JPS58217415A - 炭化ケイ素を製造する方法及び炉 - 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】 本発明はアチソン（Ａｃｈｅａｏｎ　）式の炭化ケイ素
製造炉に関する。

アチソン式の炭化ケイ素炉についての記載は、例エバ、
イー・ジー・アチソンに与えられた米国再発行特許第１
１，４７３号（再発行日：　１８９５年２月２６日）の
力かに見い出される。このアチソン炉によると、カーボ
ンの芯（コア）状抵抗体素子を使用し、また、反応の完
結時、多かれ少なかれ未反応の混合物中に埋め込まれた
捷ま残留するある領域のカーデンロッドの周囲を炎孔ケ
イ素結晶が包囲する。

アチソン炉はいわゆる１グリーンラン（ｇｒｅｅｎ　ｒ
ｕｎ）”ベースで運転することができ、新品のケイ砂と
コークスとからなる装入物を反応湯度まで加熱して炭化
ケイ素を製造する。グリーンラン運転の間、約５（ｌの
物質が反応して炭化ケイ素結晶が生成し、その際、反応
帯域中の不純物がその帯域からその周囲の部分的に反応
せる混合物中にマイグレートする。ここで、部分的に反
応せる混合物は耐火砂と呼ばれ、同じく若干量の炭化ケ
イ素結晶を含有する。

廃棄物としないため、耐火砂を追加量のケイ砂及びコー
クスと混合していわゆる“ブラックラン（ｂｌｎｃｋ　
ｒｕｎ　）を製造する。この運転の反応混合物には、先
の運転時の耐火砂中に形成された少量の炭化ケイ素−１
先の運転時の不純物、そして新たに添加したケイ砂とコ
ークスが含まれる。

それぞれの製造運転の後に残った未反応や部分的に反応
した混合物を引き続く製造運転で再使用するために回収
する。しかしながら、この操作は、もちろん、エネルギ
ーや労働力を使用するので不経済である。この混合物を
製造運転の間に加熱し、そしてへ寥冷却するが、これも
また再処理及び掃除のための労働力を必要とする。次い
で、引き続く製造運転においてこの混合物を再び加熱工
程に供しなければならない。

炉の大きさを増加したり入力を増大したりして最も所望
とする粗結晶状炭化ケイ素生成物の収率を高めようとす
るいろいろな試みがなされている。

しかしながら、このような変更を行彦りても所望とする
炭化ケイ素の効率の全面的な増加を達成することができ
ない。というのは、分解した炭化ケイ素からなる大きな
中央帯域が出来、そして反応帯域の直径が増加すれば増
加するほど耐火砂のより大きな帯状域が本質的に形成さ
れ、耐火砂の再循環か必要となるからである。

炭化ケイ素の生産量を高めるかもしくは得られる生成物
中の結晶の生長をコントロールしようとするその他の従
来技術の試みの例は米国特許第１．０４４．．２９５号
及び同第２，１７８，７７３号に示される。前者ではジ
グザグ模様の電気抵抗芯構造体が提案されており、また
、後者では中央に配置したサセプタを反応の賦活に使用
する誘導訓導装置が示されている。

本発明の１つの目的は、より大きな割合での粗結晶状炭
化ケイ素の製造をもたらし、そして製造運転の後に再循
環を必要とする再生混合物の量を実質的に下げるような
条件の下でケイ石−コークス反応を実施するための改良
された構造をもつアチソン・タイプの炉を提供すること
にある。本発明に従うと、製造効率のこの増加を反応成
分の塊りを収容するための新しいダート、すなわち、壁
構造によって達成することができる。これによると、よ
りコントロールされた温度条件下において反応成分の塊
りを反応させる方法を実施し、よって、所望とする粗粒
子状の炭化ケイ素生成物の比例した収率を高めることが
できる。

本発明に従い製造されるアチソン炉の壁はその融点が２
４００℃を上廻る材料から作られた基礎壁スラブを有す
る。このスラブ材料は上記のよう々高められた温度にお
いて低蒸気圧であり、そしてさらにこの温度において炭
化ケイ素に対して不活性である。この好ましい壁は基本
的に複合構造体であり、多数のグラファイトスラブとカ
ーボンブラック断熱材層をグラファイト部材及び支持体
バッキングの中間で使用する。グラファイトは本発明方
法の実施中に反応混合物に直接的にさらされるけれども
、その際に複合壁構造体に害が出ることがなく、したが
って、炉の本体を反応物質の収容に適した大きさで構成
することができ、よって、所望とするより粗い結晶状の
炭化ケイ素製品を製造する範囲内の温度で反応物質をよ
り完全に炭化ケイ素に変えることができる。

次に、本発明の特に好ましいいくつかの態様を添付の図
面を参照しながら説明する。

第１図に示した炉には末端壁１ｏ及び１２が含まれる。

これらの末端壁は上記した特許された先行技術文献に記
載の公知なアチソン・タイプ炉のパターンをとる。この
炉は先の運転時からのコークス及び（又は）グラファイ
トからできた通常のカーデン又はグラファイト抵抗体１
４を有し、そしてこの抵抗体はケイ砂及びコークスの混
合物からなるトラフ内の反応室を通って中央に配置され
る。必要な電流を抵抗体に流して炭化ケイ素の製造反応
をおこすために抵抗１４を電極１６及び１８に接続する
。ケイ石及びコークスの適当な化学量論的混合物を、耐
火砂と一緒に（もしもこのような物質が入手可能である
ならば）、電極１６及び１８のレベルまで反応室２ｏ内
に配置する。

抵抗体１４を設けた後、この技術分野において公知なよ
うにして炉にコークス及びケイ砂の混合物を完全に装填
する。炉室を構成するものは、第２図及び第３図に示さ
れる通り、末端壁１ｏ及び１２、側壁２２及び２４、そ
して床２５である。

本発明の新しい特徴は第１図及び第２図で最も良く判る
。壁２２及び２４はそれぞれ一連の実質的に同一のグラ
ファイトブロック２６からできてお、す、そしてこれら
のブロックは縦位置で間隔をあけて立っている。これら
のブロックの内面が反応室２０９側壁を構成する。この
例では小型の炉であるというものの、そのグラ７アイト
ブロック又はスラブは約２，５α（す々わち、１″）の
厚さ、３０　ｔｙｎ　（すなわち、約１フイート）の幅
、そして約１　ｍ　（すなわち、約３′）の高さを有し
、そしてそれらの内面が抵抗体１４の中心線に一般に平
行にｍｌ置されるように溝付アルミナレンが２８で床レ
ベルで保持することができる。スラブ２６の上端は同じ
ような溝付アルミナレンが３０で固定することができる
。これらのレンガは個々のスラブ間に出来た間隔（ス４
−ス）を橋架けする。これらのスペースは、さもなけれ
ば抵抗体パーとアースとの間の短回路の道（〜パス）が
作られるプレート間の良好な電気的接触の形成を避ける
ため、約２、５　ｃｍ　（すなわち、ＩＮ）のオーダー
である。スラブの隣接せる端部間のスペースにそれぞれ
グラファイトフェルトストリップ３２を詰める。スラブ
の側面のうち室２０に面しない裏側と炉の対向側面上の
耐火レンガ支持体壁３４との間にスペースをとる。これ
らのスペースは約１５〜３０ｍ（すなわち、６＃〜１２
＃）幅であり、そしてそれぞれカーピンブラック粉末３
６を詰めるようになっている。グラファイトフェルトス
トリップはスラブ２６間にできたスペースを通ってカー
ぜンブラックが流れるのを防止し、そしてグラファイト
スラブ２６の背後に存在するカーピンブラックの幅広の
塊りは断熱作用を奏し、１反応室２０内に保持された反
応物質で発生する反応温度から耐火レンせ壁３４を保護
する。さらに保護を行なうため、壁３４の内面にアスベ
スト紙の層を内張すしてもよい。

末端壁１０及び１２、垂直に配置されたスラブ２６の内
面、そして床２５によって周囲を規定される反応室２０
を炉の上部からかもしくは末端壁１０及び１２０部分の
取り外しによって炉の端部から装入及び取り出しを行な
うように、そしてその際に壁２２及び２４を形成するそ
れぞれの絶縁グラファイトスラブ２６の部分を取り外し
たりそれらの部分が邪魔になったりということが々いよ
うに設計する。

炉を上記のようにして構築した場合、通常のアチソン炉
の運転と同様にして、その炉の反応室に新品のケイ砂と
コークスの化学量論的混合物をこれより前の運転時から
の再生耐火砂と一緒に装填する。この反応混合物を抵抗
体１４の周囲に詰め、そして次にこの抵抗体に必要力電
圧の電力を、流して層化ケイ素の製造に必要な温度を反
応物質内に導く。運転中に反応に関与した物質について
、そして壁にそって数個所に配置されたグラファイト管
内の光学的高温計によって温度測定を実施し、そして反
応物質内及び次にグラファイトスラブ２６の内面で上昇
せる温度をモニターする。スラブ２６の内面の温度が少
なくとも１時間にわたって最低２０００〜２５００℃、
好ましくは２０００〜２２４０℃の範囲に達するまで運
転を継続する。

炭化ケイ素を製造するための反応は５１０２を蒸発させ
るのに十分力温度を必要とし、そして混合物中のケイ砂
及びコークスの約１８００℃での反応によって初期に転
化される微結晶状炭化ケイ素１ポンドについて約２．６
ＫＷＩ（のエネルギーを必要とする。この微結晶状炭化
ケイ素を約’２５００℃を上部ら々い壕での範囲内の温
度に加熱して特定の商業的使用に望捷しい粗結晶形態壕
で結晶生長を促進するためにはさらにエネルギーが必要
とイる。但し、微結晶状反応生成物を一旦製造してから
粗結晶を生長させる場合には炭化ケイ素１ポンドについ
てほんの０．３ＫＷＨが必要となるだけである。入力し
た熱のかかり大きな部分は大抵のところ約１８００’Ｃ
で初期のケイ石及びコークスの反応を促進して炭化ケイ
素を製造するために利用され、そして、合成が進行する
間、入力した熱の全量が反応に用いられることが明らか
である。反応によるこのような熱の消費は反応帯域から
外側に向って半径方向にさらに反応が進行するのを防止
する傾向がある。

犬＠々結晶の生長は、反応が実質的に完了し、そして２
０００℃を上部る温度が生じ得るまで進行することが不
可能である。室２０の抵抗体素子１４を取り囲むケイ砂
／コークス反応混合物の実質的に全量が使用されて微結
晶状の炭化ケイ素が形成されるまで、その混合物の塊り
の中心に反応帯域が位置する。但し、反応が進行すると
、耐火砂混合物内からスラブ２６に向かって外側方向に
炭化ケイ素帯域が生長し、認め得る程度の粗結晶への再
結晶化がその際に行なわれることがない。

ここに開示した絶縁壁構造体は反応物質を取り囲み、し
たがって、炉内の抵抗体素子と反応帯域のｉ２２及び２
４との中間に位置するケイ砂及びスークスの実質的に全
部が反応して炭化ケイ素を形成し、そして次に室２０内
の物質を約１８００℃から結晶生長又は再結晶化がおこ
り得る範囲の温度まで徐々に加熱することができる。ス
ラブ２６の内面における温度を監視することによって反
応を最良の状態でコントロールし、よって、所望とする
粗粒子状の再結晶化炭化ケイ累の最も有効な製造を保証
することができる。

第３図を参照すると、約１ｍ２に等しい断面積をもった
反応室２０を形成する場合、ある壁２２から対向壁２４
に伸びた粗結晶状炭化ケイ素の帯域４０を製造する。こ
の帯域は頂部と底部が耐火砂帯域４２で包囲されており
、そしてこれらの帯域の外側には不純物及び未反応混合
物に富む帯域４６がある。

反応を完結し、そして再結晶化湯度を反応室２０の側壁
２２及び２４を形成するスラブ２６の内面において１時
間にわたって２０００〜２５００℃以下の範囲内で保持
した後、電気の供給を中断し、そして２〜３日間にわた
って炉を冷却することができる。炉を取り外した後、粗
結晶は絶縁側壁２２及び２４に向かって外側方向に生長
したけれども反応物質のうち絶縁を施され々かった頂部
及び底部帯域は少各量の耐火砂ならびに部分反応及び未
反応の混合物でカバーされていることが判るであろう。

これとは対照的に、常用のアチソン炉で見い出される最
終生成物では反応物質の全帯域を耐火砂が包囲すること
となる。

上記し、そして記載の温度及び時間で運転した一部で製
造した炭化ケイ素を化学的に分析し、そして粗結晶帯域
４０の内部から取り出した一部を壁、すなわち、ダート
２２又は２４のいずれか一方に隣接する部分から取り出
したものと比較した。次のような結果が得られた： 以下全白 内部からの生成物　　デート生成物 ＳｉＣ９９，２８９８，８５ 遊離炭素　　　　　　０．１９　　　　０．１７Ｆｅ　
　　　　　　　　　　Ｏ，１２０，１２Ｔｉ−０，０２
０，０３ ＡｔＯ，２１１，０４ Ｃａ　　　　　　　　　　Ｏ，０１０，０１Ｍｇ　　　
　　　　　　　　Ｏ，０１０，０１グラフアイトゲート
に隣接する部分では内部から取り出した生成物に比較し
て非常に高いＳｉＣ含有量が見い出された。このことは
、このカーデンブラック絶縁壁構造体に隣接して耐火砂
及び未反応混合物が不存在であったことを示している。

第４図に示すような本発明のもう１つの形態では、壁２
２及び２４を、平面とするよυはむしろ、生長中の炭化
ケイ素塊の外形に一般には同中心的に適合するような形
状にすることができる。このようにすると、増加した粗
結晶状炭化ケイ素のために絶縁ダート構造体を使用する
ことの利点を最大にすることができるであろう。これら
の壁を混合物の底の周囲を部分的もしくは全体的に延在
させて５１のところで合体させてもよい。高融点耐火レ
ンがからなる支持脚５０を必要に応じて配置してもよい
。

壁スラブ用にグラファイト以外に使用することのできる
材料はカー？ン、そして炭化ケイ素である。ダートの厚
さは、反応物質からのエネルギー吸収に原因した熱のロ
スを最小限に抑えるため、最低値で保持すべきである。

電極の末端を冷却してそれを酸化から保護することや可
能な程度まで炉の末端を絶縁することが望ましい。電流
がアースに短絡するのを避けなければならない。

ケイ石、コータス及び耐火砂からなる反応混合物の所望
とする結晶状炭化ケイ素への比較的により完全な転化は
この絶縁炉構造体を使用することによって得られる粗結
晶状物質を製造するために公知な範囲内の温度で達成し
得るということが明らかである。この構造体は電気的な
入力を最も効果的に利用するものである。上記したよう
なプロセスを適宜コントロールした場合、再循環させな
ければならない再生混合物の容積を実質的に下げること
が出来、したがってエネルギー及び労働力を節約し得る
ということが判明した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例を示す部分装填炉の上部平面図、 第２図は第１図の線分２−２にそった断面図、第３図は
第１図の線分３−３にそった断面図で、運転の完了後を
示す図、そして 第４図は別のダート構造体を示す第３図と同様な断面図
である。 図中、１０及び１２は末端壁、１４は抵抗体、１６及び
１８は電極、２０は反応室、２２及び２４は側壁、２６
はスラブ、２８及び３０は溝付レンガ、３２はグラファ
イトフェルイストリップ、セして３６は支持体壁である
。 ν、］・漬く白 手続補正書（方式） 昭ｆ女５８年７月ｚｏ日 特許庁長官　若杉和夫　殿 １、事件の表示 昭和５８年　特許願　第４９６６１号 ２、発明の名称 炭化ケイ素を製造する方法及び炉 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名　称　　ツートン　カンパニー ４、代理人 （外　３　名） ６、補正の対象 （１１願書の「出願人の代表者」の欄 （２）委任状 （３）明細書 ７、補正の内容 （１１，、（２１別紙の通り （３）明細書の浄書（内容に変更なし）８、添付書類の
目録

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アチソン炉で高割合の粗結晶状炭化ケイ素ケ製造す
   るためのものであって、中央に配置せる熱源の周囲に反
   応混合物形成性のケイ石及びコークス成分を充填するこ
   とを含んでなる方法において、 前記熱源を取り囲む絶縁帯域中に前記混合物を保持する
   ためのダートの中間に前記混合物を閉じ込め、前記熱源
   にエネルギーを供給して前記混合物の温度を最低１８０
   ０℃まで高めて前記熱源及び前記ダート間のその混合物
   中の成分をすべて反応させ、よって、微結晶状の炭化ケ
   イ素を形成し、そして次に前記熱源及び前記ダート間の
   反応物質の温度を２０００〜２５００℃の温度まで高め
   ることによりその反応物質中の炭化ケイ素の結晶サイズ
   を増加させることを特徴とする炭化ケイ素を製造する方
   法。 ２、前記高温を最低１時間にわたって保持することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３、前記熱源に供給したエネルギーを、ｆ−）間に閉じ
   込められた全反応物質を約１８００℃のオーダーの温度
   で反応させて微結晶状炭化ケイ素を形成するために最初
   に消費し、そして次に反応物質の温間を２０００〜２５
   ００℃の範囲にまで迅速に高めて粗結晶状炭化ケイ素を
   製造するためにエネルギーを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。 ４、成分内及び絶縁された閉じ込めダートに隣接せる部
   分の温度を２０００〜２５００℃の範囲とがるように高
   めるために前記熱源にエネルギーを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。 ５、ケイ砂及びコークスを含みかつ該炉の反応室の側壁
   により支持された混合物を反応させることによって１８
   ００〜２４００℃の範囲の温度で炭化ケイ素を製造する
   ためのものであって、前記側壁を形成する構造体がスラ
   ブを含み、これらのスラブがそれぞれ反応混合物に接触
   しかつそれを収容するための前面を有する形式のアチソ
   ン炉において、前記スラブ（２６）が企４００℃を上廻
   る融点、そ′°口て２４００℃までの温度における特徴
   的に低い蒸気ＩＥを有し、そして２４００℃を下廻る温
   度において炭化ケイ素に対して不活性であり、また、前
   記スラブの裏側が不活性な絶縁体（３６）と接触し・　
   　ていることを特徴とするアチソン炉。 ６、前記スラブ（２６）がカー？ン、グラファイト又は
   炭化ケイ素から作られていることを特徴とする特許請求
   の範囲第５項に記載の炉。 ７、前記絶縁体がカーボンブラックの層からカリ、この
   層がそれぞれのスラブの裏面と接触していることを特徴
   とする特許請求の範囲第６項に記載の炉。 ８、前記スラブが実質的に反応混合物を取り囲み、そし
   て前記絶縁体（３６）を収容するための外部支持体手１
   １９（３４）があることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項〜第７項のいずれか１項に記載の炉。 ９、前記外部支持体手段が耐火レンが壁（３４）から力
   ることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の炉。 １０、前記耐火レンガ側壁の内面上のアスベスト紙内張
   りを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の炉。 １１、前記壁構造体が末端壁と２個の側壁とによって形
   状を規定された水平に配置された反応室を取り囲み、前
   記側壁がそれぞれ相互の間隔を密にした多数個の前記ス
   ラブ（２６）から形成されており、その際、前記スラブ
   間の間隔が、前記カーボンブラックが前記スラブの中間
   から前記反応室内にもれるのを防止するため、グラファ
   イトフェル）（３２）によってふさがれていることを特
   徴とする特許請求の範囲第８項〜第１０項のいずれか１
   項に記載の炉。 １２、前記末端壁及び不活性な絶縁側壁を有し、前記ス
   ラブには前記側壁に関して一般に平行にかつそれらの側
   壁のそれぞれの内側に立てて配置された間隔のあいたダ
   ートがあり、該ダートは反応混合物を収容するための反
   応室の側壁を規定していることを特徴とする特許請求の
   範囲第１１項に記載の炉。 １３、前記ダートのそれぞれが該炉において形成される
   一般には円筒状の塊りの周囲に一般には同中心的になる
   ような形状をもっていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１２項に記載の炉。