JPS6364910A - 溶融るつぼに装入したケイ素粉末の溶融方法と同方法を実施するための溶融るつぼ - 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】 本発明は溶融るつぼに装入したケイ素粉末の溶融方法お
よびこの方法を実施するための溶融るつぼに関する。

１ｗより小さい粒度の粒子を高い割合で有するフラクシ
ヨンが存在する場合には特に、ケイ素粉末またはケイ素
ダストの溶融物を製造することは困難である。例えばケ
イ素ロッドまたはブロックののこ引き中、ロッド形状に
析出した多結晶ケイ素の粉砕または磨砕中、または流動
床方法によるケイ素析出中にこのような微粒子状粉末フ
ラクシヨンが多量に生ずる。西ドイツ特許第２，７０６
，１７５号明細書およびこれの対応米国特許第４，１５
１，２６４号明細書によると、ケイ素塊の粉砕中に廃物
として生ずる倣細なケイ素ダストを、例えば銅を添加し
たシリケートスラグ中で上首尾に溶融することができる
。しかし、この方法で得られたケイ素は高強度が要求さ
れろ用途に対しては銅の混入量のためからすでに不適切
である。さらに、スラブが必要であることとケイ素の他
に多量の添加物を溶融するために大容量の溶融るつぼが
必要であることから、付加的な費用が必要となる。

他の慣習的な溶融方法によると、各場合に溶融るつぼに
できるだけ完全にケイ素粉末を充填してから、この装入
物を溶融する。ケイ素粉末はケイ素溶融物よりも密度が
かなり小さいために、結局溶融るつぼの充填度は比較的
小さくなり、多量の出発物質を収容するためにこの場合
にも、溶融るつばを大容量であるように設計しなげれば
ならない。このことからるつぼ容量の増加に伴って溶融
物形成のためにるつぼの過度の加熱が必要になるため、
エネルギー使用量が不都合に上昇し、るつぼの腐食も増
加する。

さらに、このようにして生成した溶融物中に充填度を改
良するためにケイ素粉末を補充することは非常に困難で
ある。すなわち、通常は粉末粒子を酸化物皮膜が橿りて
いるために、この場合にこの皮膜と溶融物との反応によ
って一酸化ケイ素が急激に遊離し、これによってるつぼ
の中味全体がるつぼから投げ出されることも稀ではない
。

上記の問題は今まで大ていの場合に、最初に費用のかか
る分類段階で、溶融用に予定されたケイ素粉末から取扱
いが困難な微粒子成分を除去して、それ自体が高価な原
料物質であるこの微粒子成分を廃棄することによって対
処されていた。

そのため、本発明の目的は特に多量の微粒子成分を含む
ケイ素粉末を連続情動する方法を確立して、上記問題を
解除することである。

この目的は、溶融るつぼに装入した粉末床を溶融プロセ
ス中に常に未溶融ケイ素粉末の層によって覆われるよう
に維持し、さらに存在する未溶融ケイ素粉末層上に連続
的または定期的にケイ素粉末を補充し、この間に溶融帯
に移行した粉末法部分によって生成したケイ素溶融物の
みをるつぼから取出すことから成る方法によって達成さ
れる。

この方法によると、添加したケイ素粉末が緩慢に溶融帯
に入るにつれて付着している酸化物皮膜が徐々に除去さ
れるので、ケイ素粉末が溶融帯に１積したときに、酸化
物がすでにできるかぎり完全に除去されているため激し
い反応が起る心配がもはやない。

この方法は原則として、ケイ素塊の溶融にも適している
。しかし、この方法は微粒子の割合が高いために従来の
方法では溶融できないかまたは微粒子成分を分離した後
にのみ溶融できるようなケイ素粉末に対して特に有利に
用いられる。このような粉末は例えば管形またはロッド
形状に析出した粗ケイ素または多結晶ケイ素の磨砕また
は粉砕中に、流動床反応器のケイ素微粒子上での高純度
ケイ素の析出中に、任意に粒子を連続的に粉砕する機械
的処理に関連したもしくは任意にチャンバ一式フィルタ
ープレス中で実施するケイ素粒子の酸浸出中に、または
ケイ素ロッドもしくはブロックののこ引き中に生ずる。

経験によると、このような粉末では約１簡のメッシュサ
イズのふるいを通る微粒子成分の割合が大きくなればな
るほど溶融を制御することが困難になる。この場合に、
この微粒子クラクシ１ンがケイ素総量の約１重量％を超
えるとすでに、大きな困難が生ずる。このことは、大部
分がメツシュサイズ５μｍのふるいを通過する粒子から
成るのこ引きスラリーに対して、または振動粉砕ミルも
しくはエアースウェプト粉砕ミルで粉末化した、メッシ
ュサイズ７０μｍのふるいを通過する粒子を高い割合で
有する、ソーラー電池の出発物質として適した酸洗浄ケ
イ素に対して特にいえることである。本発明による方法
によると、今まで制御溶融にあまり適していないと見な
されていた粉末さえも問題なく溶融状態に転化すること
ができる。

この方法では、補充を原則として連続的またはバッチ式
に行うことができる。しかし、各場合に粉末状ケイ素が
直接溶融物中に導入されないでこの溶融物を覆うケイ素
粉末層上に最初に補充されるように、補充物量と溶融物
量とが互いに調和することが重要である。この場合に、
例えば輻射加熱、抵抗加熱または誘導加熱によって溶融
るつぼに熱エネルギーを加えることによって、溶融量を
制御することができるが、添加物量は例えば振動シュー
トまたはウオームコンベヤーのような適当な配量装置を
用いて、要求に適合させることができる。

本発明の好ましい実施態様によると、るつぼ内に生成し
たケイ素溶融物の一部がある一定の最低高さを有する溶
融物プールとしてるつぼ底部に集積され、この最低高さ
を超えた溶融物二量のみがるつぼから取出される。

溶融るつぼ内の最低溶融物高さは、底部レベルを超える
この高さに過剰な溶融物を流出させる排出口を１個以上
設けることによって好都合に設定される。このために、
必要な高さを有するサイフオンを溶融るつぼの底部に設
けることも好ましい。

他の可能性は例えばるつぼ外壁のこの高さにサイフオン
の原理によって作動する排出口を１個以上設けることで
ある。

このようにして、溶融状態で存在する物質の最低量を常
に低く保つことができる。これより低い値も原則として
は可能であるが、少なくともＩＭ、望ましくは少なくと
も５〜１５ｍの高さの溶融物プールを形成することが好
ましい。この溶融物高さは一般に、ケイ素粉末が徐々に
沈下して溶融物のみがるつぼから排出されるように溶融
されるために充分である。いずれにせよ、装入した粉末
は沈下しながら溶融るつぼの高温帯を通過し、最後には
溶融物プールに授精する直前に実際に溶融温度に達する
ので、溶融物プールが沈下する粉末のために凝固する危
険性は低い。凝固が生じたとしても、溶融帯に加える熱
エネルギーをやや高めるだけで、溶融物プールは一般に
再生することができる。

本発明による方法の実施に適した溶融るつばに用いられ
る材料は、原則として、例えば石英、炭化ケイ素または
窒化ケイ素のような、溶融ケイ素に対して不活性または
実質的に不活性である公知のるつぼ材料である。黒鉛が
特に有利に用いられる、すなわち高密度形または例えば
インポール（Ｉｍｐｏｒ　）被覆（有様液体を含浸させ
てから分解する）によって表面を被覆した形の黒鉛が特
に有利に用いられる。しかし、溶融物に課せられた純度
要求が許すならば、他の場合には汚染の危険性のために
使用されない例えばフランダムまたは窒化アルミニウム
のような、高温において固体の黒鉛以外の材料も原則と
して用いられる。

図面には、このような溶融るつばの可能な実施態様を示
し、これに関連して本発明による方法の実施をさらに詳
細に説明する。

例えば中空円筒形である溶融るつぼ１のるつぼ底部２に
は、排出路３が存在し、その上方に例えばサイフオン様
のキャップ４を用いて、ある一定最低高さを常に有する
溶融相をるつぼ内に形成することが可能である。さらに
、キャップ４の上方には、沈下する未溶融物が排出口６
に入らないようにするカバー５を設けるのが好ましい。

溶融物はカバー５内の例えば孔またはスロットとして設
計された流路７を通って排出口６に達して、排出路３を
通ってるつぼから流出する。溶融るつぼ１はるつぼ高さ
の４０〜１００％　までるりはヒーター８によって便宜
的に囲繞されており、このるつぼヒーター８はるつぼ中
味に加えられるエネルギー量を制御し、例えば溶融相が
上昇しすぎるのを阻止するために、好ましくは個別に制
御可能な種々な加熱帯を有する。

本発明によると、低温の溶融るつぼ１に一般には３０〜
１００チの充填度まで、ケイ素粉末９を充填し、次に作
用温度にまで加熱することによって溶融プロセスを開始
することができる。すでに作用温度にまで加熱したるつ
ぼにケイ素粉末９を装入することも同様に可能である。

この場合に溶融るつぼの最高温度帯に存在するケイ素粉
末が徐々に溶融し始めて、最後には溶融物プール１０を
形成する、溶融物プールは排出口６に予め定められた最
低高さに達するまで絶えず補充される。溶融物プール１
０の上方には、温度がすでに溶融温度の範囲であるよう
な初期溶融帯１１が形成されるため、個々の粉末粒子は
表面から溶融し始め、最後に溶融物プールに接触すると
完全に溶融する。この間に生成した過剰な溶融物量は排
出口６と排出路３を通ってるつぼから流出し、例えば方
向性凝固または真空蒸発のような他の処理を受けること
ができる。

るつぼから流出する溶融物量に応じて、存在する粉末床
にさらに被溶融ケイ素粉末を加えることができる。しか
し、この場合にその都度の供給量と流出量とが必らずし
も互いに厳密に一致する必要はなく、むしろるつぼの過
度充填または溶融物プールへの粉末の直接導入のような
極端な場合が避けられるかぎり、これらの量は広い範囲
内で変化することができる。

ケイ素粉末の好ましい補充方法は排出口がるつぼ内の粉
末床中に浸漬している例えば黒鉛製のスノーケル管を通
してケイ素粉末を導入することである。この排出口が粉
末によって覆われているかぎり、スノーケル管内を流れ
る粉末は抑制される。

るつぼ内の粉末レベルがスノーケル管の排出口が開放さ
れる程度に低下した場合には、管内から粉末がさらさら
と流れ始め、管の排出口が再び閉塞するまで粉末レベル
が上昇する。このようなある程度まで自動制御される系
の代りに、例えば振動シェードを用いて被溶融物質を連
続的またはバッチ式にるつぼ内に導入することができる
。

多くのるつぼ材料、特に黒鉛の場合に、るつぼの壁とケ
イ素粉末とは明確に異なる発光性を有するので、るつぼ
の充填しはルを光学的に有利に監視することができる。

この事実は例えばピロメーターのような非接触温度測定
機器の充填しくル検出への使用を可能にする。

粉末を連続的に常に供給する場合には、溶融過程、従っ
て結局はるつぼ内の充填レベルを供給する加熱電力によ
って制御することが好ましい。しかし、一定加熱力にお
いて粉末供給速度を変える、または両パラメータを可変
にすることも原則として可能である。いずれの場合にも
、排出口の横断面が単位時間内のるつぼからの溶融ケイ
素流出量の上限を定める。

溶融物プール部分に導入されたケイ素粉末の溶融と流出
が続くにつれて、添加ケイ素粉末は溶融るつぼのますま
す高温帯に浸入する。同時に、ケイ素粒子表面の酸化物
皮膜は揮発性−酸化ケイ素として蒸発し始め、この度合
は温度上昇に伴って絶えず増加し、結局は物質が溶融物
プールへの授精時に実際に酸化物を含まなくなり、問題
なく完全に溶融できるようになる。

このようにして溶融したケイ素が溶融るつぼを排出する
際に通過する排出口と排出路は、必らずしも円形横断面
を有する必要がない。例えばプリズム状、正方形、五角
形もしくは六角形のような多角形横断面またはスロット
状もしくは卵形横断面も同様に適している。このことは
また、この形状を決定し、るつぼ底部のレールを超えて
突出するキャップ（サイフオン）にもいえることである
。

好ましい実施態様によると、排出口にカッ２−を備えて
未溶融物質の排出口への侵入を阻止する。

この場合に、例えばコーン、ピラミッドまたはくさび形
のような、上方に先細りになった形状を選択して、粉末
状物質の下方移動を妨害する死空間の形成を阻止するこ
とが好ましい。また、例えばるつば底部の対応するみそ
に係合させることによってもしくはキャップ底面に適合
させることによって、ケイ素粉末下降による変位を防ぐ
ようにカバーを固定することも有利である。

本発明による方法およびその実施に適した溶融るつぼは
非常に微細なケイ素粉末の連続溶融を可能にする。常に
ケイ素はるつぼ内に溶融状態で少量がごく短時間存在す
るにすぎないので、例えば輻射放散およびるつぼ壁によ
る溶融物の汚染の両方を低く抑制することができる。さ
らに、比較的小容量のるつぼを用いて多量のケイ素粉末
を溶融することができる。例えばアルゴン雰囲気のよう
な不活性雰囲気中の大気圧または減圧下で、この方法を
実施するのが合目的である。

実施例 図面に従って設計した高密度黒鉛製の円筒状溶融るつぼ
（内径約１０ｍ、内部高さ約２４０＋ｍ、肉厚的１０　
ｒｍ　）の底部に、排出路が存在し、サイフオンの原理
によるその排出口（直径約１０順）は段階状黒鉛シリン
ダー形状のキャップの上側のるつぼ底部レベルの約６ｍ
上方に位置して〜・る。キャップ上方には上方に円錐状
に先細りになったカッＺ−が排出口から離れて保持され
る。溶融物質を排出口に侵入させる孔（直径約１０ＷＩ
Ｍ）がカバーに９０゜の間隔をおいて設けられている。

この配置は約ｌＱＱｍｂａｒのアルゴン圧に調節した排
気鐘中に存在した。

ケイ素タンクから振動シ為−トを用いて平均粒度２０μ
ｍのケイ素粉末をるつぼに約７０％まで充填した。次に
るつぼ加熱を開始し、溶融ケイ素が排出路から流出し始
めるまでるつぼを加熱した。次に加熱力を幾らか減じて
、溶融るつぼ内のケイ素粉末に振動シェードを用いてケ
イ素粉末を連続的に加え、排気鐘ののぞき窓を通して観
察できる溶融るつぼ内の物質高さが大体一定に維持され
るよ５にした。流出する溶融ケイ素は適尚な容器内に回
収した。

平均粒度２０μｍのケイ素粉末的ａｏ′ｋｇ量がこの方
法とここに述べた溶融るつぼを用いて１時間以内に上首
尾に溶融された。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明による方法の実施に適した溶融るつぼ
の可能な実施態様を示す。 １・・・溶融るつぼ、　　２・・・るつぼ底部、３・・
・排出路、　　　　　４・・・キャップ、５・・・カバ
ー、　　　　　６・・・排出口、７・・・カッζ−内流
路、　　８・・・ヒーター、９・・・ケイ素粉末、　　
１０・・・溶融物プール。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶融るつぼに装入した粉末床を溶融プロセス中に
   常に未溶融ケイ素粉末層によって覆われるように維持し
   、存在する未溶融ケイ素粉末層上にさらにケイ素粉末を
   連続的または周期的に補充し、この間に粉末床から溶融
   帯に移行した部分によって生成したケイ素溶融物をるつ
   ぼから取出すことを特徴とする溶融るつぼに装入したケ
   イ素粉末の溶融方法。
2. （２）生成したケイ素溶融物の一部がある一定の最低高
   さを有する溶融物プールの形でるつぼ底部に集積され、
   この最低高さを超える溶融物量のみが取出されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）溶融物プール高さが少なくとも１ｍｍである特許
   請求の範囲第２項記載の方法。
4. （４）用いたケイ素粉末がメッシュサイズ約１ｍｍのふ
   るいを通過する微粒子成分をＳｉ総量の少なくとも１重
   量％の割合で有することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項〜第３項のいずれかに記載の方法。
5. （５）一定の最低高さを有する溶融物プールの形成を可
   能にする少なくとも１個の排出口ば底部レベル上方に存
   在することを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第４項
   のいずれかに記載の方法を実施するための溶融るつぼ。
6. （６）底部レベルを超えて突出するサイフォンによって
   排出口が形成されることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載の溶融るつぼ。
7. （７）粉末状ケイ素の漏出を阻止するカバーが排出口に
   付加的に取付けられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第４項〜第６項のいずれかに記載の溶融るつぼ。