JPS63319206A - 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、単にｒ金属Ｓｉ１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５ｔ
０２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（Ｓｉ０２）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Ｓｔ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Ｓｔ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Ｓｔ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　Ｏ２）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５ｔｏ２
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５ｉ０２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５ｉ０２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５ｉ０２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、っまり５ｉ０２
の還元による金属Ｓｉの生成反応が主に起る高温領域に
、５ｉＯｐあるいはＳｉＯの細粒あるいは粉末を直接吹
込み、この５ｉ０２またはＳｉＯを炭素あるいはＳｉＣ
と高温下で反応させて金属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５１０２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、アーク炉内で金属ＳＬ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　ｉ０２　＋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Ｓｉが生成するものと考えられる。

Ｓ　ｉ　０２　＋Ｃ４Ｓ　ｉ　Ｏ＋ＣＯ・・・・・・・
・・・・・・・・■ＳｉＯ＋２Ｃ→Ｓ　ｉ　Ｃ＋ＣＯ・
・・・・・・旧・・・・・■５ｉｏ２＋３ｃ→ＳｉＣ＋
２ＣＯ＋＋＋ｚ＋■Ｓ　ｉ　Ｏ＋Ｃ→Ｓ　ｉ　＋ＣＯ・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・■Ｓ　ｉ　
Ｃ＋　Ｓ　ｉ　Ｏ２→Ｓ　ｉ　＋　Ｓ　ｉ　Ｏ＋　ＣＯ
−■Ｓ　ｉ　＋　Ｓ　ｉ　Ｏ２→２ＳｉＯ・・・川・・
・・旧・・・・・■Ｓ　ｉ　Ｏ＋Ｓ　ｉ　Ｃ→２Ｓｉ＋
ＣＯ・・・・・・・・・・・・■このような反応が起っ
ているアーク炉において粉状の５ｉ０２を使用すると、
この５ｉ０２は塊状のＳｉＯ２（珪石）に比較して反応
性が良いことから、アーク火点域で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５ｉ０２は０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Ｓｉ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５１０２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５ｉ０２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５ｉ０２
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、ＳｉＣ又は
金属Ｓｔ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Ｓｉの歩留
りが大幅に改善され、さらに、火点に吹き込む５１０２
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Ｓｉ
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。

このように上記特公昭６１−１１７１１０号の方法によ
れば、高純度金属Ｓｔの製造を、ある程度工業的有利に
行なうことができる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記の公知の方法では、アーク炉内の火
点域で発生するＳｉ０分圧は火点域の温度によって決定
され、生成Ｓｉの収率アップに必要な高いＳｉ０分圧を
得ることは困難である。さらに、公知の方法では、シャ
フト内に存在する未反応カーボンベレットが直接火点域
に落下し■式の反応により火点域のＳｉ０分圧の低下を
引き起こしＳｉの生成効率が低いものとなっていた。

［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、 ５ｉ０２又はＳｉＯの吹込用ノズルを有するアーク炉の
上側にシャフト部が設けられ、このシャフト部には加熱
装置が付設されている装置を用い、該アーク炉内にこの
シャフト部から炭素系原料を供給すると共に、５ｉ０２
又はＳｉＯを前記ノズルから供給して金属珪素を製造す
る方法において、 該シャフト部の下部に、その上方部位よりも温度の低い
ゾーンを形成し、アーク炉からシャフト部内に流入する
ＳｉＯガスの一部を該低温ゾーンにて凝縮させると共に
、 この凝縮したＳｉＯを含む原料を火点域に落下させるこ
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］ 本発明では、シャフト部下端にて凝縮されたＳｉＯが高
温の火点域に落下される。これにより、該火点域におけ
るＳｉ０分圧が増大され、火点域でのＳｉ生成反応が促
進される。よって、生成Ｓｉの収集率が増大する。

［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図は本発明の実施に好適な横型電極式アーク炉を示
す縦断面図である。

図中、符号１で示すアーク炉は黒鉛るつぼが内装される
か又は黒鉛質耐火物で内張すされ、その内部には黒鉛電
極２及び３が挿入されている。符号５は、黒鉛電極２．
３で形成されるアーク火点４へ向けてＳｉＯ２又はＳｉ
Ｏを供給するためのノズルである。アーク炉１の上部側
にはシャフト部６が立設され、その外部には、加熱装置
として高周波誘導加熱コイル７が設けられている。また
、シャフト部６の下部外周には、別の補助加熱機構８が
設けられている。

かかる構成の装置において、シャフト部６上方より炭素
質原料を供給すると共に、ノズル５からＳｉＯ２又はＳ
ｉＯをＡｒ％Ｈ２等のキャリアーガスを用いて吹き込む
と、アーク炉１内では前記■〜■の反応によってＳｉ、
ＳｉＯ等が生じる。

Ｓｉは炉底に溶融Ｓｔとして貯留され、適宜抜出口（図
示路）から抜き出される。ＳｉＯはアーク炉１内の高温
雰囲気下ではガス状であり、炉体内を上昇し、シャフト
部６内に流入する。

なお、装置の稼動初期には、炭素質原料はアーク炉内に
充満されているが、反応の進行と共に、火点域及びその
局面は空洞域となる。

本実施例では、シャフト部６の下部が例えば１７００〜
１８００℃程度の低温ゾーンＡとされ、それよりも上部
が２１００℃程度となるように補助加熱機構８及び高周
波加熱コイル７への通電制御がなされている。そのため
、上記ＳｉＯガスの一部は該低温ゾーンＡにて凝縮する
。また、残部のＳｉＯガスはシャフト部６内を上昇し、
このシャフト部６内にて炭素質原料と反応し、ＳｉＣ％
５ｉＯｓ＋等を生成させる。

而して、この低温ゾーンＡは例えば所定時間毎にポーキ
ング等によって火点域４へ落下せしめられる。（もちろ
ん、少量ずつ連続的に落下させても良い、）このように
ＳｉＯ凝縮物を含む炭素質原料が火点域４に供給される
と、Ｓｉ０分圧が増大し、火点域でのＳｉ０分圧を増大
させ■及び０式によるＳｉ生成反応を促進する。又、シ
ャツ　−ト部から落下してきたカーボンベレットによる
Ｓｉ０分圧の低下も改善され、火点域でのＳｔ生成が促
進されるものと推察される。

なお、２１００℃における平衡ガス分圧比Ｐ　ｓｈｏ　
／　Ｐ　ｃｏは約０．６であり、Ｓｉ０分圧が上記分圧
比に到達するまでシャフト部６内におけるＳｉ生成反応
が進行する。

具体的な装置稼動例を次に説明する。

以下の条件にて装置を稼動させた。

ノズル５からのＳｉＯ２（本例ではシリカゲル）の吹込
量　：５０ｇ／ｍｉｎ キャリアーガス＋Ａｒ（３０℃／　ｍ　ｉ　ｎ　）炭素
質原料：カーボンベレット （径１３ｍｍ、空間占有率約５０％） 平均使用アークパワー：５０ＫＷ 低温ゾーン温度：１８００℃ 低温ゾーンの高さ：約３０ｍｍ 低温ゾーンの上側の温度：２１００℃ 低温ゾーンからの炭素質原料の落下作業の頻度：３０分
に１回 その結果、火点域４の周面には約１０００　ｃ　ｍ’の
空洞が形成された。低温ゾーンから炭素質原料をｉ下さ
せることにより、この空洞内のＳｉ０分圧は約１０倍に
高められ、Ｓｉが効率良く製造された。なお、火点域で
のＰ　ｓｈｏ　／　Ｐ　ｃｏは約１．７であった。

本発明の金属Ｓｉの製造方法は、上述の如く、ＳｉＯの
一部を凝縮させ、これを火点域に落下させること以外は
、従来の方法と全く同様に実施することができる。

例えば、アーク炉に供給される炭素質原料としては、炭
素及び／又は炭素含有物質、或いは、これらのうちの少
なくとも一方と炭化珪素及び／又は珪石との混合物を用
いることができる。この炭素質原料として炭素等とＳｉ
Ｃとの混合物を供給する場合には、混合物中のＣ／Ｓｉ
Ｃのモル比が１／２以上、炭素等と５ｉ０２の混合物の
場合には、Ｃ／　Ｓ　ｉ　Ｏ２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
かできる。なお、炭素又は炭素と５ｉＣ１炭素とＳｉＯ
２の混合物に利用される炭材、５ｉ０２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Ｓ
ｉＣ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る
。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明では火点域のＳｉ０分圧が大幅に高
められ、Ｓｉ生成反応が促進されるようになり、Ｓｉ生
成反応の効率が高められる。また、従って、本発明によ
れば高純度Ｓｔが大量にかつ廉価に製造することが可能
とされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に好適な横型電極式アーク炉を示
す縦断面図である。 １・・・アーク炉、　　　　２．３・・・電極、４・・
・アーク火点、　　　　６・・・シャフト部、７１ｆｉ
・・・高周波話導加熱コイル。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＳｉＯ＿２又はＳｉＯの吹込用ノズルを有するア
   ーク炉の上側にシャフト部が設けられ、このシャフト部
   には加熱装置が付設されている装置を用い、該アーク炉
   内にこのシャフト部から炭素系原料を供給すると共に、
   ＳｉＯ＿２又はＳｉＯを前記ノズルから供給して金属珪
   素を製造する方法において、 該シャフト部の下部に、その上方部位よりも温度の低い
   ゾーンを形成し、アーク炉からシャフト部内に流入する
   ＳｉＯガスの一部を該低温ゾーンにて凝縮させると共に
   、 この凝縮したＳｉＯを含む原料を火点域に落下させるこ
   とを特徴とする金属珪素の製造方法。
2. （２）前記炭素系原料は、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炭化珪素及
   び／又は珪石との混合物である特許請求の範囲第１項に
   記載の方法。