(57)【要約】【課題】  純度の低下が少なく生産性の高い金属珪素用鋳造装置を提供する。【解決手段】本発明の金属珪素用鋳造装置１は、基盤３上に配置されるカーボン質レンガ１１１からなる板状の底部材１と、底部材１の上面に配置され鋳込み用空間を区画する枠部材２と底部材２の上面に施された窒化珪素粉末からなる離型剤とからなる。カーボン質レンガ１１１を採用することにより、純度の低下が少なく、より大型の生産性の高い金属珪素用鋳造装置となった。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基盤上に配置されるカーボン質レンガからなる板状の底部材を有することを特徴とする金属珪素用鋳造装置。
【請求項２】
前記カーボン質レンガは、炭素を５０％以上、残部が炭化物、金属、窒化物、酸化物からなる請求項１記載の金属珪素用鋳造装置。
【請求項３】
前記カーボン質レンガは、その熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以上である請求項１〜２記載の金属珪素用鋳造装置。
【請求項４】
前記底部材は複数個のカーボン質レンガを板状に配置したものである請求項1〜３記載の金属珪素用鋳造装置。
【請求項５】
前記底部材は正方形状の1個のカーボン質レンガとその周囲に間隙無く配置された複数個のカーボン質レンガからなる請求項４記載の金属珪素用鋳造装置。
【請求項６】
板状に配置された前記複数個のカーボン質レンガはその周縁部より中心側に押圧する付勢部材を持つ請求項1〜５記載の金属珪素用鋳造装置。
【請求項７】
前記付勢部材はバンドである請求項６記載の金属珪素用鋳造装置。
【請求項８】
前記底部材の上面に配置され鋳込み用空間を区画する枠部材を持つ請求項１〜７記載の金属珪素用鋳造装置。
【請求項９】
前記鋳込み用空間を区画する前記底部材の上面に施された窒化珪素粉末からなる離型剤を持つ請求項１〜８記載の金属珪素用鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属珪素の製造に使用する鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
珪素は半金属に分類される元素で、一般的な金属とは異なる性質を持つ元素として様々な分野で使用されている。例えば、鉄中の酸素原子を除去することを目的に、溶融した鉄中に脱酸剤の成分として導入される。また、珪素はアルミニウム合金の主要成分として添加されたりするような冶金的、金属的な使用方法、珪素と酸素が結合したシロキサン結合に様々な有機官能基を付加したシリコーン化合物などの使用方法がある。さらには、珪素の重要な工業的利用方法であるところの半導体としての利用方法などがある。
【０００３】
これらの用途に合わせ、金属珪素の精製程度に応じた特有の鋳造装置が使用されている。酸化珪素を炭素材料と共に電気的に加熱還元して粗な金属珪素を製造している。この粗な金属珪素を精錬し、珪素純度が９９％程度の金属珪素とし、これを他の用途の原料として販売することがなされている。この珪素純度が９９％程度の金属珪素の溶湯を鋳造する方法として、上端開口の鉄製の鋳型の底にシリコン砂を敷き、この鋳型に溶湯を注ぎ、鋳型内で凝固させ、鋳型より取り出し金属珪素ブロックとしている。この金属ブロックは荒く割った後、破砕機にかけられ２００ｍｍ程度の金属塊とし、販売されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の鉄製の鋳型の底にシリコン砂を敷き、この鋳型に純度が９９％程度の金属珪素の溶湯を注ぎ、鋳型内で凝固させる方法では、鋳型底面に敷き詰められているシリコン砂（低純度）溶湯に巻き込まれ、得られる金属シリコンの純度を低下させていた。
【０００５】
本発明は、純度の低下が少ない金属珪素用鋳造装置を提供することを第1の目的とする。さらに、生産性の高い金属珪素用鋳造装置を提供すること、離型剤塗布等の容易な金属珪素用鋳造装置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】
【０００６】
本発明の金属珪素用鋳造装置は、基盤上に配置されるカーボン質レンガからなる板状の底部材を有することを特徴とする。前記底部材の上面に配置され鋳込み用空間を区画する枠部材を設けること、前記鋳込み用空間を区画する前記底部材の上面に施された窒化珪素粉末からなる離型剤を有するものとすることも好ましい。
【０００７】
発明者らは、鋳型の素材として耐熱衝撃性、溶融金属との剥離性（濡れ性が悪い）に優れた炭素材料に着目し、最終的にカーボン質レンガが最適であることを見出した。カーボン質レンガは、製鉄所や製鋼所でよく使用される工業用の耐火材であり、比較的大きなブロックとして流通している。大きなブロックを使用することにより大きな鋳型が得られ、大きな鋳型を用いることにより多量の金属珪素を鋳造できる。また複数個のカーボン質レンガを面上に配列することにより、さらに大きなものとすることが出来る。
【０００８】
カーボン質レンガは、溶融金属珪素すなわち溶湯にも耐え、溶湯により溶損することも割れることも無い。カーボン質レンガと溶湯とが溶着凝固することは有るが、離型剤として窒化珪素粉末を用いることにより解決することを見出し、確認している。
【０００９】
ここでカーボン質レンガは、炭素を５０重量％以上、ＳｉＣを５０重量％以下、Ｓｉを１５％以下のものを、より好ましくは炭素を６５重量％以上、ＳｉＣを３５重量％以下、Ｓｉを１５％以下のものをいう。
【００１０】
炭素としては人造黒鉛、石油系、石炭系、タールピッチ系及び天然黒鉛さらには無煙炭、コークス炭を使用することができる。カーボン質レンガといえども金属珪素溶湯に接し時、凝固した鋳物と凝着し易いとか、レンガ表面が凝着して剥がれる等の問題が生じる。このために、カーボン質レンガは高い強度、気孔率が小さいもの、熱伝導率が高いものが好ましい。本発明のカーボン質レンガの強度（圧縮強度）としては、30ＭＰａ以上、気孔率としては２５％以下、熱伝導率としては１５ｗ／ｍＫ以上が好ましい。
【００１１】
本発明の金属珪素用鋳造装置は、このカーボン質レンガを鋳型の底部材として使用するものである。底部材は、基盤上に配置される。基盤は鋳型を設置するところで、従来のように固く固めた地面でも、その上に乗せた鉄板や鉄ブロックでも良い。底部材は基板上に配置される板状のもので、底部材の上面が鋳型の底となる。鋳型の底は底部材の上面の周縁部分を除く中央部分の面で区画される。なお１個の底部材の上面を複数個の鋳型の各底とすることもできる。
【００１２】
底部材は１個のカーボン質レンガで作ることも、複数個のカーボン質レンガを組み合わせて作ることも出来る。複数個のレンガは、同じ形状のレンガでも、異なる形状のレンガを組み合わせても良い。一つの組合せとしては、正方形状の1個のカーボン質レンガと正方形を2分した長方形状のカーボン質レンガ6個を周囲に間隙無く配置されたものとすることが出来る。
【００１３】
複数個のカーボン質レンガを組み合わせるときには、合わせ面に隙間が出来ないように、互いに当接しているレンガ同士が当接する方向に付勢する付勢部材を用いることが望ましい。
【００１４】
付勢部材は、板状に配置された複数個のカーボン質レンガをその周縁部より中心側に押圧する機能を持つものとすることが出来る。付勢部材をバンドで構成することが出来る。間隙を空けることなく板状に組まれた外周面に沿ってバンドを回し、バンドの両端部を引き付け、両端部を一体的に結合する。これによりバンドの引き付け力で全てのレンガが中央部に付勢される。
付勢部材は枠状の金具とこの金具よりレンガを中央部に押す押圧手段で構成することも出来る。
【００１５】
本発明の金属珪素用鋳造装置の枠部材は、底部材の上面に配置され鋳込み用空間を区画するものである。枠部材は、鋳込み用空間の周縁を区画し、底部材の上面が鋳込み用空間の底を区画する。枠部材は１個の一体的なものとしても、あるいは、ある部分と他の部分とを機械的に結合するものでも良い。
【００１６】
枠部材はその自重で底部材の上面に隙間を作ることなく当接する必要がある。隙間から溶湯が流れ出さないように当接する必要がある。なお、枠部材の底に隙間を防ぐシールを設けても良い。シールとしては、セラッミクシート、カーボンシートを採用できる。また底部材の上面にシールの役割を果たすもの、例えば枠部材が入る枠状の突壁を設けることもできる。
【００１７】
枠部材の内摺面は上端から下端に向かって下端が中央部による傾斜面とするのが好ましい。鋳込まれた溶湯は冷却凝固し枠部材の内側に鋳物として固まる。この状態で枠部材を持ち上げると固化した金属珪素鋳物は枠部材と共に持ちあがる。なお、枠部材と鋳物との結合は、枠部材の内周面の一部に機械的に係合する部分を作ることでも良い。
【００１８】
枠部材の一部にはクレーンで吊り上げる鉤部とか、フオークリフトのフオークが入り、フオークリフト等で枠部材と共に鋳物を持ち揚げる機械的に係合する部分を作ることも好ましい。
【００１９】
本発明の金属珪素用鋳造装置の離型剤には窒化珪素粉末を用いることが好ましい。窒化珪素粉末は底部材の上面に塗布される。窒化珪素粉末は、底部材の上面に塗布されるとその上面の凹凸の凹部に保持され、溶湯の流れにも比較的耐えることが分かった。窒化珪素粉末の離型剤としての機能も十分で、わずかの窒化珪素粉末で、鋳込まれた鋳物と底部材は凝着することなく離型する。さらに溶湯中に巻き困れた窒化珪素粉末は、溶湯中で、珪素と窒素に分かれ、金属珪素の不純物となりにくい。また、窒化珪素粉末中の不純物も少ないので金属珪素の純度低下は少ない。
【００２０】
窒化珪素粉末の塗布は、この粉末を底部材の上面に振りかけることでも良い。窒化珪素粉末を水あるいは適当な有機液体に分散させ、この分散液体を噴霧器で底部材上面に吹き付けることも、刷毛ではけ塗りすることでも良い。なお、窒化珪素粉末は、枠部材が底部材に乗せてない状態で底部材の上面前面に塗布することが出来る。当然に、枠部材が底部材に乗せられた状態で窒化珪素粉末を塗布することも出来る。
【００２１】
溶湯は一次精錬された純度９９％程度のものが最適であるが、純度が悪いものでも十分に適用できる。溶湯の鋳込み温度は１６００℃程度である。鋳込まれた鋳物は１０００℃から４００℃程度に冷却されて、底部材より取り上げられ、他の作業域に運ばれ、ハンマー等で大きく割られ、その後、破砕機で破砕され、商品とされる。
【００２２】
本発明の金属珪素用鋳造装置は、カーボン質レンガからなる板状の底部材が鋳型の底面となる。カーボン質レンガは、製鉄所や製鋼所でよく使用される工業用の耐火材であり、比較的大きなブロックとして流通している。大きなブロックを使用することにより大きな鋳型が得られ、大きな鋳型を用いることにより多量の金属珪素を鋳造できる。また複数個のカーボン質レンガを面上に配列することにより、さらに大きなものとすることが出来る。さらに、カーボン質レンガは、溶融金属珪素すなわち溶湯にも耐え、溶湯による溶損や熱衝撃による割れることはほとんど無い。カーボン質レンガと溶湯とが溶着凝固することは有るが、離型剤として窒化珪素粉末を用いることにより溶着凝固も抑制することができ、生産性の高いものとなっている。さらにカーボン質レンガは、熱伝導性が良いため、鋳込まれた溶湯は急速に冷却され、離型までに要する時間を短くでき、生産性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例に示す金属珪素用鋳造装置の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】実施例に示す金属珪素用鋳造装置の底部材の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の金属珪素用鋳造装置の実用案を示す。この装置は、その平面図を図１に、図1のＡ−Ａ矢視断面を図２に示す。この金属珪素用鋳造装置は、底部材１と枠部材２と図示しない離型剤とからなる。
【００２５】
底部材1は、その平面図を図3に示すように、縦横高さが１８００ｍｍ、１８００ｍｍ、７５ｍｍの板状の底部本体１１と底部本体１１の周縁端を覆う付勢部材１２とからなる。この底部本体１１は、縦横高さが９００ｍｍ、９００ｍｍ、７５ｍｍの大型カーボン質レンガ１１１を1枚と縦横高さが９００ｍｍ、４５０ｍｍ、７５ｍｍの中型カーボン質レンガ１１２を6枚で構成している。そして、大型カーボン質レンガ１１１を中央に配置し、中型カーボン質レンガ１１２の6枚を周囲に配置し、板状の底部本体１１としている。
【００２６】
付勢部材１２は、４個の鉄製でＬ字形状の角金具１２１と角金具１２１の隣り合う端部を互いに近づく方向に引き寄せる４個のねじ部１２２とからなる。角金具１２１の両短部の先端にはねじ孔が形成されている。一方、ねじ部１２２の両端部分は、互いに逆の螺旋ねじ軸となっている。各角金具１２１は底部本体１１の４個の角を覆うように配置され、隣り合う2個の角金具１２１はそれらに螺合するねじ部１２２により引き寄せられ、底部本体１１は周縁より中央方向に押し付けられる。この押し付け力により1枚の大型カーボン質レンガ１１１と6枚の中型カーボン質レンガ１１２は互いに大きな隙間を残すことなく当接し、1枚の大きな板状の底部本体１１となる。
【００２７】
枠部材２は、図１にその平面、図２にその断面を示すように、正方形の枠状の枠本体部２１とこの枠本体部２１の上面部分に固定された4個のフック２２とからなる。枠本体部２１は上面の幅が約９０ｍｍ、高さ約１２０ｍｍ、下面の幅が約１３０ｍｍ、内側を傾斜面とした棒材で構成されている。枠本体部２１の外周側は、縦横それぞれ約２０００ｍｍの正方形、上面の内周側は、縦横それぞれ約１７００ｍｍの正方形、下面の内周側は、縦横それぞれ約１６００ｍｍの正方形である。
フック２２は図2に示す鍵形状で、ロープの輪が係り、枠部材２を吊り上げる係りとなるものである。
【００２８】
底部材1は図2に示すように、鉄製の基盤３上に敷かれている。そして、底部材１の上面に枠部材２が載せられている。鋳込まれる空間（キャビテイ）は、枠部材２の内周面で囲まれ、底部材１の上面側となる。
離型剤となる窒化珪素粉末は、この鋳込まれる空間（キャビテイ）で囲まれた底部材１の上面に塗布される。
本実用例の金属珪素用鋳造装置は以上の構成からなる。
【００２９】
本実施例として実用案の面積で１／３２スケールの金属珪素用鋳造装置を用い、電気炉で溶解した１６００℃程度の金属珪素（Ｓｉ９９％以上）溶湯をこの鋳造装置の底部材１の大型カーボン質レンガ１１１の上面中央部分に注ぎ、鋳込みこみ高さ、１０ないし２０ｍｍに鋳込んだ。鋳込み後、１５分後に枠本体部２１の４個のフック２２クレーンのロープを通し、凝固した金属珪素鋳物と共に底部材1より吊り上げ、次の破砕室に移した。鋳込まれた金属珪素鋳物と金属珪素鋳物との間には、凝着、底部材１の部分剥離等の不都合は全く無かった。
【００３０】
破砕室で金属珪素鋳物を枠本体部２１より外し、枠本体部２１を再び本実施例の鋳造装置の底部材１の上面に載せ、同じように離型剤となる窒化珪素粉末を塗布し、前の鋳込みから３０分後に、同じように金属珪素溶湯を鋳込み、同じように金属珪素鋳物を得た。この鋳込作業を６回続けたが凝着、底部材１の部分剥離等の不都合は全く無かった。
【００３１】
また、離型剤となる窒化珪素粉末の塗布方法として、窒化珪素粉末をそのまま散布する方法、液体に窒化珪素粉末を分散させたものをスプレーする方法、刷毛で塗布する方法を試した。いずれの方法も離型性には問題が無かった。作業性から窒化珪素粉末の直接散布が最適と判断された。
【００３２】
参考までに離型剤を全く使用することなく本実施例の装置を用い、同じ方法で同じように金属珪素溶湯を鋳込み、同じように金属珪素鋳物を得た。前の鋳込みから３０分後に、同じように金属珪素溶湯を鋳込み、これを繰り返した。３サイクル目を鋳込んだ後、凝固した金属珪素鋳物と共に底部材1より吊り上げた時、金属珪素鋳物と底部材１とが凝着し、底部材１の上面部分の剥離が発生した。これにより窒化珪素粉末を離型剤として効果が確認された。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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