連続鋳造装置、連続鋳造方法及び鋳塊
【課題】酸化物等の介在物や不純物元素が鋳塊内に混入することなく高品質な鋳塊が得られるとともに、引き抜き速度を上昇させて生産効率を大幅に向上させることが可能な連続鋳造方法、連続鋳造装置及びこれにより得られる鋳塊を提供する。
【解決手段】溶湯１を一方向凝固させて得られた鋳塊２を連続的に製出する連続鋳造装置１０であって、溶湯１を保持する溶湯保持部２０と、水平方向一方側端部が溶湯保持部２０の下方に位置させられた鋳型３０と、を備え、鋳型３０は、水平方向他方側に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜して延在する底面部３１を有し、底面部３１に冷却手段３５が設けられており、溶湯保持部２０から供給された溶湯１を冷却手段３５によって一方向凝固させ、得られた鋳塊２を鋳型３０の底面部３１に沿って連続的に引き抜くことを特徴とする。
【解決手段】溶湯１を一方向凝固させて得られた鋳塊２を連続的に製出する連続鋳造装置１０であって、溶湯１を保持する溶湯保持部２０と、水平方向一方側端部が溶湯保持部２０の下方に位置させられた鋳型３０と、を備え、鋳型３０は、水平方向他方側に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜して延在する底面部３１を有し、底面部３１に冷却手段３５が設けられており、溶湯保持部２０から供給された溶湯１を冷却手段３５によって一方向凝固させ、得られた鋳塊２を鋳型３０の底面部３１に沿って連続的に引き抜くことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばシリコンなどの溶湯を一方向凝固させて得られた鋳塊を連続的に製出するための連続鋳造装置、連続鋳造方法及びこれにより得られる鋳塊に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池用素材として用いられるシリコンは、凝固時に膨張する金属であるため、鋳造を行う場合、溶湯が鋳塊の内部に残存しないように一方向凝固させることが求められる。
また、一方向凝固することにより、不純物元素が固相（鋳塊）から液相（溶湯）に排出されるため、純度の高い鋳塊を得ることが可能となる。
【０００３】
従来、シリコンを一方向凝固させる鋳造装置としては、例えば特許文献１に開示されているように、筒状をなす鋳型の上方開口部から溶湯を供給して鋳型の側壁から冷却を行うとともに、鋳型の下方開口部から鋳塊を下方に向けて引き抜くものが提案されている。
しかしながら、特許文献１に記載された鋳造装置では、下方から上方に向けて結晶を成長させるとともに得られた鋳塊を下方に向けて引き抜いているので、結晶の成長速度が律速となって、引き抜き速度を上昇させて生産効率を向上させることが困難であった。
【０００４】
そこで、特許文献２には、一方向凝固されたシリコンの鋳塊を効率的に生産するために、溶湯が保持される凝固槽の側壁を開放し、凝固したシリコンを開放した側壁を通って水平方向に対して斜め上方向に引き抜くシリコンの鋳造方法が開示されている。
特許文献２に記載されたシリコンの鋳造方法では、結晶の成長方向と鋳塊の引き抜き方向が異なるので、結晶の成長速度が阻害とならず、引き抜き速度を上昇させることが可能となる。
【特許文献１】特開平０８−３１０８９８号公報
【特許文献２】特開平１０−１８２２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２に記載された鋳造方法では、凝固槽の側壁を開放して、この開放した部分から鋳塊を斜め上方向に引き抜くことで、凝固槽の側壁と鋳塊とによって溶湯を保持する構成とされている。これにより、鋳塊と溶湯との凝固界面が水平方向に対して傾斜することになる。
すると、溶湯中に浮遊する酸化物等の介在物が凝固界面に捕捉されて鋳塊内に取り込まれやすくなり、鋳塊の品質が著しく低下してしまうおそれがあった。また、シリコン中の不純物元素は、固相（鋳塊）から液相（溶湯）へと排出されることになるが、凝固界面が水平面に対して傾斜しているので、この不純物元素の濃度が鋳塊の厚さ方向で変動するおそれがあった。
【０００６】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、酸化物等の介在物や不純物元素が鋳塊内に混入することなく高品質な鋳塊が得られるとともに、引き抜き速度を上昇させて生産効率を大幅に向上させることが可能な連続鋳造方法、連続鋳造装置及びこれにより得られる鋳塊を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題を解決するために、本発明に係る連続鋳造装置は、溶湯を一方向凝固させて得られた鋳塊を連続的に製出する連続鋳造装置であって、前記溶湯を保持する溶湯保持部と、水平方向一方側端部が前記溶湯保持部の下方に位置させられた鋳型と、を備え、前記鋳型は、水平方向他方側に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜して延在する底面部を有し、該底面部に冷却手段が設けられており、前記溶湯保持部から供給された前記溶湯を前記冷却手段によって一方向凝固させ、得られた前記鋳塊を前記鋳型の前記底面部に沿って連続的に引き抜くことを特徴としている。
【０００８】
この構成の連続鋳造装置においては、水平方向他方側に向かうにしたがい漸次下方に向けて傾斜した底面部を有する鋳型の水平方向一方側端部に溶湯保持部が位置させられており、前記底面部に冷却手段が設けられているので、溶湯保持部の供給部から供給された溶湯は、鋳型の底面部に備えられた冷却手段によって冷却されて凝固することになり、底面部からの冷却と溶湯保持部からの入熱のバランスによって凝固界面が水平方向に延在することになる。
【０００９】
これにより、溶湯保持部内の溶湯中に浮遊する介在物は溶湯保持部の下方で凝固する鋳塊から離れて位置することになり、介在物の鋳塊内部への混入を防止できる。また、固相（鋳塊）から液相（溶湯）へと排出される不純物元素は、鋳塊の上方に位置する溶湯保持部に濃縮されることになり、高純度の鋳塊を得ることができる。
さらに、結晶の成長方向と鋳塊の引き抜き方向が異なるので、結晶の成長速度に律速されることなく、引き抜き速度を上昇させることができ、生産効率を大幅に向上させることが可能となる。
また、鋳型と溶湯とが接触せず、凝固した鋳塊のみが鋳型と接触するので、鋳型の劣化を防止でき、鋳造コストを大幅に低減することができる。
【００１０】
ここで、前記溶湯保持部を電磁力によって保持する構成としてもよい。
この場合、溶湯を電磁力で保持することで、耐火物と溶湯との接触を抑制することが可能となる。これにより、溶湯と耐火物との反応を抑えて酸化物等の介在物の発生及びＳｉＯなどのガスの発生を防止することができる。また、電磁力によって溶湯を保持する際に副次的に溶湯の加熱も行われることになるので、溶湯と鋳塊との間の温度差を大きくして一方向凝固を促進することができる。
【００１１】
また、前記底面部の表面温度を、その延在方向において異なるように構成してもよい。
この場合、底面部の延在方向、すなわち、鋳塊の引き抜き方向に沿って底面部の表面温度を設定することで、結晶の成長を制御して高品質な鋳塊を得ることができる。例えば、溶湯保持部の下方において、溶湯保持部と底面部とが近接する側の底面部の表面温度を高くし、溶湯保持部と底面部とが離間するにつれて底面部の表面温度を低くするように調整することで、溶湯と鋳塊との凝固界面を安定して水平に保つことが可能となる。また、溶湯保持部と底面部とが近接する部分の底面部の表面温度を高くすることで、溶湯保持部の内部へと鋳塊が成長していくことを抑制して、鋳塊の引き抜きをスムーズに行うことができる。
【００１２】
また、前記鋳型の前記底面部の表面温度を、水平方向他方側かつ下方側に向かうにしたがい漸次低くなるように設定してもよい。
この場合、鋳塊が水平方向他方側かつ下方側に向けて引き抜かれていくにしたがい底面部の温度が低くなるので、一方向凝固させた鋳塊の等温面が水平となり、凝固界面の水平度を向上させることができる。
【００１３】
ここで、前記鋳型の前記底面部の表面温度の最高温度を、前記鋳塊の融点直下に設定してもよい。
この場合、底面部の表面温度の最高温度を鋳塊の融点直下に設定することによって、底面部の水平方向一方側部分において溶湯が急冷されることを防止でき、鋳塊の引き抜きをスムーズに行うことができる。
【００１４】
また、前記鋳型の側面部を断熱する構成としてもよい。
この場合、鋳型内の溶湯が側面部から冷却されることがなく、底面部からのみ結晶を成長させて一方向凝固した鋳塊を確実に製出することができる。
【００１５】
さらに、前記溶湯保持部に、前記溶湯を外部に排出する排出手段を設けてもよい。
この場合、凝固が進行するに連れて不純物元素が溶湯保持部内で濃縮していくため、不純物濃度が所定値まで上昇した時点で溶湯保持部内の溶湯を排出することにより、高純度の鋳塊を長時間にわたって製出することができる。また、溶湯保持部内の溶湯中に浮遊する介在物等も排出でき、介在物の混入を確実に防止することができる。
【００１６】
また、前記鋳型を、分割された複数のユニットが前記鋳型の延在方向に連設されて構成されるものとし、前記溶湯保持部側から順次前記ユニットを送り込むとともに、前記ユニットを前記鋳塊とともに引き抜くように構成してもよい。
この場合、ユニットを鋳塊とともに引き抜くことにより、鋳型と鋳塊との摺接を抑制して鋳塊の表面欠陥を防止することができる。また、溶湯保持部側のユニットが逐次更新されるため、鋳型の劣化による鋳塊品質の低下を防止できる。
【００１７】
さらに、本発明に係る連続鋳造方法は、前述の連続鋳造装置を用いて、一方向凝固された鋳塊を、水平方向一方側に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜する方向に引き抜くことを特徴としている。
【００１８】
この構成の連続鋳造方法によれば、溶湯保持部の溶湯と鋳型内の鋳塊との凝固界面を水平方向に延在するようにして凝固を進行させることにより、介在物の混入や不純物元素の少ない高品質な鋳塊を得ることができる。また、結晶の成長方向（凝固の進行方向）と鋳塊の引き抜き方向とを異ならせることで、引き抜き速度を上昇させて生産効率を大幅に向上させることができる。
【００１９】
また、本発明に係る鋳塊は、前述の連続鋳造装置によって製出され、結晶の成長方向が、鋳塊の厚さ方向に対して角度θで交差するように構成されており、該角度θが、０°＜θ≦２０°の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【００２０】
前述の連続鋳造装置によって製出された鋳塊においては、冷却手段を備えた底面部と溶湯保持部との間で結晶が底面部から溶湯保持部側に向けて成長するので、結晶の成長方向が鋳塊の厚さ方向に対して傾斜することになる。結晶の成長方向とは、鋳塊の下面から上面に向かって成長した鋳塊を構成する結晶粒の長軸に平行で下面から上方に向かうベクトルの方向であり、角度θはこのベクトルと鋳塊の下面の法線とのなす角度である。ここで、この傾斜角度θは、底面部の延在方向と凝固界面の延在方向（水平方向）とがなす角度と一致する。ここで、結晶の成長方向と鋳塊の厚さ方向とがなす角度θを２０°以下とすることにより、引き抜き速度を確実に向上させることができる。さらに、鋳塊を厚さ方向に切断した場合に、切断面と交差する結晶粒界の数が抑えられる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、酸化物等の介在物や不純物元素が鋳塊内に混入することなく高品質な鋳塊が得られるとともに、引き抜き速度を上昇させて生産効率を大幅に向上させることが可能な連続鋳造方法、連続鋳造装置及びこれにより得られる高品質な鋳塊を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１及び図２に、本発明の第１の実施形態である連続鋳造装置１０を示す。
本実施形態である連続鋳造装置１０は、太陽電池用素材として用いられる６〜７Ｎクラスの純度のシリコン鋳塊２を連続に製出するためのものであり、シリコン溶湯１を保持するための溶湯保持部２０と、この溶湯保持部２０の下方に位置する鋳型３０と、を備えている。
【００２３】
溶湯保持部２０の上方には、図１に示すように、金属シリコン粉末を貯留する原料ホッパー５と、原料ホッパー５から供給された金属シリコン粉末を溶解してシリコン溶湯１を生成する溶解炉６とが配設されている。
ここで、溶解炉６は、分割された水冷銅ルツボを用いて金属シリコン粉末を誘導加熱する、いわゆるスカル溶解炉とされており、耐火物を使用しないため、シリコン溶湯１への不純物の混入が抑制されている。この溶解炉６の底部には、溶湯保持部２０へシリコン溶湯１を出湯するための出湯口７が設けられており、シリコン溶湯１の出湯状態を凍結弁を用いて調整する構成とされている。
【００２４】
溶湯保持部２０は、保持用電磁コイル２２を有しており、電流と磁界との相互作用によるピンチ力を利用して、シリコン溶湯１を保持する構成とされている。つまり、耐火材等で構成された容器内にシリコン溶湯１を保持するのではなく、シリコン溶湯１を浮遊させた状態で保持しているのである。
本実施形態においては、溶湯保持部２０において保持されているシリコン溶湯１を排出するための排出制御用電磁コイル２３が設けられており、排出されたシリコン溶湯１が貯留される貯留部２４が配置されている。
【００２５】
溶湯保持部２０の上部には、シリコン溶湯１を保温するためのカーボンヒータ２５が配設されている。このカーボンヒータ２５の一部には孔部２６が形成されており、溶解炉６から出湯されたシリコン溶湯１は孔部２６を通じて溶湯保持部２０へと供給される。このカーボンヒータ２５と溶湯保持部２０に保持されたシリコン溶湯１との間には空隙が画成されており、この空隙に不活性ガス（図１においてはＡｒガス）を流通させる不活性ガス導入手段２７が設けられている。
【００２６】
そして、溶湯保持部２０には下方側に向けて溶湯を供給する供給部２１が設けられており、この供給部２１が鋳型３０の水平方向一方側（図１において左側）に位置するように構成されている。この供給部２１の水平方向長さ（図１において左右方向長さ）は、３０００ｍｍ〜３００ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態においては１５００ｍｍとされている。
【００２７】
鋳型３０は、図１に示すように、溶湯保持部２０が配設された水平方向一方側から水平方向他方側（図１において右側）に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜する底面部３１と図２に示すように底面部３１に対して直交するように延在する側壁３２とからなる断面コの字状をなす本体部３３と、図１及び図２に示すように底面部３１に対向配置される蓋部３４とを有している。なお、蓋部３４は、図１に示すように鋳型３０の水平方向他方側部分にのみ配置されている。
【００２８】
ここで、鋳型３０の底面部３１の延在方向と水平面とがなす角度θは、０°＜θ≦２０°の範囲内に設定されており、本実施形態においてはθ＝７．６６°とされている。また、底面部３１の幅（図２において左右方向長さ）は、１５０ｍｍ〜３０００ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態においては１０００ｍｍとされている。さらに、側壁３２の高さ（図２において上下方向長さ）は、２０ｍｍ〜５００ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態においては２００ｍｍとされている。
【００２９】
鋳型３０の底面部３１には、パネル状の冷却手段３５が設けられている。この冷却手段３５によって、底面部３１の表面温度は、底面部３１（鋳型３０）の延在方向において異なるように調整されている。本実施形態では、冷却手段３５の水平方向一方側部分（図１の矢印Ｕ）の底面部３１の表面温度が最も高く設定されており、シリコンの融点直下である１４１０℃とされ、冷却手段３５の水平方向他方側部分（図１の矢印Ｖ）の底面部３１の表面温度が８００℃とされている。
【００３０】
また、図２に示すように鋳型３０の側方には断熱材３６が配設されており、鋳型３０の側壁３２部分からの放熱が抑制されている。
さらに、鋳型３０の引き抜き方向下流側には、図１に示すように、製出されたシリコン鋳塊２の温度を調節する温度調節器９が設けられている。
【００３１】
次に、本実施形態である連続鋳造装置１０による連続鋳造方法について説明する。
原料ホッパー５から溶解炉６へと金属シリコン粉末が供給される。溶解炉６では、誘導加熱によって金属シリコン粉末が溶融されてシリコン溶湯１が生成される。そして、溶解炉６の底部に設けられた出湯口７からシリコン溶湯１が溶湯保持部２０へと供給される。
【００３２】
溶湯保持部２０においては、保持用電磁コイル２２のピンチ力によってシリコン溶湯１が保持されるとともに、供給部２１が鋳型３０の底面部３１に向けられている。
ここで、鋳型３０の底面部３１に設けられた冷却手段３５によって抜熱されることで、底面部３１側から凝固が一方向に進行していくことになる。
【００３３】
このとき、鋳型３０の底面部３１の表面温度が底面部３１（鋳型３０）の延在方向において異なるように調整されており、本実施形態では、冷却手段３５の水平方向一方側部分（図１の矢印Ｕ）の表面温度が１４１０℃とされ、冷却手段３５の水平方向他方側部分（図１の矢印Ｖ）の表面温度が８００℃とされているので、シリコン鋳塊２（固相）とシリコン溶湯１（液相）との凝固界面が、図１に示すように水平となり、溶湯保持部２０の供給部２１に位置することになる。
【００３４】
このように鋳型３０の底面部３１側から凝固が一方向に進行することにより、シリコン鋳塊２（固相）の不純物元素は溶湯保持部２０内のシリコン溶湯１（液相）へと排出される。よって、時間が経過するに連れて溶湯保持部２０内のシリコン溶湯１の不純物元素が濃縮されていくことになる。そこで、所定時間経過した時点で、排出制御用電磁コイル２３によってシリコン溶湯１を貯留部２４へと排出し、溶解炉６から溶湯保持部２０にシリコン溶湯１を新たに供給するように構成されている。
【００３５】
一方向凝固によって形成されたシリコン鋳塊２は、鋳型３０（底面部３１）に沿って、つまり、水平方向他方側（図１において右側）に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜する方向に向けて引き抜かれていく。そして、引き抜かれたシリコン鋳塊２は、温度調節器９によって温度調整される。これにより、板厚ｔ（２００ｍｍ）、幅Ｗ（１０００ｍｍ）の板状のシリコン鋳塊２が連続的に製出されることになる。
【００３６】
このようにして製出されたシリコン鋳塊２は、図３に示すように、結晶の成長方向がシリコン鋳塊２の厚さ方向（図３において上下方向）に対して角度θで交差するように構成されている。つまり、本実施形態の連続鋳造装置１０によって製出されたシリコン鋳塊２においては、冷却手段３５を備えた底面部３１と溶湯保持部２０との間で結晶が底面部３１から溶湯保持部２０側に向けて成長することになり、結晶の成長方向がシリコン鋳塊２の厚さ方向に対して、底面部３１の延在方向と凝固界面の延在方向（水平方向）とがなす角度θで傾斜することになるのである。
【００３７】
本実施形態である連続鋳造装置１０によれば、凝固界面が、図１に示すように水平方向に延在させられているので、溶湯保持部２０内のシリコン溶湯１中を浮遊する介在物が、溶湯保持部２０の下方で凝固するシリコン鋳塊２から離れたところに存在することになり、シリコン鋳塊２への介在物の混入を防止できる。また、固相（シリコン鋳塊２）から液相（シリコン溶湯１）へと排出される不純物元素は、シリコン鋳塊２の上方に位置する溶湯保持部２０に確実に排出されることになり、高純度の品質の良いシリコン鋳塊２を得ることができる。
【００３８】
そして、凝固方向（結晶の成長方向）とシリコン鋳塊２の引き抜き方向が異なるので、凝固速度（結晶の成長速度）に律速されることなく、シリコン鋳塊２の引き抜き速度を上昇させることができ、生産効率を大幅に向上させることができる。
また、鋳型３０とシリコン溶湯１とが接触せず、凝固したシリコン鋳塊２のみが鋳型３０と接触するので、鋳型３０の劣化を防止でき、鋳造コストを大幅に低減することができる。
【００３９】
さらに、溶湯保持部２０を保持用電磁コイル２２のピンチ力によってシリコン溶湯１を保持するように構成されているので、耐火物とシリコン溶湯１との接触を抑制することができ、シリコン溶湯１と耐火物との反応を抑えて酸化物等の介在物の発生を防止することができる。また、保持用電磁コイル２２のピンチ力によってシリコン溶湯１を保持する際に副次的にシリコン溶湯１の加熱も行われることになるので、シリコン溶湯１とシリコン鋳塊２との間に温度差を設けて一方向凝固を促進することができる。
【００４０】
また、鋳型３０の底面部３１の表面温度が、その延在方向において異なるように構成されており、特に、本実施形態では、溶湯保持部２０が位置する鋳型３０の水平方向一方側部分の底面部３１の表面温度が１４１０℃とシリコンの融点近傍とされているので、溶湯保持部２０の内部へとシリコン鋳塊２が成長していくことを抑制して、シリコン鋳塊２の引き抜きをスムーズに行うことができる。また、底面部３１の表面温度を調整することで、凝固界面を水平方向に延在させることができる。
【００４１】
また、溶湯保持部２０には、シリコン溶湯１を排出する排出制御用電磁コイル２３が設けられており、所定時間経過時に溶湯保持部２０内のシリコン溶湯１を排出するように構成されているので、不純物元素が濃縮されたシリコン溶湯１を排出して、溶解炉６から新たなシリコン溶湯１を得ることで、高純度のシリコン鋳塊２を長時間にわたって製出することができる。また、溶湯保持部２０に浮遊する介在物等も同時に排出でき、介在物の混入を確実に防止できる。
【００４２】
さらに、本実施形態においては、溶湯保持部２０のシリコン溶湯１とカーボンヒータ２５との間に画成された空隙に、不活性ガス（Ａｒガス）を導入する不活性ガス導入手段２７を備えているので、シリコン溶湯１から生成するシリカガス（ＳｉＯ）を溶湯保持部２０の外部へと排出することができ、シリコン鋳塊２の純度をさらに高めることができる。
また、溶湯保持部２０の上にカーボンヒータ２５が配設されているので、シリコン溶湯１の温度を維持することができ、シリコン溶湯１とシリコン鋳塊２との間に温度差を設けて一方向凝固を促進することができる。
【００４３】
また、本実施形態である連続鋳造装置１０によって製出されたシリコン鋳塊２は、結晶の成長方向が、シリコン鋳塊２の厚さ方向に対して角度θで交差するように構成されており、この角度θが、０°＜θ≦２０°の範囲内に設定されているので、シリコン鋳塊２を厚さ方向に切断する場合に、切断面と交差する結晶粒界の数が抑えられる。したがって、太陽電池用の板材を成形した場合に、板材の厚さ方向において結晶粒界が存在しないように構成でき、高品質の板材を提供することが可能となる。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図４に、本発明の第２の実施形態である連続鋳造装置５０を示す。
第２の実施形態である連続鋳造装置５０においては、鋳型６０がその延在方向において複数のユニット６３、６４が連設されることで構成されているのである。
【００４５】
この連続鋳造装置５０によって鋳造する場合には、溶湯保持部２０の供給部２１が位置する側からユニット６３、６４を順次送り込むとともに、ユニット６３、６４がシリコン鋳塊２とともに引き抜かれていくように構成されている。つまり、鋳型６０を構成するユニット６３、６４が順次更新され、シリコン鋳塊２と鋳型６０とが一体となって引き抜かれていくのである。
【００４６】
この構成の連続鋳造装置５０によれば、シリコン鋳塊２と接触するユニット６３、６４をシリコン鋳塊２とともに引き抜くことにより、シリコン鋳塊２と鋳型６０との摺動を防止でき、シリコン鋳塊２の表面欠陥を防止することができる。また、溶湯保持部２０側に位置するユニット６３、６４が順次更新されるので、鋳型６０の劣化がなく、長時間にわたって安定した高品質のシリコン鋳塊２を得ることができる。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、太陽電池用のシリコン鋳塊を製出するものとして説明したが、これに限定されることはなく、その他の金属や半導体等を一方向凝固させた鋳塊を製出するものであってもよい。
【００４８】
また、溶湯保持部を、電磁コイルのピンチ力によって溶湯を保持するものとして説明したが、これに限定されることはなく、耐火物等で構成した溶湯保持部であってもよい。保持する溶湯と耐火物との反応性を考慮して適宜選択すればよい。
さらに、金属シリコン粉末を、いわゆるスカル溶解炉で溶解してシリコン溶湯を生成するように構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、その他の溶解方法で溶解してもよい。
また、溶湯保持部の供給部の大きさや鋳型の大きさは、本実施形態に限定されることはなく、これらの寸法は任意に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態である連続鋳造装置の概略説明図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図３】図１に示す連続鋳造装置により製出された鋳塊の引き抜き方向に沿った断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である連続鋳造装置の概略説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ シリコン溶湯（溶湯）
２ シリコン鋳塊（鋳塊）
１０、５０ 連続鋳造装置
２０ 溶湯保持部
２２ 電磁コイル
２３ 排出制御用コイル（排出手段）
３０、６０ 鋳型
３１ 底面部
３５ 冷却手段
６３、６４ ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばシリコンなどの溶湯を一方向凝固させて得られた鋳塊を連続的に製出するための連続鋳造装置、連続鋳造方法及びこれにより得られる鋳塊に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池用素材として用いられるシリコンは、凝固時に膨張する金属であるため、鋳造を行う場合、溶湯が鋳塊の内部に残存しないように一方向凝固させることが求められる。
また、一方向凝固することにより、不純物元素が固相（鋳塊）から液相（溶湯）に排出されるため、純度の高い鋳塊を得ることが可能となる。
【０００３】
従来、シリコンを一方向凝固させる鋳造装置としては、例えば特許文献１に開示されているように、筒状をなす鋳型の上方開口部から溶湯を供給して鋳型の側壁から冷却を行うとともに、鋳型の下方開口部から鋳塊を下方に向けて引き抜くものが提案されている。
しかしながら、特許文献１に記載された鋳造装置では、下方から上方に向けて結晶を成長させるとともに得られた鋳塊を下方に向けて引き抜いているので、結晶の成長速度が律速となって、引き抜き速度を上昇させて生産効率を向上させることが困難であった。
【０００４】
そこで、特許文献２には、一方向凝固されたシリコンの鋳塊を効率的に生産するために、溶湯が保持される凝固槽の側壁を開放し、凝固したシリコンを開放した側壁を通って水平方向に対して斜め上方向に引き抜くシリコンの鋳造方法が開示されている。
特許文献２に記載されたシリコンの鋳造方法では、結晶の成長方向と鋳塊の引き抜き方向が異なるので、結晶の成長速度が阻害とならず、引き抜き速度を上昇させることが可能となる。
【特許文献１】特開平０８−３１０８９８号公報
【特許文献２】特開平１０−１８２２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２に記載された鋳造方法では、凝固槽の側壁を開放して、この開放した部分から鋳塊を斜め上方向に引き抜くことで、凝固槽の側壁と鋳塊とによって溶湯を保持する構成とされている。これにより、鋳塊と溶湯との凝固界面が水平方向に対して傾斜することになる。
すると、溶湯中に浮遊する酸化物等の介在物が凝固界面に捕捉されて鋳塊内に取り込まれやすくなり、鋳塊の品質が著しく低下してしまうおそれがあった。また、シリコン中の不純物元素は、固相（鋳塊）から液相（溶湯）へと排出されることになるが、凝固界面が水平面に対して傾斜しているので、この不純物元素の濃度が鋳塊の厚さ方向で変動するおそれがあった。
【０００６】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、酸化物等の介在物や不純物元素が鋳塊内に混入することなく高品質な鋳塊が得られるとともに、引き抜き速度を上昇させて生産効率を大幅に向上させることが可能な連続鋳造方法、連続鋳造装置及びこれにより得られる鋳塊を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題を解決するために、本発明に係る連続鋳造装置は、溶湯を一方向凝固させて得られた鋳塊を連続的に製出する連続鋳造装置であって、前記溶湯を保持する溶湯保持部と、水平方向一方側端部が前記溶湯保持部の下方に位置させられた鋳型と、を備え、前記鋳型は、水平方向他方側に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜して延在する底面部を有し、該底面部に冷却手段が設けられており、前記溶湯保持部から供給された前記溶湯を前記冷却手段によって一方向凝固させ、得られた前記鋳塊を前記鋳型の前記底面部に沿って連続的に引き抜くことを特徴としている。
【０００８】
この構成の連続鋳造装置においては、水平方向他方側に向かうにしたがい漸次下方に向けて傾斜した底面部を有する鋳型の水平方向一方側端部に溶湯保持部が位置させられており、前記底面部に冷却手段が設けられているので、溶湯保持部の供給部から供給された溶湯は、鋳型の底面部に備えられた冷却手段によって冷却されて凝固することになり、底面部からの冷却と溶湯保持部からの入熱のバランスによって凝固界面が水平方向に延在することになる。
【０００９】
これにより、溶湯保持部内の溶湯中に浮遊する介在物は溶湯保持部の下方で凝固する鋳塊から離れて位置することになり、介在物の鋳塊内部への混入を防止できる。また、固相（鋳塊）から液相（溶湯）へと排出される不純物元素は、鋳塊の上方に位置する溶湯保持部に濃縮されることになり、高純度の鋳塊を得ることができる。
さらに、結晶の成長方向と鋳塊の引き抜き方向が異なるので、結晶の成長速度に律速されることなく、引き抜き速度を上昇させることができ、生産効率を大幅に向上させることが可能となる。
また、鋳型と溶湯とが接触せず、凝固した鋳塊のみが鋳型と接触するので、鋳型の劣化を防止でき、鋳造コストを大幅に低減することができる。
【００１０】
ここで、前記溶湯保持部を電磁力によって保持する構成としてもよい。
この場合、溶湯を電磁力で保持することで、耐火物と溶湯との接触を抑制することが可能となる。これにより、溶湯と耐火物との反応を抑えて酸化物等の介在物の発生及びＳｉＯなどのガスの発生を防止することができる。また、電磁力によって溶湯を保持する際に副次的に溶湯の加熱も行われることになるので、溶湯と鋳塊との間の温度差を大きくして一方向凝固を促進することができる。
【００１１】
また、前記底面部の表面温度を、その延在方向において異なるように構成してもよい。
この場合、底面部の延在方向、すなわち、鋳塊の引き抜き方向に沿って底面部の表面温度を設定することで、結晶の成長を制御して高品質な鋳塊を得ることができる。例えば、溶湯保持部の下方において、溶湯保持部と底面部とが近接する側の底面部の表面温度を高くし、溶湯保持部と底面部とが離間するにつれて底面部の表面温度を低くするように調整することで、溶湯と鋳塊との凝固界面を安定して水平に保つことが可能となる。また、溶湯保持部と底面部とが近接する部分の底面部の表面温度を高くすることで、溶湯保持部の内部へと鋳塊が成長していくことを抑制して、鋳塊の引き抜きをスムーズに行うことができる。
【００１２】
また、前記鋳型の前記底面部の表面温度を、水平方向他方側かつ下方側に向かうにしたがい漸次低くなるように設定してもよい。
この場合、鋳塊が水平方向他方側かつ下方側に向けて引き抜かれていくにしたがい底面部の温度が低くなるので、一方向凝固させた鋳塊の等温面が水平となり、凝固界面の水平度を向上させることができる。
【００１３】
ここで、前記鋳型の前記底面部の表面温度の最高温度を、前記鋳塊の融点直下に設定してもよい。
この場合、底面部の表面温度の最高温度を鋳塊の融点直下に設定することによって、底面部の水平方向一方側部分において溶湯が急冷されることを防止でき、鋳塊の引き抜きをスムーズに行うことができる。
【００１４】
また、前記鋳型の側面部を断熱する構成としてもよい。
この場合、鋳型内の溶湯が側面部から冷却されることがなく、底面部からのみ結晶を成長させて一方向凝固した鋳塊を確実に製出することができる。
【００１５】
さらに、前記溶湯保持部に、前記溶湯を外部に排出する排出手段を設けてもよい。
この場合、凝固が進行するに連れて不純物元素が溶湯保持部内で濃縮していくため、不純物濃度が所定値まで上昇した時点で溶湯保持部内の溶湯を排出することにより、高純度の鋳塊を長時間にわたって製出することができる。また、溶湯保持部内の溶湯中に浮遊する介在物等も排出でき、介在物の混入を確実に防止することができる。
【００１６】
また、前記鋳型を、分割された複数のユニットが前記鋳型の延在方向に連設されて構成されるものとし、前記溶湯保持部側から順次前記ユニットを送り込むとともに、前記ユニットを前記鋳塊とともに引き抜くように構成してもよい。
この場合、ユニットを鋳塊とともに引き抜くことにより、鋳型と鋳塊との摺接を抑制して鋳塊の表面欠陥を防止することができる。また、溶湯保持部側のユニットが逐次更新されるため、鋳型の劣化による鋳塊品質の低下を防止できる。
【００１７】
さらに、本発明に係る連続鋳造方法は、前述の連続鋳造装置を用いて、一方向凝固された鋳塊を、水平方向一方側に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜する方向に引き抜くことを特徴としている。
【００１８】
この構成の連続鋳造方法によれば、溶湯保持部の溶湯と鋳型内の鋳塊との凝固界面を水平方向に延在するようにして凝固を進行させることにより、介在物の混入や不純物元素の少ない高品質な鋳塊を得ることができる。また、結晶の成長方向（凝固の進行方向）と鋳塊の引き抜き方向とを異ならせることで、引き抜き速度を上昇させて生産効率を大幅に向上させることができる。
【００１９】
また、本発明に係る鋳塊は、前述の連続鋳造装置によって製出され、結晶の成長方向が、鋳塊の厚さ方向に対して角度θで交差するように構成されており、該角度θが、０°＜θ≦２０°の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【００２０】
前述の連続鋳造装置によって製出された鋳塊においては、冷却手段を備えた底面部と溶湯保持部との間で結晶が底面部から溶湯保持部側に向けて成長するので、結晶の成長方向が鋳塊の厚さ方向に対して傾斜することになる。結晶の成長方向とは、鋳塊の下面から上面に向かって成長した鋳塊を構成する結晶粒の長軸に平行で下面から上方に向かうベクトルの方向であり、角度θはこのベクトルと鋳塊の下面の法線とのなす角度である。ここで、この傾斜角度θは、底面部の延在方向と凝固界面の延在方向（水平方向）とがなす角度と一致する。ここで、結晶の成長方向と鋳塊の厚さ方向とがなす角度θを２０°以下とすることにより、引き抜き速度を確実に向上させることができる。さらに、鋳塊を厚さ方向に切断した場合に、切断面と交差する結晶粒界の数が抑えられる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、酸化物等の介在物や不純物元素が鋳塊内に混入することなく高品質な鋳塊が得られるとともに、引き抜き速度を上昇させて生産効率を大幅に向上させることが可能な連続鋳造方法、連続鋳造装置及びこれにより得られる高品質な鋳塊を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１及び図２に、本発明の第１の実施形態である連続鋳造装置１０を示す。
本実施形態である連続鋳造装置１０は、太陽電池用素材として用いられる６〜７Ｎクラスの純度のシリコン鋳塊２を連続に製出するためのものであり、シリコン溶湯１を保持するための溶湯保持部２０と、この溶湯保持部２０の下方に位置する鋳型３０と、を備えている。
【００２３】
溶湯保持部２０の上方には、図１に示すように、金属シリコン粉末を貯留する原料ホッパー５と、原料ホッパー５から供給された金属シリコン粉末を溶解してシリコン溶湯１を生成する溶解炉６とが配設されている。
ここで、溶解炉６は、分割された水冷銅ルツボを用いて金属シリコン粉末を誘導加熱する、いわゆるスカル溶解炉とされており、耐火物を使用しないため、シリコン溶湯１への不純物の混入が抑制されている。この溶解炉６の底部には、溶湯保持部２０へシリコン溶湯１を出湯するための出湯口７が設けられており、シリコン溶湯１の出湯状態を凍結弁を用いて調整する構成とされている。
【００２４】
溶湯保持部２０は、保持用電磁コイル２２を有しており、電流と磁界との相互作用によるピンチ力を利用して、シリコン溶湯１を保持する構成とされている。つまり、耐火材等で構成された容器内にシリコン溶湯１を保持するのではなく、シリコン溶湯１を浮遊させた状態で保持しているのである。
本実施形態においては、溶湯保持部２０において保持されているシリコン溶湯１を排出するための排出制御用電磁コイル２３が設けられており、排出されたシリコン溶湯１が貯留される貯留部２４が配置されている。
【００２５】
溶湯保持部２０の上部には、シリコン溶湯１を保温するためのカーボンヒータ２５が配設されている。このカーボンヒータ２５の一部には孔部２６が形成されており、溶解炉６から出湯されたシリコン溶湯１は孔部２６を通じて溶湯保持部２０へと供給される。このカーボンヒータ２５と溶湯保持部２０に保持されたシリコン溶湯１との間には空隙が画成されており、この空隙に不活性ガス（図１においてはＡｒガス）を流通させる不活性ガス導入手段２７が設けられている。
【００２６】
そして、溶湯保持部２０には下方側に向けて溶湯を供給する供給部２１が設けられており、この供給部２１が鋳型３０の水平方向一方側（図１において左側）に位置するように構成されている。この供給部２１の水平方向長さ（図１において左右方向長さ）は、３０００ｍｍ〜３００ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態においては１５００ｍｍとされている。
【００２７】
鋳型３０は、図１に示すように、溶湯保持部２０が配設された水平方向一方側から水平方向他方側（図１において右側）に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜する底面部３１と図２に示すように底面部３１に対して直交するように延在する側壁３２とからなる断面コの字状をなす本体部３３と、図１及び図２に示すように底面部３１に対向配置される蓋部３４とを有している。なお、蓋部３４は、図１に示すように鋳型３０の水平方向他方側部分にのみ配置されている。
【００２８】
ここで、鋳型３０の底面部３１の延在方向と水平面とがなす角度θは、０°＜θ≦２０°の範囲内に設定されており、本実施形態においてはθ＝７．６６°とされている。また、底面部３１の幅（図２において左右方向長さ）は、１５０ｍｍ〜３０００ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態においては１０００ｍｍとされている。さらに、側壁３２の高さ（図２において上下方向長さ）は、２０ｍｍ〜５００ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態においては２００ｍｍとされている。
【００２９】
鋳型３０の底面部３１には、パネル状の冷却手段３５が設けられている。この冷却手段３５によって、底面部３１の表面温度は、底面部３１（鋳型３０）の延在方向において異なるように調整されている。本実施形態では、冷却手段３５の水平方向一方側部分（図１の矢印Ｕ）の底面部３１の表面温度が最も高く設定されており、シリコンの融点直下である１４１０℃とされ、冷却手段３５の水平方向他方側部分（図１の矢印Ｖ）の底面部３１の表面温度が８００℃とされている。
【００３０】
また、図２に示すように鋳型３０の側方には断熱材３６が配設されており、鋳型３０の側壁３２部分からの放熱が抑制されている。
さらに、鋳型３０の引き抜き方向下流側には、図１に示すように、製出されたシリコン鋳塊２の温度を調節する温度調節器９が設けられている。
【００３１】
次に、本実施形態である連続鋳造装置１０による連続鋳造方法について説明する。
原料ホッパー５から溶解炉６へと金属シリコン粉末が供給される。溶解炉６では、誘導加熱によって金属シリコン粉末が溶融されてシリコン溶湯１が生成される。そして、溶解炉６の底部に設けられた出湯口７からシリコン溶湯１が溶湯保持部２０へと供給される。
【００３２】
溶湯保持部２０においては、保持用電磁コイル２２のピンチ力によってシリコン溶湯１が保持されるとともに、供給部２１が鋳型３０の底面部３１に向けられている。
ここで、鋳型３０の底面部３１に設けられた冷却手段３５によって抜熱されることで、底面部３１側から凝固が一方向に進行していくことになる。
【００３３】
このとき、鋳型３０の底面部３１の表面温度が底面部３１（鋳型３０）の延在方向において異なるように調整されており、本実施形態では、冷却手段３５の水平方向一方側部分（図１の矢印Ｕ）の表面温度が１４１０℃とされ、冷却手段３５の水平方向他方側部分（図１の矢印Ｖ）の表面温度が８００℃とされているので、シリコン鋳塊２（固相）とシリコン溶湯１（液相）との凝固界面が、図１に示すように水平となり、溶湯保持部２０の供給部２１に位置することになる。
【００３４】
このように鋳型３０の底面部３１側から凝固が一方向に進行することにより、シリコン鋳塊２（固相）の不純物元素は溶湯保持部２０内のシリコン溶湯１（液相）へと排出される。よって、時間が経過するに連れて溶湯保持部２０内のシリコン溶湯１の不純物元素が濃縮されていくことになる。そこで、所定時間経過した時点で、排出制御用電磁コイル２３によってシリコン溶湯１を貯留部２４へと排出し、溶解炉６から溶湯保持部２０にシリコン溶湯１を新たに供給するように構成されている。
【００３５】
一方向凝固によって形成されたシリコン鋳塊２は、鋳型３０（底面部３１）に沿って、つまり、水平方向他方側（図１において右側）に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜する方向に向けて引き抜かれていく。そして、引き抜かれたシリコン鋳塊２は、温度調節器９によって温度調整される。これにより、板厚ｔ（２００ｍｍ）、幅Ｗ（１０００ｍｍ）の板状のシリコン鋳塊２が連続的に製出されることになる。
【００３６】
このようにして製出されたシリコン鋳塊２は、図３に示すように、結晶の成長方向がシリコン鋳塊２の厚さ方向（図３において上下方向）に対して角度θで交差するように構成されている。つまり、本実施形態の連続鋳造装置１０によって製出されたシリコン鋳塊２においては、冷却手段３５を備えた底面部３１と溶湯保持部２０との間で結晶が底面部３１から溶湯保持部２０側に向けて成長することになり、結晶の成長方向がシリコン鋳塊２の厚さ方向に対して、底面部３１の延在方向と凝固界面の延在方向（水平方向）とがなす角度θで傾斜することになるのである。
【００３７】
本実施形態である連続鋳造装置１０によれば、凝固界面が、図１に示すように水平方向に延在させられているので、溶湯保持部２０内のシリコン溶湯１中を浮遊する介在物が、溶湯保持部２０の下方で凝固するシリコン鋳塊２から離れたところに存在することになり、シリコン鋳塊２への介在物の混入を防止できる。また、固相（シリコン鋳塊２）から液相（シリコン溶湯１）へと排出される不純物元素は、シリコン鋳塊２の上方に位置する溶湯保持部２０に確実に排出されることになり、高純度の品質の良いシリコン鋳塊２を得ることができる。
【００３８】
そして、凝固方向（結晶の成長方向）とシリコン鋳塊２の引き抜き方向が異なるので、凝固速度（結晶の成長速度）に律速されることなく、シリコン鋳塊２の引き抜き速度を上昇させることができ、生産効率を大幅に向上させることができる。
また、鋳型３０とシリコン溶湯１とが接触せず、凝固したシリコン鋳塊２のみが鋳型３０と接触するので、鋳型３０の劣化を防止でき、鋳造コストを大幅に低減することができる。
【００３９】
さらに、溶湯保持部２０を保持用電磁コイル２２のピンチ力によってシリコン溶湯１を保持するように構成されているので、耐火物とシリコン溶湯１との接触を抑制することができ、シリコン溶湯１と耐火物との反応を抑えて酸化物等の介在物の発生を防止することができる。また、保持用電磁コイル２２のピンチ力によってシリコン溶湯１を保持する際に副次的にシリコン溶湯１の加熱も行われることになるので、シリコン溶湯１とシリコン鋳塊２との間に温度差を設けて一方向凝固を促進することができる。
【００４０】
また、鋳型３０の底面部３１の表面温度が、その延在方向において異なるように構成されており、特に、本実施形態では、溶湯保持部２０が位置する鋳型３０の水平方向一方側部分の底面部３１の表面温度が１４１０℃とシリコンの融点近傍とされているので、溶湯保持部２０の内部へとシリコン鋳塊２が成長していくことを抑制して、シリコン鋳塊２の引き抜きをスムーズに行うことができる。また、底面部３１の表面温度を調整することで、凝固界面を水平方向に延在させることができる。
【００４１】
また、溶湯保持部２０には、シリコン溶湯１を排出する排出制御用電磁コイル２３が設けられており、所定時間経過時に溶湯保持部２０内のシリコン溶湯１を排出するように構成されているので、不純物元素が濃縮されたシリコン溶湯１を排出して、溶解炉６から新たなシリコン溶湯１を得ることで、高純度のシリコン鋳塊２を長時間にわたって製出することができる。また、溶湯保持部２０に浮遊する介在物等も同時に排出でき、介在物の混入を確実に防止できる。
【００４２】
さらに、本実施形態においては、溶湯保持部２０のシリコン溶湯１とカーボンヒータ２５との間に画成された空隙に、不活性ガス（Ａｒガス）を導入する不活性ガス導入手段２７を備えているので、シリコン溶湯１から生成するシリカガス（ＳｉＯ）を溶湯保持部２０の外部へと排出することができ、シリコン鋳塊２の純度をさらに高めることができる。
また、溶湯保持部２０の上にカーボンヒータ２５が配設されているので、シリコン溶湯１の温度を維持することができ、シリコン溶湯１とシリコン鋳塊２との間に温度差を設けて一方向凝固を促進することができる。
【００４３】
また、本実施形態である連続鋳造装置１０によって製出されたシリコン鋳塊２は、結晶の成長方向が、シリコン鋳塊２の厚さ方向に対して角度θで交差するように構成されており、この角度θが、０°＜θ≦２０°の範囲内に設定されているので、シリコン鋳塊２を厚さ方向に切断する場合に、切断面と交差する結晶粒界の数が抑えられる。したがって、太陽電池用の板材を成形した場合に、板材の厚さ方向において結晶粒界が存在しないように構成でき、高品質の板材を提供することが可能となる。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図４に、本発明の第２の実施形態である連続鋳造装置５０を示す。
第２の実施形態である連続鋳造装置５０においては、鋳型６０がその延在方向において複数のユニット６３、６４が連設されることで構成されているのである。
【００４５】
この連続鋳造装置５０によって鋳造する場合には、溶湯保持部２０の供給部２１が位置する側からユニット６３、６４を順次送り込むとともに、ユニット６３、６４がシリコン鋳塊２とともに引き抜かれていくように構成されている。つまり、鋳型６０を構成するユニット６３、６４が順次更新され、シリコン鋳塊２と鋳型６０とが一体となって引き抜かれていくのである。
【００４６】
この構成の連続鋳造装置５０によれば、シリコン鋳塊２と接触するユニット６３、６４をシリコン鋳塊２とともに引き抜くことにより、シリコン鋳塊２と鋳型６０との摺動を防止でき、シリコン鋳塊２の表面欠陥を防止することができる。また、溶湯保持部２０側に位置するユニット６３、６４が順次更新されるので、鋳型６０の劣化がなく、長時間にわたって安定した高品質のシリコン鋳塊２を得ることができる。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、太陽電池用のシリコン鋳塊を製出するものとして説明したが、これに限定されることはなく、その他の金属や半導体等を一方向凝固させた鋳塊を製出するものであってもよい。
【００４８】
また、溶湯保持部を、電磁コイルのピンチ力によって溶湯を保持するものとして説明したが、これに限定されることはなく、耐火物等で構成した溶湯保持部であってもよい。保持する溶湯と耐火物との反応性を考慮して適宜選択すればよい。
さらに、金属シリコン粉末を、いわゆるスカル溶解炉で溶解してシリコン溶湯を生成するように構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、その他の溶解方法で溶解してもよい。
また、溶湯保持部の供給部の大きさや鋳型の大きさは、本実施形態に限定されることはなく、これらの寸法は任意に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態である連続鋳造装置の概略説明図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図３】図１に示す連続鋳造装置により製出された鋳塊の引き抜き方向に沿った断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である連続鋳造装置の概略説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ シリコン溶湯（溶湯）
２ シリコン鋳塊（鋳塊）
１０、５０ 連続鋳造装置
２０ 溶湯保持部
２２ 電磁コイル
２３ 排出制御用コイル（排出手段）
３０、６０ 鋳型
３１ 底面部
３５ 冷却手段
６３、６４ ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯を一方向凝固させて得られた鋳塊を連続的に製出する連続鋳造装置であって、
前記溶湯を保持する溶湯保持部と、水平方向一方側端部が前記溶湯保持部の下方に位置させられた鋳型と、を備え、
前記鋳型は、水平方向他方側に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜して延在する底面部を有し、該底面部に冷却手段が設けられており、
前記溶湯保持部から供給された前記溶湯を前記冷却手段によって一方向凝固させ、得られた前記鋳塊を前記鋳型の前記底面部に沿って連続的に引き抜くことを特徴とする連続鋳造装置。
【請求項２】
前記溶湯保持部は、前記溶湯を電磁力によって保持する構成とされていることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造装置。
【請求項３】
前記鋳型の前記底面部の表面温度が、その延在方向において異なるように設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の連続鋳造装置。
【請求項４】
前記鋳型の前記底面部の表面温度が、水平方向他方側かつ下方側に向かうにしたがい漸次低くなるように設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の連続鋳造装置。
【請求項５】
前記鋳型の前記底面部の表面温度の最高温度が、前記鋳塊の融点直下に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の連続鋳造装置。
【請求項６】
前記鋳型の側面部が断熱されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の連続鋳造装置。
【請求項７】
前記溶湯保持部には、前記溶湯を外部に排出する排出手段が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の連続鋳造装置。
【請求項８】
前記鋳型は、分割された複数のユニットが前記鋳型の延在方向に連設されることで構成されており、前記溶湯保持部側から順次前記ユニットが送り込まれ、前記ユニットが前記鋳塊とともに引き抜かれていくことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の連続鋳造装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の連続鋳造装置を用いて、一方向凝固された鋳塊を、水平方向一方側に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜する方向に引き抜くことを特徴とする連続鋳造方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の連続鋳造装置によって製出され、結晶の成長方向が、鋳塊の厚さ方向に対して角度θで交差するように構成されており、該角度θが、０°＜θ≦２０°の範囲内に設定されていることを特徴とする鋳塊。
【請求項１】
溶湯を一方向凝固させて得られた鋳塊を連続的に製出する連続鋳造装置であって、
前記溶湯を保持する溶湯保持部と、水平方向一方側端部が前記溶湯保持部の下方に位置させられた鋳型と、を備え、
前記鋳型は、水平方向他方側に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜して延在する底面部を有し、該底面部に冷却手段が設けられており、
前記溶湯保持部から供給された前記溶湯を前記冷却手段によって一方向凝固させ、得られた前記鋳塊を前記鋳型の前記底面部に沿って連続的に引き抜くことを特徴とする連続鋳造装置。
【請求項２】
前記溶湯保持部は、前記溶湯を電磁力によって保持する構成とされていることを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造装置。
【請求項３】
前記鋳型の前記底面部の表面温度が、その延在方向において異なるように設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の連続鋳造装置。
【請求項４】
前記鋳型の前記底面部の表面温度が、水平方向他方側かつ下方側に向かうにしたがい漸次低くなるように設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の連続鋳造装置。
【請求項５】
前記鋳型の前記底面部の表面温度の最高温度が、前記鋳塊の融点直下に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の連続鋳造装置。
【請求項６】
前記鋳型の側面部が断熱されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の連続鋳造装置。
【請求項７】
前記溶湯保持部には、前記溶湯を外部に排出する排出手段が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の連続鋳造装置。
【請求項８】
前記鋳型は、分割された複数のユニットが前記鋳型の延在方向に連設されることで構成されており、前記溶湯保持部側から順次前記ユニットが送り込まれ、前記ユニットが前記鋳塊とともに引き抜かれていくことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の連続鋳造装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の連続鋳造装置を用いて、一方向凝固された鋳塊を、水平方向一方側に向かうにしたがい漸次下方に向かうように水平面に対して傾斜する方向に引き抜くことを特徴とする連続鋳造方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の連続鋳造装置によって製出され、結晶の成長方向が、鋳塊の厚さ方向に対して角度θで交差するように構成されており、該角度θが、０°＜θ≦２０°の範囲内に設定されていることを特徴とする鋳塊。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１４３７９５（Ｐ２００９−１４３７９５Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９４６５３（Ｐ２００８−２９４６５３）
【出願日】平成２０年１１月１８日（２００８．１１．１８）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１８日（２００８．１１．１８）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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