JP2002193612A - 金属ケイ素の製造法 - Google Patents

金属ケイ素の製造法

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JP2002193612A JP2000394640A JP2000394640A JP2002193612A JP 2002193612 A JP2002193612 A JP 2002193612A JP 2000394640 A JP2000394640 A JP 2000394640A JP 2000394640 A JP2000394640 A JP 2000394640A JP 2002193612 A JP2002193612 A JP 2002193612A
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metallic silicon
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村 善 登 藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高収率かつ低コストである金属ケイ素の製造
法の提供。 【解決手段】 二酸化ケイ素を含有するガラスと、金属
アルミニウムとを1450℃以上に加熱して溶融させ、
二酸化ケイ素を還元させることによって金属ケイ素を生
成させる、金属ケイ素の製造法。ガラスとして、ガラス
製品製造工程において廃棄されるホットカレットと、使
用済みアルミニウム缶を利用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】発明の分野 本発明はガラスと金属アルミニウムから金属ケイ素を製
造する方法に関するものである。特に、ガラス製品製造
工程において廃棄されるホットカレットと、使用済みの
アルミニウム缶とを原料として、低コストで金属ケイ素
を製造する方法に関するものである。
【0002】背景技術 金属ケイ素は、従来はSiOの含有率が99.5%以
上の高純度の珪石とコークスとを混合し、カーボン電極
のアーク炉で1700℃以上の温度条件下で熔解還元さ
せることにより製造されている(SiO+2C→Si
+2CO)。
【0003】しかし、この方法では温度が1700℃以
上であることが要求され、そのための光熱費が高く、ま
た熔解還元反応により発生する排気ガス(COなど)の
処理費用も大きくなる。さらには、収率も十分でない場
合が多くて改良の余地があり、さらに得られる金属ケイ
素の純度も十分ではないことが多いためにシーメンス法
などにより精製することが必要である。
【0004】このため、国内においてはこの方法によっ
て金属ケイ素の製造が行われている事例はほとんど報告
されておらず、より効率が高く、高純度の金属ケイ素を
得ることのできる方法が望まれていた。
【0005】
【発明の概要】上述のように、従来の金属ケイ素の製造
法では、エネルギー使用量が膨大であり、また得られる
ケイ素の収率も不十分であり、効率が悪いものであっ
た。そのため、本発明は低コストで、高収率で金属ケイ
素を製造する方法を提供することを目的とする。
【0006】本発明の金属ケイ素の製造法は、二酸化ケ
イ素を含有するガラスと、金属アルミニウムとを145
0℃以上に加熱して溶融させ、ガラス中の二酸化ケイ素
を還元させることによって金属ケイ素を生成させるこ
と、を特徴とするものである。
【0007】
【発明の具体的説明】本発明では、ガラスおよび金属ア
ルミニウムを1500℃以上に加熱して溶融させ、ガラ
ス中の二酸化ケイ素をアルミニウムで還元して金属ケイ
素を製造することを特徴とする。
【0008】この様な反応はテルミット反応といわれる
ものであり、以下の通りの反応式で表すことができる。 3SiO + 4Al → 3Si + 2Al
【0009】この反応において、アルミニウムは多量の
熱を発生するため、反応を維持するために反応系に印加
するエネルギー量を抑えることができるという利点があ
る。
【0010】ガラス 本発明において、原料となるガラスは二酸化ケイ素を含
有するものであれば特に限定されない(このように二酸
化ケイ素を含有するガラスを、以下、単に「ガラス」と
称することがある)。一般的に、二酸化ケイ素の含有率
が60重量%以上のものが用いられるが、収率や実施現
場における作業性などの点からガラス中の二酸化ケイ素
の含有率が65重量%以上のものが好ましく、70重量
%以上のものがより好ましい。このようなガラスとして
は、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラ
ス、水ガラス、およびその他が挙げられる。
【0011】また、ガラスの形状は問われず、溶融状態
のガラス(以下、ホットカレットという)、破砕カレッ
ト、ガラス粉末、およびその他のいずれの形状であって
もよい。しかしながら、金属ケイ素の製造過程におい
て、これらガラスは溶融された状態で用いられるので、
より高温の状態にあるものが好ましい。
【0012】本願発明において、このガラスとして、ガ
ラス壜、ガラス容器、ガラス建材、ガラス調度品などの
ガラス製品の製造過程において、ガラス溶解炉で溶融さ
れたホットカレット、特にガラス製品製造時の金型交換
などの際に廃棄されるホットカレット、であることが好
ましい。ガラス製品、特にガラス壜、の製造工程におい
て廃棄されるホットカレットは、全製造量の数%にのぼ
り、これがそのまま廃棄されているのが普通である。こ
れらを再利用するだけでも経済的な効果が得られる。さ
らに、これらのホットカレットはすでに高温状態(一般
的に1000〜1150℃)であり、特にガラス製品製
造時に廃棄されるガラスにおいては、それが持っている
熱エネルギーを有効に使うことができるので、より有利
である。
【0013】ガラスとして、上記のようなガラス製品製
造途中のホットカレットを用いる場合、ガラスそのもの
が二酸化ケイ素以外の金属元素を含んでいる場合が一般
的である。例えば、ガラスとしてソーダ石灰ガラスを用
いる場合、ガラスの構成元素として、カルシウムやナト
リウムが含まれている。これらの金属元素は、金属ケイ
素に対しては不純物となるので除去する必要がある。こ
れらの金属不純物の除去は、後述する高純度化炉によっ
て行うことが好ましい。
【0014】また、上記のようなガラス製品製造途中の
ホットカレットを用いる場合、ホットカレットは顔料を
含んでいることがある。また、ガラスとして破砕された
カレットを用いる場合にも、ガラス中に染料または顔料
が含まれることがある。最終的な目的物である金属ケイ
素の純度を高く保つためには、ガラス中の顔料の含有量
は少ない方が好ましい。
【0015】金属アルミニウム 本発明において、金属アルミニウムは二酸化ケイ素の還
元剤として作用する。不純物の含有量が高いと、最終的
に得られる金属ケイ素の純度が下がることがあるので、
高純度のアルミニウムであることが好ましい。しかしな
がら、酸化アルミニウムが含まれていても、不純物とは
ならないことは、前記した反応式から明らかであり、本
発明の効果を大きく損なうものではない。
【0016】従って、一般的に金属アルミニウムは高価
な材料であるが、必ずしも高純度の金属アルミニウムを
用いる必要はない。そのため、好ましい金属アルミニウ
ム源として、使用済みのアルミニウム缶が利用できる。
通常、清涼飲料や酒類の容器として用いられるアルミニ
ウム缶は、アルミニウムの純度が95〜97%程度であ
る。また、一般的にアルミニウム缶にはアルミニウム以
外の金属としてマンガン、マグネシウム、およびその他
の金属元素が含まれる。これらの金属元素は最終的な目
的である金属ケイ素に対しては不純物となるので、除去
する必要がある。これらの金属不純物の除去は、後述す
る高純度化炉で行うことが好ましい。
【0017】その他の添加物 本発明の方法において、ガラスおよび金属アルミニウム
が必須の原料となるが、その他の添加物を用いることも
できる。
【0018】本発明の方法によれば、二酸化ケイ素が金
属アルミニウムにより還元されて金属ケイ素が生成す
る。このときの還元反応を促進するために、さらに還元
剤を併用することもできる。このような還元剤として
は、カーボン、コークス、およびその他が挙げられる。
しかしながら、これらの還元剤は補助的な役割を果たす
ものであり、一般的には反応混合物全体に占める割合は
0.3重量%以下である。
【0019】金属ケイ素の製造法 本発明の方法においては、前記の二酸化ケイ素含有ガラ
スと、金属アルミニウムと、必要に応じてその他の添加
剤とを混合し、溶融させて、1450℃以上に加熱する
ことにより、金属ケイ素を製造する。混合順序などは特
に限定されず、ずべての原料を混合してから加熱溶融さ
せてもよいし、ガラス、および/または金属アルミニウ
ムを加熱して溶融させてから混合してもよい。
【0020】温度は、前記の還元反応が起こる温度であ
れば、1450℃以上の温度範囲で任意に選択できる
が、反応炉の耐久性などを考慮すると1450〜158
0℃の温度範囲であることが好ましい。また、この温度
に保持する時間も、反応炉の耐久性などの点と、実施効
率の点から1〜4時間であることが好ましい。
【0021】反応混合物の加熱は任意の方法で行うこと
ができるが、ヒーターなどによる方法が一般的である。
しかしながら、前記したようにガラスとしてホットカレ
ットを用いる場合には、すでに液状になっている混合物
を加熱するので、反応炉内に電極を設置し、反応混合物
中の主成分であるガラスを抵抗体としたエレクトリック
ブースティングによって加熱することもできる。
【0022】ガラスと金属アルミニウムの混合比は、ガ
ラスの種類にもよるが、一般に金属アルミニウム/ガラ
スの重量比が0.05〜0.2、好ましくは0.1〜
0.15、である。
【0023】このような方法によれば、原料として用い
るガラスまたは金属アルミニウムの純度にもよるが、一
般的に95〜98%の純度の金属ケイ素を高収率(理論
値に対して70〜80%)で製造することができる。
【0024】本発明の最も好ましい態様では、ガラスと
してガラス壜の製造工程の際に廃棄されるホットカレッ
トと、使用済みのアルミニウム缶とを原料として金属ケ
イ素を製造する。このような態様において、ホットカレ
ットは1000℃以上であるので、ホットカレットを加
熱するためのエネルギーコストは低減させることがで
き、使用済みアルミニウム缶を利用することで、金属ア
ルミニウムの購入コストも低減させることができるの
で、経済的に極めて有利である。
【0025】金属ケイ素の高純度化 本発明の方法において製造された金属ケイ素は、原料と
なるガラスや金属アルミニウムに由来する不純物を含む
ことがある。これらの不純物のうち有機物質は、還元反
応が高温条件下で行われるために、ほとんどが二酸化炭
素などの気体として、反応混合物から除去されるため、
最終的に得られる金属ケイ素の純度を損なうことは少な
い。
【0026】しかし、例えば原料ガラスに含まれる、そ
の他の金属元素などは混合物中にとどまるため、これら
を除去するための高純度化を行うべきである。このよう
な高純度化は、任意の方法によることができるが、偏析
現象を利用するものが有利である。
【0027】このような偏析現象を利用した高純度化
は、金属ケイ素を含む混合物が冷却される前に、反応混
合物の温度を調節して、偏析現象を起こさせる方法が低
エネルギーで実施できるので好ましい。
【0028】本発明における具体的な一例としては、高
純度化炉を用いるものが挙げられる。ここで、この高純
度化炉は、ブースター電極が一定間隔で配置されたもの
であり、還元反応後の反応混合物を抵抗体とし、エレク
トリックブースティングにより加熱して温度調整を行う
ものである。
【0029】このような方法によれば、本発明の方法に
より生成された金属ケイ素を99.99%程度まで高純
度化することが可能である。
【0030】
【実施例】例1 一定量のホットカレットに対して添加する金属アルミニ
ウムを変化させて、金属ケイ素の収率の変化を調べた。
ホットカレットに金属アルミニウムを混合し、1500
℃に2時間保持し、金属ケイ素の収量および収率を求め
た。用いたホットカレットはケイ酸ガラスであり、ケイ
酸の含有率は70重量%であった。得られた結果は下記
の通りであった。 例 カレット200gに対する 金属ケイ素の収率 金属アルミニウム量(g) (%) 1A 10 58 1B 20 76 1C 30 57(但し残存アルミニウム有り)1D 40 61(但し残存アルミニウム有り) ここで、 (金属ケイ素の収率)=(実験収量/理論収量)×10
0 である。
【0031】例2 ホットカレット200gに対して金属アルミニウムを2
0gの割合で混合した混合物を用い、これをるつぼに入
れて、シリコニット電気炉で高温保持した。このとき、
ホットカレットと金属アルミニウムとの混合物を高温で
保持するときの、保持温度および保持時間を変化させた
ときの収率の変化を調べた。得られた結果は下記の通り
であった。 保持時間(時間) 保持温度 1 2 3 4 1400 − 0 − 0 1450 − 60 − 35 1540 40 76 77 651580 − 79 − 72 (単位%) これらの結果より、保持温度は1450℃以上であるこ
とが必要であること、保持温度は高い方が収率がよいこ
と、保持時間は長い方が収率がよいことがわかる。しか
しながら、実際の製造効率や炉の耐熱性を考慮すると、
1500〜1550℃の保持温度で2〜3時間保持する
ことが好ましい。
【0032】例3 ホットカレット100gに対して、金属アルミニウムを
20g混合し、さらにカーボンを適量添加し、1540
℃で2時間保持した。この結果、収率78%で金属ケイ
素を製造することができた。また、反応後の混合物中に
は、粒子径が0.2mm以下の微小金属ケイ素が散在す
ることが走査型電子顕微鏡で観察された。
【発明の効果】本発明の方法によれば、低コストかつ、
高収率で金属ケイ素を製造することができる。特に本来
廃棄されるホットカレットの熱エネルギーを利用し、使
用済みアルミニウム缶を利用することで、エネルギーの
ロスを防ぎ、環境への影響を最低限に抑えることができ
る。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】二酸化ケイ素を含有するガラスと、金属ア
    ルミニウムとを1450℃以上に加熱して溶融させ、ガ
    ラス中の二酸化ケイ素を還元させることによって金属ケ
    イ素を生成させることを特徴とする、金属ケイ素の製造
    法。
  2. 【請求項2】ガラスの二酸化ケイ素含有率が60重量%
    以上である、請求項1に記載の金属ケイ素の製造法。
  3. 【請求項3】ガラスが、ガラス製品製造工程において、
    ガラス溶融炉から廃棄されるホットカレットである、請
    求項1または2に記載の金属ケイ素の製造法。
  4. 【請求項4】金属アルミニウムが、使用済みのアルミニ
    ウム缶である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の金
    属ケイ素の製造法。
  5. 【請求項5】二酸化ケイ素を含有するガラスと、金属ア
    ルミニウムとを1450〜1550℃で溶融させる、請
    求項1〜4のいずれか1項に記載の金属ケイ素の製造
    法。
  6. 【請求項6】二酸化ケイ素を含有するガラスと、金属ア
    ルミニウムとを溶融させ、1450〜1550℃で2〜
    3時間保持する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の
    金属ケイ素の製造法。
  7. 【請求項7】生成した金属ケイ素を、ひきつづき反応混
    合物中で偏析現象により精製する、請求項1〜6のいず
    れか1項に記載の金属ケイ素の製造法。
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