JPH03153518A - シリカの炭素還元反応の安定化方法 - 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） この発明は、シリカ（ＳｉＯ□）の炭素還元によってけ
い素（以下単にＳｉという）を得る反応の際に、その反
応を安定化しようとする方法に関する。

太陽電池等に使用されるＳｉ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Ｓｉを製造するためには、その原料
も高純度のものが必要となり、そのため天然のけい石（
Ｓｉｆｔ）を精製しておく必要がある。

かくして精製された原料のＳｉＯ□は、粉末状又は数薗
以下という細かい粒状となるわけであるが、不純物の混
入防止や経済的な観点からは、そのまま原料として使用
するのが有利である。

（従来の技術） かかる粉末状又は粒状のＳｉｎｇを原料とし、炭素還元
してＳｔを製造する方法としては、特開昭６１−１１７
１１０号公報に開示される方法がある。

この方法は、炭素も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の混合物（炭素系原料）が充て
んされたアーク炉内で、その炉頂から炭素系原料を装入
する一方、炉内の最高温度を示すアーク火点部に粉末状
または粒状のＳｉＯ□を直接吹き込み、このＳｉｎ、と
炭素系原料とを高温下で反応させてＳｔを製造するもの
である。

しかしながら、上記の方法では、炉内に装入された炭素
系原料の炉体上部から下部への移動が円滑に行われない
場合があった。

これは、ＳｔＯ□の炭素還元の際に中間的に生じるＳｉ
Ｃが、炭素系原料層間で析出し、このＳｉＣの析出部分
が炉壁側から中心に向って成長して、最終的には、炉槽
断面全体にＳｉＣが析出し、固着層を形成し、炉内上部
から下部へのＳｉＣ化した炭素系原料の移動を阻害する
からであり、その結果、安定な操業を困難にするという
問題があった。

その対策として、従来からＳｉ製造炉においては、原料
にスペーサーとして木炭、チップ等を混合することで通
気性を確保しようとする方法が取られているが、この方
法では木炭、チップ等はＳｉへの不純物混入の原因とな
り、かつ原料と一括して装入するため、操業者の意図に
沿った通気性の改善は難しかった。

また特公昭５０−８０１５号公報においては、微粒子の
５ｉＯｚと粗粒子のＳｉＯ□とを混合して炉内に装入す
る方法が示されているが、かかる方法の目的は微粒子の
ＳｉＯ□でＳｉＣの生成、粗粒子のＳｉＯ２でＳｔの生
成を行うことにあり、これらの５ｉＯ１を区分して炉内
に装入しないために、炉内の通気性は悪く、かえって炉
内に固着層ができる原因となっていた。

（発明が解決しようとする課題） この発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、
ＳｉＣの固着層の形成を防止して、炉頂からの装入物の
炉内上部から下部へ移動の安定化を図り、長期にわたる
操業を可能とする　５ｉ（ｈの炭素還元反応の安定化方
法を提案することをその目的とする。

（課題を解決するための手段） この発明は、一組の電極を炉内下部にそなえている、ア
ーク加熱シャフト炉内に、炉頂から炭素質還元材を装入
して充てんする一方、電極のアーク部近傍に材料のシリ
カ（ＳｉＯｚ）粉末を噴射供給して、アークの熱によっ
てシリカ（Ｓｉｎｇ）を炭素質還元材で還元するに当た
り、シャフト炉の炉中心寄りに比し炉壁側において、よ
り粗粒の炭素質還元材の装入を行うことを特徴とするシ
リカ（Ｓｉｎｇ）の炭素還元反応の安定化方法である。

（作　用） 第１図に、粉末状又は粒状のＳｉＯ□を炭素還元してＳ
ｉを製造する装置を示す。

炭素系還元材（装入物）６を炉内に充てんしておき、Ｓ
ｉＯ□は吹き込みノズル３を通して炉内下部に吹き込ま
れる。この炉内下部にそなえた一組の電極のアークによ
り加熱されて、Ｓｉｎｇはアーク電極２や炭素質還元材
６と反応し、ＳｉＯガスを発生する。このＳｉＯガスは
上昇して炉内上部で炭素質還元材６と反応し、ＳｉＣ及
びＳｉが生成する。

これらの反応式は下記のようになる。

炉内下部の反応 ５ｉＯｚ　＋　Ｃ−５ｉＯ＋ＣＯ・・・（１）２ＳｉＯ
ｚ＋ＳｉＯ→３ＳｉＯ＋ＣＯ・・・（２）炉内上部の反
応 ＳｉＯ＋２Ｃ→ＳｉＣ＋ＣＯ・・・（３）ＳｉＯ＋Ｓｉ
Ｃ→２Ｓｉ＋ＣＯ・・・（４）このようなＳｉの製造方
法において、安定して操業を行うためには、炉内上部の
炭素質還元材が、ＳｉＯと、（３）式の反応でＳｉＣを
生成し、炉体下部に円滑に供給され、（２）の反応が進
行する必要がある。

しかしながら従来の方法では、前述したとおり炭素質還
元材の炉内上部から下部への移動が円滑に行われなかっ
た。

この理由は、炉内下部で発生したＳｉＯガスは、炉内を
均一に流れず、炉槽断面の中心付近を下から上へ流れる
ことから、上述した中心付近ではＳｉ住成反応（（４）
式）やＳｉＣ生成反応（（３）式）が進む一方、炉壁側
では、ガスの流れが悪いために中心寄りで生成したＳｔ
やＣＯガスが滞留しやす（、前記（４）式の逆反応 ２　Ｓｔ　＋ＣＯ−＋ＳｉＯ＋ＳｔＣ・・・（５）によ
ってＳｉＣが析出するからである。このＳｉＣは炭素質
還元材層間に析出することから、壁側の通気はさらに悪
化し、ＳｉＣ析出部分が炉壁側から中心に向って成長し
て、最終的には炉槽断面全体にＳｉＣが析出し、固着層
を形成し、炉体上部から下部への（３）により反応して
ＳｉＣとなった炭素系還元材の移動を阻害することにな
る。その結果、安定な操業を困難にするのは前述したと
おりである。

そこでこの発明では、シャフト炉の炉壁側において炉中
心寄りに比しより粗粒の炭素質還元材の装入を行・）。

例えば装入する炭素質還元材を粒径で２つに分ける。そ
のうち粒径の大きいものは、炉壁側に、一方粒径の小さ
いものは、炉の中心寄りに装入する。

すると炉壁側の通気抵抗が下がり、ガスが流れることか
らＳｉ生成反応が起こりやすくなり、炉壁側でのＳｉＣ
の析出が防止されるのである。

ところで製鉄における高炉操業においても、装入物を粒
径で分けて、炉壁側と炉中心寄りとにそれぞれ装入する
ことが行われている。しかしその目的とするところは、
高炉法では、その装置自体が大きいために、装入物は炉
内で自然と炉中心寄りに粒径の大きいもの、炉壁側に粒
径が小さいものが堆積しやすく、炉中心寄りにガスが流
れやすい構造となっていることから、この傾向をさらに
強化して、壁際に細粒の装入物を入れ、炉壁側の流れを
ほとんどなくし、炉壁の損耗をなくすことにある。

一方、この発明のようなＳｉｎ、の炭素還元反応では、
その装置が小さいので装入物はほぼ均一に装入される。

この際、粒度分布が大きいと通気が悪くなる不都合があ
る。そのため、装入物の粒度分布をできるだけ小さくす
る、すなわちほぼ均一な粒径にする必要がある。このよ
うな装入物を用いて、径方向で全体に反応を進めるには
、装置の径方向で粒径の全く異なるものを装入する必要
があり、高炉でいう粒度別装入とかなり異なる。

また高炉法では、羽目から入れた熱風で高炉内の熱を供
給しているので、反応を起こしたいところだけにガスが
流れれば良い。一方、この発明では、Ｓｉ生成反応は温
度の影響が大きいので、この部分に外熱による加熱が必
要となり、この熱を装置内全体に伝熱するためにもガス
の流れを利用する必要がある。

このように、この発明の粒度別装入は、高炉法のものと
は方法も目的も全く異なるものである。

さてこの発明に従い粒径の異なる炭素質還元材を装入す
る、具体的な方法を第２図を用いて説明する。

炉内の装入物層の表面に黒鉛製の円筒１１を降ろし、円
筒１１の内側には細粒の炭素質還元材、外側には粗粒の
炭素質還元材を供給する。装入完了後、この円筒を引き
上げる。この例では、細粒の炭素質還元材は円筒の上方
にある上部装入口１２から、また粗粒については、装置
側面に複数設けた側面装入口１３から装入する。

別の装入方法を第３図に示す。同図の方法では、装入タ
ンク１４下に円筒１１があり、装入時に装入物層の表面
までのびる。装入タンクは、内タンクと外タンクとに分
かれ、装入物の供給時に装入物が混ざらないようになっ
ている。

円筒１１は、装入物温度が１８００°Ｃ以上であること
、また太陽電池用Ｓｉは、純度９９．９９９％以上を要
求されていることから、黒鉛が用いられる。

なおかかる炭素質還元材としては、具体的には炭素、炭
化珪素などが挙げられ、好適な粒径としては、炉中心寄
りで１０〜１５　ｍｍ　、炉壁側で２０〜２５ＩＩＩＩ
ＩＩ程度である。

（実施例） 従来法としては、炭素質還元材には１０〜２５ｍｍの粒
径のものをほぼ均一に混合したものを用いた。

炉内でのガス流速は、第４図に示すように炉壁側でガス
流速が遅くなる流速分布となる。このため炉壁での（４
）式の逆反応により析出したＳｉＣの蓄積が多くなり、
固着層の形成により約３０時間で操業の継続が困難とな
った。

一方この発明を用いた場合、すなわち炉壁側に粒径２０
〜２５１１１ｍ、炉中心寄りに粒径１０〜１５ＩＩｆｌ
ｎの炭素質還元材をそれぞれ重量比で５０％づつ装入し
た場合、第５図に示すような流速分布となった。炉壁側
の通気抵抗が少なくなった結果、ガスが最も流れやすく
なり、ここをＳｉＯを多量に含むガスが通過するため炉
壁側でのＳｉ生成反応が進行しやすくなったことがら炉
壁側においてＳｉＣが析出せず、固着層ができなくなっ
て安定した操業ができた。

このとき、炉中心寄りでは炉壁側に比べて通気抵抗が大
きいため、ＳｉＣが析出し易くなったが、炉壁側の原料
の移動が容易となったため、炉中心寄りに析出したＳｉ
Ｃは炉内下部に供給されて５ｉｆｔと反応し、消費され
るので炉内上部でのＳｉＣ析出による固着層はできなか
ったので継続して操業することが可能になった。

またＳｉの歩留まりは両者とも８５〜９０％であり同じ
結果であった。

（発明の効果） この発明では、アーク加熱シャフト炉にてＳｆＯ□を炭
素質還元材で還元してＳｉを生成する反応の際に、炉壁
側において炉中心寄りに比しより粗粒の炭素質還元材の
装入を行うことによって、ＳｉＣの析出、固着に由来す
るＳｉｎ、の炭素還元反応の中断を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Ｓｉの製造装置のたて断面図、第２図及び第
３図は、この発明に従い炭素質還元材の装入を行う具体
的手段の説明図、第４図は、従来の炉内ガス流速分布を
示すグラフ、 第５図は、この発明を実施した際の炉内ガス流速分布を
示すグラフである。 日本板硝子株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一組の電極を炉内下部にそなえている、アーク加熱
   シャフト炉内に、炉頂から炭素質還元材を装入して充て
   んする一方、電極のアーク部近傍に材料のシリカ粉末を
   噴射供給して、アークの熱によってシリカを炭素質還元
   材で還元するに当たり、 シャフト炉の炉中心寄りに比し炉壁側において、より粗
   粒の炭素質還元材の装入を行うことを特徴とするシリカ
   の炭素還元反応の安定化方法。