JPS60103012A - シヤフト炉による炭化珪素の製造方法 - 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、炭化珪素をシャツＹ炉により、主として炭素
の燃焼熱を用いて製造する方法に関するものである。

（従来技術） 従来、炭化珪素の殆んどは電気抵抗加熱炉であるアチソ
ン炉により製造されていたもので主として結晶性α型炭
化」”１素である。これは研磨拐および耐火利等に使用
され、それなりの打首しい性質を有する。こＩ’Ｌに７
＋ｌ　Ｉ、てβ型炭化珪素は最近の研究対象であるが、
１．’価な製造方法は確立されていない。−・例として
７１ｙ、ｌ、開閉５２−４６３９９号公報に開示された
方法があるが、この方法（ｄ詳述され−ｒはいないもの
のその説明から明らかにｆｉ（気的加熱を想定してｊ、
す、投入エネルギの制約を受けるものである。

最近エネルギ佃１）１１”′、の高騰によりとの産業も
エネルギ投入室、の削減、安価なエネルギ源の利用が活
溌に行われているが、こと炭化珪素および珪素の１１、
！造に限って眉えばその生産はすべて電気エネルギが主
流として用いられており、更に文献によってもその他の
熱ｉ７９、一般的には燃料の燃焼熱を用いた例は極めて
少ない。

本発明者はこのような見地から珪素および炭化珪素をも
っとも熱効率のよいシャフト炉で製造する試みを行って
来た。

さて炭化珪素の大きな用途は耐火物研磨１であるがその
ほか鉄鋼製銑で還元材、発熱（Ａとして用いられている
。また合金鉄において珪素を多量に含有するもの（例え
ばフェロシリコン、シリコマンガン、シリコクロム等）
および珪素の電気炉製造において中間的に生成すること
が知られておシ、逆にこれら製造過程において炭化珪素
を原料に配合して製銑電力を減少しうろことも知られて
いる。

この様な用途に用いられる量は極めて少ない。その理由
は炭化珪素の場合、研磨材等の高級用途向の高価、高品
質な炭化珪素をうるための製造方法しかなかったためで
ある。

そこで本出願人は先に、内層部を珪素酸化物またはその
化合物および炭素還元材で構成し、夕１層部を炭素材料
で構成した二重層の団鉱を、補助燃料とともにシャフト
炉に装入し、羽口から７０％以上の酸素を含む燃焼支持
ガスを送シ込み、高温の燃焼部を形成して還元を行い、
珪素、酸化珪素または珪素合金を固体状態で祷る方法を
発明し、特願昭５７−７７１９４号として特許出願した
。

（発明の目的） 本発明は石炭等の炭素羽料のエネルギを使用することに
より、大鼠の電気エネルギを使用するという従来技術の
間［ｔ：Ｑ点の解決番図るとともに、前記先願発明の改
良をも図ったものである。

なお本発明は比較的低温の還元であるので現在法で主と
して得られるα型の炭化珪素でなくβ型の炭化珪素が結
平的に得られるが、本発明の目的とする炭化珪素の用途
はその結晶型に支配されることは少ないのでβ型の製造
方法に限ったものではなく、一般的な炭化珪素製造法を
提供するものである。

（発明の構成、作用） 本発明は還元反応によシ炭化珪素（ＳＩＣ）を生成する
ように、珪石（ｓｔｏ２）と還元用炭素原料（Ｃ）を約
１モル対３モルの比で細粒または粉末として混合し団鉱
としてシャフト炉に装入し、加熱用炭素材の燃焼熱によ
り１６５０℃以上に加熱し炭化珪素を得ようとするもの
であるが、単純に前記団鉱をシャフト炉に装入すると生
成物の再酸化丸・よび飛散が起るので、内層が還元用団
鉱であり、外層が燃焼用炭素原料、すなわち一般的には
石炭またはそれを焼成したコークスからなる複合団鉱を
用い、これを予熱または酸素富化した燃焼支持ガスによ
り高温で燃焼し外層部の燃焼熱針で内層部の還元を完了
するようにしたことを特徴とするものである。

珪石の炭化珪素への還元は多大のだ（責を要する。

そｎ故、現在の製鉄溶鉱炉の様に一段の羽口から燃焼支
持がスをおぐシこむとその部分は非常な高温に女る。羽
口附近に使用できる耐火物はアルミナなどきわめて限ら
れているが、それらでも最高１９００〜１９５０℃程度
である。このようなｙ−＋１由で高温度範囲を広げるこ
とが必要であり、そのためには羽口を多段にし、前記温
度条件を広い範囲で形成する必要がある。

更にまた燃焼用炭素源の灰分の問題がある。−般の石炭
の灰分には珪酸分が多いので上記の温度範囲では溶融−
することが多い。溶融した場合は内層の成品炭化珪素を
まきこみスラグ化し成品の歩留を著しく丸・とう”こと
に彦る。これを防ぐため外層の炭素源、−＝一般には石
炭であるがその灰分の融点を上外させるためアルミナや
？−キサイドを混合して成形することが多くの場合必要
になる。しかしこの様にしても経済的な範囲では灰分の
融点は１８００〜１８５（１℃である。還元に必要な最
低温ｌ■１６５０℃、灰分の融点１８００〜１８５０℃
、耐火物の使用限５１′−の１９００〜１９５０℃等か
ら考え、灰分がすぐにｖ、を流動しないことや被伝熱物
の温度が低いことを考え、高温還元帯の雰囲気温度は１
７００〜１９００℃程度に維持される。

このようにして高ｔ＋ｉｌｉ部で還元された団鉱は表層
部は半焼結した変成した石炭灰分で覆われ、内部は軟粉
末の炭化珪素である。シャフト炉の下部は水冷−、）セ
ケット等で冷却し、要すれば若干の冷左１がスを送入す
る。冷２ｔ１１がスは窒素、−酸化炭素または本シャフ
ト炉の炉頂がスを除塵して用いる。冷却ガスは成品と〃
（交換して昇温するので、更に上昇して高温迄元帯に入
っても高温還元帯のｈ＝度を著しく冷やすことはない。

この様にして冷却した団鉱はシャフト炉からり１出さ牡
る。シャフト炉内では部分的には溶融物が存在するが全
体としては固体シャフト炉である。

シャフト炉から１１出された成品はす１に？′；ｌ力Ｊ
し、表層スラグと内層の成品とに分ける。例えば軽バ（
−の破砕を行ない、内部の成品は見＃ｌ　）：Ｌ；　１
ｆ′がｊｌｌｉ’、いため、軽式重力分級器によって容
易に分離できる。

炭化珪素は無水珪酸および炭素分を１モル対３モルの比
で浪合し、高温で還元ずれば１：ｔられることは周知の
ことである。ぞの福１度は理ｉ）１灯１１ノには１５２
０℃れ′度で完全に起ることになるが、実際には原料の
麺類によっても異なり１２００　’ＣＩ？’ｙｊ　１ｊ
３４から還元が行われることもある。

ところで本発明者は本発明に先立って以下の如き実、験
を行なった。珪石を１００〜２００メツシ、６０チ以上
に粉砕し、一方オイルコークスを一１００メツシ、９０
チ以上、−２００メツシ一６０％以上に粉砕して汎合し
アスファルト乳旧を粘オ、−利とじでタプレ：／１・を
つくり、コークスとどもにシャツｌ−炉に・ＩＪ−人し
た。生成物が粉体であることを予想し、」分シャフト炉
内の空招速度を（ＩＪ下さぜ、まグζＪ１　ｌ−の丈験
と同様に３段の羽目から７０％にまで酸；？・′を富化
した空気を送りこみ１８００℃程度の炉内防囲気を保っ
て処理し／こが、ハス料団鉱の半！、ｆ　１１”、炉Ｊ
１′１ガス中の炭化珪素ゲストとなり、残り仝’ｆ’　
％ｔ　ｐ、Ｊ−＋−クス灰分とどもにスラグ中に珪酸の
１１残るという結果となった。即ち７−０□ｊガーされ
たものｋｌｌ飛上、その他のものは１′・；ｉ　’ｊ＋
：されオＣい寸址スラグ什した。

そこで黒３（）るつ（下向で前記団鉱を加？為して１ｉ
ｌＷ１べたところ、１２關φ×１２喘の円１藷タブ１／
７トζ５１１　′７５０℃に３０分間１１！＆ずと丸・
よそ９５％の収率で炭化珪素が得られた。この炭化珪素
は淡緑色の軽い粉末である。

このようなことから前記シャフト炉の実、験は、成品が
軽い微粉のため飛Ｊｉりじやすいこと、ｉｆｃ燃焼空気
の吹込口附近は酸化性であり、得られる成品が再酸化し
てしまう可能性があること等のため問題があるものと考
察さ扛た。種々検討の結果前記団鉱の外１１方を更に炭
素質原料で相当の外殻層を形成した団鉱、特に石炭で外
層を形成した団鉱をつくり、要すｎばこれをコークス化
したのちシャフト炉に装入して後述実施例の様に高温度
の処理を行なえばよいとの知見を得て本発明に至っ７”
Ｃ。

本発明方法によって外層のコークスが燃焼しきるまで再
酸化も飛散も起らず、甘た外層の炭素分が燃え切っても
灰分が半燃焼状態となり同様な効果を有する。

Ｉと焼温度を上昇させるためＫは酸訛濃庶を上昇させる
か、予熱温度を上昇させる必要がある。ただ本発明方法
を行なう場合酸素富化の方がよい。

それは酸素富化を行なわないと炉頂ガス温度が会、激に
高くなり操築が困難になるからである。例えば酸素５０
チの富化突気でも炉′Ｅ３がス淵度は８００℃程度とな
り、酸素７０％以下で５００℃以下となる。従って一般
には純￥ｉ／素ないし僅かに空気で稀釈するということ
になり、７０％以上酸素を含む燃焼支持ガスを用いるの
がよい。

原料の珪素し化物として珪石、珪砂を用いると炭化珪素
を主として得ることができるが、例えば原料中にアルミ
ナ等珪素よりＣ・１ｆ３ｉ）２７ｉ’Ｔ性の元素のｒン
化物を混合物又は化合物として含むこと（寸差支えない
。

このようにすることにより珪酸分のみを炭化珪素とし、
例え（、−丁アルミナはそのな１１）夕化ｑ勿として残
留させることができる。この（、ｆな混合物からもやは
り重力分級γ・により炭化ｆト素とすることもできるし
、才だ混合物の１首次工程の用とすることもできる。そ
）１、故ｊｔ；ｒ旧中の珪酸分１モルに対し炭素を３モ
ル右゛１隻としてｒ＋己合と°することになる。

この配合比よりＪ１ゴ１゛ｊ：分の多いと＠は、中［出
生放物であるーイ）・′２化」１＝ソーＳ１０がガスと
して飛散し炭化珪累収木の低下を招く。一方炭素の配合
が多いと炭素がそのまｉｌい（（する。この炭素分は成
品を７１ｊ加熱して融化して除くこともでき、本発明方
法の主たる目的であＺ、中間原料用途にはそのまま使う
ことができる。しかし一般的に珪百寥分過剰配合は理論
配合叶の１０％以内、好ましくはｏ１炭素分の過剰配合
は士数係以内、好オしくけ１へ一５％とすべきである。

炭素分はやや過剰に配合しないとやは９　ｓ＋ｏとして
の損失を生ずる。

団鉱方法としてはブリケラ）　、−′２レッド、タブレ
ット等多くの方法が知ら２’しているが本発明を実施す
る上でもっとも好ましいのはタブレット、次いでベレッ
トである。タブレット成形機によるとほとんど定殿的に
この目的にあう複Ｒ１ＦｊＪ鉱を製造できる。

第１図は本方法イ１：実施するだめの全体システムおよ
びシャフト炉のＩＩ！を意図である。

珪石およびノ”・７（几）１１炭２１〜をそれぞれ粉砕
機１．および２で粉砕いＲ＋　（ｔ　して打錠機４で内
層タグレノ１をつくる。−（ｉ１丈を−・別途粉砕機３
で粉砕し、有核打犠機５で前１１己内層タゾレットを含
むぞρ層タブレットをつくる。このタブレットｒシャフ
ト炉６に装入し、下方から１ｉ１１　ｒ７ｎ！　ｊｆ　
／１．ｆ羽ｒ：１７がらｄｆ人してコークス化する。こ
の加熱ガスは炉頂ガス葡バルブ２９からプ１゛１ワ　３
２により供給される空気とともに熱交換Ｈ：：３１で燃
ＩＪ’Ａし、同じ炉ＩＦ！ガスをバルブ３０から供給し
前１＋１ｉ熱交換器で加熱して供給するようになってい
る。コークス化炉下部がらもバルブ２８をｊｉ’ｌｌ　
ｌ、−（シャフト炉１部の供給口８がら清浄炉頂ガスが
１１１、給されコークス化団鉱を冷却する。外層がコー
クス化した団鉱は取出口９がら取や出されホッパ１１に
貯留する。

このコークス化団鉱ヲシャフト炉１２に供給し羽目１３
〜１５から酸素浴比空気または純叡素を供給してコーク
スを燃焼し、内層部をその熱で還元する。上段の羽口と
最下段の羽目の間１イΔｉｌ十分広く１部数ｍにもおよ
び、広い高ｍ４区間を形成する。炉下部からはバルブ２
７ｆ：介して？＜ｉ却ガスを供給口１６カ・ら供給して
成品を冷却する。成品の被還元間１絋は取出口１７から
取り出し、粉砕４；ｙ、２５で軽粉砕し、分級佳ｑ２６
で車力分級して内層部の成品全とシ出す。

さて：ｉ？＆　／ｃシャフト炉からはほとんど一酸化炭
素である炉頂ガスがう６生するので炉頂部１８からＪ１
ｙ出し除塵様１９で相除塵しガ゛ス洸浄（、：ｊ　２４
で５Ｌ：１全拍浄ガス３４とする。

一方コークス化炉からはコークス炉力゛スが発生するの
で炉頂部１０から取出しガス洗、イ１システム２３でタ
ール除去、ガス洗浄を行った汝、熱源力ス３３として利
用する。このいづれかのガス３３゜３４をガス洗浄装置
ｉｊＪ　２０　＊除湿装置Ｉ′ｌｊ、２１で処理し、ブ
ロワ２２で昇圧して前述の用に供する。なお第１図はコ
ークス化炉を別にしているがｒｊ−；Ｇ’ｓ’：深く用
いればコークス化炉とシャフト炉を同一炉で形成するこ
とも可能である。

これら清浄ガスなｊ燃料として用いる以外、合成化学原
料にも用いることがでさるもので、本発明の方法が同時
に−（」ｌ−’ｔ；またはコークスのガス北方ｌ去とし
て有用なものＣ１（）る。

本発明方法で１．Ｌ　ｔｒ、；＋’、？ノＧ物と然；科
コークスの比が予めきまっているので、′シャフト炉で
熱＋Ｉ！Ｉ！が不足するときわＬ１別途、ＩｔＸ、　；
ｉｌ’ｕコークスを加えればよい。

〔実施１；１　］ 珪石−、Ｌ−１０（１部２００メソシ一６０％以上に１
分砕し、・・１゛ｌ；焼石油コークスを一１００ツノシ
ュ９０外以上、−２００メツジユロ０係以下に粉砕し、
１（（量比で１対０．３７５の比率で混合し、史に５０
％アスファルトを含’ｂ−ｊ′スフアルド乳携ヲこの混
合物に４部混合しよく混練して２８閾φＸ２８Ｍのタグ
レットを成形し７’ｊ。

一力強粘結炭を（）１咽以１に粉砕し、これに対し１０
８％のｙｌ゛〜キザイトを１００〜２００メツジユロ０
係以上に粉砕して混合（−１この混合物に対して３裂の
アスファルト乳材を加えてよく混練し、有核打錠機を用
いて前記２８咽φ×２５陥タグレ、トを内包する４０關
φＸ４０ｍｍＱ団繁とした。

この団ｉ＃：　ｆ前記第１図の装置でコークス化し、こ
のコークス化団鉱全シャフト炉にノ装入し、３段の羽口
から純酸素を用いて高１１＋ｎｌ、で燃）、Ｊ・ε７・
Ｊ几した。

シャフト炉は内径Ｑ、　６　ｍ　＋にさ約３ｍの・にイ
ロットゾラントで、羽口は上段から−Ｆ段１で１．２　
ｍの間隔を有し、上から４：３：３の比で吊゛２イ供給
する。内を部のライニングはアルミナである。。

１時Ｉｌｌ当り珪石１ｔ５ｋｙＴｈ含むコークスＩＩ団
鉱４２０に＆”ｉ１８６Ｎｍ３の酸素で処＊！Ｉ！　Ｉ
、、＃’Ｊ　］　３０ｋｇの被還元団鉱と正味４５５　
Ｎｍ”の−ｈ’２化炭素化炭全ガス。更にこの団鉱を破
砕、分級して５チ駄系を含む炭化珪素７７　ｋｇを得た
。

なお４力Ｎからは前記炉頂ガスを除１１バし６　ｔＪ　
Ｎｍ３のガスを吹きこむ。前記炉瑣力゛スの正味）ｄは
この値を差し引いたものである。この処理に」＝υ成成
品８００℃以下で炉から取り出され酸化することがない
。寸だ炉頂ガスもおおむね３５０〜５ｏ（）℃で排出さ
れ、安定して運転された。

本つ６明方法（ｆ、ｉ　ｉ＋Ｌ来技術のＪＪＪで述べ／
こように従来のｌｉ法と択シ捷っ／ｌ　＜　ｊＬ刀を用
いることなく、コ−クスｔハｙＪ９としでシャフト炉で
安価な炭化Ｊ−ｆ：：　素を得ることができる。

又装入物の・ン）層〃・コークスであるだめｙ意気性が
すぐれている。４＋ｌイ、＋の可ノじはガスｉｉＸの少
ない′ｆｉ４’、気炉でも中間イー１三ＪＪｋ′吻のＳ
ｊＯによりＪ患気性が１）１１害されるのでるるか、本
発明方法によれは通気１１：の阻害＆Ｊはとんど起らな
い。

！？た本丸＋、ｌＩＪ方法ζ１、シャフト炉でユクノＬ
：′□３−るたダ）熱効率がｉｊ’３　＜、石炭び）も
ちこむ燃焼熱量からγ′１”ｊ　ｉ’ｆ’がスの保翁熱
１．ｉ合・ｚＩ−τし引いた本発明方法で消費づ゛る熱
ｌ−の利用タフ＋率がきわめて商い。加えてｉ′〆ｆ浄
ガスは熱υメとし−Ｃも合りい；し料ガスとしても有用
であり、２１〜１図に７１−＜−ツカ゛ス３３は水系、
−酸化炭話が高く、ガス３４（・、１．　ｉ’Ｊとんど
純粋な一献化灰累であり利用価１［１ｊが太きい。

４、図面のｔ８」）１′Ｉ′ｆｒ、１ＩＶ（、間第１図
は本発明を実施するための全体システムおよびシャフト
炉の概念図である。１〜５Ｖユ団鉱製造系統、６〜１０
および２８〜３２　＆；Ｌコークス化炉、１２〜１８は
遠丸用シェフト炉゛、１９〜２４はガス１＃浄系統であ
り、２５　、２６’＆Ｊ成品の処理系統である。

特許出願人　新日本製鐵株式會社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内層部を珪素酸化物゛またはその化合物および、珪素酸
   化物１モルに対し約３モルの炭素還元材で構成し、外層
   を炭素利料および少計の酸化物を混合して＋１４成した
   二重層の団鉱を、直接あるいは予備焼成してコークス化
   した後、その−１：ｔあるいは補助燃料とともにシャフ
   ト炉に装入し、羽目から予熱または酸素富化された燃焼
   支持ガスを送υこみ広範囲の高温度の燃焼部を形成し、
   ｉ（１配向層部を還元し、炭化珪素を主とした固体生成
   物を得ることを特徴とするシャフト炉による炭化珪素の
   製造方法