マイクロ波製鉄炉
【課題】高炉製銑法に代わり、高エネルギ効率で溶融銑鉄を製造することができるマイクロ波製鉄炉を提供する。
【解決手段】反応炉１はマグネシア系耐火物からなる筐体１２を有し、この筐体１２の底部上に、ＭｇＯ−グラファイト混合耐火物からなる底板１３が拝呈されている。反応炉１の下部には、グラファイトルツボ１７が設けられており、このグラファイトルツボ１７と反応炉１との間は、マグネシア製筒体１６により連結されている。反応炉１内に供給された鉄鉱石粉及び石炭粉等の原料は、マイクロ波発振器３からマイクロ波を照射されて、加熱される。鉄鉱石が還元されて得られた溶融銑鉄は、孔１ａを介してルツボ１７に流出し、ルツボ１７から、孔１ｂを介して取鍋４に注入される。
【解決手段】反応炉１はマグネシア系耐火物からなる筐体１２を有し、この筐体１２の底部上に、ＭｇＯ−グラファイト混合耐火物からなる底板１３が拝呈されている。反応炉１の下部には、グラファイトルツボ１７が設けられており、このグラファイトルツボ１７と反応炉１との間は、マグネシア製筒体１６により連結されている。反応炉１内に供給された鉄鉱石粉及び石炭粉等の原料は、マイクロ波発振器３からマイクロ波を照射されて、加熱される。鉄鉱石が還元されて得られた溶融銑鉄は、孔１ａを介してルツボ１７に流出し、ルツボ１７から、孔１ｂを介して取鍋４に注入される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鉱石から銑鉄を得る製鉄炉に関し、特に、マイクロ波により鉄鉱石と石炭とを含む原料を加熱して溶融させ、鉄鉱石を炭素により還元して銑鉄を得るマイクロ波製鉄炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼の分野においては、通常、高炉製銑法により溶融銑鉄を得ている。即ち、鉄酸化物である鉄鉱石とその還元剤である炭素源としてのコークス等と石灰石をペレット状にしたものを、高炉（溶鉱炉）にその上部から装入し、高炉下部の羽口から熱風（空気）を吹き込み、高炉内に熱風の上昇流を形成すると共に、落下してくるペレットを熱風により加熱し、鉄鉱石とコークスとの反応により、鉄鉱石を還元する。還元された鉄は、溶融して溶融銑鉄となって高炉の炉底に溜まる。一定量の銑鉄が貯留された後、炉底の銑鉄は、炉下部の湯出し口から取り出され、湯道を流れて取鍋に収容される（例えば、特許文献１）。
【０００３】
しかし、従来の高炉製銑法においては、鉄鉱石の還元、溶融には、約１６００℃の温度において、６時間以上を要し、エネルギ効率が低いという問題点がある。
【０００４】
一方、マイクロ波を利用して、鉄酸化物を加熱し、還元することにより、鉄粉を製造する方法が特許文献２に開示されている。この鉄粉の製造方法は、鉄鉱石、ミルスケール等の粉砕した鉄酸化物と、コークス、チャー炭、活性炭、微粉炭等の炭素を主成分とするマイクロ波高誘導体である炭素源と、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸ナトリウム等の炭酸塩とを混合し、これら混合物にマイクロ波を照射して炭素源を９００℃を超える温度まで内部発熱させると共に、混合物中の炭酸塩の熱分解によって発生したＣＯ２ガスと反応させてＣＯガスに変換し、このＣＯガスによって鉄酸化物を還元させて鉄粉を製造する方法である。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２９００７号公報
【特許文献２】特開平６−１１６６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載のマイクロ波を利用した鉄粉の製造方法は、鉄鉱石等の鉄酸化物、コークス等の炭素源及び炭酸塩を混合したものをマイクロ波により加熱し、前記炭素源を９００℃を超える温度に内部発熱させ、混合物中の炭酸塩から分解したＣＯ２ガスと、炭素源との反応によりＣＯガスを生成し、このＣＯガスにより鉄酸化物を還元する方法であり、鉄鉱石及びコークス等を溶融させるものではない。従って、この方法では、単に鉄粉を製造できるだけであり、効率よく大量の溶融銑鉄を製造できるものではない。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高炉製銑法に代わり、高エネルギ効率で溶融銑鉄を製造することができるマイクロ波製鉄炉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】
【０００８】
本発明に係るマイクロ波製鉄炉は、マグネシア系耐火物からなる筐体を有する反応炉と、この反応炉内にマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と、前記反応炉内に鉄鉱石及び炭素源を含む原料を供給する原料供給装置と、前記反応炉から溶銑を取り出す取出部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
このマイクロ波製鉄炉において、前記取出部は、前記反応炉の炉底に開口した孔であり、前記反応炉の下方に前記孔から出湯した溶融銑鉄を受けるグラファイト製ルツボが設けられていることが好ましい。
【００１０】
そして、更に、前記ルツボと前記反応炉の下面との間に、マグネシア系耐火物からなる筒材が設けられており、前記反応炉の下方に、前記反応炉、前記筒材及び前記ルツボにより取り囲まれた空間が形成されていることが好ましい。この場合に、前記ルツボの底面にノズルが形成されており、前記反応炉から前記ルツボに流出した溶融銑鉄は、前記ノズルからその下方に設けられた取鍋に注入されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、マイクロ波を利用して鉄鉱石及びコークス又は石炭等の原料を高効率で加熱することができ、溶融銑鉄を高エネルギ効率で生産することができるマイクロ波製鉄炉を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係るマイクロ波加熱連続製鉄炉を示す断面図である。鉄製の円筒状炉体２の内部に、反応炉１が配置されている。この反応炉１は、鉄板１１上にＭｇＯ系耐火物からなる筐体１２が配置されて構成されており、この筐体１２の底面上に、ＭｇＯ−グラファイト混合耐火物からなる底板１３が設けられている。そして、この筐体１２の外面には、筐体１２の側面及び底面を覆うようにして、アルミナ質ファイバからなるブランケット１４が配置されており、更にこのブランケット１４の外側には、断熱ボード１５が配置されている。反応炉１の底部には、溶銑を取り出すための孔１ａが形成されている。
【００１３】
鉄製炉体２の底部は一部切り欠かれており、この切欠部に、鉄製の板状蓋１８が水平に固定されている。この蓋１８の上に、グラファイト製のルツボ１７が設置されており、ルツボ１７の縦壁の上端と筐体１２の下面との間は、円筒状のＭｇＯ系耐火物１６により連結されている。
【００１４】
このルツボ１７の底部には、溶銑を取り出す孔１ｂが設けられており、この孔１ｂと中心を一致させて、円筒状のグラファイトノズル１９ａが軸を垂直にしてルツボ１７の下面に固定されている。鉄製蓋１８の下面には、鉄製管２０がその軸を垂直にして、グラファイト製ノズル１９ａと同軸的に固定されており、この鉄製管２０の上部にはグラファイト製ノズル１９ａが嵌合され、鉄製管２０の下部には、ＭｇＯ系耐火物からなる円筒状ノズル１９ｂが嵌合されている。従って、グラファイト製ノズル１９ａとＭｇＯ系耐火物からなるノズル１９ｂとは、鉄製管２０に支持されて、その軸方向を垂直にして配置されている。
【００１５】
炉体２は適宜の支持装置に支持されており、この炉体２の底部に設けられたノズル１９ｂの下方には、取鍋４が配置される。
【００１６】
炉体２には、その略４等配の位置に、筒状の４個の延出部２２が形成されており、この延出部２２の先端に、夫々マイクロ波発振器３が設置されている。このマイクロ波発振器３には、ヘリカル型アンテナ３１が設けられており、このヘリカル型アンテナ３１の指向性が、炉体２の中心を挟んで対向するマイクロ波発振器３同士で、一致してしまわないように、アンテナの指向角度を若干ずらせて、マイクロ波発振器３が設置されている。
【００１７】
鉄製炉体２の上部には、一部切り欠かれて、この切欠部に、鉄製の板状蓋２１が設置されている。この鉄製蓋２１には、水冷の鉄管２３，２４がその軸方向を垂直にして蓋２１を貫通するように設置されており、この水冷鉄管２３，２４の下部は、筐体１２，ブランケット１４及び断熱ボード１５の頭部を貫通して、筐体１２の内部に連通している。水冷鉄管２３の上部は、サイクロン２７に接続されており、反応炉１の内部から排出されたガスがサイクロン２７で清浄化された後、外部に排ガスとして排出される。水冷鉄管２４の上部には、ホッパー２６が接続されており、このホッパー２６と水冷鉄管２４との接続部近傍には、Ｎ２ガスの導入口２５が設置されている。ホッパー２６には、鉄鉱石粉と、コークス粉、グラファイト粉及び石炭粉等の炭素源とを含む原料粉が貯留されており、導入口２５からＮ２ガスを鉄管２４内に吹き込むことにより、このＮ２ガスにキャリアされて、ホッパー２６内の原料粉が反応炉１内に供給されるようになっている。
【００１８】
次に、上述の如く構成されたマイクロ波製鉄炉の動作について説明する。銑鉄を連続的に製造するために、ホッパー２６から水冷鉄管２４を介して原料を連続的に反応炉１内に装入する。そして、マイクロ波発振器３を駆動して、アンテナ３１を介してマイクロ波を反応炉１内に照射する。これにより、反応炉１の筐体１２に囲まれた空間内にマイクロ波が照射され、ホッパー２６から供給された鉄鉱石粉、グラファイト粉及び石炭粉等がマイクロ波を吸収して自己発熱し、昇温する。これにより、鉄鉱石粉とグラファイト粉及び石炭粉等の炭素源とが反応して鉄鉱石が還元されると共に、溶融して、ＭｇＯ−グラファイト混合耐火物からなる底板１３上に、溶融銑鉄が貯留される。この溶融銑鉄は、孔１ａを介してルツボ１７上に落下し、更に、ルツボ１７に設けた孔１ｂを介して、ノズル１９ａ、１９ｂを介して取鍋４内に供給される。
【００１９】
マイクロ波が炉外に漏れ出さないようにするために、水冷鉄管２３，２４は、鉄製炉体２と十分に接触させる必要がある。また、鉄管２３，２４は反応炉１の炉体近くに配置され、１３００乃至１５００℃の高温に晒されるので、鉄管２３，２４の先端を水冷する必要がある。
【００２０】
また、溶融銑鉄を連続的に反応炉外に取り出すと、この溶融銑鉄が連なり、溶融銑鉄自体がアンテナとなってマイクロ波が炉外に遺漏してしまう。このため、このマイクロ波の遺漏を防止するために、溶融銑鉄を炉体（筐体１２の内面）に十分に接触させる必要がある。そこで、反応炉１から孔１ａを介して流出する溶融銑鉄を、炉体と十分に電気的に接触させたグラファイトルツボ１７で受ける。銑鉄はグラファイトルツボを通して炉体（筐体１２）と同一電位になるため、連続的に炉外に流出してもアンテナとなってマイクロ波が炉外に遺漏することはない。仮に、グラファイトルツボ１７が炉体と十分に電気的に接触していないと、連続する溶融銑鉄に対し、炉内と炉外との間で生じる電位差のために、炉内でマイクロ波により溶融銑鉄の表面に発生した電流が炉外に流れ、マイクロ波となって炉外に遺漏する。このルツボ１７の縦壁の上部は、マイクロ波の吸収が小さいマグネシア系耐火物１６を配置し、マイクロ波を透過させる。グラファイトルツボ１７はマイクロ波を反射するので、マイクロ波を透過させない。よって、下方のマイクロ波発振器３から出射されたマイクロ波は、ＭｇＯ系耐火物１６により遮断されずに反応炉１内の原料に照射される。更に、上方のマイクロ波発振器３から出射されたマイクロ波は、反応炉１から流出してきた溶湯銑鉄に浮遊する未反応原料を反応させて銑鉄にする。
【００２１】
なお、このルツボ１７は必要に応じてヒーター等で加熱する。このるつぼの底には開閉弁（図示せず）付きの流出口（孔１ｂ）を設置し、連続的又は間欠的に開閉弁を開け、溶融銑鉄を取鍋４内に流出させる。更に、マイクロ波の遺漏を防止するため、マイクロ波の波長に応じた管径と長さの金属管（鉄管２０）を流出口に設置し、内部をマグネシア系耐火物からなるノズル１９ｂで内張りし、このノズル１９ｂを介して溶融銑鉄を炉外の取鍋４に受ける。鉄管２０内を通過するマイクロ波は、出口でマイクロ波に対し、開放端となり、定在波を形成する。このため、内径に対し、ある長さをもつ管は、開放端で反射され、外部に遺漏せず、減衰する。例えば、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、内径５０ｍｍの管は、５０ｍｍの長さで２３ｄＢ減衰する。内部に張るマグネシア系耐火物は、銑鉄が鉄管に濡れると、反応して溶けるので、それを防ぐために鉄管２０の内面に内張りされるものである。
【００２２】
反応炉１で生成した溶融銑鉄は、炉床に設置された孔１ｂから連続的にグラファイトルツボ１７に流出させる。この溶融銑鉄上には、未反応の原料と、スラグ又はスラグ化しない脈石成分が浮遊するが、そのまま銑鉄と共に流出させる。これらの浮遊物の内、未反応原料は上方から照射されているマイクロ波により、ルツボ１７内で反応し、銑鉄を生成する。溶融銑鉄上の浮遊するスラグは銑鉄と共に、炉外の取鍋４に流出する。
【００２３】
また、反応炉１からは、ＣＯガスとＣＯ２ガスとの混合ガスが発生する。この排ガスは、水冷鉄管２３を介して、を炉外に排出する。このとき、排ガス中には、未反応の原料粉末が一部飛散するので、これをサイクロン２７等で回収する。
【００２４】
このようにして、マイクロ波の照射により、鉄鉱石及び石炭粉を含む原料から、鉄鉱石が還元されて、溶融銑鉄が生成する。このとき、マイクロ波炉の炉体２は、マイクロ波を透過させない鉄又はステンレス等の構造材で製作し、マイクロ波が遺漏しないように密閉する必要がある。しかし、気密性は不要である。
【００２５】
マイクロ波発生装置は、銑鉄日産1トン当たり、理論的には約５０ｋＷの電力を必要とするが、電気から原料の加熱と反応を起こさせるエネルギの変換効率が５０％とすると、１００ｋＷの電力発生装置を必要とする。
【００２６】
マイクロ波発信アンテナ３１には、導波管型とヘリカル型がある。前者は炉内に広がり、壁などに反射してエネルギが均一になるが、壁に反射する度に減衰する。ここに、被加熱物を装入すると、この近辺のエネルギが原料に吸収されるので、多くの非加熱物を一斉に加熱することができる。一方、後者は指向性があるので、複数のヘリカル型アンテナを使用することにより、炉内の限られた領域のエネルギ密度を上げることができ、壁での反射による損失を少なくできる。
【００２７】
この状態で、原料を装入すると、原料を効果的に加熱することができる。炉内は水冷鉄管２４を介して供給された窒素ガスで充填し、かつ発生するＣＯ及びＣＯ２ガスを水冷鉄管２３を介して排出する。このＣＯ及びＣＯ２ガスが炉内に充満すると、プラズマを発生し、エネルギーロスを生じるので、速やかに炉外に排出する必要がある。このため、炉内容積１ｍ３当たり毎分約２リットルの窒素ガスを流すことが好ましい。ちなみに、鉄１ｋｇ製造する際、ＣＯ及びＣＯ２ガスは排ガス温度を３００℃と仮定して、およそ０．５ｍ３発生する。
【００２８】
マイクロ波は、反応炉１内の原料（鉄鉱石粉末と炭材粉末）に集中的に吸収され、急速に原料の温度が上昇する。還元反応及び還元鉄への吸炭が速やかに進行し、溶融銑鉄が生成する。原料を保持する炉内部耐火物は原理的にはマイクロ波を吸収しないで、かつ酸化鉄（ＦｅＯ）と反応せず、耐火温度が１５００℃以上ある材料とすることが必要である。実際は、原料のマイクロ波吸収発熱量に対し同一重量で約３０％以下の発熱量の材料が望ましい。このような耐火物としてマグネシア系耐火物がある。
【００２９】
原料の反応は吸熱反応であり、溶融銑鉄を生成するためには１３００から１５００℃の温度を必要とする。その温度を定常的に維持するために、炉床部に発熱する耐火物からなる底板１３を敷き、溶融銑鉄を１３００から１５００℃の温度に保つ必要がある。炉床の耐火物は原料のマイクロ波吸収発熱量に対し同一重量で約３０〜５０％の発熱量の材料が望ましい。その耐火物は、同時に酸化鉄と反応して溶解しないものがよい。例えば、マグネシア系セメントにグラファイトを１０乃至３０％混合したもの、又はマグネシアにグラファイトを混合した耐火物を使用することが好ましい。
【００３０】
反応容器を操業前に、別途加熱ヒーター又はバーナーを炉内に設置して、１３００乃至１５００℃に加熱することも還元反応と溶融銑鉄製造速度を速くする効果がある。原料を予熱すると、鉄鉱石の還元反応と溶融銑鉄の製造速度を速くする効果がある。生成した溶融銑鉄は原理的にマイクロ波を吸収しないので、移動する炉床で凝固させ、回収することもできる。この場合は、炉床、即ち、底板１３には、マグネシア系耐火物を使用する。
【００３１】
炉の周りを覆い、断熱するための材料（筐体１２，ブランケット１４，断熱ボード１５）は、原理的にマイクロ波を吸収しない材料、即ち、マイクロ波を受けても自己発熱しない材料を使用することが望ましい。実際には、原料のマイクロ波吸収発熱量に対し、同一質量で約２０％以下の発熱量の材料が望ましく、かつ、耐火温度が１４００℃以上のものが望ましい。このような材料として、アルミナ質のファイバ状のブランケットを使用することが好ましい。更に、外部にはムライト質の断熱ボードを設置することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、従来の高炉製銑法に代わり、マイクロ波加熱により鉄鉱石を還元して銑鉄を得ることができるので、本発明は、製銑工程におけるエネルギ効率の向上及び装置の小型化に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係るマイクロ波加熱連続製鉄炉を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１：反応炉
２：炉体
３：マイクロ波発振器
４：取鍋
１２：筐体（ＭｇＯ系耐火物）
１３：底板（ＭｇＯ−グラファイト混合耐火物）
１４：アルミナ質ファイバーブランケット
１５：断熱ボード
１９ａ：グラファイトノズル
１９ｂ：ＭｇＯ系耐火物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鉱石から銑鉄を得る製鉄炉に関し、特に、マイクロ波により鉄鉱石と石炭とを含む原料を加熱して溶融させ、鉄鉱石を炭素により還元して銑鉄を得るマイクロ波製鉄炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼の分野においては、通常、高炉製銑法により溶融銑鉄を得ている。即ち、鉄酸化物である鉄鉱石とその還元剤である炭素源としてのコークス等と石灰石をペレット状にしたものを、高炉（溶鉱炉）にその上部から装入し、高炉下部の羽口から熱風（空気）を吹き込み、高炉内に熱風の上昇流を形成すると共に、落下してくるペレットを熱風により加熱し、鉄鉱石とコークスとの反応により、鉄鉱石を還元する。還元された鉄は、溶融して溶融銑鉄となって高炉の炉底に溜まる。一定量の銑鉄が貯留された後、炉底の銑鉄は、炉下部の湯出し口から取り出され、湯道を流れて取鍋に収容される（例えば、特許文献１）。
【０００３】
しかし、従来の高炉製銑法においては、鉄鉱石の還元、溶融には、約１６００℃の温度において、６時間以上を要し、エネルギ効率が低いという問題点がある。
【０００４】
一方、マイクロ波を利用して、鉄酸化物を加熱し、還元することにより、鉄粉を製造する方法が特許文献２に開示されている。この鉄粉の製造方法は、鉄鉱石、ミルスケール等の粉砕した鉄酸化物と、コークス、チャー炭、活性炭、微粉炭等の炭素を主成分とするマイクロ波高誘導体である炭素源と、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸ナトリウム等の炭酸塩とを混合し、これら混合物にマイクロ波を照射して炭素源を９００℃を超える温度まで内部発熱させると共に、混合物中の炭酸塩の熱分解によって発生したＣＯ２ガスと反応させてＣＯガスに変換し、このＣＯガスによって鉄酸化物を還元させて鉄粉を製造する方法である。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２９００７号公報
【特許文献２】特開平６−１１６６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載のマイクロ波を利用した鉄粉の製造方法は、鉄鉱石等の鉄酸化物、コークス等の炭素源及び炭酸塩を混合したものをマイクロ波により加熱し、前記炭素源を９００℃を超える温度に内部発熱させ、混合物中の炭酸塩から分解したＣＯ２ガスと、炭素源との反応によりＣＯガスを生成し、このＣＯガスにより鉄酸化物を還元する方法であり、鉄鉱石及びコークス等を溶融させるものではない。従って、この方法では、単に鉄粉を製造できるだけであり、効率よく大量の溶融銑鉄を製造できるものではない。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、高炉製銑法に代わり、高エネルギ効率で溶融銑鉄を製造することができるマイクロ波製鉄炉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】
【０００８】
本発明に係るマイクロ波製鉄炉は、マグネシア系耐火物からなる筐体を有する反応炉と、この反応炉内にマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と、前記反応炉内に鉄鉱石及び炭素源を含む原料を供給する原料供給装置と、前記反応炉から溶銑を取り出す取出部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
このマイクロ波製鉄炉において、前記取出部は、前記反応炉の炉底に開口した孔であり、前記反応炉の下方に前記孔から出湯した溶融銑鉄を受けるグラファイト製ルツボが設けられていることが好ましい。
【００１０】
そして、更に、前記ルツボと前記反応炉の下面との間に、マグネシア系耐火物からなる筒材が設けられており、前記反応炉の下方に、前記反応炉、前記筒材及び前記ルツボにより取り囲まれた空間が形成されていることが好ましい。この場合に、前記ルツボの底面にノズルが形成されており、前記反応炉から前記ルツボに流出した溶融銑鉄は、前記ノズルからその下方に設けられた取鍋に注入されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、マイクロ波を利用して鉄鉱石及びコークス又は石炭等の原料を高効率で加熱することができ、溶融銑鉄を高エネルギ効率で生産することができるマイクロ波製鉄炉を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係るマイクロ波加熱連続製鉄炉を示す断面図である。鉄製の円筒状炉体２の内部に、反応炉１が配置されている。この反応炉１は、鉄板１１上にＭｇＯ系耐火物からなる筐体１２が配置されて構成されており、この筐体１２の底面上に、ＭｇＯ−グラファイト混合耐火物からなる底板１３が設けられている。そして、この筐体１２の外面には、筐体１２の側面及び底面を覆うようにして、アルミナ質ファイバからなるブランケット１４が配置されており、更にこのブランケット１４の外側には、断熱ボード１５が配置されている。反応炉１の底部には、溶銑を取り出すための孔１ａが形成されている。
【００１３】
鉄製炉体２の底部は一部切り欠かれており、この切欠部に、鉄製の板状蓋１８が水平に固定されている。この蓋１８の上に、グラファイト製のルツボ１７が設置されており、ルツボ１７の縦壁の上端と筐体１２の下面との間は、円筒状のＭｇＯ系耐火物１６により連結されている。
【００１４】
このルツボ１７の底部には、溶銑を取り出す孔１ｂが設けられており、この孔１ｂと中心を一致させて、円筒状のグラファイトノズル１９ａが軸を垂直にしてルツボ１７の下面に固定されている。鉄製蓋１８の下面には、鉄製管２０がその軸を垂直にして、グラファイト製ノズル１９ａと同軸的に固定されており、この鉄製管２０の上部にはグラファイト製ノズル１９ａが嵌合され、鉄製管２０の下部には、ＭｇＯ系耐火物からなる円筒状ノズル１９ｂが嵌合されている。従って、グラファイト製ノズル１９ａとＭｇＯ系耐火物からなるノズル１９ｂとは、鉄製管２０に支持されて、その軸方向を垂直にして配置されている。
【００１５】
炉体２は適宜の支持装置に支持されており、この炉体２の底部に設けられたノズル１９ｂの下方には、取鍋４が配置される。
【００１６】
炉体２には、その略４等配の位置に、筒状の４個の延出部２２が形成されており、この延出部２２の先端に、夫々マイクロ波発振器３が設置されている。このマイクロ波発振器３には、ヘリカル型アンテナ３１が設けられており、このヘリカル型アンテナ３１の指向性が、炉体２の中心を挟んで対向するマイクロ波発振器３同士で、一致してしまわないように、アンテナの指向角度を若干ずらせて、マイクロ波発振器３が設置されている。
【００１７】
鉄製炉体２の上部には、一部切り欠かれて、この切欠部に、鉄製の板状蓋２１が設置されている。この鉄製蓋２１には、水冷の鉄管２３，２４がその軸方向を垂直にして蓋２１を貫通するように設置されており、この水冷鉄管２３，２４の下部は、筐体１２，ブランケット１４及び断熱ボード１５の頭部を貫通して、筐体１２の内部に連通している。水冷鉄管２３の上部は、サイクロン２７に接続されており、反応炉１の内部から排出されたガスがサイクロン２７で清浄化された後、外部に排ガスとして排出される。水冷鉄管２４の上部には、ホッパー２６が接続されており、このホッパー２６と水冷鉄管２４との接続部近傍には、Ｎ２ガスの導入口２５が設置されている。ホッパー２６には、鉄鉱石粉と、コークス粉、グラファイト粉及び石炭粉等の炭素源とを含む原料粉が貯留されており、導入口２５からＮ２ガスを鉄管２４内に吹き込むことにより、このＮ２ガスにキャリアされて、ホッパー２６内の原料粉が反応炉１内に供給されるようになっている。
【００１８】
次に、上述の如く構成されたマイクロ波製鉄炉の動作について説明する。銑鉄を連続的に製造するために、ホッパー２６から水冷鉄管２４を介して原料を連続的に反応炉１内に装入する。そして、マイクロ波発振器３を駆動して、アンテナ３１を介してマイクロ波を反応炉１内に照射する。これにより、反応炉１の筐体１２に囲まれた空間内にマイクロ波が照射され、ホッパー２６から供給された鉄鉱石粉、グラファイト粉及び石炭粉等がマイクロ波を吸収して自己発熱し、昇温する。これにより、鉄鉱石粉とグラファイト粉及び石炭粉等の炭素源とが反応して鉄鉱石が還元されると共に、溶融して、ＭｇＯ−グラファイト混合耐火物からなる底板１３上に、溶融銑鉄が貯留される。この溶融銑鉄は、孔１ａを介してルツボ１７上に落下し、更に、ルツボ１７に設けた孔１ｂを介して、ノズル１９ａ、１９ｂを介して取鍋４内に供給される。
【００１９】
マイクロ波が炉外に漏れ出さないようにするために、水冷鉄管２３，２４は、鉄製炉体２と十分に接触させる必要がある。また、鉄管２３，２４は反応炉１の炉体近くに配置され、１３００乃至１５００℃の高温に晒されるので、鉄管２３，２４の先端を水冷する必要がある。
【００２０】
また、溶融銑鉄を連続的に反応炉外に取り出すと、この溶融銑鉄が連なり、溶融銑鉄自体がアンテナとなってマイクロ波が炉外に遺漏してしまう。このため、このマイクロ波の遺漏を防止するために、溶融銑鉄を炉体（筐体１２の内面）に十分に接触させる必要がある。そこで、反応炉１から孔１ａを介して流出する溶融銑鉄を、炉体と十分に電気的に接触させたグラファイトルツボ１７で受ける。銑鉄はグラファイトルツボを通して炉体（筐体１２）と同一電位になるため、連続的に炉外に流出してもアンテナとなってマイクロ波が炉外に遺漏することはない。仮に、グラファイトルツボ１７が炉体と十分に電気的に接触していないと、連続する溶融銑鉄に対し、炉内と炉外との間で生じる電位差のために、炉内でマイクロ波により溶融銑鉄の表面に発生した電流が炉外に流れ、マイクロ波となって炉外に遺漏する。このルツボ１７の縦壁の上部は、マイクロ波の吸収が小さいマグネシア系耐火物１６を配置し、マイクロ波を透過させる。グラファイトルツボ１７はマイクロ波を反射するので、マイクロ波を透過させない。よって、下方のマイクロ波発振器３から出射されたマイクロ波は、ＭｇＯ系耐火物１６により遮断されずに反応炉１内の原料に照射される。更に、上方のマイクロ波発振器３から出射されたマイクロ波は、反応炉１から流出してきた溶湯銑鉄に浮遊する未反応原料を反応させて銑鉄にする。
【００２１】
なお、このルツボ１７は必要に応じてヒーター等で加熱する。このるつぼの底には開閉弁（図示せず）付きの流出口（孔１ｂ）を設置し、連続的又は間欠的に開閉弁を開け、溶融銑鉄を取鍋４内に流出させる。更に、マイクロ波の遺漏を防止するため、マイクロ波の波長に応じた管径と長さの金属管（鉄管２０）を流出口に設置し、内部をマグネシア系耐火物からなるノズル１９ｂで内張りし、このノズル１９ｂを介して溶融銑鉄を炉外の取鍋４に受ける。鉄管２０内を通過するマイクロ波は、出口でマイクロ波に対し、開放端となり、定在波を形成する。このため、内径に対し、ある長さをもつ管は、開放端で反射され、外部に遺漏せず、減衰する。例えば、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、内径５０ｍｍの管は、５０ｍｍの長さで２３ｄＢ減衰する。内部に張るマグネシア系耐火物は、銑鉄が鉄管に濡れると、反応して溶けるので、それを防ぐために鉄管２０の内面に内張りされるものである。
【００２２】
反応炉１で生成した溶融銑鉄は、炉床に設置された孔１ｂから連続的にグラファイトルツボ１７に流出させる。この溶融銑鉄上には、未反応の原料と、スラグ又はスラグ化しない脈石成分が浮遊するが、そのまま銑鉄と共に流出させる。これらの浮遊物の内、未反応原料は上方から照射されているマイクロ波により、ルツボ１７内で反応し、銑鉄を生成する。溶融銑鉄上の浮遊するスラグは銑鉄と共に、炉外の取鍋４に流出する。
【００２３】
また、反応炉１からは、ＣＯガスとＣＯ２ガスとの混合ガスが発生する。この排ガスは、水冷鉄管２３を介して、を炉外に排出する。このとき、排ガス中には、未反応の原料粉末が一部飛散するので、これをサイクロン２７等で回収する。
【００２４】
このようにして、マイクロ波の照射により、鉄鉱石及び石炭粉を含む原料から、鉄鉱石が還元されて、溶融銑鉄が生成する。このとき、マイクロ波炉の炉体２は、マイクロ波を透過させない鉄又はステンレス等の構造材で製作し、マイクロ波が遺漏しないように密閉する必要がある。しかし、気密性は不要である。
【００２５】
マイクロ波発生装置は、銑鉄日産1トン当たり、理論的には約５０ｋＷの電力を必要とするが、電気から原料の加熱と反応を起こさせるエネルギの変換効率が５０％とすると、１００ｋＷの電力発生装置を必要とする。
【００２６】
マイクロ波発信アンテナ３１には、導波管型とヘリカル型がある。前者は炉内に広がり、壁などに反射してエネルギが均一になるが、壁に反射する度に減衰する。ここに、被加熱物を装入すると、この近辺のエネルギが原料に吸収されるので、多くの非加熱物を一斉に加熱することができる。一方、後者は指向性があるので、複数のヘリカル型アンテナを使用することにより、炉内の限られた領域のエネルギ密度を上げることができ、壁での反射による損失を少なくできる。
【００２７】
この状態で、原料を装入すると、原料を効果的に加熱することができる。炉内は水冷鉄管２４を介して供給された窒素ガスで充填し、かつ発生するＣＯ及びＣＯ２ガスを水冷鉄管２３を介して排出する。このＣＯ及びＣＯ２ガスが炉内に充満すると、プラズマを発生し、エネルギーロスを生じるので、速やかに炉外に排出する必要がある。このため、炉内容積１ｍ３当たり毎分約２リットルの窒素ガスを流すことが好ましい。ちなみに、鉄１ｋｇ製造する際、ＣＯ及びＣＯ２ガスは排ガス温度を３００℃と仮定して、およそ０．５ｍ３発生する。
【００２８】
マイクロ波は、反応炉１内の原料（鉄鉱石粉末と炭材粉末）に集中的に吸収され、急速に原料の温度が上昇する。還元反応及び還元鉄への吸炭が速やかに進行し、溶融銑鉄が生成する。原料を保持する炉内部耐火物は原理的にはマイクロ波を吸収しないで、かつ酸化鉄（ＦｅＯ）と反応せず、耐火温度が１５００℃以上ある材料とすることが必要である。実際は、原料のマイクロ波吸収発熱量に対し同一重量で約３０％以下の発熱量の材料が望ましい。このような耐火物としてマグネシア系耐火物がある。
【００２９】
原料の反応は吸熱反応であり、溶融銑鉄を生成するためには１３００から１５００℃の温度を必要とする。その温度を定常的に維持するために、炉床部に発熱する耐火物からなる底板１３を敷き、溶融銑鉄を１３００から１５００℃の温度に保つ必要がある。炉床の耐火物は原料のマイクロ波吸収発熱量に対し同一重量で約３０〜５０％の発熱量の材料が望ましい。その耐火物は、同時に酸化鉄と反応して溶解しないものがよい。例えば、マグネシア系セメントにグラファイトを１０乃至３０％混合したもの、又はマグネシアにグラファイトを混合した耐火物を使用することが好ましい。
【００３０】
反応容器を操業前に、別途加熱ヒーター又はバーナーを炉内に設置して、１３００乃至１５００℃に加熱することも還元反応と溶融銑鉄製造速度を速くする効果がある。原料を予熱すると、鉄鉱石の還元反応と溶融銑鉄の製造速度を速くする効果がある。生成した溶融銑鉄は原理的にマイクロ波を吸収しないので、移動する炉床で凝固させ、回収することもできる。この場合は、炉床、即ち、底板１３には、マグネシア系耐火物を使用する。
【００３１】
炉の周りを覆い、断熱するための材料（筐体１２，ブランケット１４，断熱ボード１５）は、原理的にマイクロ波を吸収しない材料、即ち、マイクロ波を受けても自己発熱しない材料を使用することが望ましい。実際には、原料のマイクロ波吸収発熱量に対し、同一質量で約２０％以下の発熱量の材料が望ましく、かつ、耐火温度が１４００℃以上のものが望ましい。このような材料として、アルミナ質のファイバ状のブランケットを使用することが好ましい。更に、外部にはムライト質の断熱ボードを設置することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、従来の高炉製銑法に代わり、マイクロ波加熱により鉄鉱石を還元して銑鉄を得ることができるので、本発明は、製銑工程におけるエネルギ効率の向上及び装置の小型化に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係るマイクロ波加熱連続製鉄炉を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１：反応炉
２：炉体
３：マイクロ波発振器
４：取鍋
１２：筐体（ＭｇＯ系耐火物）
１３：底板（ＭｇＯ−グラファイト混合耐火物）
１４：アルミナ質ファイバーブランケット
１５：断熱ボード
１９ａ：グラファイトノズル
１９ｂ：ＭｇＯ系耐火物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシア系耐火物からなる筐体を有する反応炉と、この反応炉内にマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と、前記反応炉内に鉄鉱石及び炭素源を含む原料を供給する原料供給装置と、前記反応炉から溶銑を取り出す取出部と、を有することを特徴とするマイクロ波製鉄炉。
【請求項２】
前記取出部は、前記反応炉の炉底に開口した孔であり、前記反応炉の下方に前記孔から出湯した溶融銑鉄を受けるグラファイト製ルツボが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波製鉄炉。
【請求項３】
前記ルツボと前記反応炉の下面との間に、マグネシア系耐火物からなる筒材が設けられており、前記反応炉の下方に、前記反応炉、前記筒材及び前記ルツボにより取り囲まれた空間が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波製鉄炉。
【請求項４】
前記ルツボの底面にノズルが形成されており、前記反応炉から前記ルツボに流出した溶融銑鉄は、前記ノズルからその下方に設けられた取鍋に注入されることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波製鉄炉。
【請求項１】
マグネシア系耐火物からなる筐体を有する反応炉と、この反応炉内にマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と、前記反応炉内に鉄鉱石及び炭素源を含む原料を供給する原料供給装置と、前記反応炉から溶銑を取り出す取出部と、を有することを特徴とするマイクロ波製鉄炉。
【請求項２】
前記取出部は、前記反応炉の炉底に開口した孔であり、前記反応炉の下方に前記孔から出湯した溶融銑鉄を受けるグラファイト製ルツボが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波製鉄炉。
【請求項３】
前記ルツボと前記反応炉の下面との間に、マグネシア系耐火物からなる筒材が設けられており、前記反応炉の下方に、前記反応炉、前記筒材及び前記ルツボにより取り囲まれた空間が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波製鉄炉。
【請求項４】
前記ルツボの底面にノズルが形成されており、前記反応炉から前記ルツボに流出した溶融銑鉄は、前記ノズルからその下方に設けられた取鍋に注入されることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波製鉄炉。
【図１】
【公開番号】特開２００９−３５７７６（Ｐ２００９−３５７７６Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０１３８８（Ｐ２００７−２０１３８８）
【出願日】平成１９年８月１日（２００７．８．１）
【出願人】（５９８０３８４０７）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１日（２００７．８．１）
【出願人】（５９８０３８４０７）
【Ｆターム（参考）】
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