JPS63129010A - 金属珪素の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は金属珪素（以下、車に「金属Ｓｉ４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Ｓｉ
Ｏ２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Ｓｉ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ＳＬが太陽電池等に利用され、そ
の金属Ｓｔ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（ＳｉＯ２）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
工程を加えることか必要になり、経済的にも、不純物の
混入の点からも不利であった。

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５ｉＯａ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ＳｉＯ２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ＳｉＯ２
の還元による金属Ｓｔの生成反応が主に起る高温領域に
、ＳｉＯ２あるいはＳＬＯ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Ｓｉ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Ｓｉ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Ｓｔが製造されている。

Ｓ　ｉ　０２　＋２Ｃ−”Ｓ　ｉ　＋２ＣＯ・・・・・
・・・・・・・■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Ｓｔが生成するものと考えられる。

Ｓ　ｉ　０２　＋Ｃ−３ｔ　Ｏ＋ＣＯ・・・−・・・・
・・−■Ｓ　ｉ　Ｏ＋　２　Ｃ−Ｓ　ｉ　Ｃ＋ＣＯ−−
−・”−・−・−−−−−■Ｓ　ｉ　０２　＋３　Ｃ＝
Ｓ　Ｉ　Ｃ＋　２　Ｃｏ　　””””’■Ｓ　ｉ　Ｏ＋
Ｃ−３ｉ　＋ＣＯ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・■Ｓ　ｉ　Ｃ＋Ｓ　ｉ　０２−Ｓ　ｉ　＋Ｓ　
ｉ　Ｏ＋Ｃ０−−−■Ｓ　ｉ　＋Ｓ　ｉ　０２→２Ｓｉ
Ｏ・・・・・・・・・・・・・・・・・・■Ｓ　ｉ　Ｏ
＋Ｓ　ｉ　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Ｓ
ｉＯ２を使用すると、この５ｉＯｚ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５ｉＯａ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ｓ
ｉを効率良く得ることは困難であった。

特開昭６１−１１７１１０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ＳｉＯ２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Ｓｉの他にガス状のＳｉＯが
アーク火点付近で生成する。このＳｉＯ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５ｉＯａ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。そのため、金属Ｓｉ
の歩留りが大幅に改善され、さらに、火点に吹き込むＳ
ｉＯ２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ＳｉＣ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。

従って、上記特開昭６１−１１７１１０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
行なわれている。

［発明が解決しようとする問題点］ 一般に、金属Ｓｉ製造アーク炉においては、例えば下記
条件で操業した場合、電極上方約１０ｃｍの所に強固な
ＳｉＣ又はＳｉＣ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１００ｍ
ｍの球状の空洞が形成される。

黒鉛電極径：６０ｍｍφ アークパワー：５０ｋＷ このＳｉＣ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ＳｉＣ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。

また、従来の如く、アーク火点に向けて５１０２又はＳ
ｉＯを供給すると、アーク発生領域に絶縁物であるＳｉ
Ｏ２を直接吹き込むこととなり、このことは当然のこと
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、従来の如く、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フて、 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、アーク電極よりも上方の部分にて上向きに供給
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］ 金属Ｓｔ製造アーク炉においては、炉内での反応の進行
に伴って、電極を中心としてＳｉＣ棚の空洞が形成され
る。従来、原料吹き込みノズルを電極間アーク発生領域
に向けてＳｉＯ２を吹き込んでいるのに対し、本発明に
おいては、ＳｉＯ２又はＳｉＯを含む物質は、アーク電
極よりも上方の部分にて上向きに供給する。

このため、供給されたＳｉＯ２又はＳｉＯがＳｉＣ棚と
衝突し、ＳｉＣと下記式のように反応することにより、
ＳｉＣが消費され、ＳｉＣ棚の生成が遅延され、またそ
の強度が低下される。

２Ｓｉ０２＋ＳｉＣ→３ＳｉＯ＋ＣＯ Ｓ　ｉ　Ｏ＋Ｓ　ｉ　Ｃ→２Ｓ　ｉ　＋ＣＯ従って、Ｓ
ｉＣ棚の除去作業は容易となりまたその頭度は大幅に低
減される。

さらに、本発明の如く、ＳｉＯ２又はＳｉＯの供給を電
極の上部にて上方に向けて行なうと、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、熱伝達が良好なものとな
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）〜（ｃ）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線に沿う断面図、（Ｃ）は第
１図（ａ）のＣ−Ｃ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５ｉ
Ｏｚ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を含む物質は電極２．３の上部にて上方に向けて供
給される。このため、第１図（ａ）〜（Ｃ）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は電極２．３の上部に、上方に
傾斜して設けである。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。

このノズル６の傾斜角度等は特に制限はなく、アーク炉
１の大きさや型態等に対して、吹き込まれるＳｉＯ２又
はＳｉＯが、電極２．３の上方に形成されるＳＩＣ棚に
衝突して、ＳＩＣ棚のＳｉＣと効果的に反応し得るよう
な角度となるように決定される。

一般には、第１図（ａ）〜（Ｃ）に示すアーク炉でアー
ク炉径や電極位置等が大略下記程度のものである場合に
は、 アーク炉径ａ：３００ｍｍφ 〃　　　ｂ：１５０ｍｍφ 黒鉛電極位置ｃ：　　５０ｍｍ 〃　　径：　　６０ｍｍφ 上記ノズルを ノズル位置傾斜角度θ：３０〜４０゜ ノズル位置ｄ：１０〜３０ｍｍ 程度となるように配置するのが好適である。

このような構成により、ＳＩＣ棚のＳｉＣが反応により
効率良く消耗され、ＳＩＣ棚の形成が遅延されると共に
その強度が減少されるという効果が奏される。

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ｉ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１０の空洞１０ａ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、
５ｔ０２又はＳｉＯを含む物質の吹き込みは、例えば第
３図、第４図に示すような配置のノズルにより行なうの
がより好ましい、（なお、第３図、第４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、（ｂ）
は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｅ）は同Ｃ−Ｃ線
に沿う断面図である。） 第３図（ａ）〜（Ｃ）の例は６本のノズル６ａ〜６ｆを
電極２．３の上部に上方に傾斜させて放射状に配置した
ものである。第４図（ａ）〜（Ｃ）の例は、２本のノズ
ル６ａ、６ｂを各々電極３．２の先端に向けて上方に傾
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（Ｃ）のｅ）は１００ｍｍ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５ｔｏ２
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Ｓｔの製造方法は、上述の如く、ＳｉＯ２
又はｓｉｏを含む物質の供給を電極の上部にて上方に向
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／　Ｓ　ｉ　Ｃのモル比が１
／２以上、炭素等とＳｉＯ２の混合物の場合には、Ｃ／
５ＬＯ２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Ｓｉロ
スを１５％以下まで低減することができる。なお、炭素
又は炭素と５ｉＣ１炭素とＳｉＯ２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
火点で必要となる反応熱が減少するため、火点の昇温か
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、Ｓｔ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５ｌｏ２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％Ｎ２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ｔｓｏｏ’ｃ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、５ｆ０２又はＳｉＯを含む
物質を、アーク電極よりも上方の部分にて上向きに供給
することを特徴とするものであって、電極上方に形成さ
れるＳｉＣ棚の生成をおさえ、その強度を低下させ、Ｓ
ｉＣ棚の除去作業を軽減し、反応効率を大幅に向上させ
ることができる。しかも、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、反応効率をより一
層向上させることもできる。

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
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）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フて、（ａ）は縦断面図、（ｂ
）は第１図（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（Ｃ）は第
１図（ａ）のＣ−Ｃ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、及び第４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
あって、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、 ６．６ａ〜６ｆ・・・ノズル。 代理人　　　弁理士　　　重　野　　剛第１図 （ｂ）　　　　　　　　　　　　　　　　（ｃ）（ｂ） 第３図 Ｂ」 第４図 （ｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、アーク電極よりも上方の部分にて上
   向きに供給することを特徴とする金属珪素の製造方法。
2. （２）ＳｉＯ＿２又はＳｉＯを含む物質を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項に記載の方法。