JPS63129009A

JPS63129009A - 金属珪素の製造方法

Info

Publication number: JPS63129009A
Application number: JP27320186A
Authority: JP
Inventors: Kunio Miyata; 宮田　邦夫; Mitsugi Yoshiyagawa; 吉谷川　貢; Masato Ishizaki; 正人石崎; Tetsuo Kawahara; 哲郎河原; Matao Araya; 荒谷　復夫; Yasuhiko Sakaguchi; 泰彦阪口
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd; Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1986-11-17
Publication date: 1988-06-01
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: JPH0753567B2

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】［ａ業上の利用分野］本発明は金属珪素（以下、車にｒ金属Ｓｉ、１という、
）の製造方法に係り、詳しくは、純度９９．９９９％以
上の高純度を要求される太陽電池用シリコンを粉状のＳ
ｉＯ２等を用いて経済的にしかも効率良く製造する方法
に関する。

［従来の技術］従来から、珪石（ＳｉＯ２）及び炭素から金属Ｓｔを製
造する際に、アーク炉を用いて金属ＳＬ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、炉内装入物層での通気の確保や、炉内高
温部でＳｔの生成反応を効率よく起こさせるために、塊
状の珪石（ＳｉＯ２）の利用が不可欠である。ところで
、近年、高純度の金属Ｓｉが太陽電池等に利用され、そ
の金ｆｉｓｉには９９．９９９％以上という高純度が要
求されている。このような高純度の金属Ｓｉを製造する
ための原料としてはそれだけ純度の高いものが必要とな
り、天然の珪石（Ｓ　ｉ　０２　）を精製したＳｉＯ２
が使用されているのであるが、このような精製したＳｉ
Ｏ２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、特開昭５７−１１２２３号
に示される方法が提案されているが、この方法でも、炉
に装入するＳｉＯ２原料の一部は３〜１２ｍｍという塊
状のＳｉＯ２である必要があり、十分に満足し得る効果
が得られない。

粉状のＳｉＯ２を原料として利用できる改良方法として
は、特開昭６１−１１７１１０号に開示される方法があ
る。この方法は、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とＳｉＣ若しくは５ｉＯａ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５ｉＯａ
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Ｓｔを製造するものであ
る。この方法によれば、従来の問題点を解決し、高純度
の金属Ｓｔ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、従来のガス化法に依存せずに、太陽電池用の高
純度Ｓｔを安価かつ効率的に大量生産することができる
。

即ち、電気炉内で金属Ｓｉを製造する際に、総括的には
次の■の反応によって金属ＳＬが製造されている。

Ｓ　ｉ　Ｏ２＋　２　Ｃ＝　Ｓ　ｉ　＋　２　ＣＯ・・
・・・・・・・・・・■実際には０式の反応は、次の■
〜■の各素反応に分解され、これらの素反応が併行して
起って、金属Ｓｉが生成するものと考えられる。

Ｓ　ｉ　０２　＋Ｃ→Ｓ　ｉ　Ｏ＋ＣＯ・・・・・・・
・・・・・・・・■ＳｉＯ＋２Ｃ→Ｓ　ｔ　Ｃ＋ＣＯ・
・・・・・・・・・・・・・・■ＳｉＯ２＋３Ｃ−４Ｓ
ｉＣ＋２ｃｏ　・・・・・・・・・■Ｓ　ｉ　Ｏ＋Ｃ−
＋Ｓ　ｉ　＋ＣＯ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・■Ｓ　ｉ　Ｃ＋Ｓ　ｉ　０２−Ｓ　ｉ　＋Ｓ　
ｉ　Ｏ＋ＣＯ・・・■Ｓ　ｉ　＋Ｓ　ｉ　０２　→２Ｓ
ｉＯ−−−−−−・・・・・・・・・・・・■ｓ　ｔ　
ｏ＋ｓ　ｔ　ｃ→２Ｓｉ＋ＣＯ・・・・・・・・・・・
・■このような反応が起っている電気炉において粉状の
ＳｉＯ２を使用すると、このＳｉＯ２は塊状のＳｉＯ２
（珪石）に比較して反応性が良いことから、昇温過程で
０式の反応が起こり、これにより多量のＳｉＯを発生す
る。この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５ｉＯｉは
■式の反応によってＳＩＣとなって炉底に沈積固化して
操業トラブルの原因となる。このため、従来においては
、高純度に精製された粉状のＳｉＯ２から高純度の金属
Ｓｔを効率良く得ることは困難であった。

特開昭５ｔ−ｔｔフ１１０号の方法の如く、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
などの炭素含有物あるいはこれらのうちの少なくとも一
方とＳｉＣ若しくは５ｉＯｚ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、０式、０式ある
いは０式の反応により金属Ｓｔの他にガス状のＳｉＯが
アーク火点付近で生成する。このＳｌＯは炉上部から装
入されるＣ又はＳｉＣ（炉上部より装入されるＳｉＯ２
と炭素の混合物は０式の反応により炉内ではＳｉＣとな
る。）と、■式、０式に示す反応を起こし、金属Ｓｔ又
はＳｉＣを生成し、ここで生成したＳｉＣは新たに火点
に吹込まれたＳｉＯ２又はＳｉＯと再び０式又は０式の
反応によって金属Ｓｉを生成するため、金属Ｓｔの歩留
りが大幅に改善され、さらに、火点に吹き込む５ｉＯａ
又はＳｉＯの量を調整することで０式又は０式の反応に
より炉底でのＳｉＣの消費量を調整でき、炉底へのＳｔ
Ｃの沈積固化によるトラブルの防止を図ることができ、
効率的な連続操業が可能となるのである。

このように上記特開昭ａｔ−ｔｔ７１１０号の方法によ
れば、高純度金属Ｓｉの製造を、ある程度工業的有利に
行なうことができる。なお、この方法では、例えば、横
型電極式Ｓｉ製造アーク炉において、原料ＳｉＯ２の吹
き込みは、一方向からアーク発生源の火点域中心に向け
て行なわれる。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、アーク発生領域に絶縁物であるＳｉＯ２
を直接吹き込むことは、当然のことながらアークの安定
性を阻害する。また、アーク炉内での火点域は、アーク
発生の加熱源であり、炉内での反応は、この加熱源から
の熱の伝達により促進されることから、原料ＳｉＯ２の
吹き込みをアーク発生源の火点域中心に向って行なうと
、炉内でのアーク熱の均一な伝達が困難となり、熱伝達
効果が悪化して熱効率が低減するという問題も生じる。

［問題点を解決するための手段］本発明は上記従来の問題点を解決するものであって、炭素及び／又は炭素含有物質、或いは、これらのうちの
少なくとも一方と炭化珪素及び／又は珪石との混合物を
充填したアーク炉内に、ノズルによりＳｉＯ２又はＳｉ
Ｏを含む物質を供給して高温下で反応溶融させて金属珪
素を製造する方法において、ＳｉＯ２又はＳｉＯを含む
物質を、アーク火点近傍へ供給することを特徴とする金
属珪素の製造方法、を要旨とするものである。

［作用］本発明においては、原料のＳｉｏ２又はＳｉＯを含む物
質を、アーク火点以外のアーク火点近傍へ供給するため
、アーク火点への絶縁物質の直接吹き込みとならず、ア
ークが安定に維持される。

また、アーク炉内最高温域であるアーク火点へ直接原料
が吹き込まれないため、熱伝達を良好なものとし、熱伝
達効率の向上を図り、炉内反応をより一層進行させるこ
とが可能とされる。

［実施例］以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の実施に好適な横型電極
式アーク炉を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ
）は第１図（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う横断面図である。

図中、符号１で示す炉体は黒鉛質耐火物よりなり、その
炉体１内には黒鉛電極２及び３が設けられている。黒鉛
電極２．３で形成されるアーク火点４の上方に対応する
炉体１の外部には、加熱装置として高周波誘導加熱コイ
ル５が設けられている。

而して、従来、このようなアーク炉において、原料Ｓｉ
Ｏ２又はＳｉＯを含む物質はアーク火点４に向けて供給
されていたが、本発明においては、原料ＳｉＯ２又はＳ
ｉＯを含む物質はアーク火点４以外のアーク火点近傍、
好ましくは、アーク火点の上方に供給される。このため
、第１図（ａ）、（ｂ）に示すアーク炉１において、原
料ＳｉＯ２又はＳｉＯを含む物質を供給するためのノズ
ル６はアーク火点４の上方に設けである。このノズル６
は一般に中空の黒鉛質ノズルとされている。

金属Ｓｉ製造アーク炉においては、例えば第１図に示す
アーク炉で下記条件で操業した場合、電極直上約１０ｃ
ｍの所に強固なＳｉＣ又はＳＬＣを主体とする硬質物質
によってアーチ状に天蓋部分（これを、本明細書で「棚
」と称することがある。）が生成し、電極間を中心とす
る径約１００ｍｍの球状の空洞が形成される。

アーク炉径ａ：３００ｍｍφ １１　　　　ｂ：１５０ｍｍφ 黒鉛電極位置Ｃ：　　５０ｍｍ〃　　径：　　８０ｍｍφ ノズル位置ｄ：　　５０ｍｍアークパワー：　　５０ｋＷこのＳＬＣ棚は原料ＳｉＯ２とＣとの接触、反応を阻害
するものであるため、従来においては、このＳＬＣ棚を
人手により突き壊していたが、ＳｉＣは極めて硬度の高
い物質であることから、この突き壊し作業は容易ではな
かった。

しかしながら、本発明において、第１図（ａ）、（ｂ）
に示す如く、原料ＳｉＯ２又はＳｉＯを含む物質をアー
ク火点の上方に供給した場合には、以下の反応によりＳ
ｉＣが消費され、ＳｉＣ棚の生成が遅延されるという効
果も期待できる。

２ＳｉＯ２＋ＳｉＣ→３　Ｓ　ｉ　Ｏ＋Ｃ０５ｉＯ＋Ｓ
ｉＣ→２Ｓ　ｉ　＋ＣＯところで、第２図（ａ）に示す如く、このＳＩＣ棚１０
は、１本のノズル６にて１方向原料吹き込みを行なった
場合には、炉１内に偏在して生成し、吹き込み方向とは
反対の方向に伸びる空洞１０ａが形成される。これに対
し、第２図（ｂ）に示す如く、２本のノズル６を炉１の
対称位置に設け、２方向原料吹き込みを行なった場合に
は、ＳｉＣ棚１棚下０下方洞１０ａは電極２．３位置に
対称に形成される。

即ち、第２図（ａ）に示す１方向吹き込みの場合には、
吹き込み原料が直接炉内反応物と衝突し、吹き込みとは
反対側にて反応が進行し易いため、炉内反応部は偏在し
易い、また、第２図（ｂ）の２方向吹き込みの場合には
、１方向吹き込みの場合に比し、炉内で生成した空洞は
より対称的な様相を示すため、原料の均一な混合がなさ
れ、炉内反応はより均一に起こる。

従って、本発明においては、炉内での反応をより均一に
進行させるために、原料吹き込み用ノズルを２本以上の
複数本設け、アーク火点に対して対称的な空洞を形成で
きるようにするのがより好ましい。

このような観点から、本発明方法の実施にあたっては、
ＳｉＯ２又はＳｉＯを含む物質の吹き込みは、例えば第
３図〜第５図に示すような配置のノズルにより行なうの
が好ましい、（なお、第３図〜第５図は、いずれもアー
ク炉１の電極２．３に対するノズル配置例を示す図であ
って、いずれも（ａ）はアーク炉縦断面図、Ｃｂ＞は（
ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（Ｃ）は四〇−Ｃ線に沿
う断面図である。）第３図（ａ）〜（ｅ）の例は６本のノズル６ａ〜６ｆを
電極２．３よりも上方位置に水平かつ放射状に配置した
ものである。第４図（ａ）〜（ｅ）の例は、２木のノズ
ル６ａ、６ｂを電極２．３よりも上方位置に各々電極３
．２に向けて下方に傾斜させて配置したものである。ま
た、第５図（ａ）〜（Ｃ）の例は、２本のノズル６ａ。

６ｂを各々電極３．２の先端上方部に向けて上方に傾斜
させて配置したものである。

このように複数本のノズルを配する場合、ノズル先端の
間隔（第１図（ｂ）のｅ）は１１００ｒｎ以下とするの
が反応効率の面から好ましい。

なお、本発明の好適な実施態様において、原料ＳｉＯ２
又はＳｉＯを含む物質の供給は、複数本のノズルにより
、アーク火点に対して均一かつ対称的な空洞が形成され
てるように行なわれれば良く、ノズルの本数や配置は図
示のものに何ら限定されるものではない。

本発明の金属ｓｉの製造方法は、上述の如く、ＳｉＯ２
又はＳｉＯを含む物質をアーク火点以外のアーク火点近
傍に向けて行なうこと以外は、従来の方法と全く同様に
実施することができる。

例えば、アーク炉に炭素等とＳｉＣとの混合物を充填す
る場合には、混合物中のＣ／ＳｉＣのモル比が１／２以
上、炭素等とＳｉＯ２の混合物の場合には、Ｃ／ＳｉＯ
２のモル比が３．５以上とするのが好ましく、こうする
ことによって、炉頂からのＳｉＯとしてのＳＬロスを１
５％以下まで低減することができる。なお、炭素又は炭
素とＳｉＣ，炭素と５１０２の混合物に利用される炭材
、ＳｉＯ２等がともに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、十分に炉の通気性が確保で
きる。炉頂から炭素等とＳｉＣの混合物あるいは炭素等
とＳｉＯ２の混合物を装入する場合には、炉内の熱量（
ガスの顕熱）の有効利用が図れ、かつ、アーク火点て必
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
ガス量が大幅に減少するため、炉内の通気確保が容易と
なり安定した操業を確保できる。

なお、ＳＬのロスは、ガスとして揮散するＳｉＯを回収
して再び炉内にＳｉＯ２等とともに吹込むことにより、
−要改善される。

また、ＳｉＯ２又はＳｉＯを含む物質の吹き込みは、キ
ャリヤーガスでＳｉＯ２又はＳｉＯの粉、粒状物をノズ
ルにより噴出させて行なうが、このとき用いられるキャ
リヤーガスにはＡｒ、Ｈ２，８２などの非酸化性ガスが
利用される。ノズルの材質は前述の黒鉛等の他ＳｉＣな
どが用いられる。

アーク炉の上部に設けられた高周波誘導加熱コイルによ
り、アーク火点の高温反応域は外部加熱により上部に拡
大する。これにより、金属Ｓｔ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、炉外壁あるいは
装入物が１８００℃以上、望ましくは２０００℃以上と
なるように行なうのが好ましい。

［発明の効果］以上詳述した通り、本発明の金属Ｓｔの製造方法は、炭
素及び／又は炭素含有物質、或いは、これらのうちの少
なくとも一方とＳｉＣ及び／又はＳｉＯ２との混合物を
充填したアーク炉内に、ノズルによりＳｉＯ２又はＳｉ
Ｏを含む物質を供給して高温下で反応溶融させて金属Ｓ
ｔを製造する方法において、ＳｉＯ２又はＳｉＯを含む
物質を、アーク火点以外のアーク火点近傍へ供給するこ
とを特徴とするものであって、アークを安定に維持し、
アークによる発生熱の有効伝達を促進し、反応効率を大
幅に向上させることかでざる。

特に、本発明において、ＳｉＯ２又はＳｉＯを含む物質
の供給を複数本のノズルにより行なった場合には、炉内
での反応の偏在化を防止し、均一な反応を生起させるこ
とができ、より一層反応効率を向上させることができる
。

また、ＳｉＯ２又はＳｉＯを含む物質をアーク火点の上
方に供給する場合には、供給されたＳｉＯ２又はＳｉＯ
により、炉内に形成されたＳｉＣ棚のＳｉＣが反応消費
され、ＳｉＣ棚を消耗させることも可能とされ、極めて
有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の実施に好適な横型電極
式アーク炉を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ
）は第１図（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う横断面図である。第
２図（ａ）、（ｂ）は、各々、ノズル配置と空洞の形成
との関係を説明する断面図である。第３図〜第５図は、
いずれもアーク炉の電極に対するノズル配置例を示す図
であフて、いずれも（ａ）はアーク炉縦断面図、（ｂ）
は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｃ）は同Ｃ−Ｃ線
に沿う断面図である。１・・・アーク炉、　　　　　２．３・・・電極、４・
・・アーク火点、６．６８〜６ｆ・・・ノズル。代理人　　　弁理士　　　重　野　　剛第１図（ｂ）第３図Ｂ」第４図（ａ）（ｂ）（Ｃ）第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭素及び／又は炭素含有物質、或いは、これらの
うちの少なくとも一方と炭化珪素及び／又は珪石との混
合物を充填したアーク炉内に、ノズルによりＳｉＯ＿２
又はＳｉＯを含む物質を供給して高温下で反応溶融させ
て金属珪素を製造する方法において、ＳｉＯ＿２又はＳ
ｉＯを含む物質を、アーク火点近傍へ供給することを特
徴とする金属珪素の製造方法。
（２）ＳｉＯ＿２又はＳｉＯを含む物質はアーク火点の
上部側近傍に供給することを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の方法。
（３）ＳｉＯ＿２又はＳｉＯを含む物質は２以上の複数
のノズルにより供給することを特徴とする特許請求の範
囲第１項又は第２項に記載の方法。