため、黒鉛るつぼは溶融ケイ素と直接接触しないが
、それにも拘らず、黒粉るつぼはこのようなプロセスで
は非常に応力を受ける。黒鉛るつぼの表面がもろくなり
始め、ひび割れ及び破砕が生ずるため、あるいは熱伝導
性及び熱放射性が変化するため、これらを頻繁に取換え
ることが必要である。これらのるつぼはしばしば大きな
直径を有しく典型的には直径約４００簡及び高さ約３０
０ａｍ）、大ていの場合に大きな黒鉛塊から製造しなけ
ればならないので、この製造はり用がかがシ、労力を要
する。そのため、るつぼを頻繁に取換えることは非常に
高い費用を招くことになる。

従って、元素状溶融ケイ素の存在下で用いる炭素製、特
に黒鉛製の成形体の耐用寿命を延ばす方法を提供するこ
とが、本発明の目的である。

この目的は、使用後の成形体を炭素、特に黒鉛に対して
不活性な雰囲気下で１．７００℃〜３．０００℃の温度
に加熱し、この温度範囲に成形体のｍｍで測定した器壁
厚さのα０５〜１倍の数値に相当する時間数の期間維持
することを特徴とする方法によって解決される。

成形体は好ましくは約２〜８時間の加熱期間内に１７０
０〜３０００℃、好ましくは１９００〜２２００℃の範
囲の所定の最終温度に原則として直接加熱する。この場
合に、１９００℃以下の温度範囲はかなり長い処理時間
を当然必要とすることになる。温度が上昇すると、この
処理時間は短　、縮されるが、２２００℃以上では昇華
による材料損失が増大する。さらに、約２５００℃以上
の塑性範囲では、寸法安定性の低下も生ずる。これに加
えて、達成し維持しなければならない温度が高くなれば
々るほど、装置費用も増大する。従って、３０００℃以
上の処理温度は原則的には可能であるとしても、装置要
件とエネルギー消費の点から正当化されない。

成形体の耐用寿命を延ばす再生のために必要な時間は基
本的には成形体の器壁厚さによって定められる、すなわ
ち必要な処理時間は器壁厚さの増加とともに増加する。

一般に、時間数で表現した必要時間け１で測定した器壁
厚さの［１０５倍〜１倍の数値に相当する。例えば、１
．９００〜２，２００℃の好ましい温度範囲では、黒鉛
成形体く通常見られるような、１５〜４０■の器壁厚さ
に対して約２〜２０時間の処理時間で充分であることが
わかっている。一般に、再生処理に必要な時間は温度を
高めることによって短縮する。しかし、処理温度を高め
る場合には、昇華による材料損失の増加または寸法安定
性の低下のような不利な効果が生ずることを考慮しなけ
ればならない。

高温処理が完成した後に、成形体の温度を再び低下させ
る。この冷却過程は固有の、例えば水で冷却する冷却室
で実施し、任意に冷却室の内部を合目的には常圧から過
圧までの範囲の不活性ガスによって補充的に冷却するこ
とができる。外気との接触が生じた場合にも、燃焼によ
る損失が避けられるような最終温度を選択することが好
ましい。

従って、炭素成形体特に黒鉛成形体を外気中で冷却する
前に、４００〜５００℃に冷却することが一般に必要で
ある。この冷却段階は１５０〜２５０℃の温度範囲にま
で、さらに延長することが好ましい。処理温度と被再生
成形体のサイズに応じて２〜１０時間の冷却期間が有効
であることがわかっている。

燃焼による損失を避けるために、成形体の高温処理は不
活性な雰囲気中で、すなわち炭素または黒鉛に対して不
活性な（すなわち成形体の材料に対して不活性な）雰囲
気中で実施する。不活性な雰囲気とは特に、好ましくけ
１０−１〜１０−”　ｍｂａｒの真空または保護ガス雰
囲気である。適当な保護ガスは例えば、ヘリウム、ネオ
ンまたは特にアルゴンのような希ガスである。もちろん
、希ガスの混合物を用いることも可能である。基本的に
は、成形体の燃焼による損失が生じないことが経験から
れかっている、約４００〜５００℃までの範囲の温度範
囲で、加熱または冷却を外気中で実施することができる
。

一般に、炭素製、特に黒鉛製の成形体を使用の度毎に再
生する必要はなく、材料の性質の劣化が認められた場合
にのみ再生することが必要になる。

このような劣化は熱伝達性及び放射性の変化によって、
”または表面のクラスト形成もしくは脆化によって表わ
れる。例えば、ケイ素ブロック鋳造またはチョクラルス
キー法によるるつぼ内でのケイ素ロッド引上げに用いら
れるような黒鉛るつぼに関しては、再生間の耐用寿命を
決定的に延ばすために、るつぼを３〜１２回使用した後
のみに本発明による処理が必要である。

図面に基づいて、炭素製特に黒鉛製の成形体の可能な再
生方法ならびにそれを実施するための可能な装置をさら
に詳細に説明する。

排気可能であり、例えば水によって冷却可能であり、同
時に冷却室としても用いられる装入室１に１加熱すべき
成形体、例えばチョクラルスキー法によるケイ素ロッド
のるつぼ引上げに用いる黒鉛るつぼ２を負荷したキャリ
ヤ３を装入し、次に真空気密にシール可能及び排気可能
で、任意に不活性ガスで洗浄できる、例えば誘導加熱す
る加熱室４の中にキャリヤ３を沈下させる。加熱室４を
例えば真空ポンプ（図示せず）を用いて例えば１０−１
〜１０−”　ｍｂａｒ　の適当な圧力に調節した後に、
温度を好ましくは１９００〜２２００℃の範囲の選択し
た最終温度に予定の加熱期間内に高める。予定の処理期
間が経過し、任意の補充冷却期間が終了した後に、必要
に応じて、キャリヤ５を装入室に戻す。装入室はこの場
合冷却室として作用し、任意に不活性ガスを供給され、
強度に冷却される。燃焼の心配なく換気を行なえ、黒鉛
るつぼを取り出すことができるような温度に温度が低下
するまで、キャリヤをこの室に放置する。

成形体の取り出しを装入室内でなく、固有の取）出し室
で行うような配置が可能であることは自明のことである
。

焼なまし品の装入もしくけ取シ出しのために加熱室に連
結し、冷却過程のためＫは加熱室から分離することので
きる、真空気密にシール可能な装入室を含む配置も考え
られる。このような配置では、幾つかの装入室を焼なま
し品の装入のために順次加熱室に連結し、次に冷却過程
のために分離し、次の被再生黒鉛成形体を負荷した装入
室を加熱室に連結することのできる流れ作業も行うこと
ができる。他の可能性は、熱処理が終了した後に冷却室
に再び導入する前の被再生品を装入室から導入する連続
炉のように、加熱室を形成するととくある。

本発明の方法によって再生した黒鉛るつほは例えばるつ
ぼ引上げ法又はブロック鋳造法におけるような、溶融ケ
イ素の存在下で非再生製品の場合よシもかな、シ頻繁に
使用することができる。

実施例 チョクラルスキー法によるケイ素ロッドのるつぼ引上げ
法に通常用いる製雪〔例えば、ダブリュー・ツレーネ／
ｌ／　（Ｗ、　Ｚｕｌｅｈｎｅｒ　）　　とディー−ツ
ーバー（Ｄ、Ｅｕｂｅｒ　）著、チョクラルスキー−フ
ロウンシリコーン（Ｃｚｏａｈｒａｌｓｋｉ　−Ｇｒｏ
ｗｎ　５ｉｌｉｃｏｎ　）、クリスタル（ｃｒｙｓｔａ
ｌ　）　Ｂ　、スプリンゲル出版社（ベルリン−ハイデ
ルベルク）、１９８２年参照３に、溶融物（ケイ素粉５
５ゆ）を受容するための石英るつぼ（外径３５Ｇ＋ａｍ
、高さ２５０　ｔｍ　）を装入した。このるつほを内径
３５１ｍ、高さ２４０■及び器壁厚さ２０ｍの黒鉛るつ
ぼによって囲繞した。

この装置から、通常の方法（例えば、ダブりニー・ツレ
−ネルとディ・７−バーの前記文献参照）によってケイ
素ロッド（直径１２０ｍ、長さ１０００〜１１００ｍ＋
の範囲）を引き上げた。各引上げ後に石英るつぼは取り
換えたが、黒鉛るつぼは引続き用いた。

１０回引上げ過程を行った後部に、黒鉛るつぼを取り出
し、図と等しい装置の１つで再生した。

この目的のためにするつぼを装入室すなわち排気−及び
水冷−可能な特殊鋼シリンダー内の黒鉛キャリヤ上（載
せ、加熱室に沈下させた。この加熱室は融解不透明石英
製の、黒鉛フェルトで絶縁した、真空気密にシール可能
な管から成るものであった。誘導加熱可能な黒鉛管を物
質を受容するために石英管内に配置した。次に、加熱室
を約１０−１の圧力まで排気し、温度を約４時間後に約
２０５０℃に達するまで連続的に高めた。次にるつぼを
この温度に約５時間維持した。続いて、熱をしゃ断し、
熱を消散させることによってるつぼを冷却した。約１７
００℃において、るつぼを加熱室から引き上げ、すでに
約１０””　ｍｂａｒ　に排気しである装入室に戻し、
装入室を水で強度に冷却した。約１０時間の全冷却期間
後に、るつぼは約２００℃の温度に達し、換気後に加熱
室から取抄出し、るつぼ引上げプロセスに再使用するこ
とが可能であった。

上述のように周期的に再生したるつぼによって、３０回
以上の引上げ操作を行うことが可能であった。生成ｌ−
たロッドは全て、転位を含まず、再現可能な酸素及び炭
素含量を示した。

比較例 上述の方法に従って、他の連続るつぼ引上げプロセスを
行ったが、この場合には使用した黒鉛るつぼの再生は行
わなかった。

引上げプロセスを６回実施した後に１黒鉛るつぼの表面
は脆化し始めた。

引上げプロセスを１２回実施した後に、黒鉛るつぼの熱
伝導性及び放射性は非常に不均一になり、得られたロッ
ドは前述のロッドに比べて結晶障害の上昇ならびに炭素
−及び酸素−含量の強い偏りを示したため、もはやこれ
以上加工することができなかった。さらに、黒鉛るつぼ
は明らかに可視的なヒビ割れを示し、取り換えなければ
ならなかった。

このように、本発明の単一の実施態様と実施例を示した
にすぎないが、本発明の精神と範囲から逸脱することな
く、多くの変化及び修正が実施可能であることは明らか
であろう。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の方法を実施するための装置を図示したも
のである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）元素状溶融ケイ素の存在下で使用される炭素成形体
   の再生方法において、使用後に前記成形体を炭素に対し
   て不活性な雰囲気下で１７００〜３０００℃の範囲の温
   度に加熱し、前記成形体のｍｍで測定した器壁厚さの０
   ．０５〜１倍の数値に相当する時間数の期間、前記成形
   体を前記範囲の温度に維持することを特徴とする方法。 ２）不活性雰囲気として１０＾−＾１〜１０＾−＾３ｍ
   ｂａｒの真空を用いることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３）１，９００〜２，２００℃の温度を維持することを
   特徴とする特許請求の範囲第１または第２項記載の方法
   。 ４）前記温度処理後、前記成形体を前記不活性な雰囲気
   から取り出す前に５００℃以下の温度に冷却することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項の何れか
   に記載の方法。 ５）少なくとも１個の排気可能な装入室；これに連通し
   た排気及び加熱可能な加熱室；これに連通した少なくと
   も１個の排気及び冷却可能な冷却室；及び装入室と加熱
   室と冷却室との間で可動な、再生すべき成形体の受け入
   れに適したキャリヤを備えていることを特徴とする元素
   状溶融ケイ素の存在下で使用される炭素成形体の再生方
   法を実施するための装置。 ６）装入−及び冷却室として単一の装置要素を備えたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の装置。 ７）加熱室から分離可能な、１個または数個の装入−お
   よび冷却室を有することを特徴とする特許請求の範囲第
   ６項記載の装置。