JP3839925B2 - シリコンの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、珪石を原料として金属シリコンを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンは珪石とコークスを混合し、カーボン電極のアークにより溶解還元して製造される。この珪石はＳｉＯ2 ：９９．５％クラスの高純度品が使用されるので世界のなかで産地は限定され、米国、ノルウェー、フランス、南アフリカ、カナダ、ブラジル等で生産されている。製造反応はつぎのごとくである。
ＳｉＯ2 ＋２Ｃ → Ｓｉ＋２ＣＯ
【０００３】
シリコン１トン得るのに珪石約２．６トンが必要である。したがって歩留まり６０％程度である。電力消費量も大きく、この処理に１５０、０００ｋＷｈ／トン消費する。電力の単価や排ガス処理費用などが製造原価に大きく反映する。シリコンの輸入価格は８０年代後半で２００円／ｋｇ程度であり、珪石は２０円／ｋｇ程度である。
【０００４】
従来のシリコン製造法においては、珪石を溶解するのにまず高いエネルギーを投入する必要があった。珪石自身は溶融状態でも導電性はなく、アークによる溶解は効率良く進まない。珪石と混合したコークスが電極と放電し、コークスの温度上昇で間接的に珪石が加熱される。また、歩留まりが低い原因として、溶解中のＳｉＯガス発生がある。ＳｉＯ2 純度が高いと高温ではＳｉＯガス発生し、融体から大量に放出される。
【０００５】
以上のように、シリコンの製造工程においてエネルギー原単位の低下や歩留まり向上が求められていた。さらに、天然の珪石鉱山からの高純度珪石を原料に製造が行われてきたが、将来にわたって環境破壊の問題を生じないとは言えず、産業で２次的に発生した物の有効利用は今後ますます求められると考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の製造方法より投入エネルギーが少なく効率的で、資源の有効利用ができるシリコン製造法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＣａＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 からなるスラグの存在下で、アーク放電を用い珪石を還元することを特徴とするシリコンの製造方法である。ここにおいて還元剤として炭素または一酸化炭素を用いこと、原料のスラグとして化学組成が、ＣａＯ：３５〜５０重量％、Ａｌ2 Ｏ3 ：１０〜２０重量％、ＳｉＯ2 ：３０〜４５重量％のものを使用すること、また原料のスラグが、鉄鋼製造工程の高炉で２次的に生成するスラグであることも特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】】
本発明においてはシリコンの原料として従来の高純度珪石に代えて、ＣａＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 からなる酸化物を用いる。アーク放電を用いると、局部的には２０００℃以上の高温が得られ、材料の加熱とこれによる反応促進に有効であるが、導電性の無い材料への適用は非効率である。従来の原料である珪石（ＳｉＯ2 ）は、高純度であるほど導電性が悪くなる。一方、化学組成が、ＣａＯ：３５〜５０重量％、Ａｌ2 Ｏ3 ：１０〜２０重量％、ＳｉＯ2 ：３０〜４５重量％の酸化物融体は導電性があり、電極とアーク放電し、温度が効率良く上昇することを見い出した。
【０００９】
さらに、この酸化物融体は、融点が１４００〜１７００℃で、珪石の融点（１７２８℃）より低い。したがって、溶解に要するエネルギーを少なくできる。ＣａＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 の組成が上記範囲から外れると融点が高くなり、溶解に過分のエネルギーが必要となるので好ましくない。上記酸化物融体は、鉄鋼製造工程の高炉で２次的に生成するスラグに相当し、これを利用できる。
【００１０】
上記組成の酸化物融体は、冷却すると主としてＣａ2 Ａｌ2 ＳｉＯ7 （Ｇｅｈｌｅｎｉｔｅ）の結晶相が形成される。溶融状態でも、シリコンは酸素以外に、ＣａやＡｌと結合しているため、この酸化物融体から放出されるガス量は、珪石溶解の場合に比べ少なくなる。
【００１１】
スラグをアーク放電で溶解し、さらに炭素または一酸化炭素と反応させると脱酸が起こる。これによりシリコンが生成する。炭素は高温で還元性が強いので還元剤として適当である。また、融点が高く（３８２７℃）、導電性があり、アーク放電の電極としても使用できる。一酸化炭素は、炭素とスラグ中の酸素と反応して生成し、炭素と同様に還元作用がある。
【００１２】
本発明において原料に高純度の珪石を使用しなくても製品の純度は維持できるが、これはＣａやＡｌはＳｉより酸化物の生成自由エネルギーが大であるためである。ＳｉＯ2 の生成自由エネルギーは高温になるとＣＯの生成自由エネルギーのより小になって炭素で容易に還元されうる。しかしながらＡｌ2 Ｏ3 やＣａＯの生成自由エネルギーはＣＯの生成自由エネルギーよりずっと大であり炭素による還元は困難である。
【００１３】
【実施例】
本実施例では、Ｗ合金の非消耗型電極を使ったボタンアーク溶解炉で、同じエネルギー投入で高炉スラグおよび珪石を溶解還元し、シリコンの生成形態および試料減量を比較した。アーク放電の出力は、２５０Ａで３０Ｖで行った。雰囲気はアルゴン、反応時間は５分間で試料７ｇにＧｒａｐｈｉｔｅを０．２ｇ入れ、溶解した。
【００１４】
試料の化学組成、融点および結果を表１に示す。反応後の試料を研磨し、反射顕微鏡やＥＰＭＡで解析したところ、シリコンの生成はいずれも同程度であった。生成量は、体積比で、初めに用意した試料の２割程度であった。スラグ中のＳｉＯ2 含有量が珪石に比べて低いにもかかわらず、同程度のシリコンが生成していることから、本実施例の生成効率が３倍程度高いことがわかる。
【００１５】
【表１】
試料ＷＳＬＧを還元して得られたシリコンを図１に示す。このシリコンのＥＰＭＡ分析例を表２に示す。シリコンは、Ｇｒａｐｈｉｔｅと接して０．１〜０．２ｍｍの帯状にみられ、Ｇｅｈｌｅｎｉｔｅを主体とするスラグがＧｒａｐｈｉｔｅと反応して生成していることがわかる。このシリコンは、炭素：９．８％とＡｌ：０．６％を含んでいる。
【００１７】
【表２】
本発明法によるシリコン製造法は、従来法に比べ試料減量が少なく効率的であることがわかる。本実施例で使用したスラグは、珪石の１／１０の購入価格であった。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、投入エネルギーが少なく効率的にシリコンを製造できる。また、高炉の副生物であるスラグを利用できるので資源の有効活用に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】還元反応後の試験の顕微鏡組織を示す写真
Claims (4)
- ＣａＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 からなるスラグの存在下で、アーク放電を用い珪石を還元することを特徴とするシリコンの製造方法。
- 還元剤として炭素または一酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１に記載のシリコンの製造方法。
- 原料のスラグとして化学組成が、ＣａＯ：３５〜５０重量％、Ａｌ2 Ｏ3 ：１０〜２０重量％、ＳｉＯ2 ：３０〜４５重量％のものを使用することを特徴とする請求項１または２に記載のシリコンの製造方法。
- 原料のスラグが、鉄鋼製造工程の高炉で２次的に生成するスラグであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のシリコンの製造方法。
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| JP22447997A JP3839925B2 (ja) | 1997-08-07 | 1997-08-07 | シリコンの製造方法 |
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| JP22447997A JP3839925B2 (ja) | 1997-08-07 | 1997-08-07 | シリコンの製造方法 |
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