(57)【要約】【課題】  金属シリコンを製造する際に原料として通常使用されている珪石を代替可能な、高い強度を有する珪砂造粒体と、それを低温で製造するための方法を提供する。【解決手段】  珪砂にアルカリ土類金属化合物を結合剤としてとして添加すると共に、分散剤として糖類を含有させることで、アルカリ土類金属化合物の分散性が向上し、アーク炉内で崩壊しない強度を有する珪砂造粒体を得ることができる。即ち、本発明は、珪砂１００質量部に対して、糖類２〜６質量部、アルカリ土類金属化合物０．１〜１０質量部及び水を含む混合物を造粒することを特徴とする珪砂造粒体の製造方法である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪砂１００質量部に対して、糖類２〜６質量部、アルカリ土類金属化合物０．１〜１０質量部及び水１０〜２０重量部を含む混合物を造粒することを特徴とする珪砂造粒体の製造方法。
【請求項２】
前記珪砂として、全粒子の粒径が１４００μｍ以下であり、粒径７５μｍ以下の相対粒子量（重量）が２５〜８５％、粒径１５０μｍ超、１４００μｍ以下の範囲にある相対粒子量（重量）が０％〜５０％である珪砂（ただし、１４００μｍ以下の相対粒子量は１００％である）を用いる請求項１記載の珪砂造粒体の製造方法。
【請求項３】
糖類が単糖類及び少糖類から選択される、請求項１又は２に記載の珪砂造粒体の製造方法。
【請求項４】
糖類を予め水に溶解させた状態で他の成分と混合することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の珪砂造粒体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な珪砂造粒体の製造方法に関する。詳しくは、金属シリコンを製造する際に原料として通常使用されている珪石同様の扱いができる性状を有し、金属シリコンの製造において、珪石と代替が可能な珪砂造粒体を、低温で製造する方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に金属シリコンは、原料にシリコン源である珪石および還元材として木炭、コークス、石炭、ウッドチップなどを使用し、これらの混合物をアーク炉内約２０００℃で加熱することにより珪石を還元することによって得られる。上記珪石は、通常５ｍｍ〜２００ｍｍのサイズのものが用いられる。これは炉内の通気性を確保するためである。即ち、上記アーク炉においては、珪石の還元反応の過程で、気相として一酸化炭素（ＣＯ）ガスおよび一酸化珪素（ＳｉＯ）ガスが発生するため、それらの全部または一部を、上記原料層を通して逃がす必要がある。
【０００３】
上記珪石の主成分である二酸化珪素（ＳｉＯ２）の還元反応は、総括的には次の式（１）によって進行する。
ＳｉＯ２＋２Ｃ  →  Ｓｉ＋２ＣＯ          （１）
しかし、実際には反応は複雑であり以下のような各素反応に分解され、これらの素反応が併行して起こっているものと考えられる。
ＳｉＯ２＋Ｃ  →  ＳｉＯ＋ＣＯ            （２）
ＳｉＯ＋２Ｃ  →  ＳｉＣ＋ＣＯ           （３）
ＳｉＯ２＋３Ｃ  →  ＳｉＣ＋２ＣＯ        （４）
ＳｉＯ＋ＳｉＣ  →  ２Ｓｉ＋ＣＯ         （５）
ＳｉＯ２＋２ＳｉＣ  →  ３Ｓｉ＋２ＣＯ    （６）
ＳｉＯ＋Ｃ  →  Ｓｉ＋ＣＯ               （７）
ＳｉＣ＋ＳｉＯ２  →  Ｓｉ＋ＳｉＯ＋ＣＯ  （８）
Ｓｉ＋ＳｉＯ２  →  ２ＳｉＯ              （９）
このように、アーク炉内温度範囲での凝縮相はＳｉＯ２、Ｃ、ＳｉＣ、Ｓｉであり、気相はＣＯ、ＳｉＯである。また、炉内電極先端付近の高温部から式（２）の反応によりＳｉＯガスが発生する。そして、原料層の上部では、層の隙間を生成したＳｉＯガスやＣＯガスが上昇し排出される際、その通路である隙間の壁面には次の反応で析出物が付着する。
３ＳｉＯ＋ＣＯ  →  ２ＳｉＯ２＋ＳｉＣ  （１０）
２ＳｉＯ  →  Ｓｉ＋ＳｉＯ２            （１１）
一方、珪砂は珪石に比べて資源量が豊富であり、加えて採掘も容易であるので、金属シリコンの原料として珪石を代替できれば大きな利点となり得る。
【０００４】
しかしながら、珪砂を原料にすると珪石に比べて空隙が少なくなり、前述の式（１０）、（１１）の反応により析出物が付着すると、上記珪石に比べて空隙の減少が著しく、アーク炉での反応において生成するＣＯやＳｉＯのガス抜けを困難にすることが危惧される。
【０００５】
また、式（２）〜（８）からわかるようにＣＯが滞留してしまうと反応の進行が阻害されることになる。それは、ＳｉＣが炉底に沈着固化して操業トラブルの原因にもなる。
【０００６】
従って、アーク炉に供給する金属シリコンの原料としては、珪石と同等の大きさ、強度を有する性状に珪砂を成形することが必要となる。
【０００７】
上記要求に対して、特許文献１には、珪砂を粉砕し、結合剤であるアルカリ土類金属化合物を混合して固め、これを加熱処理して高強度化する製造方法が記載されている。しかしながら、本発明者等が特許文献１の製造方法により製造した珪砂造粒体を金属シリコンの製造に用いたところ、加熱処理時の温度が１０００℃以下の場合、金属シリコンの製造時に珪砂造粒体が崩壊する場合があり、珪砂造粒体の強度に改善の余地があることが分かった。金属シリコンの製造時に珪砂造粒体が崩壊しないようにするためには、加熱処理時に１０００℃以上の高温に加熱する必要があり、珪砂造粒体の製造時に用いる電気または熱等のエネルギーが多量に必要となるという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０６０２８５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、金属シリコンを製造する際に原料として通常使用されている珪石に代替可能な、高い強度を有する珪砂造粒体を低温で製造する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】
本発明者らは、上記課題に対して鋭意研究を行った結果、珪砂にアルカリ土類金属化合物を結合剤としてとして添加すると共に、糖類を含有させることで、アルカリ土類金属化合物の分散性が向上し、アーク炉内で崩壊しない強度を有する珪砂造粒体を得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。
【００１１】
即ち、本発明は、珪砂１００質量部に対して、糖類２〜６質量部、アルカリ土類金属化合物０．１〜１０質量部及び水を含む混合物を造粒することを特徴とする珪砂造粒体の製造方法である。
【００１２】
また、前記珪砂として、全粒子の粒径が１４００μｍ以下であり、粒径７５μｍ以下の相対粒子量（重量）が２５〜８５％、粒径１５０μｍ超、１４００μｍ以下の範囲にある相対粒子量（重量）が０％〜５０％である珪砂（ただし、１４００μｍ以下の相対粒子量は１００％である）を用いることが、得られる珪砂造粒体の強度を更に高めるために好ましい。
【００１３】
前記糖類は、単糖類及び少糖類から選択されることが好ましい。
【００１４】
また、上記水の混合量は、珪砂１００重量部に対して、１０〜２０重量部の割合であることが好ましい。
【００１５】
更に、前記糖類は予め水に溶解させた状態で他の成分と混合することが、アルカリ土類金属化合物の分散性を向上させ、珪砂造粒体の強度を更に高めるために好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の製造方法によれば、珪砂にアルカリ土類金属化合物を結合剤として添加すると共に、分散剤として糖類を含有させることで、従来よりも低温で加熱処理しても、金属シリコンを製造する際に原料として通常使用されている珪石に代替可能な高い強度を有した珪砂造粒体が提供される。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（珪砂造粒体の製造方法）
本発明において、珪砂造粒体は、珪砂、アルカリ土類金属化合物、糖類及び水を含む珪砂混合物を成形後、硬化、乾燥させることにより製造される。
【００１８】
（硅砂）
本発明に用いる硅砂は特に制限されるものではないが、得られる珪砂造粒体が金属シリコンの原料として用いられることを考慮すると、その純度は、ＳｉＯ２含有量が９７重量％以上であることが好ましく、特に、９８重量％以上が好ましく、９９重量％以上がより好ましく、９９．５重量％以上が特に好ましい。珪砂造粒体から金属シリコンを製造する場合、ＳｉＯ２成分以外の一部の不純物はアーク炉内で還元・溶融した金属シリコンが炉から排出されて凝固する際に分離されるものの、不純物含有量が増えると金属シリコン中に残存する量も増え、金属シリコンの品質低下を招く傾向にある。つまり、珪砂中の不純物が少ない、高純度の珪砂を使用することで、得られるシリコン中に残存する不純物含量を効果的に低減できる。また、アーク炉内での加熱により、蒸発した不純物が炉の周壁や配管の壁に付着し、堆積し易くなるという問題をも防止することができ、アーク炉を長時間安定して使用することができる。
【００１９】
特に、上記不純物としてアルカリ金属原子が含まれていると、比較的低温度において、クリストバライト化が進行し、密度差に起因する膨張によって造粒体自体が自己破壊し易い傾向になる。そのため、珪砂造粒体に含まれるＳｉ原子に対するアルカリ金属原子の比（Ｍ１／Ｓｉ）は０．０１未満であることが好ましい。
【００２０】
本発明に用いる珪砂は、珪砂造粒体の強度をより向上させるために、全粒子の粒径が１４００μｍ以下であり、粒径７５μｍ以下の相対粒子量（以下、「微細粒子量」ともいう。）が２５％〜８５％、好ましくは、４０％〜６０％、粒径１５０μｍ超、１４００μｍ以下の範囲にある相対粒子量（以下、「粗大粒子量」ともいう。）が０％〜５０％、好ましくは、２０％〜３５％である珪砂（ただし、１４００μｍ以下の相対粒子量は１００％である。）を使用することが好ましい。
【００２１】
尚、本発明において、珪砂の平均粒径は、レーザー回折・散乱式粒度分析測定により体積基準で求めた粒度分布の平均粒径である。また、上記珪砂の相対粒子量及び粒度分布の値は、実施例に示すように、篩いにより求めた。
【００２２】
上記粒度分布を有する珪砂を使用する場合、微細粒子量と粗大粒子量との合計が、６０％以上、特に７０％以上であることが、得られる珪砂造粒体の強度発現により効果的であり、また、微細粒子量／粗大粒子量の比が２〜１．２となるように粒度分布を調整することがより好ましい。
【００２３】
本発明において、珪砂として前記特定の粒度分布を有する珪砂を得るためには、全粒子の粒径が１４００μｍ以下であり、粒径７５μｍ以下の珪砂を含む珪砂と、粒径１５０μｍ超、１４００μｍ以下の珪砂を含む珪砂とを、前記範囲となるように混合する方法が最も好ましい。
【００２４】
また、上記それぞれの粒度分布を有する珪砂、特に、粒径７５μｍ以下の珪砂を含む珪砂は、珪砂を粉砕して得るのが一般的である。上記珪砂の粉砕は、公知の粉砕機を用いて実施することができる。この粉砕機としては、例えば、粉体工学便覧（粉体工学会編、昭和６１年２月２８日発行、日刊工業新聞社）５０３〜５０５頁の表１・１０に記載されている、スクリューミル；スタンプミル等の粉体層打槌式粉砕機；ディスクミル、ピンミル、スクリーンミル、ハンマミル、遠心分級型ミル等の高速回転式衝撃粉砕機；ローラミル等のロール転動型粉砕機；ボールミル、振動ボールミル、遊星型粉砕機等のボール媒体ミル；塔式粉砕機、攪拌槽型粉砕機、流通管型粉砕機、アニュラ型粉砕機等の媒体攪拌式粉砕機；およびジェット粉砕機などが挙げられる。上記粉砕機の中でも、粉砕に要するエネルギーがより少なく、粉砕時に混入する不純物がより少ない粉砕機が好ましい。このような粉砕機としては、媒体撹拌式粉砕機、振動ボールミル、回転型ボールミル、遊星型粉砕機等のボール媒体ミルおよびローラミル等のロール転動型粉砕機などが挙げられる。上記ボール媒体ミルは、微粉砕可能で、且つ、大量処理に適しており、ロール転動型粉砕機は、汚染が少なく、且つ、処理能力が大きい。従って、目的とする粉砕物に合わせて、それぞれの粉砕機を使用すればよい。
【００２５】
尚、可能であれば、前記のように、粒度分布の異なる珪砂を混合することなく、粉砕により、前記微細粒子量と粗大粒子量とが調整された粒度分布を有する珪砂を得てもよい。
【００２６】
（アルカリ土類金属化合物）
本発明において、珪砂の結合剤として作用するアルカリ土類金属化合物には、公知のものを特に制限なく使用することができる。例えば、カルシウム化合物またはマグネシウム化合物などが挙げられる。
【００２７】
上記カルシウム化合物としては、例えば、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、硫酸カルシウムおよびそれらの混合物が挙げられる。中でも、水酸化カルシウム、酸化カルシウムまたはそれらの混合物が好適に使用される。これらは、水との接触でアルカリ性を呈しＳｉＯ２との反応性が大きくなって、造粒体の高強度化により寄与する。
【００２８】
マグネシウム化合物としては、例えば、水酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、硫酸マグネシウムおよびそれらの混合物が挙げられる。中でも、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウムまたはそれらの混合物が好適に使用される。これらは、水との接触でアルカリ性を呈しＳｉＯ２との反応性が大きくなって、造粒体の高強度化により寄与する。
【００２９】
前記アルカリ土類金属化合物の中でも、上記特性を有し、また、工業的に使用することを考慮すると、水酸化カルシウムや酸化カルシウムが好適に使用される。
【００３０】
本発明において、前記珪砂の製造に使用するアルカリ土類金属化合物の粒径は、好ましくは０．００１μｍ〜４０μｍ、より好ましくは０．００１μｍ〜１０μｍである。
【００３１】
珪砂に対するアルカリ土類金属化合物の添加割合は、珪砂１００重量部に対して０．１重量部〜１０重量部であることが、得られる珪砂造粒体の強度を高強度化し、かつ珪砂造粒体から製造される金属シリコンを高純度とする点から好ましい。更に好ましくは０．３重量部〜３重量部である。最も好ましくは０．５重量部〜１．５重量部である。即ち、アルカリ土類金属化合物は、珪砂表面を覆うだけの量を添加すれば十分であり、それ以上の量の使用は、不純物量の増大を招く虞がある。
【００３２】
（糖類）
本発明の製造方法で得られた珪砂造粒体は、珪砂の結合剤として作用するアルカリ土類金属の分散性を高める働きをする糖類を含有させることにより、極めて高い強度を有する珪砂造粒体を構成することができる。
【００３３】
本発明の製造方法で得られた珪砂造粒体において、アルカリ土類金属化合物の分散剤として作用する糖類には、公知のものを特に制限なく使用することができる。好適に用いられる糖類を例示するならば、単糖類、少糖類または糖アルコールなどが挙げられる。具体的には、ブドウ糖、果糖等の単糖類、ショ糖、麦芽糖、乳糖等の少糖類、グリセリン、マンニトール等の糖アルコール等が挙げられる。アルカリ土類金属化合物は、単糖類及び少糖類の水溶液に溶解しやすいため、糖類は単糖類及び少糖類であることがより好ましい。中でも、工業的に使用することを考慮すると、安価で取扱い易いショ糖が特に好適に使用される。これらは、アルカリ土類金属化合物の分散性を向上させ、アルカリ土類金属化合物とＳｉＯ２との反応性がより大きくなって、造粒体の高強度化に著しく寄与する。
【００３４】
また、糖類の含有量は２重量部以上、好ましくは、４重量部以上とすることが重要である。即ち、糖類が、２重量部より小さい場合、結合剤としてのアルカリ土類金属化合物の分散性が低下し、高い強度を有する珪砂造粒体を得ることが困難となる。また、珪砂造粒体を高強度化するために、糖類の含有量は６重量部以下が好ましい。６重量部を超える糖類の含有は粘性が増加し、造粒不良に繋がり、金属シリコンの原料とするには不適当であることが多いからである。かかる糖類の好適な量は、成形方法によっても多少異なるが、一般に、珪砂１００重量部に対して、２〜６重量部である。上記割合は、成形のし易さにより決定されるが、アルカリ土類金属化合物の分散に必要な量を十分満足するものである。
【００３５】
（水）
また、水の量は、アルカリ土類金属化合物の硬化に必要な量であり、また、後述する成形方法における成形性を考慮して適宜決定される。かかる水の好適な量は、成形方法によっても多少異なるが、一般に、珪砂１００重量部に対して、１０〜２０重量部である。上記割合は、成形のし易さにより決定される。水の量が１０重量部以上であれば、硬化に十分であり、２０重量部以下であれば、硅砂、糖類、アルカリ土類金属化合物及び水を含む混合物を成形する際に、混合物の流動性を抑え、金型からの漏れを防止することができる。
【００３６】
（混合方法）
本発明の珪砂造粒体の製造方法において、珪砂、アルカリ土類金属化合物、糖類、水の混合方法は、それぞれが均一に混合される方法であれば、混合順序、混合方法等は特に制限されないが、糖類を予め水に溶解させた状態で、他の成分と混合することがより好ましい。糖類が溶けた水を使用することでアルカリ土類金属化合物の分散性はより著しく向上し、より一層、高強度化した珪砂造粒体を得ることが可能となる。一般的な混合順序を例示すれば、珪砂とアルカリ土類金属化合物とを混合後、得られる混合物に噴霧や滴下などの方法により糖類が溶けた水を添加する方法、アルカリ土類金属化合物と糖類が溶けた水とを混合したスラリーと珪砂とを混合する方法、珪砂とアルカリ土類金属化合物と糖類が溶けた水の３成分を同時に混合する方法等が挙げられる。
【００３７】
また、混合方法は、公知の混合装置、例えば、粉体工学便覧（粉体工学会編、昭和６１年２月２８日発行、日刊工業新聞社）６１０頁の図９．１に示されている、水平円筒型混合機（内設羽根付）Ｖ型混合機（攪拌羽根付）、二重円錐型混合機などの容器回転型混合機；リボン混合機、円錐型スクリュー混合機、高速流動型混合機、回転円盤型混合機、気流攪拌型混合機、無攪拌型混合機などの容器固定型混合機；攪拌型混合機（加振機付）などの複合型混合機が挙げられる。また、水を添加して湿潤状態での混合となった場合には、混錬機、例えば粉体工学便覧（粉体工学会編、昭和６１年２月２８日発行、日刊工業新聞社）６４４頁の表１３．６に挙げられている各種混錬機も使用できる。
【００３８】
（有機バインダー）
また、珪砂とアルカリ土類金属化合物と糖類が溶けた水の混合物には、本発明の効果を著しく阻害しない範囲で、成形性を向上させるため有機バインダーを添加することもできる。有機バインダーには、例えば、造粒便覧（日本粉体工業協会編、昭和５０年５月３０日発行、オーム社）の表１、３、４に記載される、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、デキストローズ、コーンシロップなどが挙げられる。また、上記以外に使用可能な有機物からなるバインダーとしては、デキストリン、コーンスターチ等のでん粉類；にかわ、カゼイン、大豆たん白等のたん白類；アラビアゴム等の天然ゴム類；ピッチ、加工タール、舗装タール等のタール類：ストレートアスファルト、ブローンアスファルト等のアスファルト類；アクリル系重合体、ポリアミド、ポリエチレン、その他セルロース等の熱可塑性レジン；ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリエステル、熱硬化性ポリウレタン等の熱硬化性レジン；ネオブレン、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム等のエラストマーなどが挙げられる。
【００３９】
（成形）
本発明の珪砂造粒体の製造方法において、上記珪砂、アルカリ土類金属化合物、糖類、及び水を含む混合物の成形方法は特に制限されず、公知の造粒方法を制限なく採用することができる。例えば、造粒便覧（日本粉体工業協会編、昭和５０年５月３０日発行、オーム社）の１編、１・４節で分類されている方法の内、圧縮成形型、転動型、押出成形型の一般的な方法が好適に採用できる。
【００４０】
また、成形により得られる造粒体の形状は特に制限されないが、球状より円柱、多角体、多角柱体の方が転がり難く作業の面で有利である。また、アーク炉で生成するＣＯやＳｉＯガスの逃げ道の確保も多角体の不定形の方が球状より良い。
【００４１】
（硬化）
本発明の珪砂造粒体の製造方法において、珪砂、アルカリ土類金属化合物、糖類、及び水を含む混合物の成形体は、水の存在下に珪砂とアルカリ土類金属化合物とが反応して硬化することによって、珪砂造粒体を得ることができる。
【００４２】
上記硬化において、硬化温度は、水が存在し得る温度であることが好ましい。また、硬化時間は、アルカリ土類金属化合物の種類、硬化温度によって多少異なり、一概には決定できないため、予め実験を行い、決定することが好ましい。例えば、水酸化カルシウムの場合、硬化時間を数分〜７日程度とすることが好適であり、より高強度な珪砂造粒体を得るためには数時間〜４日程度がより好ましい。また、硬化においては、珪砂造粒体に含まれる水分量を必要以上に失われないように維持することによって、より高強度化が図れることから、湿潤雰囲気中で硬化を行うことや密閉雰囲気中で硬化を行うことも好ましい態様として挙げられる。
【００４３】
（乾燥）
上記アルカリ土類金属化合物の硬化により得られる珪砂造粒体は、乾燥処理により、含有する水分を可及的に除去することが、アーク炉等で、高温雰囲気に晒された際の、水の急激な膨張による崩壊を防止することができ好ましい。具体的には、１３００℃で強熱減量が０．１重量％〜３重量％、特に、０．１重量％〜１重量％となるまで上記乾燥を行なうことが好ましい。
【００４４】
上記乾燥処理は、温度７０℃以上、特に、１００℃以上で行うことが好ましく、また、加熱処理における温度の上限は、アルカリ土類金属化合物硬化体の強度を著しく劣化させない範囲の温度が好適である。一般には、３００℃以下、特に、２００℃以下となるように実施することが好ましい。
【００４５】
尚、上記乾燥処理は、アルカリ土類金属化合物の硬化のために必要な水が確保できる状態であれば、かかる硬化反応を同時に行うことも可能である。そして、上記乾燥処理を前記加熱下に行う際に水が存在する場合、前記アルカリ土類金属化合物による硬化反応が促進され、得られる造粒体の強度の一層の向上を図ることもできる。
【００４６】
（硅砂造粒体）
本発明の製造方法で得られた珪砂造粒体は、かかる珪砂造粒体を金属シリコン製造用の原料、例えば、アーク炉による金属シリコンの原料として使用する場合、円柱、多角体（長方形）が好ましく、一番長い辺が５ｍｍ〜２００ｍｍのものが好適である。即ち、前記アーク炉での使用において、珪砂造粒体の一辺が５ｍｍ未満の場合、上記アーク炉内原料層をガスが通過するための十分な空隙を確保できないし、一方、２００ｍｍを超える造粒体を製造するのはコスト・生産性の点で不利になる。上記は、好ましくは５ｍｍ〜１５０ｍｍ、より好ましくは３０ｍｍ〜１５０ｍｍ、更に好ましくは５０ｍｍ〜１５０ｍｍである。
【００４７】
また、珪砂造粒体は、珪砂の結合剤として作用するアルカリ土類金属との硬化反応において、アルカリ土類金属の分散性を高める働きをする糖類を含有させることにより、極めて高い珪砂造粒体を構成される。硅砂造粒体の圧壊荷重は、２０００Ｎ以上が好ましく、３０００Ｎ以上がより好ましい。２０００Ｎ以上の強度があれば、前記アーク炉での使用において、珪石の代替として十分使用することができる。
【００４８】
（金属シリコン等の製造）
本発明の製造方法で得られた珪砂造粒体は、金属シリコン、フェロシリコン・シリコマンガン等のシリコン合金、および炭化珪素等の製造に使用することができ、特にアーク炉による金属シリコンの製造に好適に用いられる。
【００４９】
金属シリコンの製造には、例えばシリコン源である珪砂造粒体を単独あるいは珪石と併用して使用し、これに還元材として木炭、コークス、石炭、ウッドチップなどを混合して、アーク炉内で還元・溶融する方法が挙げられる。アーク炉内へはシリコン源及び還元材が偏析のないよう十分に混合されて、必要量投入される。炉内では電極先端部付近がアーク放電により最も高温となり、その到達温度が１９００℃〜２０００℃となるように通電することによってシリコン源が還元され、金属シリコン融液が炉の底部に溜る。アーク炉底部に溜まった金属シリコン融液は、流し口をアーク放電などで開孔し、取鍋に抽出される。そして金属シリコン融液中に酸素ガスをバブリングすることでカルシウム化合物などの不純物がスラグ（酸化物）として比重差によって分離される。そして、スラグの全部または一部を取り除くことで、金属シリコン塊が得られる。
【００５０】
上記アーク炉は、例えばシリコン原料調査研究成果報告書（昭和５８年３月、（社）日本電子工業振興協会）の４７〜５５頁に記載されているような公知の構造、材質を有するものが特に制限なく使用される。
【００５１】
なお、上記金属シリコンの製造方法としては、珪砂を成形して平均粒径が５ｍｍ〜２００ｍｍである珪砂造粒体を作製する工程、およびその珪砂造粒体を、シリコン源の少なくとも一部としてアーク炉へ供給して還元反応を行なう工程をオンサイトで行う態様も好ましい。
【００５２】
他方、フェロシリコン・シリコマンガン等のシリコン合金や炭化珪素の製造の場合には、シリコン合金ではシリコン以外の金属原を所望の組成となるように別に所定量加える必要があり、また、炭化珪素では還元材かつ原料となる炭素の量を適宜調整し、原料の投入方法及び反応温度を炭化珪素の製造に適した条件に適宜調整すれば良い。
【実施例】
【００５３】
以下、実施例および比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に制限されるものではない。尚、実施例および比較例における数値は次に示す方法により測定した。
【００５４】
（１）硅砂造粒体の強度
後述の各実施例及び比較例の方法により得られた円柱状の硅砂造粒体の中から、高さが１．９ｃｍ〜２．３ｃｍであるサンプルを抜き取り、オートグラフ（島津製精密万能試験機ＡＧ−Ｘｐｌｕｓ５０ｋＮ）にて圧壊荷重（Ｎ）を測定した。圧縮機上に円柱状造粒体を縦に配置し、鉛直方向に載荷した。荷重は１分間に０．２ｍｍ降下する速度とした。
【００５５】
更に、得られた硅砂造粒体を金属シリコンの製造に用いる際、アーク炉内で加熱されることを想定し、各実施例及び比較例の方法により得られた造粒体の一部を、電気炉で加熱し、加熱後に上記した方法で圧壊荷重（Ｎ）を測定した。加熱は空気中で行い、加熱温度は３００℃又は８００℃とした。
【００５６】
（２）硅砂造粒体の見掛け密度
ノギスにて計測した円柱状硅砂造粒体の高さｈ（ｃｍ）と直径２ｒ（ｃｍ）、および電子天秤にて秤量した円柱状硅砂造粒体の重量ｍ（ｇ）から、次式にて見掛け密度ρを計算した。
ρ＝ｍ／（π・ｒ２・ｈ）
（３）珪砂の平均粒径
ＨＯＲＩＢＡ社製レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置ＬＡ−９５０Ｖ２により１０ｎｍ〜３０００μｍの範囲で粒度分布（体積基準分布）を測定し、珪砂の平均粒径を算出した。
【００５７】
（４）珪砂のＳｉＯ２含有量及びＮａ２Ｏ含有量
珪砂を測定治具に装着し、蛍光Ｘ線（リガク社製蛍光Ｘ線分析装置ＺＳＸ  ＰｒｉｍｕｓＩＩ）にて元素分析し、ＳｉＯ２及びＮａ２Ｏ含有量を算出した。
【００５８】
（５）珪砂の相対粒子量
ＩＳＯ  ３３０１−１に準拠した、目開き７５μｍの飾、目開き１５０μｍ、及び目開き１４００μｍの飾を用い、１００ｇの珪砂の相対粒子量を求めた。相対粒子量は、１４００μｍの飾を全通過することを確認した後、目開き７５μｍの節を通過した粒子の重量と、目開き１５０μｍの節を通り目開き７５μｍの飾を通過しない粒子の重量、目開き１５０μｍの飾を通過しない粒子の重量を測定し、全体を１００重量％としたときの割合（重量％）として計測した。
【００５９】
実施例１
珪砂（平均粒径２５０μｍ、ＳｉＯ２含有量９９．４重量％、Ｎａ２Ｏ含有量０．０重量％）を遊星型ボールミルにて平均粒径３０μｍまで粉砕した。粉砕した珪砂（平均粒径３０μｍ）と未粉砕の珪砂（平均粒径２５０μｍ）を重量比で６対４の割合で混ぜた。得られた硅砂の相対粒子量は、表１に示す通りであった。この粒度を制御した珪砂１００重量部に対し、水酸化カルシウム１．０重量部、水１１．７重量部、ショ糖５.０重量部を乳鉢で良く混合した。混合の順序は、最初にショ糖と水のショ糖水溶液を作り、次に水酸化カルシウムをショ糖水溶液に添加、最後に硅砂を添加という順序で行った。この硅砂、水酸化カルシウム、ショ糖、及び水の混合物をおよそ１５ｇ秤量し、内径２０ｍｍの金型へ入れ、圧力約６ＭＰａにて加圧成形した。成形後の高さは２０ｍｍ±２ｍｍであった。金型から取出した円柱状の硅砂成形体を湿潤状態に保ち、室温２０℃で１日間ほど放置した。その後、送風乾燥器を用い１５０℃で２時間乾燥処理を施した。得られた円柱状の硅砂造粒体の重量を秤量し、また直径および高さを計測した。そして、これらの値から見掛け密度を計算した。さらに、圧壊荷重を測定した。また、３００℃、及び８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表２にまとめた。
【００６０】
【表１】
2015098429.tif 000002
【００６１】
実施例２
ショ糖の添加量を２．５重量部、水の添加量を１４．２重量部とした以外は実施例１と同様の方法で硅砂造粒体を作製した。得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を表２に示す。
【００６２】
実施例３
ショ糖の添加量を３．３重量部、水の添加量を１３.３重量部とした以外は実施例１と同様の方法で硅砂造粒体を作製した。得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を表２に示す。
【００６３】
比較例１
実施例１と同様の方法で、表１に記載の相対粒子量を有する硅砂を得た。この粒度を制御した硅砂１００重量部に対して、水酸化カルシウム１．０重量部、水１６．７重量部を乳鉢で良く混合した。混合の順序は、最初に水酸化カルシウムと硅砂を混合し、次に水を添加という順序で行った。この硅砂、水酸化カルシウム、水の混合物をおよそ１５ｇ秤量し、内径２０ｍｍの金型へ入れ、圧力約６ＭＰａにて加圧成形した。成形後の高さは２０ｍｍ±２ｍｍであった。金型から取出した円柱状の硅砂成形体を湿潤状態に保ち、室温２０℃で１日間ほど放置した。その後、送風乾燥器を用い１５０℃で２時間乾燥処理を施した。得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、３００℃、及び８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表２に示す。
【００６４】
なお、比較例１はショ糖を添加していない。
【００６５】
糖類としてショ糖を添加した実施例１及び実施例２は、糖類を添加しなかった比較例に比べ高い強度を示し、その圧壊荷重は、硅石の代替に十分可能な２０００Ｎ以上であった。また、ショ糖を添加した場合、３００℃や８００℃の高温で加熱しても、圧壊荷重は２０００Ｎ以上であり、硅石の代替に十分可能であることが確認できた。
【００６６】
【表２】
2015098429.tif 000003
【００６７】
実施例４
実施例１と同様の方法で、表１に記載の相対粒子量を有する硅砂を得た。この粒度を制御した硅砂１００重量部に対して、水酸化カルシウム１．０重量部、水１４．２重量部、ブドウ糖２．５重量部を乳鉢で良く混合した。混合の順序は、最初にブドウ糖と水のブドウ糖水溶液を作り、次に水酸化カルシウムを添加、最後に硅砂を添加という順序で行った。この硅砂、水酸化カルシウム、ブドウ糖、及び水の混合物をおよそ１５ｇ秤量し、内径２０ｍｍの金型へ入れ、圧力約６ＭＰａにて加圧成形した。成形後の高さは２０ｍｍ±２ｍｍであった。金型から取出した円柱状造粒体を湿潤状態に保ち、室温２０℃で１日間ほど放置した。その後、送風乾燥器を用い１５０℃で2時間乾燥処理を施し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００６８】
実施例５
ブドウ糖の添加量を５.０重量部、水の添加量を１１.７重量部とした以外は実施例４と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００６９】
実施例６
糖類を果糖にした以外は実施例４と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００７０】
実施例７
糖類を果糖にした以外は実施例５と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００７１】
実施例８
糖類を麦芽糖にした以外は実施例４と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００７２】
実施例９
糖類を麦芽糖にした以外は実施例５と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００７３】
実施例１０
糖類を乳糖にした以外は実施例４と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００７４】
実施例１１
糖類を乳糖にした以外は実施例５と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００７５】
実施例１２
糖類をグリセリンにした以外は実施例４と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００７６】
実施例１３
糖類をグリセリンにした以外は実施例５と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００７７】
実施例１４
糖類をマンニトールにした以外は実施例４と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００７８】
実施例１５
糖類をマンニトールにした以外は実施例５と同様の方法で硅砂造粒体を作製し、得られた硅砂造粒体の見かけ密度、圧壊荷重を測定した。また、８００℃で加熱処理を行った後、同様に見かけ密度及び圧壊荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００７９】
【表３】
2015098429.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の珪砂造粒体は、珪石の代替として、金属シリコンの製造や、フェロシリコン・シリコマンガン等のシリコン合金や炭化珪素の製造に有効に利用できる。