JP2009113076A

JP2009113076A - 鋳造方法及び鋳造装置

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Publication number: JP2009113076A
Application number: JP2007288286A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Taniguchi; 兼一谷口; Kiichi Komada; 紀一駒田; Yasuo Doya; 安生堂谷
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2009-05-28

Abstract

【課題】溶湯の供給が間欠的に行われる場合であっても、結晶の成長が連続した高品質の鋳塊を効率良く製出でき、かつ、比較的長尺の鋳塊を得ることが可能な鋳造方法及びこれに用いられる鋳造装置を提供する。
【解決手段】鋳型の一方側から溶湯を供給し、凝固して得られた鋳塊を前記鋳型の他方側へ向けて製出する鋳造方法であって、前記鋳型の他方側部分に鋳塊を配置する鋳塊配置工程Ｓ１と、前記鋳型の一方側から前記鋳型の他方側部分に配置された前記鋳塊を冷却する鋳塊冷却工程Ｓ２と、該鋳塊冷却工程Ｓ２の後に、前記鋳型の一方側から前記鋳塊を加熱して、前記鋳塊の一方側端部を融点直下まで昇温する鋳塊加熱工程Ｓ３と、該鋳塊加熱工程Ｓ３の後に、前記鋳型の一方側から前記溶湯を前記鋳型内に供給する溶湯供給工程Ｓ４と、供給された前記溶湯を前記他方側から前記一方側に向けて一方向凝固させる凝固工程Ｓ５と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばシリコンなどの溶湯を一方向凝固させた鋳塊を得るための鋳造方法及びこれに用いられる鋳造装置に関する。

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。

従来、シリコンの鋳造装置として、例えば特許文献１に開示されているように、石英や黒鉛からなる鋳型を有し、この鋳型の底面側を冷却するとともに上面側を加熱して、底面側から上面側に向けて一方向凝固させるものが提案されている。
また、特許文献２には、筒状をなす鋳型（ルツボ）の上方開口部から溶湯を供給して凝固させ、鋳型（ルツボ）の下方開口部から鋳塊を下方に向けて引き抜く構成とされた鋳造装置が提案されている。
特開平１１−０９２２８４号公報特開２００１−０１９５９３号公報

ところで、特許文献１に記載された鋳造装置においては、鋳型が有底筒状をなしていることから、鋳型の大きさによって鋳塊のサイズ（長さ）が決定されることになり、長尺の鋳塊を得ることが困難であった。また、鋳型のサイズ（長さ）が十分確保されていても、溶湯の供給量が不足している場合には、複数回に分けて鋳型内に溶湯が供給されることになる。このように溶湯の供給を間欠的に行った場合には、鋳造を一旦中断した箇所において結晶の成長が非連続となり、高品質な鋳塊を製出することができないといった問題があった。さらに、鋳型に溶湯を供給して鋳型内で一方向凝固させているので、鋳型の冷却時間が非常に長くなる。このため、この鋳型を使用した鋳造のサイクル数を増加させることができず、鋳塊の生産効率を向上させることが困難であった。

一方、特許文献２に記載された鋳造装置においては、筒状の鋳型（ルツボ）を使用して連続的に鋳塊を製出するため、鋳塊の生産効率を大幅に向上させることが可能となる。しかしながら、このように連続的に鋳塊を製出するためには、溶湯も連続的に供給する必要がある。溶湯の供給を間欠的に行った場合には、前述のように、結晶の成長が非連続となり、高品質な鋳塊を製出することができなくなってしまう。

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、溶湯の供給が間欠的に行われる場合であっても、結晶の成長が連続した高品質の鋳塊を効率良く製出でき、かつ、比較的長尺の鋳塊を得ることが可能な鋳造方法及びこれに用いられる鋳造装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明に係る鋳造方法は、鋳型の一方側から溶湯を供給し、凝固して得られた鋳塊を前記鋳型の他方側へ向けて製出する鋳造方法であって、前記鋳型の他方側部分に鋳塊を配置する鋳塊配置工程と、前記鋳型の一方側から前記鋳型の他方側部分に配置された前記鋳塊を冷却する鋳塊冷却工程と、該鋳塊冷却工程の後に、前記鋳型の一方側から前記鋳塊を加熱して、前記鋳塊の一方側端部を融点直下まで昇温する鋳塊加熱工程と、該鋳塊加熱工程の後に、前記鋳型の一方側から前記溶湯を前記鋳型内に供給する溶湯供給工程と、供給された前記溶湯を前記他方側から前記一方側に向けて一方向凝固させる凝固工程と、を備えていることを特徴としている。

この構成の鋳造方法においては、鋳型の他方側部分に配置された鋳塊の一方側端部を融点直下まで加熱した状態で溶湯を鋳型内に供給し、この溶湯を前記鋳塊側から一方向凝固させるので、鋳型の他方側部分に配置された鋳塊と一方向凝固により得られる鋳塊との間で、結晶の連続性を確保することができる。したがって、溶湯の供給が間欠的に行われる場合であっても、高品質な鋳塊を効率良く製出することができる。また、一回の溶湯供給量に制限されることなく、比較的長尺の鋳塊を製出することができる。
また、鋳塊冷却工程と鋳塊加熱工程とを備えているので、鋳型の他方側部分に配置された鋳塊に温度分布が生じることになり、この温度分布によって鋳塊側から一方側への凝固の進行を促進させることができる。

ここで、前記鋳塊配置工程、前記鋳塊冷却工程、前記鋳塊加熱工程、前記溶湯供給工程及び前記凝固工程を繰り返し行うことで、前記鋳塊を連続的に製出する構成としてもよい。
この場合、溶湯の供給が間欠的であっても、鋳塊を連続的に製出することが可能となり、溶湯の供給量や鋳型のサイズ（長さ）に制限されることなく、任意の長さの鋳塊を得ることが可能となる。

また、前記鋳塊配置工程を、前記凝固工程において前記鋳型又は前記鋳塊を相対的に移動させることで一方向凝固させた前記鋳塊を前記鋳型の他方側部分に配置する構成としてもよい。
この場合、鋳塊配置工程と凝固工程とを同時に進行させることができ、鋳造のサイクルタイムを短くして、さらに効率的に鋳塊を製出することができる。

また、前記鋳型を、前記鋳塊の製出方向に分割された複数の鋳型ユニットからなるものとし、一の鋳型ユニットを前記鋳塊とともに前記他方側へ移動させ、かつ、溶湯が供給される前記一方側から他の鋳型ユニットを順次送り込んでいく構成としてもよい。
この場合、溶湯が供給される鋳型の一方側から鋳型ユニットが順次送り込まれていくので、溶湯が接触する鋳型ユニットが逐次更新されることになり、鋳型の劣化による鋳塊品質の低下を防止することができる。また、鋳型ユニットを鋳塊とともに移動させるので、鋳型ユニットと鋳塊の摺動による鋳塊の表面品質低下を防止できる。

本発明に係る鋳造装置は、鋳型の一方側から溶湯を供給するとともに、凝固して得られた鋳塊を前記鋳型の他方側に向けて製出する鋳造装置であって、前記鋳型と前記鋳塊と相対位置を調整する位置調整手段と、前記鋳型の一方側から前記鋳型内の鋳塊を冷却する鋳塊冷却手段と、前記鋳型の一方側から前記鋳塊を加熱して、前記鋳塊の一方側端部を融点直下まで昇温する鋳塊加熱手段と、前記鋳型の一方側から前記溶湯を供給する溶湯供給手段と、を備えていることを特徴としている。

この構成の鋳造装置によれば、鋳型の他方側部分に配置された鋳塊の一方側端部を融点直下まで加熱した状態で溶湯を鋳型内に供給し、この溶湯を前記鋳塊側から一方向凝固させるので、鋳型の他方側部分に配置された鋳塊と一方向凝固により得られる鋳塊との間で、結晶の連続性を確保することができる。したがって、溶湯の供給が間欠的に行われる場合であっても、長尺の鋳塊を効率良く製出することができる。また、鋳塊冷却手段と鋳塊加熱手段とを備えているので、鋳型の他方側部分に配置された鋳塊は、その延在方向において温度分布が生じることになり、鋳型の他方側から一方側へと凝固を一方向に進行させることができる。

本発明によれば、溶湯の供給が間欠的に行われる場合であっても、結晶の成長が連続した高品質の鋳塊を効率良く製出でき、かつ、比較的長尺の鋳塊を得ることが可能な鋳造方法及びこれに用いられる鋳造装置を提供することができる。

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に本発明の実施形態である鋳造方法のフロー図を、図２〜図９に、本発明の実施形態である鋳造方法の各工程の状況を示す。
本実施形態である鋳造方法は、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る。

本実施形態である鋳造方法に用いられる鋳造装置１０は、筒状をなす鋳型１１を備えており、鋳型１１の一方側開口部（上側開口部）からシリコン溶湯１が供給され、鋳型１１の他方側開口部（下側開口部）からシリコン鋳塊２が製出される構成とされている。

鋳型１１の上方には、金属シリコン粉末３を溶解してシリコン溶湯１を生成する溶解炉５が配設されている。こで、溶解炉５は、分割された水冷銅ルツボを用いて金属シリコン粉末３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るものである。この溶解炉５の底部には、鋳型１１内にシリコン溶湯１を出湯するための出湯口６と、シリコン溶湯１の出湯状態を調整する電磁凍結弁７とを備えている。なお、本実施形態においては、これら出湯口６と電磁凍結弁７とが、鋳型１１の一方側開口部（上側）からシリコン溶湯１を供給する溶湯供給手段１５とされている。

また、鋳型１１と溶解炉５との間には、図２、図６〜９に示すように溶解炉５と鋳型１１との間の熱の伝達を防止するための断熱手段１６、図３に示すように鋳型１１内のシリコン鋳塊２を一方側（上側）から冷却するための鋳塊冷却手段１７、及び、図４に示すように鋳型１１内のシリコン鋳塊２を一方側（上側）から加熱するための鋳塊加熱手段１８が、それぞれ交換可能、かつ、着脱可能に設けられている。また、この鋳造装置１０には、鋳型１１とシリコン鋳塊２との製出方向の相対位置を調整する位置調整手段（図示なし）が設けられている。

このような構成とされた鋳造装置１０を用いたシリコンの鋳造方法について説明する。
まず、位置調整手段により、鋳型１１の他方側（下側）開口部を塞ぐように、鋳型１１の他方側（下側）部分にシリコン鋳塊２を配置する（鋳塊配置工程Ｓ１）。このとき、図２に示すように、鋳型１１と溶解炉５との間には断熱手段１６が配置されており、シリコン鋳塊２は、その一方側（上側）端部がシリコンの融点（Ｔ_ｍ）程度の温度とされ、他方側（下側）に向けて徐々に温度が低下するような温度分布を有している。

次に、鋳型１１と溶解炉５との間に配置された断熱手段１６を鋳塊冷却手段１７に交換し、鋳型１１の他方側（下側）部分に配置されたシリコン鋳塊２を、鋳型１１の一方側（上側）開口部から冷却する（鋳塊冷却工程Ｓ２）。これにより、図３に示すように、シリコン鋳塊２の一方側（上側）端部の温度がシリコンの融点（Ｔ_ｍ）よりも大きく低下し、他方側（下側）に向かうにしたがい温度が上昇するようにシリコン鋳塊２に温度分布が生じる。

次に、鋳型１１と溶解炉５との間に配置された鋳塊冷却手段１７を鋳塊加熱手段１８に交換し、鋳型１１の他方側（下側）部分に配置されたシリコン鋳塊２を、鋳型１１の一方側（上側）開口部から加熱する（鋳塊加熱工程Ｓ３）。これにより、図４に示すように、シリコン鋳塊２の一方側（上側）端部の温度がシリコンの融点（Ｔ_ｍ）直下まで上昇し、一方側（上側）端部から他方側（下側）に向かうにしたがい温度が低下し、さらに他方側（下側）に向かうと今度は徐々に温度が上昇するように、シリコン鋳塊２に温度分布が生じることになる。つまり、鋳塊加熱手段１８による加熱効果が鋳塊冷却手段１７による冷却効果がよりも抑えられることで、シリコン鋳塊２の他方側（下側）まで加熱されないように構成されているのである。

前述のようにシリコン鋳塊２に温度分布を生じさせた後に、鋳型１１と溶解炉５との間に配置された鋳塊加熱手段１８を取り除き、電磁凍結弁７を操作して溶解炉５の出湯口６からシリコン溶湯１を出湯し、鋳型１１の一方側（上側）開口部から鋳型１１内にシリコン溶湯１を供給する（溶湯供給工程Ｓ４）。これにより、図５に示すように、シリコンの融点（Ｔ_ｍ）直下まで加熱されたシリコン鋳塊２の上方にシリコン溶湯１が溜まっていくことになる。

そして、鋳型１１内にシリコン溶湯１を所定量供給した後に、電磁凍結弁７を操作してシリコン溶湯１の供給を終了するとともに、図６に示すように鋳型１１と溶解炉５との間に断熱手段１６を配置する。すると、鋳型１１内に供給されたシリコン溶湯１は、鋳型１１の一方側（上側）開口部からの抜熱が防止されて融点（Ｔ_ｍ）よりも高温状態で保持される。

こうして、鋳型１１の一方側（上側）開口部からの抜熱が防止されることで、シリコン溶湯１は他方側（下側）に配置されたシリコン鋳塊２との熱交換によって、他方側（下側）から一方側（上側）に向けて凝固が一方向に進行していく（凝固工程Ｓ５）。このとき、シリコン鋳塊２には、シリコン鋳塊２の一方側（上側）端部の温度がシリコンの融点（Ｔ_ｍ）直下まで上昇し、一方側（上側）端部から他方側（下側）に向かうにしたがい温度が低下し、さらに他方側（下側）に向かうと今度は徐々に温度が上昇するように温度分布が生じているので、シリコン鋳塊２とシリコン溶湯１との熱交換が効率的に行われ、シリコン鋳塊２の温度が上昇するとともにシリコン溶湯１の温度が低下していく。

鋳型１１内のシリコン溶湯１が完全に凝固してシリコン鋳塊２となると、図８に示すように一方向凝固により得られたシリコン鋳塊２は、その一方側（上側）端部がシリコンの融点（Ｔ_ｍ）程度の温度とされ、他方側（下側）に向けて徐々に温度が低下するような温度分布を有している。
そして、図９に示すように、位置調整手段（図示なし）によってシリコン鋳塊２と鋳型１１とをシリコン鋳塊２の製出方向（本実施形態では上下方向）に相対的に移動させ、鋳型１１の他方側（下側）開口部を塞ぐように、鋳型１１の他方側（下側）部分にシリコン鋳塊２が配置される（鋳塊配置工程Ｓ１）。

このように、鋳塊配置工程Ｓ１、鋳塊冷却工程Ｓ２、鋳塊加熱工程Ｓ３、溶湯供給工程Ｓ４、凝固工程Ｓ５を繰り返し行うことにより、シリコン鋳塊２が連続的に製出されることになる。

本実施形態であるシリコンの鋳造方法によれば、鋳塊加熱手段１８によって鋳型１１の他方側（下側）部分に配置されたシリコン鋳塊２の一方側（上側）端部を融点（Ｔ_ｍ）直下まで加熱する鋳塊加熱工程Ｓ３と、加熱されたシリコン鋳塊２の上にシリコン溶湯１を供給する溶湯供給工程Ｓ４とを備えているので、シリコン溶湯１が凝固する際には、シリコン溶湯１は他方側（下側）に配置されたシリコン鋳塊２の結晶方位に倣って結晶が成長していくことになり、鋳型１１の他方側部分に配置されたシリコン鋳塊２と一方向凝固により得られるシリコン鋳塊２との間で、結晶の連続性を確保することができる。

このようにシリコン溶湯１の供給を間欠的に行っても、結晶の成長が連続的な高品質なシリコン鋳塊２を製出することができるので、一回の溶湯供給量に制限されることなく、比較的長尺のシリコン鋳塊２を効率良く製出することができる。
さらに、鋳塊加熱工程Ｓ３の前にシリコン鋳塊２を冷却する鋳塊冷却工程Ｓ２を備えており、鋳塊加熱工程Ｓ３後において、シリコン鋳塊２には、一方側（上側）端部の温度がシリコンの融点（Ｔ_ｍ）直下となり、他方側（下側）に向かうにしたがい温度が低下し、さらに他方側（下側）に向かうと今度は徐々に温度が上昇するような温度分布が生じているので、シリコン鋳塊２とシリコン溶湯１との熱交換が効率的に行われ、鋳型１１の他方側（下側）から一方側（上側）に向かう一方向凝固を促進させることができる。

また、鋳塊配置工程Ｓ１、鋳塊冷却工程Ｓ２、鋳塊加熱工程Ｓ３、溶湯供給工程Ｓ４、凝固工程Ｓ５を繰り返し行う構成とされているので、シリコン溶湯１の供給を間欠的に実施してもシリコン鋳塊２が鋳型１１の他方側（下側）から連続的に製出されることになり、シリコン溶湯１の供給量や鋳型１１のサイズ（長さ）に制限されることなく、任意の長さのシリコン鋳塊２を得ることができる。

また、本実施形態による鋳造装置１０によれば、位置調整手段、鋳塊冷却手段１７、鋳塊加熱手段１８、溶湯供給手段１５を備えているので、前述の鋳造方法を好適に行うことができる。さらに、断熱手段１６を備えているので、鋳型１１の一方側（上側）開口部からの抜熱を防止して、確実に一方向凝固させることが可能となる。また、鋳塊冷却手段１７、鋳塊加熱手段１８、断熱手段１６が交換可能、かつ、着脱可能に配置されているので、簡単な構成の鋳造装置１０とすることができる。

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。

また、鋳塊配置工程Ｓ１を、凝固工程Ｓ５が終了した後に実施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、凝固工程Ｓ５中に鋳型と鋳塊とを相対的に移動させることで鋳塊配置工程Ｓ１を凝固工程Ｓ５と同時に行ってもよい。この場合、鋳造のサイクルタイムを短くして、さらに効率的に鋳塊を製出することが可能となる。

また、図１０に示すように、鋳型２１を、鋳塊２の製出方向に分割された複数の鋳型ユニット２２からなるものとし、一の鋳型ユニット２２を鋳塊２とともに他方側へ移動させ、かつ、溶湯１が供給される一方側から他の鋳型ユニット２２を順次送り込んでいく構成としてもよい。この場合、溶湯１が供給される鋳型２１の一方側から鋳型ユニット２２が順次送り込まれていくので、溶湯１が接触する鋳型ユニット２２が逐次更新されることになり、鋳型２１の劣化による鋳塊２の品質低下を防止することができる。また、鋳型ユニット２２を鋳塊２とともに移動させるので、鋳型ユニット２２と鋳塊２の摺動による鋳塊２の表面品質低下を防止できる。

さらに、鋳塊加熱手段及び鋳塊冷却手段を、鋳型の一方側（上側）開口部と溶解炉との間に配置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、鋳型自体に鋳塊加熱手段及び鋳塊冷却手段を設けてもよい。

また、鋳型の上側開口部から溶湯を供給し、鋳塊を下側に向けて製出するものとして説明したが、鋳塊の製出方向に限定はなく、横方向や斜め方向に鋳塊を製出するものであってもよい。
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原料を溶解して溶湯を生成してもよい。

本発明の実施形態である鋳造方法を示すフロー図である。図１の鋳造方法において鋳塊配置工程が終了した状態を示す説明図である。図１の鋳造方法における鋳塊冷却工程を示す説明図である。図１の鋳造方法における鋳塊加熱工程を示す説明図である。図１の鋳造方法における溶湯供給工程を示す説明図である。図５の溶湯供給工程が終了した状態を示す説明図である。図１の鋳造方法における凝固工程を示す説明図である。図７の凝固工程が終了した状態を示す説明図である。図１の鋳造方法における鋳塊配置工程を示す説明図である。本発明の他の実施形態を示す説明図である。

符号の説明

１シリコン溶湯（溶湯）
２シリコン鋳塊（鋳塊）
１０、２０鋳造装置
１１、２１鋳型
１５溶湯供給手段
１７鋳塊冷却手段
１８鋳塊加熱手段
２２鋳型ユニット
Ｓ１鋳塊配置工程
Ｓ２鋳塊冷却工程
Ｓ３鋳塊加熱工程
Ｓ４溶湯供給工程
Ｓ５凝固工程

Claims

鋳型の一方側から溶湯を供給し、凝固して得られた鋳塊を前記鋳型の他方側へ向けて製出する鋳造方法であって、
前記鋳型の他方側部分に鋳塊を配置する鋳塊配置工程と、
前記鋳型の一方側から前記鋳型の他方側部分に配置された前記鋳塊を冷却する鋳塊冷却工程と、
該鋳塊冷却工程の後に、前記鋳型の一方側から前記鋳塊を加熱して、前記鋳塊の一方側端部を融点直下まで昇温する鋳塊加熱工程と、
該鋳塊加熱工程の後に、前記鋳型の一方側から前記溶湯を前記鋳型内に供給する溶湯供給工程と、
供給された前記溶湯を前記他方側から前記一方側に向けて一方向凝固させる凝固工程と、を備えていることを特徴とする鋳造方法。
前記鋳塊配置工程、前記鋳塊冷却工程、前記鋳塊加熱工程、前記溶湯供給工程及び前記凝固工程を繰り返し行うことで、前記鋳塊を連続的に製出することを特徴とする請求項１に記載の鋳造方法。
前記鋳塊配置工程は、前記凝固工程において前記鋳型又は前記鋳塊を相対的に移動させることで、一方向凝固させた前記鋳塊を前記鋳型の他方側部分に配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋳造方法。
前記鋳型は、前記鋳塊の製出方向に分割された複数の鋳型ユニットからなり、一の鋳型ユニットを前記鋳塊とともに前記他方側へ移動させ、かつ、溶湯が供給される前記一方側から他の鋳型ユニットを順次送り込んでいくことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の鋳造方法。
鋳型の一方側から溶湯を供給するとともに、凝固して得られた鋳塊を前記鋳型の他方側に向けて製出する鋳造装置であって、
前記鋳型と前記鋳塊と相対位置を調整する位置調整手段と、
前記鋳型の一方側から前記鋳型内の鋳塊を冷却する鋳塊冷却手段と、
前記鋳型の一方側から前記鋳塊を加熱して、前記鋳塊の一方側端部を融点直下まで昇温する鋳塊加熱手段と、
前記鋳型の一方側から前記溶湯を供給する溶湯供給手段と、を備えていることを特徴とする鋳造装置。