金属ケイ素の製造方法
【課題】ケイ砂を主原料としてアーク炉によって還元することにより金属ケイ素を製造するに際し、還元時間が短く、かつアーク放電の電力使用量を小さくすることができ、生産性に優れた金属ケイ素の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の金属ケイ素の製造方法は、ケイ砂と、粒径が前記ケイ砂と同じか又は小さい、石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤と、を混合してケイ砂と還元剤との混合物を得る工程、前記ケイ砂と還元剤との混合物を５ｃｍ〜２０ｃｍの大きさの塊状に成形する工程、前記塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物と木材チップとを混合してアーク炉に投入し、前記アーク炉内で前記ケイ砂を炭素熱還元させる工程とを含むことを特徴とする。
【解決手段】本発明の金属ケイ素の製造方法は、ケイ砂と、粒径が前記ケイ砂と同じか又は小さい、石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤と、を混合してケイ砂と還元剤との混合物を得る工程、前記ケイ砂と還元剤との混合物を５ｃｍ〜２０ｃｍの大きさの塊状に成形する工程、前記塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物と木材チップとを混合してアーク炉に投入し、前記アーク炉内で前記ケイ砂を炭素熱還元させる工程とを含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ケイ素の製造方法に関し、詳しくは、ケイ砂を主原料としてアーク炉によって還元することにより金属ケイ素を製造するに際し、還元時間が短く、かつアーク放電の電力使用量を小さくすることができ、生産性に優れた金属ケイ素の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）源としてのケイ石やケイ砂と炭素源とを用い、アーク炉によって還元することにより金属ケイ素を製造する方法が知られている。ケイ石やケイ砂は、融点が１７００℃程度と高いので、還元するのに多くの電力が必要とされる。そのため、金属ケイ素は、現在では多くが電力単価が安い海外で製造されている。このようなアーク炉を用いた金属ケイ素の製造方法では、アーク放電が良好に生起できるようにして炉内を高温に維持し、この高温の領域で酸化ケイ素の還元反応を良好に生起させるため、粒状化ないし塊状化した原料が用いられている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、従来技術として塊状のケイ石が利用されていることが示され、その上で、高純度の金属ケイ素を製造するためには純度が高いＳｉＯ２原料が必要であるが、天然ケイ石を精製したＳｉＯ２は粉末あるいは数ｍｍ以下という細かい粒状原料となるので、塊成化が必要であることが示されている。加えて、下記特許文献１には、具体例として、高純度に精製されて粉末状となっている炭素系原料やＳｉＯ２等を、砂糖、フェノール樹脂、澱粉等を結合材として用いて粒状化したものを利用し、ＳｉＯ２又はＳｉＯの吹き込み用ノズルを有するアーク炉の上側にシャフト部が設けられ、このシャフト部に加熱装置が設けられている装置を用い、アーク炉内にシャフト部から炭素系原料を供給すると共に、ＳｉＯ２又はＳｉＯを吹き込み用ノズルから供給して高純度の金属ケイ素を製造する方法が開示されている。
【０００４】
また、下記特許文献２には、石英、融解石英、ヒュームドシリカ、沈殿シリカ及びケイ砂粉末等の二酸化ケイ素及びカーボンブラック、木炭、石炭、コークス、木片又はこれらの混合物からなる炭素源を、それぞれ粉末、粒子、チップ、塊、ペレット、フレーク又はタドンの形で用い、アーク溶融法によって元素状ケイ素を製造するに際し、炉から出てくる排ガスの一酸化炭素の量と炉に加えられた二酸化ケイ素の量とに基づいて、炉の炭素バランスを制御するようにした発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−３１９２０６号公報
【特許文献２】特開平０５−１３２３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
金属ケイ素の製造原料としては、上述のように、ケイ石及びケイ砂を使用し得ることが周知である。原料として天然ケイ石を用いて金属ケイ素を製造する場合には、ケイ石を破砕するために多大な労力とエネルギーが必要となる。一方、天然ケイ砂は、採取地によって高純度のものから低純度のものまで種々のグレードのものが存在するが、粒径が小さいため、別途粉砕処理しなくてもそのままで精製工程に供することができるので、労力的、エネルギー的には天然ケイ石を使用するよりも有利となる。
【０００７】
一方、アーク炉によるＳｉＯ２源の還元反応は、塊状化された原料の物理的性状及び化学的組成の影響を受ける。しかしながら、例えば上記特許文献１及び２の記載からしても明らかなように、従来は塊状化された原料の最適な物理的性状及び化学的組成については何ら明らかにされていなかった。特に、ＳｉＯ２源として天然ケイ砂を用いた場合の最適な物理的性状及び化学的組成については全く不明である。
【０００８】
発明者等は、ＳｉＯ２源として天然ケイ砂を用い、金属ケイ素を効率よく製造し得る条件について種々検討を重ねてきた。その結果、ケイ砂と炭素源（還元剤）とを所定の大きさの塊状に成形する工程と、この塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物をアーク炉内に投入する際の条件を特定することにより、従来の金属ケイ素の製造方法に比して、還元に要する時間を短縮できると共に、アーク放電の電力使用量を大きく減少させることができることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
【０００９】
すなわち、本発明は、ケイ砂を主原料としてアーク炉によって還元することにより金属ケイ素を製造するに際し、還元時間が短く、かつアーク放電の電力使用量を小さくすることができ、生産性に優れた金属ケイ素の製造方法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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の金属ケイ素の製造方法は、
ケイ砂と、粒径が前記ケイ砂と同じか又は小さい、石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤と、を混合してケイ砂と還元剤との混合物を得る工程、
前記ケイ砂と還元剤との混合物を５ｃｍ〜２０ｃｍの大きさの塊状に成形する工程、
前記塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物と木材チップとを混合してアーク炉に投入し、前記アーク炉内で前記ケイ砂を熱還元させる工程、
とを含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の金属ケイ素の製造方法では、天然のケイ砂を何らの粉砕処理することなく使用することができ、しかも、ケイ砂と還元剤とを５ｃｍ〜２０ｃｍの大きさの塊状に成形した後に木材チップと混合してアーク炉に投入されているので、アーク炉内の挿入物の間の通気性が良好となるとともに、ケイ砂と還元剤との間の反応性が良好となる。そのため、本発明の金属ケイ素の製造方法によれば、従来例のものに比すると、ケイ砂の還元に要する時間が短くなり、しかも、アーク放電の電力使用量が大きく減少する。
【００１２】
なお、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、得られた金属ケイ素は融液として炉床に形成されるので、この融液を周期的に炉床から取り出し、適宜の形状の取り鍋中で冷却固化させた後、適宜粉砕することにより、金属ケイ素を製造することができる。
【００１３】
本発明の金属ケイ素の製造方法では、塊状のケイ砂と還元剤との混合物の大きさは５ｃｍ〜２０ｃｍが最適である。塊状のケイ砂と還元剤との混合物の大きさが２０ｃｍを超えると、通気性はより良好となるがケイ砂の還元性が劣るようになって、還元ムラが生じ易くなる。さらに、この塊状にされたケイ砂と還元剤との混合物の大きさが５ｃｍ未満であると、アーク放電時にアークが飛び難くなる。なお、ケイ砂と還元剤との混合物の形状は，塊状であれば任意であり、その大きさは任意に選択した部分の最大寸法を意味する。
【００１４】
また、石炭、コークス及び木炭は、シリカの還元剤として従来から金属ケイ素の製造に慣用的に用いられているものであり、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、これらの還元剤の内の少なくとも１種を、ケイ砂と同じか又はこのケイ砂よりも小さい粒径のものとして用いる。このように、還元剤の粒径がケイ砂と同じかケイ砂よりも小さいものを選択すると、ケイ砂と還元剤との混合物の粘度が大きくなるので、塊状化を行い易くなる。
【００１５】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂として粒径３ｍｍ以下のものを選別して使用することが好ましく、その際、石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤も粒径３ｍｍ以下のものを選別して使用することが好ましい。
【００１６】
天然のケイ砂は、粒径が大きいものも、小さいものも、含まれており、塊状のケイ砂と還元剤との混合物中に粒径が大きいケイ砂が含まれていると還元ムラが生じ易くなる。本発明の金属ケイ素の製造方法によれば、ケイ砂として粒径３ｍｍ以下のものを選別して使用しているので、ケイ砂が均質に還元されると共にケイ砂の還元に要する時間が短くなり、アーク放電の電力使用量が大きく減少する。また、その際に石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤の粒径も、ケイ砂の粒径範囲と同様に、３ｍｍ以下のものを選別して使用すると、ケイ砂と還元剤とが良好に混合されるので、ケイ砂が均質に還元され易くなる。
【００１７】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに炭酸ナトリウムを添加してもよい。
【００１８】
炭酸ナトリウムは酸化ケイ素と反応し、酸化ケイ素の融点を低下させる。ケイ砂と還元剤との混合物中に炭酸ナトリウムが混合されていると、ケイ砂の融点が下がるのでアーク放電の電力使用量を大きく低減させることができ、しかもケイ砂を低温で還元することができるので、生成された金属ケイ素中に溶解する不純物濃度が低減される。
【００１９】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、水ガラスを添加することもでき、さらに水ガラスと共に二酸化炭素を供給してもよい。
【００２０】
また、ケイ砂と還元剤との混合物中に水ガラスを添加すると、塊状のケイ砂と還元剤との混合物を得る際に結合材として機能するため、成形後の塊状のケイ砂と還元剤との混合物の強度が強くなるため、その後の取り扱いが容易となり、また、水ガラスはケイ砂と同じケイ素成分からなるので、不純物とはならない。
【００２１】
さらに、水ガラスと共に二酸化炭素を供給すると，二酸化炭素は水ガラスをゲル化させて水ガラスの固化速度を早める機能を有しているので、塊状のケイ砂と還元剤との混合物の固化速度が速まり、また、二酸化炭素は高温では還元剤にもなるため、不純物とはならないだけでなく、ケイ砂の還元速度が向上する。
【００２２】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに非晶質シリカを添加するようにしてもよい。
【００２３】
塊状のケイ砂と還元剤との混合物を得る際に非晶質シリカを添加すると、塊状のケイ砂と還元剤との混合物の固化速度が速まり、少量の添加でも塊状のケイ砂と還元剤との混合物の強度が強くなって、その後の取り扱いが容易となる。また、非晶質シリカはケイ砂と同じケイ素成分からなるので、不純物とはならない。なお、非晶質シリカとしては、市販の非晶質シリカ、金属ケイ素製造時の副成物であるシリカヒューム、籾殻由来の非晶質シリカ、ケイ藻由来の非晶質シリカ等を適宜選択して使用し得る。
【００２４】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂と還元剤との混合物を塊状に成形する工程は、ケイ砂と還元剤との混合物を押出成形機で押出して、５〜２０ｃｍの長さに切断する工程を採用するとよい。また、この押出成形機での押出の外周囲の形状は凹凸形状とすることが好ましい。
【００２５】
このような押出成形機を用いると、塊状のケイ砂と還元剤との混合物を連続的に効率よく製造することができるようになる。なお、押し出しの外周囲の形状を凹凸形状となるようにすると、得られた塊状のケイ砂と還元剤との混合物をアーク炉内に投入した時点で投入物間に隙間ができ易いため、アークが飛びやすくなり、還元効率が向上する。なお、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物の外周囲の形状としては、星形、波形等、外周囲に明確に凹凸が生じれば任意である。さらに、表面積を大きくすると共に溶融した金属ケイ素が炉床に流下し易いようにするために、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物に穴を設けてもよい
【００２６】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂と還元剤との混合物を塊状に成形する工程は、ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填し、所定時間養生・乾燥して固化させる工程を含むものとすることができる。この場合において、ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填した後、圧縮プレスする工程を含むものとしてもよい。
【００２７】
このようなケイ砂と還元剤との混合物を塊状に成形する工程を採用すると、固化時間を長く取れるので、固化促進のために必要であった二酸化炭素注入の省略、水ガラスの添加量削減、あるいは非晶質シリカの使用量の削減が可能となる。また、ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填した後、圧縮プレスする工程を採用すれば、短時間で固化体を得ることができると共に、固化促進のために必要であった二酸化炭素注入の省略、水ガラスの添加量削減、あるいは非晶質シリカの使用量の削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の金属ケイ素の製造工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための一例を示すものであって、本発をこの実施形態に特定することを意図するものではなく、本発は特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態のものにも等しく適応し得るものである。
【００３０】
まず、ケイ砂（１１）としては、砂浜や鉱山などから採取されたＳｉＯ２の含有率が概ね９５％以上の花崗岩由来の天然ケイ砂を用いる。通常、ＳｉＯ２の含有率が高いケイ砂は透明ないし白色に近く、ＳｉＯ２の含有率が低いケイ砂は着色しているので、透明ないし白色のケイ砂を使用することが好ましい。このような天然ケイ砂を使用すると、ケイ石を用いた場合に比べて、ケイ石の粉砕作業が不要となるので、省力化とエネルギー効率向上が可能となる。なお、ケイ砂の使用量は、金属ケイ素を１トン製造するためには約３トン程度が用いられる。
【００３１】
次いで、ケイ砂（１１）を自然乾燥もしくはアーク炉（金属ケイ素還元炉）（１０）から出る排熱を利用した温風で乾燥し、篩にかけて粒径３ｍｍ以下のケイ砂を篩分け（１２）する。ケイ砂の粒径が揃っていて、かけ離れて大きい粒径のケイ砂が存在しない場合には特に分別しなくても使用し得るが、天然のケイ砂は粒径のばらつきが大きいので、篩にかけて篩分けすることが好ましい。ケイ砂に粒径が大きいものが含まれていると、アーク炉中での還元に時間を要することになるので、還元ムラが生じ易くなるためである。
【００３２】
次いで、篩分けしたケイ砂を、乾燥させた状態を保持したまま、磁力選鉱（１３）を行い、ケイ砂中に含まれる磁鉄鉱・黄鉄鉱等の鉄分含有鉱物（磁性不純物）を除去する。磁性不純物は、全体の質量比で、少なくとも０．５％（５，０００ｐｐｍ）以下まで、除去するのが好ましい
【００３３】
その後、弗酸等の酸性溶剤による浮遊選鉱（１４）を行い、雲母、長石等のアルミニウムないしカルシウム含有ケイ酸鉱物を除去する。アルミニウムないしカルシウム含有ケイ酸鉱物は、全体の質量比で、アルミニウムは０．５％（５，０００ｐｐｍ）以下、カルシウムは０．３％（３，０００ｐｐｍ）以下まで、除去するのが好ましい。さらに、浮遊選鉱後のケイ砂を水洗（１５）し、酸性溶剤、粘土質、塩分などの不純物も取り除いて、本実施形態で使用する粒径３ｍｍ以下のＳｉＯ２原料を得る。
【００３４】
なお、金属ケイ素の品質は、鉄、アルミニウム、カルシウム等の不純物濃度で定義される。酸化ケイ素を炭素材料からなる還元剤によって還元する過程では、これら不純物は除去されないので、基本的に、材料段階から不純物を除去しておく必要がある。金属ケイ素の融液の状態で、酸素等を吹き込み、事後的に、不純物濃度を下げる方法はあるが、コスト面から見ても、材料段階で、可能な限りの処理を行うのが好ましい。上記の不純物濃度は、金属シリコン５５３（Ｆｅ：０．５％、Ａｌ：０．５％、Ｃａ：０．３％）という、最もグレードの低い金属ケイ素を作るための不純物除去目標を達成するためのものであり、さらに上級グレードのものを作るためには、より高度に不純物除去をすればよい。
【００３５】
一方、還元剤（炭素源）（１６）として、石炭、コークス及び木炭から選択された少なくとも１種を、直径３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度に粉砕（１７）し、本実施形態で使用する還元剤を得る。還元剤の粒径は、ケイ砂の粒径と同じかそれよりも小さい方がよい。金属ケイ素１トンを製造するときの還元剤は、ＳｉＯ２源としてケイ石を用いた場合は概ね１．８トン程度必要であるが、本実施形態では、還元剤がＳｉＯ２源としてのケイ砂に接触する面積が飛躍的に拡大するため、還元反応が効率的に進捗するので、概ね１．０トン程度と大幅に削減できる。
【００３６】
上述のようにして製造されたケイ砂と還元剤とを、ソーダ灰（炭酸ナトリウム）（１８）、水ガラス（ケイ酸ナトリウム）（１９）と共に混練機（２０）に供給して混合する。混練機（２０）で十分に混合した後、押出成形機（２１）に供給し、押出成形することによって外周囲の形状が星形の棒状体を得て、それを長さ概ね５〜２０ｃｍの大きさに切断し、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物を得る。炭酸ナトリウム（１８）はケイ砂の融点を下げるために使用されるものである。また、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物の大きさは、２０ｃｍを超えると通気性はより良好となるがケイ砂の還元性が劣るようになって還元ムラが生じ易くなり、５ｃｍ未満であるとアーク放電時にアークが飛び難くなるので、好ましくは１５ｃｍ程度とするとよい。また、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物の外周囲の形状は、必ずしも星形である必要はなく、波形等、表面積が大きくなるように表面に凹凸形状が形成されていればよく、さらには、表面積を大きくすると共に溶融した金属ケイ素が炉床に流下し易いようにするために、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物に穴を設けてもよい。
【００３７】
なお、ケイ砂と、還元剤と、炭酸ナトリウムと、水ガラスとを混合した後、押出成形する場合、適度な水分が必要であるが、水洗したケイ砂の水切りを行い、そこに上記の還元剤と、炭酸ナトリウムと、水ガラスとを混入すれば、適度な水分量となる。また、水分が不足する場合は、適宜、水分を添加し、多すぎる場合は、水洗後のケイ砂の水切りを入念に行えばよい。このようにして塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物は、水ガラスが空気中の二酸化炭素を吸収してゲル化するので固化体となる。この固化反応を促進するため、混練機（２０）中で、ケイ砂と、還元剤と、炭酸ナトリウムと、水ガラスとを混合している間に二酸化炭素（２２）を吹き込んだり、押出成形されたケイ砂と還元剤との混合物を二酸化炭素雰囲気に放置することもできる。
【００３８】
次いで、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物と、概ね１５ｃｍ程度のさらなる還元剤としての木材チップ（２３）とをアーク炉（１０）に投入し、電極（２４）間にアーク放電（２５）を起こさせてアーク炉（１０）内を高温度に加熱し、熱還元を行う。なお、熱還元の進捗に応じて、アーク炉（１０）内へ木材チップを中心とする還元剤を追加投入してもよい。この木材チップ（２３）は、材料間に隙間を作り、発生ガスの透過性を良好に維持し、当初から添加されている還元剤の機能を補完すると共に、熱源の役目も果たすものである。そのため木材チップ（２３）は、粉末状のものよりも、木片やオガクズ等、長さが１５ｃｍ程度の形状を保っているものが好ましい。また、アーク炉の火力調整のため、木片やオガクズだけでなく、他に石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤が含まれていてもよい。
【００３９】
本実施形態では、ケイ石を使用する場合に比べ、ケイ砂と還元剤の混合物は塊状に成形されて均一化されているので、アーク炉（１０）への投入作業が自動化でき、大幅な省力化が可能となる。そして、アーク炉（１０）内で、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物中の還元剤と木材チップとにより、ケイ砂を熱還元させ、金属ケイ素を製造する。得られた金属ケイ素は融液（２６）としてアーク炉の炉床に形成されるので、この融液（２６）を例えば２時間に１回の割合で周期的に炉床から取り出し、適宜の形状の取り鍋中で冷却固化させた後、適宜粉砕することにより、金属ケイ素を製造することができる。
【００４０】
このような本実施形態の工程によれば、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物中ではケイ砂と還元剤が直接触れ合っているので、還元作用が効率的に進捗し、同じような質量のケイ石を用いた場合と比較した場合、全還元剤の使用量は８０％程度と少量で済むようになり、さらにアーク炉の消費電力が３０％程度削減され、還元処理時間も３０％程度短縮できるようになる。
【００４１】
なお、上記実施形態では、ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程において、炭酸ナトリウム及び水ガラスも添加した例を示したが、炭酸ナトリウム及び水ガラスに変えて非晶質シリカを添加してもよい。ケイ砂と還元剤との混合物中に非晶質シリカが添加されていると、塊状のケイ砂と還元剤との混合物の固化速度が速まり、炭酸ナトリウムと水ガラスを添加する場合に比して、ケイ砂と還元剤の混合物に対し質量比で５〜１０％程度の少量の添加でも十分固化が可能となる。
【００４２】
この非晶質シリカとしては、市販の非晶質シリカ、金属ケイ素製造時の副成物であるシリカヒューム、籾殻由来の非晶質シリカ、ケイ藻由来の非晶質シリカ等を適宜選択して使用し得る。また、これらの非晶質シリカは、安価に入手でき、しかも、熱還元されて金属ケイ素そのものに変化するので、金属ケイ素製造の上で害とはならない。
【００４３】
また、上記実施形態では、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物を押出成形により製造した例を示したが、これに限らず、ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に流し込み、所定時間養生・乾燥して固化させることによって製造してもよい。このような工程を採用すると、固化に時間をかけることができるので、二酸化炭素注入の省略、水ガラスの添加量削減、あるいは非晶質シリカの使用量の削減が可能となる。
【００４４】
さらに、ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填した後、圧縮プレスする工程を含むものとしてもよい。このような圧縮プレスする工程を採用すれば、短時間で塊状のケイ砂と還元剤との混合物を得ることができるから、固化促進のために必要であった二酸化炭素注入の省略、水ガラスの添加量削減、又は、非晶質シリカの使用量の削減ができるようになる。
【００４５】
［比較例］
まず、本発明の金属ケイ素の製造方法の効果を確認するため、比較例として、原料としてケイ石を用い、工業的に金属ケイ素を製造している場合の仕様を以下に示す。まず、アーク炉としては、月産５００トン（日産１７トン）規模のアーク炉を使用しており、このアーク炉の皮相電力＝１２，５００ｋＶＡである。このアーク炉を使用して、金属ケイ素を連続的に製造する場合、平均的にみて、金属ケイ素１トンを製造する場合の各生産要素の使用量は、以下のとおりである。
・電力使用量＝１３，０００ｋＷｈ
・ケイ石＝２．７トン
・還元剤（木炭、コークス、石炭、木材チップの合計）＝約２．２トン〜２．７トン(平均２．５トン程度。木材チップの割合が高いと、使用量が多くなる。）
なお、ケイ石は、原料を塊状に破砕したものを、そのまま水洗、そのまま使用している。
【実施例１】
【００４６】
実施例１では、上記の比較例と同じアーク炉を用いて実験した。先ず、原料ケイ砂を篩を通して粒径３ｍｍ以下のものを篩分けし、上述の実施形態の場合と同様にして、磁力選鉱及びフッ酸等の酸性溶液による浮遊選鉱を得て、精製したケイ砂を得た。この精製されたケイ砂１トンと、還元剤０．３トン（木炭＝０．１トン：石油コークス＝０．１トン：石炭粉＝０．１トン）と、市販の非晶質シリカ０．１トンと、固化補助剤としてアルカリ水溶液０．３トンとを、混練機としてのセメントミキサーで混煉し、木製の型枠（１５ｃｍ×１５ｃｍ×１０ｃｍ）に入れて、一定の圧力をかけ、押し固めた。この混合物材料を、２日間、天日干しにした。このようにしてレンガ状に固化した混合物材料を合計１０トン（脱水、乾燥状態のもの）製造した。なお、ここで用いた固化助剤は、ケイ砂と、還元剤と、非晶質シリカとの混合物の固化後の強度を高めるために追加したものであり、還元剤の組成や押し固める際の圧力によっては固化後の強度を高くすることができるので、必ずしも必要な成分ではない。
【００４７】
このようにして製造されたレンガ状に固化した混合物材料を、木材チップ・石炭粉とともに、アーク炉に投入し、適宜、アーク放電により点火しながら、通常の金属ケイ素製造と同じ工程で、金属ケイ素の製造を行った。使用されたレンガ状に固化した混合物材料は、アーク炉に投入後、セラミックス状に固形化したが、一般のケイ石よりも低い温度で溶解し、混入された還元剤が作用して急速に炭素熱還元が進行した。その結果、約２時間半で、１０トンの混合物材料が完全に炭素熱還元され、約２．５トンの金属ケイ素が製造された。この実施例１の金属ケイ素の製造速度は、１時間当たり約１トンとなる。
【００４８】
この間の金属ケイ素製造に要した電力使用量は、約２３，０００ｋＷｈであり、金属ケイ素１トン当たり約９，２００ｋＷｈであった。これは、一般のケイ石を使用する場合の電力使用量に対し、
９，２００ｋＷｈ／１３，０００ｋＷｈ＝約７０％
となり、３０％程度の大幅な電力使用量の削減が実現できたことを示している。また、レンガ状の混合物材料に含まれる還元剤は、レンガ状の混合物材料１トン当たり約０．２トン（０．３トン／１．５トン）含まれているため、レンガ状の混合物材料１０トンで約２トンとなる。また、アーク炉に直接投入した木材チップと石炭は合わせて約３トンであったので、還元剤の全使用量は約５トンであった。そのため、還元剤を約５トン使用して金属ケイ素２．５トンを製造したので、金属ケイ素１トン当たりの還元剤使用量は約２トンとなる。
【００４９】
これは、比較例に示した一般のケイ石を使用する場合の還元剤使用量が２．５トン程度であるのに対し、８０％程度となり、２０％程度の大幅な還元剤の削減が実現できたことを示している。なお、比較例によれば、ケイ石による金属ケイ素の製造は、日産１７トンで、１トンあたり１．４時間を要するが、ケイ砂による場合は２．５時間で２．５トン、即ち、１時間に約１トンの製造が可能であった。これは、比較例の約７０％程度の製造時間となり、３０％程度の大幅な製造時間短縮が実現できたことを示している。逆に言えば、同じアーク炉でも、本発明の金属ケイ素の製造方法によれば、従来例に比して約３０％の生産数量の増加が可能であり、大幅な生産性の向上が可能となることを示している。
【符号の説明】
【００５０】
１０…アーク炉（金属ケイ素還元炉） １１…ケイ砂 １２…篩分け １３…磁力選鉱 １４…浮遊選鉱 １５…水洗 １６…還元剤（炭素源） １７…粉砕 １８…ソーダ灰（炭酸ナトリウム） １９…水ガラス（ケイ酸ナトリウム） ２０…混練機 ２１…押出成形機 ２２…二酸化炭素 ２３…木材チップ ２４…電極 ２５…アーク ２６：融液
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ケイ素の製造方法に関し、詳しくは、ケイ砂を主原料としてアーク炉によって還元することにより金属ケイ素を製造するに際し、還元時間が短く、かつアーク放電の電力使用量を小さくすることができ、生産性に優れた金属ケイ素の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）源としてのケイ石やケイ砂と炭素源とを用い、アーク炉によって還元することにより金属ケイ素を製造する方法が知られている。ケイ石やケイ砂は、融点が１７００℃程度と高いので、還元するのに多くの電力が必要とされる。そのため、金属ケイ素は、現在では多くが電力単価が安い海外で製造されている。このようなアーク炉を用いた金属ケイ素の製造方法では、アーク放電が良好に生起できるようにして炉内を高温に維持し、この高温の領域で酸化ケイ素の還元反応を良好に生起させるため、粒状化ないし塊状化した原料が用いられている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、従来技術として塊状のケイ石が利用されていることが示され、その上で、高純度の金属ケイ素を製造するためには純度が高いＳｉＯ２原料が必要であるが、天然ケイ石を精製したＳｉＯ２は粉末あるいは数ｍｍ以下という細かい粒状原料となるので、塊成化が必要であることが示されている。加えて、下記特許文献１には、具体例として、高純度に精製されて粉末状となっている炭素系原料やＳｉＯ２等を、砂糖、フェノール樹脂、澱粉等を結合材として用いて粒状化したものを利用し、ＳｉＯ２又はＳｉＯの吹き込み用ノズルを有するアーク炉の上側にシャフト部が設けられ、このシャフト部に加熱装置が設けられている装置を用い、アーク炉内にシャフト部から炭素系原料を供給すると共に、ＳｉＯ２又はＳｉＯを吹き込み用ノズルから供給して高純度の金属ケイ素を製造する方法が開示されている。
【０００４】
また、下記特許文献２には、石英、融解石英、ヒュームドシリカ、沈殿シリカ及びケイ砂粉末等の二酸化ケイ素及びカーボンブラック、木炭、石炭、コークス、木片又はこれらの混合物からなる炭素源を、それぞれ粉末、粒子、チップ、塊、ペレット、フレーク又はタドンの形で用い、アーク溶融法によって元素状ケイ素を製造するに際し、炉から出てくる排ガスの一酸化炭素の量と炉に加えられた二酸化ケイ素の量とに基づいて、炉の炭素バランスを制御するようにした発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−３１９２０６号公報
【特許文献２】特開平０５−１３２３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
金属ケイ素の製造原料としては、上述のように、ケイ石及びケイ砂を使用し得ることが周知である。原料として天然ケイ石を用いて金属ケイ素を製造する場合には、ケイ石を破砕するために多大な労力とエネルギーが必要となる。一方、天然ケイ砂は、採取地によって高純度のものから低純度のものまで種々のグレードのものが存在するが、粒径が小さいため、別途粉砕処理しなくてもそのままで精製工程に供することができるので、労力的、エネルギー的には天然ケイ石を使用するよりも有利となる。
【０００７】
一方、アーク炉によるＳｉＯ２源の還元反応は、塊状化された原料の物理的性状及び化学的組成の影響を受ける。しかしながら、例えば上記特許文献１及び２の記載からしても明らかなように、従来は塊状化された原料の最適な物理的性状及び化学的組成については何ら明らかにされていなかった。特に、ＳｉＯ２源として天然ケイ砂を用いた場合の最適な物理的性状及び化学的組成については全く不明である。
【０００８】
発明者等は、ＳｉＯ２源として天然ケイ砂を用い、金属ケイ素を効率よく製造し得る条件について種々検討を重ねてきた。その結果、ケイ砂と炭素源（還元剤）とを所定の大きさの塊状に成形する工程と、この塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物をアーク炉内に投入する際の条件を特定することにより、従来の金属ケイ素の製造方法に比して、還元に要する時間を短縮できると共に、アーク放電の電力使用量を大きく減少させることができることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
【０００９】
すなわち、本発明は、ケイ砂を主原料としてアーク炉によって還元することにより金属ケイ素を製造するに際し、還元時間が短く、かつアーク放電の電力使用量を小さくすることができ、生産性に優れた金属ケイ素の製造方法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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の金属ケイ素の製造方法は、
ケイ砂と、粒径が前記ケイ砂と同じか又は小さい、石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤と、を混合してケイ砂と還元剤との混合物を得る工程、
前記ケイ砂と還元剤との混合物を５ｃｍ〜２０ｃｍの大きさの塊状に成形する工程、
前記塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物と木材チップとを混合してアーク炉に投入し、前記アーク炉内で前記ケイ砂を熱還元させる工程、
とを含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の金属ケイ素の製造方法では、天然のケイ砂を何らの粉砕処理することなく使用することができ、しかも、ケイ砂と還元剤とを５ｃｍ〜２０ｃｍの大きさの塊状に成形した後に木材チップと混合してアーク炉に投入されているので、アーク炉内の挿入物の間の通気性が良好となるとともに、ケイ砂と還元剤との間の反応性が良好となる。そのため、本発明の金属ケイ素の製造方法によれば、従来例のものに比すると、ケイ砂の還元に要する時間が短くなり、しかも、アーク放電の電力使用量が大きく減少する。
【００１２】
なお、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、得られた金属ケイ素は融液として炉床に形成されるので、この融液を周期的に炉床から取り出し、適宜の形状の取り鍋中で冷却固化させた後、適宜粉砕することにより、金属ケイ素を製造することができる。
【００１３】
本発明の金属ケイ素の製造方法では、塊状のケイ砂と還元剤との混合物の大きさは５ｃｍ〜２０ｃｍが最適である。塊状のケイ砂と還元剤との混合物の大きさが２０ｃｍを超えると、通気性はより良好となるがケイ砂の還元性が劣るようになって、還元ムラが生じ易くなる。さらに、この塊状にされたケイ砂と還元剤との混合物の大きさが５ｃｍ未満であると、アーク放電時にアークが飛び難くなる。なお、ケイ砂と還元剤との混合物の形状は，塊状であれば任意であり、その大きさは任意に選択した部分の最大寸法を意味する。
【００１４】
また、石炭、コークス及び木炭は、シリカの還元剤として従来から金属ケイ素の製造に慣用的に用いられているものであり、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、これらの還元剤の内の少なくとも１種を、ケイ砂と同じか又はこのケイ砂よりも小さい粒径のものとして用いる。このように、還元剤の粒径がケイ砂と同じかケイ砂よりも小さいものを選択すると、ケイ砂と還元剤との混合物の粘度が大きくなるので、塊状化を行い易くなる。
【００１５】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂として粒径３ｍｍ以下のものを選別して使用することが好ましく、その際、石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤も粒径３ｍｍ以下のものを選別して使用することが好ましい。
【００１６】
天然のケイ砂は、粒径が大きいものも、小さいものも、含まれており、塊状のケイ砂と還元剤との混合物中に粒径が大きいケイ砂が含まれていると還元ムラが生じ易くなる。本発明の金属ケイ素の製造方法によれば、ケイ砂として粒径３ｍｍ以下のものを選別して使用しているので、ケイ砂が均質に還元されると共にケイ砂の還元に要する時間が短くなり、アーク放電の電力使用量が大きく減少する。また、その際に石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤の粒径も、ケイ砂の粒径範囲と同様に、３ｍｍ以下のものを選別して使用すると、ケイ砂と還元剤とが良好に混合されるので、ケイ砂が均質に還元され易くなる。
【００１７】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに炭酸ナトリウムを添加してもよい。
【００１８】
炭酸ナトリウムは酸化ケイ素と反応し、酸化ケイ素の融点を低下させる。ケイ砂と還元剤との混合物中に炭酸ナトリウムが混合されていると、ケイ砂の融点が下がるのでアーク放電の電力使用量を大きく低減させることができ、しかもケイ砂を低温で還元することができるので、生成された金属ケイ素中に溶解する不純物濃度が低減される。
【００１９】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、水ガラスを添加することもでき、さらに水ガラスと共に二酸化炭素を供給してもよい。
【００２０】
また、ケイ砂と還元剤との混合物中に水ガラスを添加すると、塊状のケイ砂と還元剤との混合物を得る際に結合材として機能するため、成形後の塊状のケイ砂と還元剤との混合物の強度が強くなるため、その後の取り扱いが容易となり、また、水ガラスはケイ砂と同じケイ素成分からなるので、不純物とはならない。
【００２１】
さらに、水ガラスと共に二酸化炭素を供給すると，二酸化炭素は水ガラスをゲル化させて水ガラスの固化速度を早める機能を有しているので、塊状のケイ砂と還元剤との混合物の固化速度が速まり、また、二酸化炭素は高温では還元剤にもなるため、不純物とはならないだけでなく、ケイ砂の還元速度が向上する。
【００２２】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに非晶質シリカを添加するようにしてもよい。
【００２３】
塊状のケイ砂と還元剤との混合物を得る際に非晶質シリカを添加すると、塊状のケイ砂と還元剤との混合物の固化速度が速まり、少量の添加でも塊状のケイ砂と還元剤との混合物の強度が強くなって、その後の取り扱いが容易となる。また、非晶質シリカはケイ砂と同じケイ素成分からなるので、不純物とはならない。なお、非晶質シリカとしては、市販の非晶質シリカ、金属ケイ素製造時の副成物であるシリカヒューム、籾殻由来の非晶質シリカ、ケイ藻由来の非晶質シリカ等を適宜選択して使用し得る。
【００２４】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂と還元剤との混合物を塊状に成形する工程は、ケイ砂と還元剤との混合物を押出成形機で押出して、５〜２０ｃｍの長さに切断する工程を採用するとよい。また、この押出成形機での押出の外周囲の形状は凹凸形状とすることが好ましい。
【００２５】
このような押出成形機を用いると、塊状のケイ砂と還元剤との混合物を連続的に効率よく製造することができるようになる。なお、押し出しの外周囲の形状を凹凸形状となるようにすると、得られた塊状のケイ砂と還元剤との混合物をアーク炉内に投入した時点で投入物間に隙間ができ易いため、アークが飛びやすくなり、還元効率が向上する。なお、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物の外周囲の形状としては、星形、波形等、外周囲に明確に凹凸が生じれば任意である。さらに、表面積を大きくすると共に溶融した金属ケイ素が炉床に流下し易いようにするために、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物に穴を設けてもよい
【００２６】
また、本発明の金属ケイ素の製造方法においては、ケイ砂と還元剤との混合物を塊状に成形する工程は、ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填し、所定時間養生・乾燥して固化させる工程を含むものとすることができる。この場合において、ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填した後、圧縮プレスする工程を含むものとしてもよい。
【００２７】
このようなケイ砂と還元剤との混合物を塊状に成形する工程を採用すると、固化時間を長く取れるので、固化促進のために必要であった二酸化炭素注入の省略、水ガラスの添加量削減、あるいは非晶質シリカの使用量の削減が可能となる。また、ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填した後、圧縮プレスする工程を採用すれば、短時間で固化体を得ることができると共に、固化促進のために必要であった二酸化炭素注入の省略、水ガラスの添加量削減、あるいは非晶質シリカの使用量の削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の金属ケイ素の製造工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための一例を示すものであって、本発をこの実施形態に特定することを意図するものではなく、本発は特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態のものにも等しく適応し得るものである。
【００３０】
まず、ケイ砂（１１）としては、砂浜や鉱山などから採取されたＳｉＯ２の含有率が概ね９５％以上の花崗岩由来の天然ケイ砂を用いる。通常、ＳｉＯ２の含有率が高いケイ砂は透明ないし白色に近く、ＳｉＯ２の含有率が低いケイ砂は着色しているので、透明ないし白色のケイ砂を使用することが好ましい。このような天然ケイ砂を使用すると、ケイ石を用いた場合に比べて、ケイ石の粉砕作業が不要となるので、省力化とエネルギー効率向上が可能となる。なお、ケイ砂の使用量は、金属ケイ素を１トン製造するためには約３トン程度が用いられる。
【００３１】
次いで、ケイ砂（１１）を自然乾燥もしくはアーク炉（金属ケイ素還元炉）（１０）から出る排熱を利用した温風で乾燥し、篩にかけて粒径３ｍｍ以下のケイ砂を篩分け（１２）する。ケイ砂の粒径が揃っていて、かけ離れて大きい粒径のケイ砂が存在しない場合には特に分別しなくても使用し得るが、天然のケイ砂は粒径のばらつきが大きいので、篩にかけて篩分けすることが好ましい。ケイ砂に粒径が大きいものが含まれていると、アーク炉中での還元に時間を要することになるので、還元ムラが生じ易くなるためである。
【００３２】
次いで、篩分けしたケイ砂を、乾燥させた状態を保持したまま、磁力選鉱（１３）を行い、ケイ砂中に含まれる磁鉄鉱・黄鉄鉱等の鉄分含有鉱物（磁性不純物）を除去する。磁性不純物は、全体の質量比で、少なくとも０．５％（５，０００ｐｐｍ）以下まで、除去するのが好ましい
【００３３】
その後、弗酸等の酸性溶剤による浮遊選鉱（１４）を行い、雲母、長石等のアルミニウムないしカルシウム含有ケイ酸鉱物を除去する。アルミニウムないしカルシウム含有ケイ酸鉱物は、全体の質量比で、アルミニウムは０．５％（５，０００ｐｐｍ）以下、カルシウムは０．３％（３，０００ｐｐｍ）以下まで、除去するのが好ましい。さらに、浮遊選鉱後のケイ砂を水洗（１５）し、酸性溶剤、粘土質、塩分などの不純物も取り除いて、本実施形態で使用する粒径３ｍｍ以下のＳｉＯ２原料を得る。
【００３４】
なお、金属ケイ素の品質は、鉄、アルミニウム、カルシウム等の不純物濃度で定義される。酸化ケイ素を炭素材料からなる還元剤によって還元する過程では、これら不純物は除去されないので、基本的に、材料段階から不純物を除去しておく必要がある。金属ケイ素の融液の状態で、酸素等を吹き込み、事後的に、不純物濃度を下げる方法はあるが、コスト面から見ても、材料段階で、可能な限りの処理を行うのが好ましい。上記の不純物濃度は、金属シリコン５５３（Ｆｅ：０．５％、Ａｌ：０．５％、Ｃａ：０．３％）という、最もグレードの低い金属ケイ素を作るための不純物除去目標を達成するためのものであり、さらに上級グレードのものを作るためには、より高度に不純物除去をすればよい。
【００３５】
一方、還元剤（炭素源）（１６）として、石炭、コークス及び木炭から選択された少なくとも１種を、直径３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度に粉砕（１７）し、本実施形態で使用する還元剤を得る。還元剤の粒径は、ケイ砂の粒径と同じかそれよりも小さい方がよい。金属ケイ素１トンを製造するときの還元剤は、ＳｉＯ２源としてケイ石を用いた場合は概ね１．８トン程度必要であるが、本実施形態では、還元剤がＳｉＯ２源としてのケイ砂に接触する面積が飛躍的に拡大するため、還元反応が効率的に進捗するので、概ね１．０トン程度と大幅に削減できる。
【００３６】
上述のようにして製造されたケイ砂と還元剤とを、ソーダ灰（炭酸ナトリウム）（１８）、水ガラス（ケイ酸ナトリウム）（１９）と共に混練機（２０）に供給して混合する。混練機（２０）で十分に混合した後、押出成形機（２１）に供給し、押出成形することによって外周囲の形状が星形の棒状体を得て、それを長さ概ね５〜２０ｃｍの大きさに切断し、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物を得る。炭酸ナトリウム（１８）はケイ砂の融点を下げるために使用されるものである。また、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物の大きさは、２０ｃｍを超えると通気性はより良好となるがケイ砂の還元性が劣るようになって還元ムラが生じ易くなり、５ｃｍ未満であるとアーク放電時にアークが飛び難くなるので、好ましくは１５ｃｍ程度とするとよい。また、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物の外周囲の形状は、必ずしも星形である必要はなく、波形等、表面積が大きくなるように表面に凹凸形状が形成されていればよく、さらには、表面積を大きくすると共に溶融した金属ケイ素が炉床に流下し易いようにするために、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物に穴を設けてもよい。
【００３７】
なお、ケイ砂と、還元剤と、炭酸ナトリウムと、水ガラスとを混合した後、押出成形する場合、適度な水分が必要であるが、水洗したケイ砂の水切りを行い、そこに上記の還元剤と、炭酸ナトリウムと、水ガラスとを混入すれば、適度な水分量となる。また、水分が不足する場合は、適宜、水分を添加し、多すぎる場合は、水洗後のケイ砂の水切りを入念に行えばよい。このようにして塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物は、水ガラスが空気中の二酸化炭素を吸収してゲル化するので固化体となる。この固化反応を促進するため、混練機（２０）中で、ケイ砂と、還元剤と、炭酸ナトリウムと、水ガラスとを混合している間に二酸化炭素（２２）を吹き込んだり、押出成形されたケイ砂と還元剤との混合物を二酸化炭素雰囲気に放置することもできる。
【００３８】
次いで、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物と、概ね１５ｃｍ程度のさらなる還元剤としての木材チップ（２３）とをアーク炉（１０）に投入し、電極（２４）間にアーク放電（２５）を起こさせてアーク炉（１０）内を高温度に加熱し、熱還元を行う。なお、熱還元の進捗に応じて、アーク炉（１０）内へ木材チップを中心とする還元剤を追加投入してもよい。この木材チップ（２３）は、材料間に隙間を作り、発生ガスの透過性を良好に維持し、当初から添加されている還元剤の機能を補完すると共に、熱源の役目も果たすものである。そのため木材チップ（２３）は、粉末状のものよりも、木片やオガクズ等、長さが１５ｃｍ程度の形状を保っているものが好ましい。また、アーク炉の火力調整のため、木片やオガクズだけでなく、他に石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤が含まれていてもよい。
【００３９】
本実施形態では、ケイ石を使用する場合に比べ、ケイ砂と還元剤の混合物は塊状に成形されて均一化されているので、アーク炉（１０）への投入作業が自動化でき、大幅な省力化が可能となる。そして、アーク炉（１０）内で、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物中の還元剤と木材チップとにより、ケイ砂を熱還元させ、金属ケイ素を製造する。得られた金属ケイ素は融液（２６）としてアーク炉の炉床に形成されるので、この融液（２６）を例えば２時間に１回の割合で周期的に炉床から取り出し、適宜の形状の取り鍋中で冷却固化させた後、適宜粉砕することにより、金属ケイ素を製造することができる。
【００４０】
このような本実施形態の工程によれば、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物中ではケイ砂と還元剤が直接触れ合っているので、還元作用が効率的に進捗し、同じような質量のケイ石を用いた場合と比較した場合、全還元剤の使用量は８０％程度と少量で済むようになり、さらにアーク炉の消費電力が３０％程度削減され、還元処理時間も３０％程度短縮できるようになる。
【００４１】
なお、上記実施形態では、ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程において、炭酸ナトリウム及び水ガラスも添加した例を示したが、炭酸ナトリウム及び水ガラスに変えて非晶質シリカを添加してもよい。ケイ砂と還元剤との混合物中に非晶質シリカが添加されていると、塊状のケイ砂と還元剤との混合物の固化速度が速まり、炭酸ナトリウムと水ガラスを添加する場合に比して、ケイ砂と還元剤の混合物に対し質量比で５〜１０％程度の少量の添加でも十分固化が可能となる。
【００４２】
この非晶質シリカとしては、市販の非晶質シリカ、金属ケイ素製造時の副成物であるシリカヒューム、籾殻由来の非晶質シリカ、ケイ藻由来の非晶質シリカ等を適宜選択して使用し得る。また、これらの非晶質シリカは、安価に入手でき、しかも、熱還元されて金属ケイ素そのものに変化するので、金属ケイ素製造の上で害とはならない。
【００４３】
また、上記実施形態では、塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物を押出成形により製造した例を示したが、これに限らず、ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に流し込み、所定時間養生・乾燥して固化させることによって製造してもよい。このような工程を採用すると、固化に時間をかけることができるので、二酸化炭素注入の省略、水ガラスの添加量削減、あるいは非晶質シリカの使用量の削減が可能となる。
【００４４】
さらに、ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填した後、圧縮プレスする工程を含むものとしてもよい。このような圧縮プレスする工程を採用すれば、短時間で塊状のケイ砂と還元剤との混合物を得ることができるから、固化促進のために必要であった二酸化炭素注入の省略、水ガラスの添加量削減、又は、非晶質シリカの使用量の削減ができるようになる。
【００４５】
［比較例］
まず、本発明の金属ケイ素の製造方法の効果を確認するため、比較例として、原料としてケイ石を用い、工業的に金属ケイ素を製造している場合の仕様を以下に示す。まず、アーク炉としては、月産５００トン（日産１７トン）規模のアーク炉を使用しており、このアーク炉の皮相電力＝１２，５００ｋＶＡである。このアーク炉を使用して、金属ケイ素を連続的に製造する場合、平均的にみて、金属ケイ素１トンを製造する場合の各生産要素の使用量は、以下のとおりである。
・電力使用量＝１３，０００ｋＷｈ
・ケイ石＝２．７トン
・還元剤（木炭、コークス、石炭、木材チップの合計）＝約２．２トン〜２．７トン(平均２．５トン程度。木材チップの割合が高いと、使用量が多くなる。）
なお、ケイ石は、原料を塊状に破砕したものを、そのまま水洗、そのまま使用している。
【実施例１】
【００４６】
実施例１では、上記の比較例と同じアーク炉を用いて実験した。先ず、原料ケイ砂を篩を通して粒径３ｍｍ以下のものを篩分けし、上述の実施形態の場合と同様にして、磁力選鉱及びフッ酸等の酸性溶液による浮遊選鉱を得て、精製したケイ砂を得た。この精製されたケイ砂１トンと、還元剤０．３トン（木炭＝０．１トン：石油コークス＝０．１トン：石炭粉＝０．１トン）と、市販の非晶質シリカ０．１トンと、固化補助剤としてアルカリ水溶液０．３トンとを、混練機としてのセメントミキサーで混煉し、木製の型枠（１５ｃｍ×１５ｃｍ×１０ｃｍ）に入れて、一定の圧力をかけ、押し固めた。この混合物材料を、２日間、天日干しにした。このようにしてレンガ状に固化した混合物材料を合計１０トン（脱水、乾燥状態のもの）製造した。なお、ここで用いた固化助剤は、ケイ砂と、還元剤と、非晶質シリカとの混合物の固化後の強度を高めるために追加したものであり、還元剤の組成や押し固める際の圧力によっては固化後の強度を高くすることができるので、必ずしも必要な成分ではない。
【００４７】
このようにして製造されたレンガ状に固化した混合物材料を、木材チップ・石炭粉とともに、アーク炉に投入し、適宜、アーク放電により点火しながら、通常の金属ケイ素製造と同じ工程で、金属ケイ素の製造を行った。使用されたレンガ状に固化した混合物材料は、アーク炉に投入後、セラミックス状に固形化したが、一般のケイ石よりも低い温度で溶解し、混入された還元剤が作用して急速に炭素熱還元が進行した。その結果、約２時間半で、１０トンの混合物材料が完全に炭素熱還元され、約２．５トンの金属ケイ素が製造された。この実施例１の金属ケイ素の製造速度は、１時間当たり約１トンとなる。
【００４８】
この間の金属ケイ素製造に要した電力使用量は、約２３，０００ｋＷｈであり、金属ケイ素１トン当たり約９，２００ｋＷｈであった。これは、一般のケイ石を使用する場合の電力使用量に対し、
９，２００ｋＷｈ／１３，０００ｋＷｈ＝約７０％
となり、３０％程度の大幅な電力使用量の削減が実現できたことを示している。また、レンガ状の混合物材料に含まれる還元剤は、レンガ状の混合物材料１トン当たり約０．２トン（０．３トン／１．５トン）含まれているため、レンガ状の混合物材料１０トンで約２トンとなる。また、アーク炉に直接投入した木材チップと石炭は合わせて約３トンであったので、還元剤の全使用量は約５トンであった。そのため、還元剤を約５トン使用して金属ケイ素２．５トンを製造したので、金属ケイ素１トン当たりの還元剤使用量は約２トンとなる。
【００４９】
これは、比較例に示した一般のケイ石を使用する場合の還元剤使用量が２．５トン程度であるのに対し、８０％程度となり、２０％程度の大幅な還元剤の削減が実現できたことを示している。なお、比較例によれば、ケイ石による金属ケイ素の製造は、日産１７トンで、１トンあたり１．４時間を要するが、ケイ砂による場合は２．５時間で２．５トン、即ち、１時間に約１トンの製造が可能であった。これは、比較例の約７０％程度の製造時間となり、３０％程度の大幅な製造時間短縮が実現できたことを示している。逆に言えば、同じアーク炉でも、本発明の金属ケイ素の製造方法によれば、従来例に比して約３０％の生産数量の増加が可能であり、大幅な生産性の向上が可能となることを示している。
【符号の説明】
【００５０】
１０…アーク炉（金属ケイ素還元炉） １１…ケイ砂 １２…篩分け １３…磁力選鉱 １４…浮遊選鉱 １５…水洗 １６…還元剤（炭素源） １７…粉砕 １８…ソーダ灰（炭酸ナトリウム） １９…水ガラス（ケイ酸ナトリウム） ２０…混練機 ２１…押出成形機 ２２…二酸化炭素 ２３…木材チップ ２４…電極 ２５…アーク ２６：融液
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ砂と、粒径が前記ケイ砂と同じか又は小さい、石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤と、を混合してケイ砂と還元剤との混合物を得る工程、
前記ケイ砂と還元剤との混合物を５ｃｍ〜２０ｃｍの大きさの塊状に成形する工程、
前記塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物と木材チップとを混合してアーク炉に投入し、前記アーク炉内で前記ケイ砂を熱還元させる工程、
とを含むことを特徴とする金属ケイ素の製造方法。
【請求項２】
前記ケイ砂及び前記少なくとも１種の還元剤として粒径３ｍｍ以下のものを選別して使用することを特徴とする請求項１に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項３】
前記ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに炭酸ナトリウムを添加することを特徴とする請求項１に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項４】
前記ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに水ガラスを添加することを特徴とする請求項１に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項５】
前記ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに二酸化炭素を添加することを特徴とする請求項４に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項６】
前記ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに非晶質シリカを添加することを特徴とする請求項１に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項７】
前記塊状に成形する工程は、前記ケイ砂と還元剤との混合物を押出成形機で押出して、５〜２０ｃｍの長さに切断する工程であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項８】
前記押出成形機での押出の外周囲の形状は凹凸形状であることを特徴とする請求項７に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項９】
前記塊状に成形する工程は、前記ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填し、所定時間養生・乾燥して固化させる工程を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項１０】
前記塊状に成形する工程は、前記ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填した後、圧縮プレスする工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項１】
ケイ砂と、粒径が前記ケイ砂と同じか又は小さい、石炭、コークス、木炭から選択される少なくとも１種の還元剤と、を混合してケイ砂と還元剤との混合物を得る工程、
前記ケイ砂と還元剤との混合物を５ｃｍ〜２０ｃｍの大きさの塊状に成形する工程、
前記塊状に成形されたケイ砂と還元剤との混合物と木材チップとを混合してアーク炉に投入し、前記アーク炉内で前記ケイ砂を熱還元させる工程、
とを含むことを特徴とする金属ケイ素の製造方法。
【請求項２】
前記ケイ砂及び前記少なくとも１種の還元剤として粒径３ｍｍ以下のものを選別して使用することを特徴とする請求項１に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項３】
前記ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに炭酸ナトリウムを添加することを特徴とする請求項１に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項４】
前記ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに水ガラスを添加することを特徴とする請求項１に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項５】
前記ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに二酸化炭素を添加することを特徴とする請求項４に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項６】
前記ケイ砂と還元剤との混合物を得る工程中に、さらに非晶質シリカを添加することを特徴とする請求項１に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項７】
前記塊状に成形する工程は、前記ケイ砂と還元剤との混合物を押出成形機で押出して、５〜２０ｃｍの長さに切断する工程であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項８】
前記押出成形機での押出の外周囲の形状は凹凸形状であることを特徴とする請求項７に記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項９】
前記塊状に成形する工程は、前記ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填し、所定時間養生・乾燥して固化させる工程を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属ケイ素の製造方法。
【請求項１０】
前記塊状に成形する工程は、前記ケイ砂と還元剤との混合物を所定の形状を有する型枠内に充填した後、圧縮プレスする工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の金属ケイ素の製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２０１３−８２５８８（Ｐ２０１３−８２５８８Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２４３３７（Ｐ２０１１−２２４３３７）
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（５１１２４５４７７）日本ＮＥＲ株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（５１１２４５４７７）日本ＮＥＲ株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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