固体還元炉
【課題】固体還元炉の内部に対してマイクロ波を効率良く照射することが可能な、固体還元炉を提供すること。
【解決手段】本発明に係る固体還元炉は、酸化鉄原料と還元材とを混合して成形した塊成化物を、バーナー及び炉壁からの輻射熱により加熱して還元鉄を製造する固体還元炉において、固体還元炉の内部に挿入された、塊成化物を加熱するためのマイクロ波を導波する１又は複数の導波管と、それぞれの導波管の外周に設けられ、導波管を水冷する冷却機構と、冷却機構の外周に設けられる断熱耐火材と、を備えており、導波管の固体還元炉の内部に位置する端部は、開口端となっており、導波管の開口端からエア又は不活性ガスが放出される。
【解決手段】本発明に係る固体還元炉は、酸化鉄原料と還元材とを混合して成形した塊成化物を、バーナー及び炉壁からの輻射熱により加熱して還元鉄を製造する固体還元炉において、固体還元炉の内部に挿入された、塊成化物を加熱するためのマイクロ波を導波する１又は複数の導波管と、それぞれの導波管の外周に設けられ、導波管を水冷する冷却機構と、冷却機構の外周に設けられる断熱耐火材と、を備えており、導波管の固体還元炉の内部に位置する端部は、開口端となっており、導波管の開口端からエア又は不活性ガスが放出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体還元炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気炉による鋼材の製造が盛んになるにつれ、その主原料であるスクラップの需要は逼迫し、電気炉での高級鋼製造に対する要請から還元鉄の需要が増大しつつある。
【０００３】
還元鉄を製造するプロセスの一つとして、粉状の鉄鉱石と、粉状の石炭やコークス等の炭材とを混合して、例えばペレットやブリケットのような塊成化物とし、この塊成化物を回転炉床炉に装入して高温に加熱することで、鉄鉱石中の酸化鉄を還元して固体状金属鉄を得る方法がある（例えば、以下の特許文献１〜４を参照。）。
【０００４】
上述のような方法において、回転炉床の加熱には一般的にバーナーが用いられ、還元鉄の原料である塊成化物は、バーナー及び回転炉床炉の炉壁からの輻射熱によって、外部から伝熱的に加熱される。そのため、炉床上で原料が重なった部位では、裏面側の加熱が不足することとなって、塊成化物全体として不均一な還元となり、平均還元率が低下することとなる。
【０００５】
ここで、鉄酸化物と炭素質物質からなる原料の還元反応等に必要な熱は、まず、炉床上部に位置する空間部でのバーナー燃焼による輻射加熱によって原料層上面に供給された後、原料層内の伝導伝熱によって原料層の下部へと供給されることとなる。従って、生産性を増大させるために原料層の厚みを厚くすると、原料層の下部への伝熱が遅れることとなって層下部の還元速度が低下し、滞留時間が長くなるにもかかわらず、生産性が低下する結果となる。
【０００６】
また、近年では、塊成化物の加熱を、バーナーではなく、マイクロ波の照射により行う技術も提案されるようになってきている（以下の特許文献５を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２４８３５９号公報
【特許文献２】特開平１１−３１０３８２号公報
【特許文献３】特開２００４−３１５８５２号公報
【特許文献４】特開２０１１−１１２３４０号公報
【特許文献５】特開２００８−２１４７１５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】村瀬陽一、高島宏、中野英樹、越地耕二、周英明、窪田哲男、「電子レンジキャビティ内における電磁界分布」、信学技報、社団法人 電子情報通信学会、１９９６年２月、ＭＷ９５−２０１、６７−７２ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献５に記載の方法では、同文献に記載されているように、照射すべきマイクロ波の電力量は、塊成塊１トンあたり１００〜２００ｋＷｈとする必要がある。しかしながら、マイクロ波発振装置の出力は、一般的に１００ｋＷ／台程度が工業的に使用可能な上限であって、マイクロ波単独で、１日に数十トンもの大量の生産量を要求される塊成化物の加熱・還元処理を行うことは、極めて困難である。
【００１０】
そのため、本発明者らは、操業コストの増加を抑制しながら、塊成化物の加熱ムラの発生を更に抑制可能な方法について鋭意検討を行った結果、バーナーによる加熱とマイクロ波による加熱とを併用することに想到した。
【００１１】
本発明者らは、バーナーによる加熱とマイクロ波による加熱とを併用するために鋭意検討を行った結果、固体還元炉に装入される塊成化物の主たる原料は、マイクロ波を効率良く吸収可能であることが明らかとなった。しかしながら、更なる検討を進めた結果、以下で説明するように、固体還元炉の内部環境に起因して、固体還元炉の自由空間にマイクロ波を拡散放射させた場合には加熱対象外である固体還元炉の天井や側壁部にもマイクロ波が吸収されてしまい、塊成化物の加熱に使用されるマイクロ波のエネルギー効率が低下してしまうことが明らかとなった。
【００１２】
以上のような理由から、本発明者らは、固体還元炉においてマイクロ波による加熱をバーナーによる加熱と併用する場合には、固体還元炉へのマイクロ波の照射方法が重要であることに想到した。
【００１３】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、固体還元炉の内部に対してマイクロ波を効率良く照射することが可能な、固体還元炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、酸化鉄原料と還元材とを混合して成形した塊成化物を、バーナー及び炉壁からの輻射熱により加熱して還元鉄を製造する固体還元炉において、前記固体還元炉の内部に挿入された、前記塊成化物を加熱するためのマイクロ波を導波する１又は複数の導波管と、それぞれの前記導波管の外周に設けられ、前記導波管を水冷する冷却機構と、前記冷却機構の外周に設けられる断熱耐火材と、を備え、前記導波管の前記固体還元炉の内部に位置する端部は、開口端となっており、前記導波管の前記開口端からエア又は不活性ガスが放出される固体還元炉が提供される。
【００１５】
前記導波管の前記開口端を含む底面は、前記塊成化物の進行方向に向かって下降するように傾斜している傾斜面であってもよい。
【００１６】
前記固体還元炉の内部には、前記導波管の前記塊成化物の進行方向下流側に、前記固体還元炉の内部を流れる炉内ガス流が前記導波管に当たることを防止する防風部材が設けられていてもよい。
【００１７】
前記塊成化物の進行方向下流側に設けられた前記断熱耐火材の下端の位置が、前記導波管の前記開口端を含む底面の位置よりも前記回転炉床炉の炉床側に位置していてもよい。
【００１８】
前記固体還元炉の内部には、前記塊成化物の進行方向に複数の導波管が挿入されており、前記導波管として、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に向いているもの、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に対して右側に向いているもの、及び、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に対して左側に向いているもの、がそれぞれ設けられてもよい。
【００１９】
前記塊成化物の進行方向に隣り合う前記導波管の前記開口端の向きは、互いに異なっていてもよい。
【００２０】
前記固体還元炉では、当該固体還元炉の炉幅方向に隣り合う一方の前記導波管のＥ面と、もう一方の前記導波管のＨ面と、が対向するように、前記炉幅方向に沿って複数の前記導波管が配設されてもよい。
【００２１】
前記固体還元炉の炉幅方向に沿って配設された前記導波管の１組が、更に前記塊成化物の進行方向に沿って複数組配設されており、互いに隣り合う２組の前記導波管の配置は、千鳥配置となっていてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように本発明によれば、炉内に配置される端部が開口端となった導波管を固体還元炉の内部に挿入し、導波管からエア又は不活性ガスを放出することにより、固体還元炉の内部に対してマイクロ波を効率良く照射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一般的な還元鉄の製造方法の流れについて示した説明図である。
【図２】固体還元炉の一例である回転炉床炉を説明するための説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波照射装置の構成を示した説明図である。
【図４】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図５】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図６】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図７】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図８】マイクロ波照射口から照射されるマイクロ波の電界強度について示した説明図である。
【図９】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図１０】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図１１】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図１２】同実施形態に係る導波管の冷却機構を説明するための説明図である。
【図１３】同実施形態に係る導波管の冷却機構を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２５】
（還元鉄の製造工程について）
本発明の実施形態に係る固体還元炉及び固体還元炉について説明するに先立ち、まず、図１を参照しながら、一般的な還元鉄の製造工程について、詳細に説明する。図１は、一般的な還元鉄の製造工程を説明するための説明図である。
【００２６】
まず、製鉄ダスト（酸化鉄粉）及び鉄鉱石、粉鉱石などの酸化鉄原料と、石炭、コークス、微粒カーボン等の還元材とは、予めホッパー１等に格納されている。酸化鉄原料及び還元材は、予め設定された配合比となるように配合されて、粉砕機２に装入される。
【００２７】
ボールミル等の振動ミルに代表される粉砕機２は、装入された酸化鉄原料及び還元材を、混合しながら所定の粒径まで粉砕する。粉砕後の酸化鉄原料及び還元材の粒径は、還元鉄の製造に用いられる回転炉床炉、流動床炉、シャフト炉等の固体還元炉に適した値とすることができる。粉砕後の酸化鉄原料及び還元材からなる混合物は、混練機３に運搬される。
【００２８】
混練機３は、粉砕機２により所定の粒径に粉砕された混合物を混練する。また、混練機３は、混合物の混練に際して、還元鉄の製造に用いる固体還元炉に適した水分量となるまで混合物に加水を行う調湿処理を施してもよい。混練機３の一例として、例えば、ミックスマーラー等を挙げることができる。混練機３によって混練された混合物は、成型機４に搬送される。
【００２９】
パンペレタイザー（皿型造粒機）、ダブルロール圧縮機（ブリケット製造機）、押し出し成型機等の成型機４は、酸化鉄原料及び還元材を含む混合物を成型し、例えばペレットのような塊成化物とする。ここで、塊成化物とは、ペレット、ブリケット、押し出し成型して裁断した成型品、粒度調整された塊状物等の粒状物・塊状物をいう。成型機４は、後述する乾燥・加熱還元後、例えば熱間にて溶解炉７に装入する際、炉内上昇ガス流で飛散しない程度の粒径以上の大きさとなるように、上記混合物を塊成化する。生成された塊成化物は、乾燥炉５へと装入される。
【００３０】
乾燥炉５は、塊成化物を乾燥して、後述する加熱還元工程に適した水分含有率（換言すれば、還元鉄の製造に用いる固体還元炉ごとに適した水分含有率：例えば、１％以下）となるようにする。所定の水分含有率となった塊成化物は、後述する固体還元炉６へと搬送される。
【００３１】
例えば回転炉床炉（Ｒｏｔａｒｙ Ｈｅａｒｔｈ Ｆｕｒｎａｃｅ：ＲＨＦ）、流動床炉、シャフト炉等のような固体還元炉６は、装入された塊成化物を、ＬＮＧバーナーやＣＯＧバーナー等の加熱雰囲気で加熱および還元し、還元鉄とする。固体還元炉は、塊成化物を例えば１０００〜１３００℃程度まで加熱して塊成化物の還元処理を行い、還元鉄を製造する。製造された還元鉄は、溶解炉７に搬送される。溶解炉７では、固体還元炉６で製造された還元鉄を溶解し、溶銑を生成する。生成された溶銑は、脱硫／脱炭工程、二次精錬工程、連続鋳造工程、圧延工程等を経て、各種鉄鋼製品へと加工されることとなる。
【００３２】
以下では、固体還元炉の一例として回転炉床炉を例にとって、説明を行うものとする。しかしながら、本発明の実施形態に係る固体還元炉が、回転炉床炉に限定されるわけではない。
【００３３】
（回転炉床炉について）
続いて、図２を参照しながら、還元鉄の製造方法で用いられる固体還元炉の一例である回転炉床炉について、詳細に説明する。図２は、固体還元炉の一例である回転炉床炉を説明するための説明図である。
【００３４】
回転炉床炉２１は、例えば図２上段に示したように略円柱状の形状を有しており、例えば回転炉床炉２１の上面等に設けられた装入口から塊成化物が装入される。装入された塊成化物は、炉内を周方向に沿って移動しながら加熱・還元されて還元鉄となり、炉内から取り出される。
【００３５】
回転炉床炉２１を周方向に沿って展開した場合の模式図を、図２下段に示す。
回転炉床炉２１の内部には、回転炉床炉２１内を周方向に沿って移動可能な回転炉床２５が設けられている。装入口２７から装入されたブリケットＢは、回転炉床２５上に展開される。ブリケットＢは、熱間レベラー２９によって平坦にならされ、炉内を回転炉床２５の移動に伴って移動していく。ブリケットＢは、移動の過程で、炉壁又は炉上のバーナー３１によって生じた高温燃焼ガスの輻射熱により加熱され、ブリケットＢ中の還元材により酸化鉄原料が還元される。還元された酸化鉄原料である還元鉄は、ディスチャージャー３３により回転炉床炉２１の内部から払い出されることとなる。
【００３６】
回転炉床炉２１内を移動するブリケットＢは、高温燃焼ガスの輻射熱によりブリケットＢの外側から内部に向かって温度が上昇していき、ブリケットの還元反応は、ブリケットの外周から中心部に向かって進行する。この際、ブリケットＢの内部では、ブリケット中に含まれる酸化鉄成分（ＦｅＯやＦｅ２Ｏ３等）がブリケット中に含まれる還元材（炭素Ｃ）により還元され、還元鉄（Ｆｅ）となっていく。
【００３７】
ここで、回転炉床炉２１の内部は、図２下段に示したように、仕切り壁（又は、たれ壁）３５と呼ばれる、炉の天井から突出形成された壁により、複数のゾーンに区分されていることが多い。回転炉床炉２１では、ゾーン毎に、バーナーの熱量や、気体雰囲気や、空気比や、２次空気量等の制御が行われ、還元鉄が製造される。仕切り壁３５の高さ（回転炉床炉２１の天井位置から仕切り壁３５の下端までの高さ）は、回転炉床炉２１の大きさ等に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、回転炉床炉２１の高さに対して２／３程度となるくらいまで、炉天井から突出形成される。従って、仕切り壁３５の底面（炉床と対向する底面）と炉床との間の離隔距離は、回転炉床炉２１の高さに対して、１／３程度となる。
【００３８】
ブリケットの装入口２７の近傍に位置する第１のゾーンおよび第１のゾーンに隣接するゾーンである第２のゾーンは、回転炉床炉２１に装入されたブリケットＢの昇温を主目的とするゾーンである。また、第２のゾーンに連続する第３のゾーン以降は、ブリケットＢの還元を主目的とするゾーンである。ここで、第１のゾーンおよび第２のゾーンを総称して、加熱・還元の最初期と称することとし、第３のゾーン以降を還元期と称することとする。
【００３９】
バーナー３１によって生じた高温燃焼ガスにより、加熱・還元の最初期における塊成化物の温度は、１２００℃程度まで昇温し、還元期以降は、１２００〜１３００℃程度を保持することとなる。
【００４０】
（バーナー加熱とマイクロ波加熱との併用について）
本発明者らは、先に説明したように、操業コストの増加を抑制しながら、塊成化物の加熱ムラの発生を更に抑制可能な方法について鋭意検討を行った結果、バーナーによる加熱とマイクロ波による加熱とを併用することに想到した。
【００４１】
本発明者らは、バーナーによる加熱とマイクロ波による加熱とを併用するために鋭意検討を行った結果、固体還元炉に装入される塊成化物の主たる原料は、マイクロ波を効率良く吸収可能であることが明らかとなった。以下、この点について、式を参照しながら詳細に説明する。
【００４２】
物質に吸収される単位体積あたりのマイクロ波のエネルギーＰａｂｓは、以下の式１１のように表される。以下の式１１を参照するとわかるように、加熱される物質（被加熱物質）に吸収される単位体積あたりのマイクロ波のエネルギーＰａｂｓは、被加熱物質の導電率、誘電率及び透磁率に依存していることがわかる。従って、下記式１１で表されるＰａｂｓは、被加熱物質のマイクロ波の吸収効率に関係する量であるともいえる。
【００４３】
【数１】
【００４４】
ここで、上記式１１において、
σ ：被加熱物質の導電率 ［Ｓ／ｍ］
ｆ ：マイクロ波の周波数 ［Ｈｚ］
ε０：真空中の誘電率 ［Ｆ／ｍ］
ε”：被加熱物質の比誘電率の虚数部
μ０：真空中の透磁率 ［Ｈ／ｍ］
μ”：被加熱物質の比透磁率の虚数部
Ｅ ：マイクロ波により形成される電界強度 ［Ｖ／ｍ］
Ｈ ：マイクロ波により形成される磁界強度 ［Ａ／ｍ］
π ：円周率
である。
【００４５】
以下に、塊成化物の原料となる酸化鉄及び炭素材（還元材）と、一般的に使用される耐火炉材とについて、比誘電率の虚数部ε”の値をまとめて示す。
【００４６】
比誘電率の虚数部ε”
・代表的な耐火炉材であるアルミナ：０．００４〜０．０１
・粉状の炭素粉：１０〜５０
・酸化鉄：０．１〜１０
【００４７】
上記より明らかなように、塊成化物の原料となる酸化鉄及び炭素材は、乾燥炉等において一般的に使用される耐火炉材に対して比誘電率の虚数部ε”の値が大きく、酸化物及び炭素材（還元材）にマイクロ波のエネルギーをより多く吸収させることが可能である。また、酸化鉄及び炭素粉の値に比べ、代表的な耐火炉材であるアルミナの値は、１０００分の１程度の小さな値となっており、耐火炉材は、マイクロ波のエネルギーを多く吸収しないことがわかる。従って、塊成化物が挿入された炉内でマイクロ波を照射した場合、耐火炉材で被覆されている炉壁等へのエネルギー供給は少なく、炉内温度の上昇を抑制したまま原料である塊成化物の温度のみを、効率よく上昇させることが可能となる。
【００４８】
しかしながら、本発明者らが更なる検討を進めた結果、粉塵や、原料から発生した有機ガスの蒸気、金属粒子等といったヒュームが固体還元炉の内部に存在しており、これら粉塵やヒュームが固体還元炉の天井や炉壁に付着することで、本来はマイクロ波吸収特性の低い固体還元炉内の耐火材内張りが、塊成化物原料と同等のマイクロ波吸収特性を有してしまうことが明らかとなった。
【００４９】
従って、固体還元炉の自由空間にマイクロ波を拡散放射させた場合には、加熱対象外である固体還元炉の天井や炉壁にもマイクロ波が吸収されてしまい、塊成化物の加熱に使用されるマイクロ波のエネルギー効率が低下してしまうことが明らかとなった。
【００５０】
また、固体還元炉の炉内に存在する粉塵や、原料から発生した有機ガスの蒸気、金属粒子等といったヒュームが導波管等のマイクロ波導波機構の内部に侵入すると、その内部に存在する高い電界場によりアーク放電が発生する恐れがある。マイクロ波導波機構内で発生するアーク放電は、固体還元炉内へと照射されるマイクロ波エネルギーの低下となるだけでなく、マイクロ波照射装置自体の破損の原因ともなるため、マイクロ波導波機構内でのアーク放電の発生は、避けるべきものである。
【００５１】
そのため、固体還元炉においてマイクロ波加熱をバーナー加熱と併用するためには、原料である塊成化物に対してなるべく多くのマイクロ波を吸収させるマイクロ波導波機構が必要となり、また、粉塵やヒューム等が存在する中でマイクロ波を照射するためには、導波機構の耐熱・防塵機構が重要になる。
【００５２】
これらの点について、本発明者らが検討した結果、マイクロ波導波機構を塊成化物原料に近接させることで、上記式１１の電界強度が高い状態でマイクロ波を塊成化物原料に照射することが有効であることに想到した。このような方法で炉床に敷き詰められた塊成化物原料全てを加熱するためには、複数のマイクロ波導波機構（例えば、導波管等）を用いることが求められる。また、〜１３００℃という雰囲気下でマイクロ波導波機構を炉内に設けるためには、マイクロ波導波機構の耐火物による耐熱保護も重要であることに想到した。
【００５３】
以上のような観点から本発明者らが鋭意検討を行った結果、以下で説明するような本発明の実施形態に係る固体還元炉に想到した。
【００５４】
（使用するマイクロ波について）
続いて、本発明の実施形態に係る固体還元炉に用いられるマイクロ波について、簡単に説明する。
【００５５】
マイクロ波は、一般的には、波長１ｍｍ〜１ｍ、周波数３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの電磁波をいう。しかしながら、本実施形態に係る固体還元炉で着目しているように、マイクロ波を加熱手段として用いる（いわゆるマイクロ波加熱を行う）場合には、マイクロ波とは、いわゆるＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ−Ｓｃｉｅｎｃｅ−Ｍｅｄｉｃａｌ）バンドに属する周波数帯域の電磁波を指す。
【００５６】
以下で説明する本発明の実施形態では、ＩＭＳバンドに属する周波数を有する電磁波であれば特に限定されず、例えば、２．４５ＧＨｚ帯（２．４０ＧＨｚ〜２．５０ＧＨｚ）、５．８ＧＨｚ帯（５．７２５ＧＨｚ〜５．８７５ＧＨｚ）、及び、２４ＧＨｚ帯（２４．０ＧＨｚ〜２４．２５ＧＨｚ）に属する周波数等を適宜選択することが可能である。しかしながら、マイクロ波の被加熱物内部への浸透はマイクロ波の波長に比例するため、上記ＩＳＭバンドのマイクロ波では、２．４５ＧＨｚ帯の浸透深さが一番大きくなり、数少ない導波管の本数で、固体還元炉全幅にわたって塊成化物の加熱を行うことができる。また、２．４５ＧＨｚは電子レンジやその他のマイクロ波加熱に広く用いられており装置が安価である点や、発振機１台で数十ｋＷまでの大出力の放射が可能である点などから、ｋＷクラスの大出力が求められる本発明の設備コストとしても、他の２種の周波数の装置よりも安価に導入することができる。このため、本発明に用いるＩＳＭバンドのマイクロ波装置としては、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振可能なものが好ましい。
【００５７】
（マイクロ波乾燥装置の構成について）
次に、図３を参照しながら、本発明の実施形態に係るマイクロ波照射装置の構成について、詳細に説明する。図３は、本発明の実施形態に係るマイクロ波照射装置の構成を説明するための説明図である。
【００５８】
本発明の実施形態に係るマイクロ波照射装置１００は、酸化鉄原料と還元材とを混合して成形した塊成化物を、バーナー及び炉壁からの輻射熱により加熱して還元鉄を製造する固体還元炉に対して利用されるものである。
【００５９】
本発明の実施形態に係るマイクロ波照射装置１００は、図３に示したように、マイクロ波発振機１０１と、サーキュレータ１０３と、自動整合器１０７と、マイクロ波照射部材１０９と、を主に備え、これらの機器が導波管１１１により接続されている。なお、図３では、マイクロ波照射部材１０９や導波管１１１等といった各部材を支持する支持機構は、図示していない。
【００６０】
マイクロ波発振機１０１は、例えばＩＳＭバンドに属する周波数を有するマイクロ波を発振する機器である。このマイクロ波発振機１０１は、ｋＷクラスの出力を有するマイクロ波を発振可能な機器であることが好ましい。このマイクロ波発振機１０１により、例えば２．４５ＧＨｚ帯に属する周波数のマイクロ波が、後述するサーキュレータ１０３へと出力されることとなる。このマイクロ波発振機１０１は、公知のものを適宜選択して使用することが可能である。
【００６１】
サーキュレータ１０３は、例えば磁石を利用したマイクロ波の進行制御を行うことで、サーキュレータ１０３に入力されるマイクロ波を、マイクロ波発振機１０１から出力された入射波と、後述する自動整合器１０７側から戻ってきた反射波とに分離する。サーキュレータ１０３は、分離した入射マイクロ波を後述する自動整合器１０７側へと導波するとともに、反射マイクロ波を、アイソレータ１０５の側へと導波する。これにより、反射マイクロ波は、アイソレータ１０５内に設けられたダミー負荷（例えば、水など）に吸収され、マイクロ波発振機１０１側に戻らないようにすることができる。このようなサーキュレータ１０３を設けることにより、本発明の実施形態に係るマイクロ波照射装置１００では、安定したマイクロ波の出力を行うことができる。このサーキュレータ１０３は、公知のものを適宜選択して使用することが可能である。
【００６２】
自動整合器１０７は、入射側のインピーダンスと、負荷側（すなわち、塊成化物からなる原料層側）のインピーダンスとの整合を取ることで負荷側からの反射波を低減し、反射波をほぼゼロとする機器である。この自動整合器１０７は、反射電界の位相及び強度を測定し、インピーダンス整合を自動で行うことで、上記のような反射波の低減を実現する。自動整合器１０７を設けて負荷側のインピーダンスにあわせた自動整合処理を実現することで、後述するマイクロ波照射部材１０９から、マイクロ波エネルギーを、安定して効率良く塊成化物に照射することが可能となる。
【００６３】
マイクロ波照射部材１０９は、バーナーによる輻射熱を利用した固体還元炉６に装入された塊成化物に対してマイクロ波を照射する部材である。このマイクロ波照射部材１０９には、マイクロ波照射部材１０９の先端（固体還元炉６内に設けられた開口部）から炉内に存在する粉塵やヒュームが逆流してこないように、ドライエアあるいは窒素、アルゴン等の不活性ガスが、所定の流量・流速となるように供給される。この場合、マイクロ波照射部材１０９内に供給されるドライエアや不活性ガスは、固体還元炉６の内部の温度低下を防止するために、加熱されたガスとすることが好ましい。また、マイクロ波照射部材１０９と自動整合器１０７とを連結する導波管１１１には、炉内に存在する粉塵やヒュームが自動整合器１０７に流入しないように、防塵ガラスが設けられる。
【００６４】
このようなマイクロ波照射部材１０９としては、公知のあらゆるものを利用することが可能であるが、以下では、マイクロ波照射部材１０９として断面矩形状の導波管を用いる場合を例に挙げて、説明を行うものとする。
【００６５】
導波管１１１は、マイクロ波を導波して所望の箇所へと導く管である。この導波管１１１の形状については、マイクロ波の導波特性等を考慮して適宜決定すればよく、導波管１１１自体についても、使用するマイクロ波の周波数や出力強度等に応じて、公知のものを適宜選択することができる。
【００６６】
（第１の実施形態）
＜固体還元炉の構成について＞
以下では、図４〜図１３を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る固体還元炉の構成について、詳細に説明する。図４〜図７、図９〜図１１は、本実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。図８は、マイクロ波照射口から照射されるマイクロ波の電界強度について示した説明図である。図１２及び図１３は、本実施形態に係る導波管の冷却機構を説明するための説明図である。
【００６７】
本実施形態に係る固体還元炉６は、図２に示した回転炉床炉２１のようなバーナー及び炉壁からの輻射熱による加熱を利用した固体還元炉に対して、炉床の進行方向（すなわち、塊成化物の進行方向）に沿って１又は複数のマイクロ波照射部材（導波管）１０９が挿入されたものである。以下では、マイクロ波照射部材である導波管１０９が、固体還元炉６の天井から挿入された場合について詳細に説明するが、導波管１０９は、固体還元炉６の側壁から炉内に向けて挿入されていてもよく、固体還元炉６の天井及び側壁の双方から挿入されていてもよい。
【００６８】
ここで、先だって説明したように、固体還元炉６の内部には、塊成化物原料に起因する粉化粉塵や、金属粒子や有機ガス蒸気（ヒューム）が存在しているため、これらの粉塵やヒュームが導波管１０９の内部に侵入すると、アーク放電が発生する可能性が高くなる。このような粉塵やヒューム等（以下、粉塵等ともいう。）の導波管内部への侵入を防止するために、導波管１０９の先端部（炉内に設けられた端部）に防塵板としてＡｌ２Ｏ３、ガラス、ガラスファイバ等の耐火セラミックスを貼り付けて、導波管の先端を閉塞することが考えられる。しかしながら、このように先端部が閉塞された導波管を長期間使用すると、炉内の粉塵等が防塵板表面に付着してしまう。一方で、導波管の先端部はマイクロ波の電界強度が強い状態であるため、粉塵等の汚れが付着した防塵板表面でマイクロ波の吸収が発生し、防塵板が加熱により溶損してしまう可能性がある。
【００６９】
そこで、本実施形態に係る固体還元炉６では、防塵板への炉内粉塵等の付着・積層によるマイクロ波吸収発生を抑制するために、導波管１０９の先端に上記のような防塵板は敷設せず、導波管１０９の先端は、開口端としている。更に、導波管の開口端から粉塵等の侵入を防止するために、導波管１０９の内部には、先述のように、ドライエア又は窒素、アルゴン等の不活性ガスを防塵ガスとして流し、導波管先端から適度なガス流が炉内に向けて噴射されるようにしている。
【００７０】
また、図４では、炉床進行方向に沿って６つの導波管１０９が挿入されている場合を図示しているが、炉床進行方向に沿って挿入される導波管１０９の列数は図４に示した例に限定されるわけではなく、任意の数に設定することができる。また、図２に示したような複数のゾーンからなる固体還元炉のどのゾーンに導波管１０９を設置するかについても、特に限定されるわけではなく、任意のゾーンに設置することが可能である。
【００７１】
図５及び図６は、固体還元炉６に挿入されたある導波管１０９の開口端付近を拡大して示した図である。
本実施形態に係る導波管１０９では、図５に示したように、導波管１０９の外周に冷却機構１５１が設けられており、冷却機構１５１の外周に断熱性の耐火材（断熱耐火材）１５３が設けられている。
【００７２】
本実施形態に係る導波管１０９は、マイクロ波を導波することが可能なものであれば、任意の金属を用いて形成することが可能であるが、導波管１０９に用いることが可能な金属は、約３５０℃超過の高温環境では強度が低下する可能性がある。そのため、本実施形態に係る固体還元炉６では、冷却機構１５１により導波管１０９を冷却（水冷）して、導波管１０９の温度が約３５０℃以下となるようにする。このような冷却機構１５１の例としては、冷却水を通水させるための水冷配管を挙げることができる。なお、この冷却機構１５１については、以下で改めて詳細に説明する。
【００７３】
導波管１０９及び冷却機構１５１の周囲には、所定の断熱耐火材１５３が配設されている。この断熱耐火材１５３は、固体還元炉６の炉内温度を導波管１０９及び冷却機構１５１に伝導することや、導波管１０９及び冷却機構１５１が炉内の腐食雰囲気により腐食することを防止するとともに、冷却機構１５１により、固体還元炉６の内部温度が低下しないようにするものである。
【００７４】
固体還元炉６の炉内では、図５及び図６に示したように、炉床上に装入された塊成化物が炉床の移動に伴って炉内を移動していくとともに、炉床進行方向とは逆方向にガス流れが生じている。そのため、この炉内のガス流れに乗って粉塵等が導波管１０９の開口端から導波管内部へと侵入することを防止するために、図５及び図６に示したように、導波管１０９の開口端を含む底面を、炉床進行方向に沿って下降するように傾斜している傾斜面としてもよい。
【００７５】
また、本実施形態に係る固体還元炉６では、図５に示したように、導波管１０９の炉床進行方向下流側に防風部材１５５を設置して、導波管１０９や、導波管１０９の最外周に位置する断熱耐火材１５３に対して、炉内のガス流れが直接当たらないようにしてもよい。この防風部材１５５としては、固体還元炉６の内部で使用することが可能な耐火材等により形成された防風板や防風壁を挙げることができる。また、防風部材１５５の下端の位置を、導波管１０９の下端の位置よりも更に炉床側へと下げることによって、炉内のガス流れに乗って粉塵等が導波管１０９の開口端から導波管内部へと侵入することを防止することが可能となる。
【００７６】
なお、例えば図６に示したように、炉床進行方向下流側に設けられる断熱耐火材１５３の長さを導波管１０９の長さよりも長く設定し、下流側の断熱耐火材１５３の下端の位置を、導波管１０９の下端の位置よりも更に炉床側へと下げることによって、図５に示したような防風部材１５５を設ける場合と同様の効果を奏することが可能となる。
【００７７】
ここで、図５に示したような導波管１０９と防風部材１５５との離隔距離ｄや、図５及び図６に示した防風部材１５５又は断熱耐火材１５３の下げ量Ｌや、傾斜面の傾斜角θ等といった値は、固体還元炉６の大きさや操業条件等に応じて変化するものであり、特に限定されるわけではない。これらの値は、各種の事前実験やシミュレーション等を実施して、導波管内への粉塵等の侵入がマイクロ波の照射に支障の無い値（すなわち、アーク放電等が生じないような値）に設定すればよい。
【００７８】
また、本実施形態に係る固体還元炉６では、例えば図７に示したように、固体還元炉６の炉幅方向に沿って、複数の導波管１０９が配設されていてもよい。固体還元炉６の炉幅方向に沿って複数の導波管１０９を配設することで、炉幅方向全体にわたって塊成化物を均一に加熱することが可能となる。なお、炉幅方向に沿って複数の導波管１０９を配設する場合には、複数の導波管１０９を炉幅方向に沿って等間隔に配設することが好ましい。炉幅方向に沿って複数の導波管１０９を等間隔に配設することで、炉幅方向全体にわたって塊成化物を更に均一に加熱することが可能となる。
【００７９】
各導波管１０９の開口部から放射されるマイクロ波の電界強度は、図７下段に示したように、所定の広がりを持って分布している。ここで、上記式１１からも明らかなように、塊成化物原料に吸収されるマイクロ波の量は、電界強度Ｅの２乗に比例する。従って、塊成化物原料をなるべく炉幅方向に均一に加熱するのであれば、各導波管１０９から放射されるマイクロ波の電界強度分布Ｅ２の和の炉幅方向の変動が、２倍を超えない程度とすることが好ましい。
【００８０】
ここで、各導波管１０９から放射されるマイクロ波の電界強度分布Ｅ２の和を考えるにあたっては、図８に示したような正規化された電界強度分布を考える。図８に示したグラフ図は、塊成化物表面での電界強度の２乗の和の分布を示したものであり、縦軸は、正規化された電界強度の２乗の和に対応し、横軸は、炉幅方向位置を表している。実効的には、着目する導波管１０９から２つ離れた場所に位置する導波管１０９からの電界強度の影響はさほど大きくないため、着目する導波管１０９と、この導波管１０９に隣接する導波管１０９との和を考慮すればよい。このようにして電界強度Ｅ２の和を考えると、各導波管１０９から放射されるマイクロ波の電界強度Ｅ２の和は、図８に実線で示したような分布となる。
【００８１】
炉幅方向に沿って、電界強度Ｅ２の和の変動が２倍を超えない（換言すれば、電界強度Ｅ２の変動が±２５％以下）であるためには、隣り合う導波管１０９の中間位置（図８における位置ａ）の電界強度（時間平均強度）が、導波管１０９の直下（図８における位置ｂ）の電界強度の５０％以上であればよい。このような条件が満たされることで、例えば図８に示したように、電界強度Ｅ２の和の分布は、強度０．７５の位置を中心として、±２５％以下の範囲に電界強度が存在することとなる。この条件を満足するように、炉幅方向に隣り合う導波管１０９の離隔距離を決定することで、炉幅方向の全体にわたって塊成化物を均等に均一に加熱することが可能となる。
【００８２】
なお、炉幅方向に隣り合う導波管１０９の離隔距離は、実際の固体還元炉６の寸法や、導波管１０９の寸法等に応じて、事前の実験により決定することができる。また、炉幅方向に隣り合う導波管１０９の離隔距離は、実際の固体還元炉６の寸法や、導波管１０９の寸法等を利用して、離隔距離をパラメータとして変化させながら、上記非特許文献１に示したような公知の有限要素法に基づく電界強度シミュレーションを行うことで、決定することができる。すなわち、隣り合う導波管１０９の離隔距離を変えながら、以下の式１２で表されるヘルムホルツ方程式を有限要素法により解析し、上記のような条件を満足する離隔距離を決定すればよい。
【００８３】
【数２】
【００８４】
また、炉天井から挿入される導波管１０９の挿入深さ（図４や図７における長さｈ）は、上記式１２を用いた有限要素法に基づく電界強度シミュレーションを利用して、例えば側壁方向に回り込むマイクロ波の強度が少なくなるような（換言すれば、側壁に吸収されるマイクロ波エネルギーが少なくなるような）値を決定すればよい。また、上記挿入深さは、固体還元炉６の内部に設けられた仕切り壁３５の高さに応じて決定してもよく、この場合には、導波管１０９の挿入深さは、最大でも仕切り壁３５の高さと同じ程度となるように設定することができる。
【００８５】
なお、固体還元炉６の幅方向に設けられる導波管１０９の個数は、図７に示した例では５個となっているが、固体還元炉６の幅方向に設けられる導波管１０９の個数は、上記の例に限定されるわけではない。固体還元炉６の幅方向に設けられる導波管１０９の個数は、固体還元炉や導波管のサイズや、上記離隔距離等に応じて、適宜決定すればよい。
【００８６】
また、本実施形態に係る固体還元炉６では、上記のような冷却機構１５１及び断熱耐火材１５３を備えた導波管１０９を、固体還元炉の炉床進行方向及び炉幅方向の双方に沿って配設してもよい。この場合、冷却機構１５１及び断熱耐火材１５３を備えた複数の導波管１０９を、炉床進行方向及び炉幅方向に沿って格子状に配設してもよいし、図９に示したように、千鳥配置となるように配設してもよい。導波管１０９を格子状に配置したり千鳥配置したりすることで、固体還元炉６の内部を移動する塊成化物を更に均一に加熱することが可能となる。
【００８７】
ここで、断面矩形状の導波管では、矩形状の断面を考えた場合に、長辺に対応する面と短辺に対応する面の２種類の面を考えることができる。ここで、長辺に対応する面は、Ｅ面（電界面）と呼ばれており、短辺に対応する面は、Ｈ面（磁界面）と呼ばれている。断面矩形状の方形導波管から放射されたマイクロ波は、Ｅ面の法線方向に広がり易いという性質を有している。
【００８８】
図９に示した例では、複数の導波管１０９では、各導波管１０９のＥ面は炉幅方向に対して平行となるように配設され、各導波管１０９のＨ面は炉床進行方向に対して平行となるように配設されている。しかしながら、本実施形態に係る固体還元炉６では、隣り合う導波管１０９のＥ面が互いに対向するように導波管１０９を配設してもよい。また、本実施形態に係る固体還元炉６では、図１０に示したように、炉幅方向に沿って互いに隣り合う導波管１０９の向きが直交するように（換言すれば、隣り合う一方の導波管１０９のＥ面と、もう一方の導波管１０９のＨ面と、が対向するように）、導波管１０９を配設してもよい。図１０に示したように、Ｅ面とＨ面とを交互に配置することで、各導波管１０９から放射されるマイクロ波における干渉発生を抑制することができる。各導波管１０９から放射されるマイクロ波に干渉が発生した場合、干渉によって電界強度が高くなる部分と低くなる部分とが発生するため、加熱ムラが大きく発生する可能性が高くなる。従って、図１０に示したように導波管１０９を配置して干渉の発生を抑制することにより、加熱ムラの発生を抑制することが可能となる。
【００８９】
なお、図１０に示したように、導波管１０９の向きが直交するように導波管１０９を配置する場合であっても、図８と同様にして各導波管１０９から放射される電界強度Ｅの分布を考慮し、電界強度Ｅの２乗の和の炉幅方向の変動が２倍を超えないように、炉幅方向に沿った導波管１０９の間隔を決定することができる。
【００９０】
また、炉内のガス流れの状態を複雑化させることなく、炉幅方向にわたって均一な加熱を行うために、例えば図１１に示したように、導波管１０９を原料の進行方向にほぼ一列に沿って配置してガスの通路を確保しつつ、導波管１０９の開口部を様々な方向に向けて設置してもよい。すなわち、図１１に例示したように、導波管１０９の開口端が炉床進行方向の上流に向いているもの、導波管１０９の開口端が炉床進行方向の上流に対して右側に向いているもの、及び、導波管１０９の開口端が炉床進行方向の上流に対して左側に向いているもの、を固体還元炉６内に設置してもよい。導波管１０９の開口端の向きが図１１に示したように様々な方向に向いていることで、開口端から照射されるマイクロ波も、図中に矢印で示したように様々な方向に向かって照射されることとなる。その結果、塊成化物を炉幅方向にわたって更に均一に加熱することが可能となる。
【００９１】
なお、開口端が炉床進行方向を向いているもの、開口端が右側に向いているもの、開口端が左側に向いているもの、をどのように設置するかは、適宜設定することが可能であるが、例えば図１１に例示したように、炉床進行方向に沿って隣り合う導波管１０９の開口端の向きは、互いに異なっていることが好ましい。
【００９２】
続いて、図１２及び図１３を参照しながら、本実施形態に係る導波管１０９に設けられる冷却機構１５１について、簡単に説明する。
【００９３】
図１２は、導波管１０９のうちの１本を、冷却配管１５１と共に導波管周方向に展開した場合の展開図である。
本実施形態に係る冷却機構（例えば水冷配管）１５１は、図１２に示したように、例えば、導波管の高さ方向に沿って導波管１０９の外周にジグザグに配設されていてもよく、導波管の周方向に沿ってラセン状に巻き付けられていてもよい。
【００９４】
水冷配管等の冷却機構１５１の外周には、図９等に示したように断熱耐火材１５３が設けられる。このような断熱耐火材１５３を設けることで、冷却機構１５１を炉内雰囲気から遮断するとともに、冷却機構１５１によって炉内温度が低下することを防止する。
【００９５】
本実施形態では、冷却機構１５１を備えた導波管１０９に対して、冷却機構１５１の外周に更に断熱耐火材１５３を敷設する作業が行われることとなるが、このような断熱耐火材１５３の敷設方法については、公知の方法を適宜利用することが可能である。このような断熱耐火材１５３の敷設方法として、例えば図１３に示した方法を用いることが可能である。
【００９６】
すなわち、冷却機構（例えば水冷配管）１５１の外周に、まず、公知の断熱シートを配設したうえで、断熱シートの更に外周に、公知の背面断熱材を配設する。その上で、各種のステンレス（例えば、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３０４等）を用いたスタッドをアンカーとして断熱シート及び背面断熱材に差し込んで敷設する。このようなスタッドとしては、図１３に示したようなＹスタッドを用いてもよいし、Ｖスタッドを用いてもよい。その上で、スタッドの敷設された背面断熱材状に、断熱性を有する耐火材を敷設する。固体還元炉６の内部は還元雰囲気となっているため、用いる耐火材は、アルカリ腐食性に優れた不定形耐火物を用いることが好ましい。このような不定形耐火物としては、例えば、ＣＡ６と呼ばれるＣａＯ・６Ａｌ２Ｏ３等を用いることができる。
【００９７】
以上、図１２及び図１３を参照しながら、本実施形態に係る導波管１０９に設けられる冷却機構について、簡単に説明した。
【００９８】
以上説明したように、本実施形態に係る固体還元炉６では、塊成化物を加熱するためのマイクロ波を導波するものであり、固体還元炉の内部に位置する端部が開口端となっている１又は複数の導波管１０９が、固体還元炉の内部に挿入されており、各導波管１０９の外周には、導波管を水冷する冷却機構１５１が設けられており、冷却機構１５１の外周には、断熱耐火材１５３が配設されている。また、導波管１０９の開口端からは、マイクロ波が照射されるとともに、エア又は不活性ガスからなる防塵ガスが放出されている。この開口端から塊成化物に向けてマイクロ波が照射されることにより、塊成化物の近傍からマイクロ波を照射することが可能となり、アーク放電の発生を抑制しながら塊成化物に対して効率良くマイクロ波を照射することができる。その結果、固体還元炉における加熱効率を更に向上させることが可能となる。
【００９９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１００】
例えば、鉄鉱石や製鉄ダスト等の酸化鉄粉と、炭材等の還元材とを混合した塊成化物を加熱して、固体状金属鉄を得る固体還元の機能のみを有する固体還元炉のみならず、固体還元の機能と、金属鉄とスラグの分離の機能と、を併せ持つ炉についても、本発明の技術的範囲に属するものである。
【符号の説明】
【０１０１】
６ 固体還元炉
１００ マイクロ波照射装置
１０１ マイクロ波発振機
１０３ サーキュレータ
１０５ アイソレータ
１０７ 自動整合器
１０９ マイクロ波照射部材（導波管）
１５１ 冷却機構
１５３ 断熱耐火材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体還元炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気炉による鋼材の製造が盛んになるにつれ、その主原料であるスクラップの需要は逼迫し、電気炉での高級鋼製造に対する要請から還元鉄の需要が増大しつつある。
【０００３】
還元鉄を製造するプロセスの一つとして、粉状の鉄鉱石と、粉状の石炭やコークス等の炭材とを混合して、例えばペレットやブリケットのような塊成化物とし、この塊成化物を回転炉床炉に装入して高温に加熱することで、鉄鉱石中の酸化鉄を還元して固体状金属鉄を得る方法がある（例えば、以下の特許文献１〜４を参照。）。
【０００４】
上述のような方法において、回転炉床の加熱には一般的にバーナーが用いられ、還元鉄の原料である塊成化物は、バーナー及び回転炉床炉の炉壁からの輻射熱によって、外部から伝熱的に加熱される。そのため、炉床上で原料が重なった部位では、裏面側の加熱が不足することとなって、塊成化物全体として不均一な還元となり、平均還元率が低下することとなる。
【０００５】
ここで、鉄酸化物と炭素質物質からなる原料の還元反応等に必要な熱は、まず、炉床上部に位置する空間部でのバーナー燃焼による輻射加熱によって原料層上面に供給された後、原料層内の伝導伝熱によって原料層の下部へと供給されることとなる。従って、生産性を増大させるために原料層の厚みを厚くすると、原料層の下部への伝熱が遅れることとなって層下部の還元速度が低下し、滞留時間が長くなるにもかかわらず、生産性が低下する結果となる。
【０００６】
また、近年では、塊成化物の加熱を、バーナーではなく、マイクロ波の照射により行う技術も提案されるようになってきている（以下の特許文献５を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２４８３５９号公報
【特許文献２】特開平１１−３１０３８２号公報
【特許文献３】特開２００４−３１５８５２号公報
【特許文献４】特開２０１１−１１２３４０号公報
【特許文献５】特開２００８−２１４７１５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】村瀬陽一、高島宏、中野英樹、越地耕二、周英明、窪田哲男、「電子レンジキャビティ内における電磁界分布」、信学技報、社団法人 電子情報通信学会、１９９６年２月、ＭＷ９５−２０１、６７−７２ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献５に記載の方法では、同文献に記載されているように、照射すべきマイクロ波の電力量は、塊成塊１トンあたり１００〜２００ｋＷｈとする必要がある。しかしながら、マイクロ波発振装置の出力は、一般的に１００ｋＷ／台程度が工業的に使用可能な上限であって、マイクロ波単独で、１日に数十トンもの大量の生産量を要求される塊成化物の加熱・還元処理を行うことは、極めて困難である。
【００１０】
そのため、本発明者らは、操業コストの増加を抑制しながら、塊成化物の加熱ムラの発生を更に抑制可能な方法について鋭意検討を行った結果、バーナーによる加熱とマイクロ波による加熱とを併用することに想到した。
【００１１】
本発明者らは、バーナーによる加熱とマイクロ波による加熱とを併用するために鋭意検討を行った結果、固体還元炉に装入される塊成化物の主たる原料は、マイクロ波を効率良く吸収可能であることが明らかとなった。しかしながら、更なる検討を進めた結果、以下で説明するように、固体還元炉の内部環境に起因して、固体還元炉の自由空間にマイクロ波を拡散放射させた場合には加熱対象外である固体還元炉の天井や側壁部にもマイクロ波が吸収されてしまい、塊成化物の加熱に使用されるマイクロ波のエネルギー効率が低下してしまうことが明らかとなった。
【００１２】
以上のような理由から、本発明者らは、固体還元炉においてマイクロ波による加熱をバーナーによる加熱と併用する場合には、固体還元炉へのマイクロ波の照射方法が重要であることに想到した。
【００１３】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、固体還元炉の内部に対してマイクロ波を効率良く照射することが可能な、固体還元炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、酸化鉄原料と還元材とを混合して成形した塊成化物を、バーナー及び炉壁からの輻射熱により加熱して還元鉄を製造する固体還元炉において、前記固体還元炉の内部に挿入された、前記塊成化物を加熱するためのマイクロ波を導波する１又は複数の導波管と、それぞれの前記導波管の外周に設けられ、前記導波管を水冷する冷却機構と、前記冷却機構の外周に設けられる断熱耐火材と、を備え、前記導波管の前記固体還元炉の内部に位置する端部は、開口端となっており、前記導波管の前記開口端からエア又は不活性ガスが放出される固体還元炉が提供される。
【００１５】
前記導波管の前記開口端を含む底面は、前記塊成化物の進行方向に向かって下降するように傾斜している傾斜面であってもよい。
【００１６】
前記固体還元炉の内部には、前記導波管の前記塊成化物の進行方向下流側に、前記固体還元炉の内部を流れる炉内ガス流が前記導波管に当たることを防止する防風部材が設けられていてもよい。
【００１７】
前記塊成化物の進行方向下流側に設けられた前記断熱耐火材の下端の位置が、前記導波管の前記開口端を含む底面の位置よりも前記回転炉床炉の炉床側に位置していてもよい。
【００１８】
前記固体還元炉の内部には、前記塊成化物の進行方向に複数の導波管が挿入されており、前記導波管として、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に向いているもの、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に対して右側に向いているもの、及び、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に対して左側に向いているもの、がそれぞれ設けられてもよい。
【００１９】
前記塊成化物の進行方向に隣り合う前記導波管の前記開口端の向きは、互いに異なっていてもよい。
【００２０】
前記固体還元炉では、当該固体還元炉の炉幅方向に隣り合う一方の前記導波管のＥ面と、もう一方の前記導波管のＨ面と、が対向するように、前記炉幅方向に沿って複数の前記導波管が配設されてもよい。
【００２１】
前記固体還元炉の炉幅方向に沿って配設された前記導波管の１組が、更に前記塊成化物の進行方向に沿って複数組配設されており、互いに隣り合う２組の前記導波管の配置は、千鳥配置となっていてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように本発明によれば、炉内に配置される端部が開口端となった導波管を固体還元炉の内部に挿入し、導波管からエア又は不活性ガスを放出することにより、固体還元炉の内部に対してマイクロ波を効率良く照射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一般的な還元鉄の製造方法の流れについて示した説明図である。
【図２】固体還元炉の一例である回転炉床炉を説明するための説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波照射装置の構成を示した説明図である。
【図４】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図５】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図６】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図７】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図８】マイクロ波照射口から照射されるマイクロ波の電界強度について示した説明図である。
【図９】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図１０】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図１１】同実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。
【図１２】同実施形態に係る導波管の冷却機構を説明するための説明図である。
【図１３】同実施形態に係る導波管の冷却機構を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２５】
（還元鉄の製造工程について）
本発明の実施形態に係る固体還元炉及び固体還元炉について説明するに先立ち、まず、図１を参照しながら、一般的な還元鉄の製造工程について、詳細に説明する。図１は、一般的な還元鉄の製造工程を説明するための説明図である。
【００２６】
まず、製鉄ダスト（酸化鉄粉）及び鉄鉱石、粉鉱石などの酸化鉄原料と、石炭、コークス、微粒カーボン等の還元材とは、予めホッパー１等に格納されている。酸化鉄原料及び還元材は、予め設定された配合比となるように配合されて、粉砕機２に装入される。
【００２７】
ボールミル等の振動ミルに代表される粉砕機２は、装入された酸化鉄原料及び還元材を、混合しながら所定の粒径まで粉砕する。粉砕後の酸化鉄原料及び還元材の粒径は、還元鉄の製造に用いられる回転炉床炉、流動床炉、シャフト炉等の固体還元炉に適した値とすることができる。粉砕後の酸化鉄原料及び還元材からなる混合物は、混練機３に運搬される。
【００２８】
混練機３は、粉砕機２により所定の粒径に粉砕された混合物を混練する。また、混練機３は、混合物の混練に際して、還元鉄の製造に用いる固体還元炉に適した水分量となるまで混合物に加水を行う調湿処理を施してもよい。混練機３の一例として、例えば、ミックスマーラー等を挙げることができる。混練機３によって混練された混合物は、成型機４に搬送される。
【００２９】
パンペレタイザー（皿型造粒機）、ダブルロール圧縮機（ブリケット製造機）、押し出し成型機等の成型機４は、酸化鉄原料及び還元材を含む混合物を成型し、例えばペレットのような塊成化物とする。ここで、塊成化物とは、ペレット、ブリケット、押し出し成型して裁断した成型品、粒度調整された塊状物等の粒状物・塊状物をいう。成型機４は、後述する乾燥・加熱還元後、例えば熱間にて溶解炉７に装入する際、炉内上昇ガス流で飛散しない程度の粒径以上の大きさとなるように、上記混合物を塊成化する。生成された塊成化物は、乾燥炉５へと装入される。
【００３０】
乾燥炉５は、塊成化物を乾燥して、後述する加熱還元工程に適した水分含有率（換言すれば、還元鉄の製造に用いる固体還元炉ごとに適した水分含有率：例えば、１％以下）となるようにする。所定の水分含有率となった塊成化物は、後述する固体還元炉６へと搬送される。
【００３１】
例えば回転炉床炉（Ｒｏｔａｒｙ Ｈｅａｒｔｈ Ｆｕｒｎａｃｅ：ＲＨＦ）、流動床炉、シャフト炉等のような固体還元炉６は、装入された塊成化物を、ＬＮＧバーナーやＣＯＧバーナー等の加熱雰囲気で加熱および還元し、還元鉄とする。固体還元炉は、塊成化物を例えば１０００〜１３００℃程度まで加熱して塊成化物の還元処理を行い、還元鉄を製造する。製造された還元鉄は、溶解炉７に搬送される。溶解炉７では、固体還元炉６で製造された還元鉄を溶解し、溶銑を生成する。生成された溶銑は、脱硫／脱炭工程、二次精錬工程、連続鋳造工程、圧延工程等を経て、各種鉄鋼製品へと加工されることとなる。
【００３２】
以下では、固体還元炉の一例として回転炉床炉を例にとって、説明を行うものとする。しかしながら、本発明の実施形態に係る固体還元炉が、回転炉床炉に限定されるわけではない。
【００３３】
（回転炉床炉について）
続いて、図２を参照しながら、還元鉄の製造方法で用いられる固体還元炉の一例である回転炉床炉について、詳細に説明する。図２は、固体還元炉の一例である回転炉床炉を説明するための説明図である。
【００３４】
回転炉床炉２１は、例えば図２上段に示したように略円柱状の形状を有しており、例えば回転炉床炉２１の上面等に設けられた装入口から塊成化物が装入される。装入された塊成化物は、炉内を周方向に沿って移動しながら加熱・還元されて還元鉄となり、炉内から取り出される。
【００３５】
回転炉床炉２１を周方向に沿って展開した場合の模式図を、図２下段に示す。
回転炉床炉２１の内部には、回転炉床炉２１内を周方向に沿って移動可能な回転炉床２５が設けられている。装入口２７から装入されたブリケットＢは、回転炉床２５上に展開される。ブリケットＢは、熱間レベラー２９によって平坦にならされ、炉内を回転炉床２５の移動に伴って移動していく。ブリケットＢは、移動の過程で、炉壁又は炉上のバーナー３１によって生じた高温燃焼ガスの輻射熱により加熱され、ブリケットＢ中の還元材により酸化鉄原料が還元される。還元された酸化鉄原料である還元鉄は、ディスチャージャー３３により回転炉床炉２１の内部から払い出されることとなる。
【００３６】
回転炉床炉２１内を移動するブリケットＢは、高温燃焼ガスの輻射熱によりブリケットＢの外側から内部に向かって温度が上昇していき、ブリケットの還元反応は、ブリケットの外周から中心部に向かって進行する。この際、ブリケットＢの内部では、ブリケット中に含まれる酸化鉄成分（ＦｅＯやＦｅ２Ｏ３等）がブリケット中に含まれる還元材（炭素Ｃ）により還元され、還元鉄（Ｆｅ）となっていく。
【００３７】
ここで、回転炉床炉２１の内部は、図２下段に示したように、仕切り壁（又は、たれ壁）３５と呼ばれる、炉の天井から突出形成された壁により、複数のゾーンに区分されていることが多い。回転炉床炉２１では、ゾーン毎に、バーナーの熱量や、気体雰囲気や、空気比や、２次空気量等の制御が行われ、還元鉄が製造される。仕切り壁３５の高さ（回転炉床炉２１の天井位置から仕切り壁３５の下端までの高さ）は、回転炉床炉２１の大きさ等に応じて適宜設定されるものであるが、例えば、回転炉床炉２１の高さに対して２／３程度となるくらいまで、炉天井から突出形成される。従って、仕切り壁３５の底面（炉床と対向する底面）と炉床との間の離隔距離は、回転炉床炉２１の高さに対して、１／３程度となる。
【００３８】
ブリケットの装入口２７の近傍に位置する第１のゾーンおよび第１のゾーンに隣接するゾーンである第２のゾーンは、回転炉床炉２１に装入されたブリケットＢの昇温を主目的とするゾーンである。また、第２のゾーンに連続する第３のゾーン以降は、ブリケットＢの還元を主目的とするゾーンである。ここで、第１のゾーンおよび第２のゾーンを総称して、加熱・還元の最初期と称することとし、第３のゾーン以降を還元期と称することとする。
【００３９】
バーナー３１によって生じた高温燃焼ガスにより、加熱・還元の最初期における塊成化物の温度は、１２００℃程度まで昇温し、還元期以降は、１２００〜１３００℃程度を保持することとなる。
【００４０】
（バーナー加熱とマイクロ波加熱との併用について）
本発明者らは、先に説明したように、操業コストの増加を抑制しながら、塊成化物の加熱ムラの発生を更に抑制可能な方法について鋭意検討を行った結果、バーナーによる加熱とマイクロ波による加熱とを併用することに想到した。
【００４１】
本発明者らは、バーナーによる加熱とマイクロ波による加熱とを併用するために鋭意検討を行った結果、固体還元炉に装入される塊成化物の主たる原料は、マイクロ波を効率良く吸収可能であることが明らかとなった。以下、この点について、式を参照しながら詳細に説明する。
【００４２】
物質に吸収される単位体積あたりのマイクロ波のエネルギーＰａｂｓは、以下の式１１のように表される。以下の式１１を参照するとわかるように、加熱される物質（被加熱物質）に吸収される単位体積あたりのマイクロ波のエネルギーＰａｂｓは、被加熱物質の導電率、誘電率及び透磁率に依存していることがわかる。従って、下記式１１で表されるＰａｂｓは、被加熱物質のマイクロ波の吸収効率に関係する量であるともいえる。
【００４３】
【数１】
【００４４】
ここで、上記式１１において、
σ ：被加熱物質の導電率 ［Ｓ／ｍ］
ｆ ：マイクロ波の周波数 ［Ｈｚ］
ε０：真空中の誘電率 ［Ｆ／ｍ］
ε”：被加熱物質の比誘電率の虚数部
μ０：真空中の透磁率 ［Ｈ／ｍ］
μ”：被加熱物質の比透磁率の虚数部
Ｅ ：マイクロ波により形成される電界強度 ［Ｖ／ｍ］
Ｈ ：マイクロ波により形成される磁界強度 ［Ａ／ｍ］
π ：円周率
である。
【００４５】
以下に、塊成化物の原料となる酸化鉄及び炭素材（還元材）と、一般的に使用される耐火炉材とについて、比誘電率の虚数部ε”の値をまとめて示す。
【００４６】
比誘電率の虚数部ε”
・代表的な耐火炉材であるアルミナ：０．００４〜０．０１
・粉状の炭素粉：１０〜５０
・酸化鉄：０．１〜１０
【００４７】
上記より明らかなように、塊成化物の原料となる酸化鉄及び炭素材は、乾燥炉等において一般的に使用される耐火炉材に対して比誘電率の虚数部ε”の値が大きく、酸化物及び炭素材（還元材）にマイクロ波のエネルギーをより多く吸収させることが可能である。また、酸化鉄及び炭素粉の値に比べ、代表的な耐火炉材であるアルミナの値は、１０００分の１程度の小さな値となっており、耐火炉材は、マイクロ波のエネルギーを多く吸収しないことがわかる。従って、塊成化物が挿入された炉内でマイクロ波を照射した場合、耐火炉材で被覆されている炉壁等へのエネルギー供給は少なく、炉内温度の上昇を抑制したまま原料である塊成化物の温度のみを、効率よく上昇させることが可能となる。
【００４８】
しかしながら、本発明者らが更なる検討を進めた結果、粉塵や、原料から発生した有機ガスの蒸気、金属粒子等といったヒュームが固体還元炉の内部に存在しており、これら粉塵やヒュームが固体還元炉の天井や炉壁に付着することで、本来はマイクロ波吸収特性の低い固体還元炉内の耐火材内張りが、塊成化物原料と同等のマイクロ波吸収特性を有してしまうことが明らかとなった。
【００４９】
従って、固体還元炉の自由空間にマイクロ波を拡散放射させた場合には、加熱対象外である固体還元炉の天井や炉壁にもマイクロ波が吸収されてしまい、塊成化物の加熱に使用されるマイクロ波のエネルギー効率が低下してしまうことが明らかとなった。
【００５０】
また、固体還元炉の炉内に存在する粉塵や、原料から発生した有機ガスの蒸気、金属粒子等といったヒュームが導波管等のマイクロ波導波機構の内部に侵入すると、その内部に存在する高い電界場によりアーク放電が発生する恐れがある。マイクロ波導波機構内で発生するアーク放電は、固体還元炉内へと照射されるマイクロ波エネルギーの低下となるだけでなく、マイクロ波照射装置自体の破損の原因ともなるため、マイクロ波導波機構内でのアーク放電の発生は、避けるべきものである。
【００５１】
そのため、固体還元炉においてマイクロ波加熱をバーナー加熱と併用するためには、原料である塊成化物に対してなるべく多くのマイクロ波を吸収させるマイクロ波導波機構が必要となり、また、粉塵やヒューム等が存在する中でマイクロ波を照射するためには、導波機構の耐熱・防塵機構が重要になる。
【００５２】
これらの点について、本発明者らが検討した結果、マイクロ波導波機構を塊成化物原料に近接させることで、上記式１１の電界強度が高い状態でマイクロ波を塊成化物原料に照射することが有効であることに想到した。このような方法で炉床に敷き詰められた塊成化物原料全てを加熱するためには、複数のマイクロ波導波機構（例えば、導波管等）を用いることが求められる。また、〜１３００℃という雰囲気下でマイクロ波導波機構を炉内に設けるためには、マイクロ波導波機構の耐火物による耐熱保護も重要であることに想到した。
【００５３】
以上のような観点から本発明者らが鋭意検討を行った結果、以下で説明するような本発明の実施形態に係る固体還元炉に想到した。
【００５４】
（使用するマイクロ波について）
続いて、本発明の実施形態に係る固体還元炉に用いられるマイクロ波について、簡単に説明する。
【００５５】
マイクロ波は、一般的には、波長１ｍｍ〜１ｍ、周波数３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの電磁波をいう。しかしながら、本実施形態に係る固体還元炉で着目しているように、マイクロ波を加熱手段として用いる（いわゆるマイクロ波加熱を行う）場合には、マイクロ波とは、いわゆるＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ−Ｓｃｉｅｎｃｅ−Ｍｅｄｉｃａｌ）バンドに属する周波数帯域の電磁波を指す。
【００５６】
以下で説明する本発明の実施形態では、ＩＭＳバンドに属する周波数を有する電磁波であれば特に限定されず、例えば、２．４５ＧＨｚ帯（２．４０ＧＨｚ〜２．５０ＧＨｚ）、５．８ＧＨｚ帯（５．７２５ＧＨｚ〜５．８７５ＧＨｚ）、及び、２４ＧＨｚ帯（２４．０ＧＨｚ〜２４．２５ＧＨｚ）に属する周波数等を適宜選択することが可能である。しかしながら、マイクロ波の被加熱物内部への浸透はマイクロ波の波長に比例するため、上記ＩＳＭバンドのマイクロ波では、２．４５ＧＨｚ帯の浸透深さが一番大きくなり、数少ない導波管の本数で、固体還元炉全幅にわたって塊成化物の加熱を行うことができる。また、２．４５ＧＨｚは電子レンジやその他のマイクロ波加熱に広く用いられており装置が安価である点や、発振機１台で数十ｋＷまでの大出力の放射が可能である点などから、ｋＷクラスの大出力が求められる本発明の設備コストとしても、他の２種の周波数の装置よりも安価に導入することができる。このため、本発明に用いるＩＳＭバンドのマイクロ波装置としては、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振可能なものが好ましい。
【００５７】
（マイクロ波乾燥装置の構成について）
次に、図３を参照しながら、本発明の実施形態に係るマイクロ波照射装置の構成について、詳細に説明する。図３は、本発明の実施形態に係るマイクロ波照射装置の構成を説明するための説明図である。
【００５８】
本発明の実施形態に係るマイクロ波照射装置１００は、酸化鉄原料と還元材とを混合して成形した塊成化物を、バーナー及び炉壁からの輻射熱により加熱して還元鉄を製造する固体還元炉に対して利用されるものである。
【００５９】
本発明の実施形態に係るマイクロ波照射装置１００は、図３に示したように、マイクロ波発振機１０１と、サーキュレータ１０３と、自動整合器１０７と、マイクロ波照射部材１０９と、を主に備え、これらの機器が導波管１１１により接続されている。なお、図３では、マイクロ波照射部材１０９や導波管１１１等といった各部材を支持する支持機構は、図示していない。
【００６０】
マイクロ波発振機１０１は、例えばＩＳＭバンドに属する周波数を有するマイクロ波を発振する機器である。このマイクロ波発振機１０１は、ｋＷクラスの出力を有するマイクロ波を発振可能な機器であることが好ましい。このマイクロ波発振機１０１により、例えば２．４５ＧＨｚ帯に属する周波数のマイクロ波が、後述するサーキュレータ１０３へと出力されることとなる。このマイクロ波発振機１０１は、公知のものを適宜選択して使用することが可能である。
【００６１】
サーキュレータ１０３は、例えば磁石を利用したマイクロ波の進行制御を行うことで、サーキュレータ１０３に入力されるマイクロ波を、マイクロ波発振機１０１から出力された入射波と、後述する自動整合器１０７側から戻ってきた反射波とに分離する。サーキュレータ１０３は、分離した入射マイクロ波を後述する自動整合器１０７側へと導波するとともに、反射マイクロ波を、アイソレータ１０５の側へと導波する。これにより、反射マイクロ波は、アイソレータ１０５内に設けられたダミー負荷（例えば、水など）に吸収され、マイクロ波発振機１０１側に戻らないようにすることができる。このようなサーキュレータ１０３を設けることにより、本発明の実施形態に係るマイクロ波照射装置１００では、安定したマイクロ波の出力を行うことができる。このサーキュレータ１０３は、公知のものを適宜選択して使用することが可能である。
【００６２】
自動整合器１０７は、入射側のインピーダンスと、負荷側（すなわち、塊成化物からなる原料層側）のインピーダンスとの整合を取ることで負荷側からの反射波を低減し、反射波をほぼゼロとする機器である。この自動整合器１０７は、反射電界の位相及び強度を測定し、インピーダンス整合を自動で行うことで、上記のような反射波の低減を実現する。自動整合器１０７を設けて負荷側のインピーダンスにあわせた自動整合処理を実現することで、後述するマイクロ波照射部材１０９から、マイクロ波エネルギーを、安定して効率良く塊成化物に照射することが可能となる。
【００６３】
マイクロ波照射部材１０９は、バーナーによる輻射熱を利用した固体還元炉６に装入された塊成化物に対してマイクロ波を照射する部材である。このマイクロ波照射部材１０９には、マイクロ波照射部材１０９の先端（固体還元炉６内に設けられた開口部）から炉内に存在する粉塵やヒュームが逆流してこないように、ドライエアあるいは窒素、アルゴン等の不活性ガスが、所定の流量・流速となるように供給される。この場合、マイクロ波照射部材１０９内に供給されるドライエアや不活性ガスは、固体還元炉６の内部の温度低下を防止するために、加熱されたガスとすることが好ましい。また、マイクロ波照射部材１０９と自動整合器１０７とを連結する導波管１１１には、炉内に存在する粉塵やヒュームが自動整合器１０７に流入しないように、防塵ガラスが設けられる。
【００６４】
このようなマイクロ波照射部材１０９としては、公知のあらゆるものを利用することが可能であるが、以下では、マイクロ波照射部材１０９として断面矩形状の導波管を用いる場合を例に挙げて、説明を行うものとする。
【００６５】
導波管１１１は、マイクロ波を導波して所望の箇所へと導く管である。この導波管１１１の形状については、マイクロ波の導波特性等を考慮して適宜決定すればよく、導波管１１１自体についても、使用するマイクロ波の周波数や出力強度等に応じて、公知のものを適宜選択することができる。
【００６６】
（第１の実施形態）
＜固体還元炉の構成について＞
以下では、図４〜図１３を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る固体還元炉の構成について、詳細に説明する。図４〜図７、図９〜図１１は、本実施形態に係る固体還元炉について示した説明図である。図８は、マイクロ波照射口から照射されるマイクロ波の電界強度について示した説明図である。図１２及び図１３は、本実施形態に係る導波管の冷却機構を説明するための説明図である。
【００６７】
本実施形態に係る固体還元炉６は、図２に示した回転炉床炉２１のようなバーナー及び炉壁からの輻射熱による加熱を利用した固体還元炉に対して、炉床の進行方向（すなわち、塊成化物の進行方向）に沿って１又は複数のマイクロ波照射部材（導波管）１０９が挿入されたものである。以下では、マイクロ波照射部材である導波管１０９が、固体還元炉６の天井から挿入された場合について詳細に説明するが、導波管１０９は、固体還元炉６の側壁から炉内に向けて挿入されていてもよく、固体還元炉６の天井及び側壁の双方から挿入されていてもよい。
【００６８】
ここで、先だって説明したように、固体還元炉６の内部には、塊成化物原料に起因する粉化粉塵や、金属粒子や有機ガス蒸気（ヒューム）が存在しているため、これらの粉塵やヒュームが導波管１０９の内部に侵入すると、アーク放電が発生する可能性が高くなる。このような粉塵やヒューム等（以下、粉塵等ともいう。）の導波管内部への侵入を防止するために、導波管１０９の先端部（炉内に設けられた端部）に防塵板としてＡｌ２Ｏ３、ガラス、ガラスファイバ等の耐火セラミックスを貼り付けて、導波管の先端を閉塞することが考えられる。しかしながら、このように先端部が閉塞された導波管を長期間使用すると、炉内の粉塵等が防塵板表面に付着してしまう。一方で、導波管の先端部はマイクロ波の電界強度が強い状態であるため、粉塵等の汚れが付着した防塵板表面でマイクロ波の吸収が発生し、防塵板が加熱により溶損してしまう可能性がある。
【００６９】
そこで、本実施形態に係る固体還元炉６では、防塵板への炉内粉塵等の付着・積層によるマイクロ波吸収発生を抑制するために、導波管１０９の先端に上記のような防塵板は敷設せず、導波管１０９の先端は、開口端としている。更に、導波管の開口端から粉塵等の侵入を防止するために、導波管１０９の内部には、先述のように、ドライエア又は窒素、アルゴン等の不活性ガスを防塵ガスとして流し、導波管先端から適度なガス流が炉内に向けて噴射されるようにしている。
【００７０】
また、図４では、炉床進行方向に沿って６つの導波管１０９が挿入されている場合を図示しているが、炉床進行方向に沿って挿入される導波管１０９の列数は図４に示した例に限定されるわけではなく、任意の数に設定することができる。また、図２に示したような複数のゾーンからなる固体還元炉のどのゾーンに導波管１０９を設置するかについても、特に限定されるわけではなく、任意のゾーンに設置することが可能である。
【００７１】
図５及び図６は、固体還元炉６に挿入されたある導波管１０９の開口端付近を拡大して示した図である。
本実施形態に係る導波管１０９では、図５に示したように、導波管１０９の外周に冷却機構１５１が設けられており、冷却機構１５１の外周に断熱性の耐火材（断熱耐火材）１５３が設けられている。
【００７２】
本実施形態に係る導波管１０９は、マイクロ波を導波することが可能なものであれば、任意の金属を用いて形成することが可能であるが、導波管１０９に用いることが可能な金属は、約３５０℃超過の高温環境では強度が低下する可能性がある。そのため、本実施形態に係る固体還元炉６では、冷却機構１５１により導波管１０９を冷却（水冷）して、導波管１０９の温度が約３５０℃以下となるようにする。このような冷却機構１５１の例としては、冷却水を通水させるための水冷配管を挙げることができる。なお、この冷却機構１５１については、以下で改めて詳細に説明する。
【００７３】
導波管１０９及び冷却機構１５１の周囲には、所定の断熱耐火材１５３が配設されている。この断熱耐火材１５３は、固体還元炉６の炉内温度を導波管１０９及び冷却機構１５１に伝導することや、導波管１０９及び冷却機構１５１が炉内の腐食雰囲気により腐食することを防止するとともに、冷却機構１５１により、固体還元炉６の内部温度が低下しないようにするものである。
【００７４】
固体還元炉６の炉内では、図５及び図６に示したように、炉床上に装入された塊成化物が炉床の移動に伴って炉内を移動していくとともに、炉床進行方向とは逆方向にガス流れが生じている。そのため、この炉内のガス流れに乗って粉塵等が導波管１０９の開口端から導波管内部へと侵入することを防止するために、図５及び図６に示したように、導波管１０９の開口端を含む底面を、炉床進行方向に沿って下降するように傾斜している傾斜面としてもよい。
【００７５】
また、本実施形態に係る固体還元炉６では、図５に示したように、導波管１０９の炉床進行方向下流側に防風部材１５５を設置して、導波管１０９や、導波管１０９の最外周に位置する断熱耐火材１５３に対して、炉内のガス流れが直接当たらないようにしてもよい。この防風部材１５５としては、固体還元炉６の内部で使用することが可能な耐火材等により形成された防風板や防風壁を挙げることができる。また、防風部材１５５の下端の位置を、導波管１０９の下端の位置よりも更に炉床側へと下げることによって、炉内のガス流れに乗って粉塵等が導波管１０９の開口端から導波管内部へと侵入することを防止することが可能となる。
【００７６】
なお、例えば図６に示したように、炉床進行方向下流側に設けられる断熱耐火材１５３の長さを導波管１０９の長さよりも長く設定し、下流側の断熱耐火材１５３の下端の位置を、導波管１０９の下端の位置よりも更に炉床側へと下げることによって、図５に示したような防風部材１５５を設ける場合と同様の効果を奏することが可能となる。
【００７７】
ここで、図５に示したような導波管１０９と防風部材１５５との離隔距離ｄや、図５及び図６に示した防風部材１５５又は断熱耐火材１５３の下げ量Ｌや、傾斜面の傾斜角θ等といった値は、固体還元炉６の大きさや操業条件等に応じて変化するものであり、特に限定されるわけではない。これらの値は、各種の事前実験やシミュレーション等を実施して、導波管内への粉塵等の侵入がマイクロ波の照射に支障の無い値（すなわち、アーク放電等が生じないような値）に設定すればよい。
【００７８】
また、本実施形態に係る固体還元炉６では、例えば図７に示したように、固体還元炉６の炉幅方向に沿って、複数の導波管１０９が配設されていてもよい。固体還元炉６の炉幅方向に沿って複数の導波管１０９を配設することで、炉幅方向全体にわたって塊成化物を均一に加熱することが可能となる。なお、炉幅方向に沿って複数の導波管１０９を配設する場合には、複数の導波管１０９を炉幅方向に沿って等間隔に配設することが好ましい。炉幅方向に沿って複数の導波管１０９を等間隔に配設することで、炉幅方向全体にわたって塊成化物を更に均一に加熱することが可能となる。
【００７９】
各導波管１０９の開口部から放射されるマイクロ波の電界強度は、図７下段に示したように、所定の広がりを持って分布している。ここで、上記式１１からも明らかなように、塊成化物原料に吸収されるマイクロ波の量は、電界強度Ｅの２乗に比例する。従って、塊成化物原料をなるべく炉幅方向に均一に加熱するのであれば、各導波管１０９から放射されるマイクロ波の電界強度分布Ｅ２の和の炉幅方向の変動が、２倍を超えない程度とすることが好ましい。
【００８０】
ここで、各導波管１０９から放射されるマイクロ波の電界強度分布Ｅ２の和を考えるにあたっては、図８に示したような正規化された電界強度分布を考える。図８に示したグラフ図は、塊成化物表面での電界強度の２乗の和の分布を示したものであり、縦軸は、正規化された電界強度の２乗の和に対応し、横軸は、炉幅方向位置を表している。実効的には、着目する導波管１０９から２つ離れた場所に位置する導波管１０９からの電界強度の影響はさほど大きくないため、着目する導波管１０９と、この導波管１０９に隣接する導波管１０９との和を考慮すればよい。このようにして電界強度Ｅ２の和を考えると、各導波管１０９から放射されるマイクロ波の電界強度Ｅ２の和は、図８に実線で示したような分布となる。
【００８１】
炉幅方向に沿って、電界強度Ｅ２の和の変動が２倍を超えない（換言すれば、電界強度Ｅ２の変動が±２５％以下）であるためには、隣り合う導波管１０９の中間位置（図８における位置ａ）の電界強度（時間平均強度）が、導波管１０９の直下（図８における位置ｂ）の電界強度の５０％以上であればよい。このような条件が満たされることで、例えば図８に示したように、電界強度Ｅ２の和の分布は、強度０．７５の位置を中心として、±２５％以下の範囲に電界強度が存在することとなる。この条件を満足するように、炉幅方向に隣り合う導波管１０９の離隔距離を決定することで、炉幅方向の全体にわたって塊成化物を均等に均一に加熱することが可能となる。
【００８２】
なお、炉幅方向に隣り合う導波管１０９の離隔距離は、実際の固体還元炉６の寸法や、導波管１０９の寸法等に応じて、事前の実験により決定することができる。また、炉幅方向に隣り合う導波管１０９の離隔距離は、実際の固体還元炉６の寸法や、導波管１０９の寸法等を利用して、離隔距離をパラメータとして変化させながら、上記非特許文献１に示したような公知の有限要素法に基づく電界強度シミュレーションを行うことで、決定することができる。すなわち、隣り合う導波管１０９の離隔距離を変えながら、以下の式１２で表されるヘルムホルツ方程式を有限要素法により解析し、上記のような条件を満足する離隔距離を決定すればよい。
【００８３】
【数２】
【００８４】
また、炉天井から挿入される導波管１０９の挿入深さ（図４や図７における長さｈ）は、上記式１２を用いた有限要素法に基づく電界強度シミュレーションを利用して、例えば側壁方向に回り込むマイクロ波の強度が少なくなるような（換言すれば、側壁に吸収されるマイクロ波エネルギーが少なくなるような）値を決定すればよい。また、上記挿入深さは、固体還元炉６の内部に設けられた仕切り壁３５の高さに応じて決定してもよく、この場合には、導波管１０９の挿入深さは、最大でも仕切り壁３５の高さと同じ程度となるように設定することができる。
【００８５】
なお、固体還元炉６の幅方向に設けられる導波管１０９の個数は、図７に示した例では５個となっているが、固体還元炉６の幅方向に設けられる導波管１０９の個数は、上記の例に限定されるわけではない。固体還元炉６の幅方向に設けられる導波管１０９の個数は、固体還元炉や導波管のサイズや、上記離隔距離等に応じて、適宜決定すればよい。
【００８６】
また、本実施形態に係る固体還元炉６では、上記のような冷却機構１５１及び断熱耐火材１５３を備えた導波管１０９を、固体還元炉の炉床進行方向及び炉幅方向の双方に沿って配設してもよい。この場合、冷却機構１５１及び断熱耐火材１５３を備えた複数の導波管１０９を、炉床進行方向及び炉幅方向に沿って格子状に配設してもよいし、図９に示したように、千鳥配置となるように配設してもよい。導波管１０９を格子状に配置したり千鳥配置したりすることで、固体還元炉６の内部を移動する塊成化物を更に均一に加熱することが可能となる。
【００８７】
ここで、断面矩形状の導波管では、矩形状の断面を考えた場合に、長辺に対応する面と短辺に対応する面の２種類の面を考えることができる。ここで、長辺に対応する面は、Ｅ面（電界面）と呼ばれており、短辺に対応する面は、Ｈ面（磁界面）と呼ばれている。断面矩形状の方形導波管から放射されたマイクロ波は、Ｅ面の法線方向に広がり易いという性質を有している。
【００８８】
図９に示した例では、複数の導波管１０９では、各導波管１０９のＥ面は炉幅方向に対して平行となるように配設され、各導波管１０９のＨ面は炉床進行方向に対して平行となるように配設されている。しかしながら、本実施形態に係る固体還元炉６では、隣り合う導波管１０９のＥ面が互いに対向するように導波管１０９を配設してもよい。また、本実施形態に係る固体還元炉６では、図１０に示したように、炉幅方向に沿って互いに隣り合う導波管１０９の向きが直交するように（換言すれば、隣り合う一方の導波管１０９のＥ面と、もう一方の導波管１０９のＨ面と、が対向するように）、導波管１０９を配設してもよい。図１０に示したように、Ｅ面とＨ面とを交互に配置することで、各導波管１０９から放射されるマイクロ波における干渉発生を抑制することができる。各導波管１０９から放射されるマイクロ波に干渉が発生した場合、干渉によって電界強度が高くなる部分と低くなる部分とが発生するため、加熱ムラが大きく発生する可能性が高くなる。従って、図１０に示したように導波管１０９を配置して干渉の発生を抑制することにより、加熱ムラの発生を抑制することが可能となる。
【００８９】
なお、図１０に示したように、導波管１０９の向きが直交するように導波管１０９を配置する場合であっても、図８と同様にして各導波管１０９から放射される電界強度Ｅの分布を考慮し、電界強度Ｅの２乗の和の炉幅方向の変動が２倍を超えないように、炉幅方向に沿った導波管１０９の間隔を決定することができる。
【００９０】
また、炉内のガス流れの状態を複雑化させることなく、炉幅方向にわたって均一な加熱を行うために、例えば図１１に示したように、導波管１０９を原料の進行方向にほぼ一列に沿って配置してガスの通路を確保しつつ、導波管１０９の開口部を様々な方向に向けて設置してもよい。すなわち、図１１に例示したように、導波管１０９の開口端が炉床進行方向の上流に向いているもの、導波管１０９の開口端が炉床進行方向の上流に対して右側に向いているもの、及び、導波管１０９の開口端が炉床進行方向の上流に対して左側に向いているもの、を固体還元炉６内に設置してもよい。導波管１０９の開口端の向きが図１１に示したように様々な方向に向いていることで、開口端から照射されるマイクロ波も、図中に矢印で示したように様々な方向に向かって照射されることとなる。その結果、塊成化物を炉幅方向にわたって更に均一に加熱することが可能となる。
【００９１】
なお、開口端が炉床進行方向を向いているもの、開口端が右側に向いているもの、開口端が左側に向いているもの、をどのように設置するかは、適宜設定することが可能であるが、例えば図１１に例示したように、炉床進行方向に沿って隣り合う導波管１０９の開口端の向きは、互いに異なっていることが好ましい。
【００９２】
続いて、図１２及び図１３を参照しながら、本実施形態に係る導波管１０９に設けられる冷却機構１５１について、簡単に説明する。
【００９３】
図１２は、導波管１０９のうちの１本を、冷却配管１５１と共に導波管周方向に展開した場合の展開図である。
本実施形態に係る冷却機構（例えば水冷配管）１５１は、図１２に示したように、例えば、導波管の高さ方向に沿って導波管１０９の外周にジグザグに配設されていてもよく、導波管の周方向に沿ってラセン状に巻き付けられていてもよい。
【００９４】
水冷配管等の冷却機構１５１の外周には、図９等に示したように断熱耐火材１５３が設けられる。このような断熱耐火材１５３を設けることで、冷却機構１５１を炉内雰囲気から遮断するとともに、冷却機構１５１によって炉内温度が低下することを防止する。
【００９５】
本実施形態では、冷却機構１５１を備えた導波管１０９に対して、冷却機構１５１の外周に更に断熱耐火材１５３を敷設する作業が行われることとなるが、このような断熱耐火材１５３の敷設方法については、公知の方法を適宜利用することが可能である。このような断熱耐火材１５３の敷設方法として、例えば図１３に示した方法を用いることが可能である。
【００９６】
すなわち、冷却機構（例えば水冷配管）１５１の外周に、まず、公知の断熱シートを配設したうえで、断熱シートの更に外周に、公知の背面断熱材を配設する。その上で、各種のステンレス（例えば、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３０４等）を用いたスタッドをアンカーとして断熱シート及び背面断熱材に差し込んで敷設する。このようなスタッドとしては、図１３に示したようなＹスタッドを用いてもよいし、Ｖスタッドを用いてもよい。その上で、スタッドの敷設された背面断熱材状に、断熱性を有する耐火材を敷設する。固体還元炉６の内部は還元雰囲気となっているため、用いる耐火材は、アルカリ腐食性に優れた不定形耐火物を用いることが好ましい。このような不定形耐火物としては、例えば、ＣＡ６と呼ばれるＣａＯ・６Ａｌ２Ｏ３等を用いることができる。
【００９７】
以上、図１２及び図１３を参照しながら、本実施形態に係る導波管１０９に設けられる冷却機構について、簡単に説明した。
【００９８】
以上説明したように、本実施形態に係る固体還元炉６では、塊成化物を加熱するためのマイクロ波を導波するものであり、固体還元炉の内部に位置する端部が開口端となっている１又は複数の導波管１０９が、固体還元炉の内部に挿入されており、各導波管１０９の外周には、導波管を水冷する冷却機構１５１が設けられており、冷却機構１５１の外周には、断熱耐火材１５３が配設されている。また、導波管１０９の開口端からは、マイクロ波が照射されるとともに、エア又は不活性ガスからなる防塵ガスが放出されている。この開口端から塊成化物に向けてマイクロ波が照射されることにより、塊成化物の近傍からマイクロ波を照射することが可能となり、アーク放電の発生を抑制しながら塊成化物に対して効率良くマイクロ波を照射することができる。その結果、固体還元炉における加熱効率を更に向上させることが可能となる。
【００９９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１００】
例えば、鉄鉱石や製鉄ダスト等の酸化鉄粉と、炭材等の還元材とを混合した塊成化物を加熱して、固体状金属鉄を得る固体還元の機能のみを有する固体還元炉のみならず、固体還元の機能と、金属鉄とスラグの分離の機能と、を併せ持つ炉についても、本発明の技術的範囲に属するものである。
【符号の説明】
【０１０１】
６ 固体還元炉
１００ マイクロ波照射装置
１０１ マイクロ波発振機
１０３ サーキュレータ
１０５ アイソレータ
１０７ 自動整合器
１０９ マイクロ波照射部材（導波管）
１５１ 冷却機構
１５３ 断熱耐火材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄原料と還元材とを混合して成形した塊成化物を、バーナー及び炉壁からの輻射熱により加熱して還元鉄を製造する固体還元炉において、
前記固体還元炉の内部に挿入された、前記塊成化物を加熱するためのマイクロ波を導波する１又は複数の導波管と、
それぞれの前記導波管の外周に設けられ、前記導波管を水冷する冷却機構と、
前記冷却機構の外周に設けられる断熱耐火材と、
を備え、
前記導波管の前記固体還元炉の内部に位置する端部は、開口端となっており、
前記導波管の前記開口端からエア又は不活性ガスが放出される
ことを特徴とする、固体還元炉。
【請求項２】
前記導波管の前記開口端を含む底面は、前記塊成化物の進行方向に向かって下降するように傾斜している傾斜面である
ことを特徴とする、請求項１に記載の固体還元炉。
【請求項３】
前記固体還元炉の内部には、前記導波管の前記塊成化物の進行方向下流側に、前記固体還元炉の内部を流れる炉内ガス流が前記導波管に当たることを防止する防風部材が設けられる
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の固体還元炉。
【請求項４】
前記塊成化物の進行方向下流側に設けられた前記断熱耐火材の下端の位置が、前記導波管の前記開口端を含む底面の位置よりも前記回転炉床炉の炉床側に位置する
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の固体還元炉。
【請求項５】
前記固体還元炉の内部には、前記塊成化物の進行方向に複数の導波管が挿入されており、
前記導波管として、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に向いているもの、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に対して右側に向いているもの、及び、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に対して左側に向いているもの、がそれぞれ設けられる
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の固体還元炉。
【請求項６】
前記塊成化物の進行方向に隣り合う前記導波管の前記開口端の向きは、互いに異なっている
ことを特徴とする、請求項５に記載の固体還元炉。
【請求項７】
前記固体還元炉では、当該固体還元炉の炉幅方向に隣り合う一方の前記導波管のＥ面と、もう一方の前記導波管のＨ面と、が対向するように、前記炉幅方向に沿って複数の前記導波管が配設される
ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の固体還元炉。
【請求項８】
前記固体還元炉の炉幅方向に沿って配設された前記導波管の１組が、更に前記塊成化物の進行方向に沿って複数組配設されており、
互いに隣り合う２組の前記導波管の配置は、千鳥配置となっている
ことを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載の固体還元炉。
【請求項１】
酸化鉄原料と還元材とを混合して成形した塊成化物を、バーナー及び炉壁からの輻射熱により加熱して還元鉄を製造する固体還元炉において、
前記固体還元炉の内部に挿入された、前記塊成化物を加熱するためのマイクロ波を導波する１又は複数の導波管と、
それぞれの前記導波管の外周に設けられ、前記導波管を水冷する冷却機構と、
前記冷却機構の外周に設けられる断熱耐火材と、
を備え、
前記導波管の前記固体還元炉の内部に位置する端部は、開口端となっており、
前記導波管の前記開口端からエア又は不活性ガスが放出される
ことを特徴とする、固体還元炉。
【請求項２】
前記導波管の前記開口端を含む底面は、前記塊成化物の進行方向に向かって下降するように傾斜している傾斜面である
ことを特徴とする、請求項１に記載の固体還元炉。
【請求項３】
前記固体還元炉の内部には、前記導波管の前記塊成化物の進行方向下流側に、前記固体還元炉の内部を流れる炉内ガス流が前記導波管に当たることを防止する防風部材が設けられる
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の固体還元炉。
【請求項４】
前記塊成化物の進行方向下流側に設けられた前記断熱耐火材の下端の位置が、前記導波管の前記開口端を含む底面の位置よりも前記回転炉床炉の炉床側に位置する
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の固体還元炉。
【請求項５】
前記固体還元炉の内部には、前記塊成化物の進行方向に複数の導波管が挿入されており、
前記導波管として、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に向いているもの、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に対して右側に向いているもの、及び、前記開口端が前記塊成化物の進行の上流方向に対して左側に向いているもの、がそれぞれ設けられる
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の固体還元炉。
【請求項６】
前記塊成化物の進行方向に隣り合う前記導波管の前記開口端の向きは、互いに異なっている
ことを特徴とする、請求項５に記載の固体還元炉。
【請求項７】
前記固体還元炉では、当該固体還元炉の炉幅方向に隣り合う一方の前記導波管のＥ面と、もう一方の前記導波管のＨ面と、が対向するように、前記炉幅方向に沿って複数の前記導波管が配設される
ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の固体還元炉。
【請求項８】
前記固体還元炉の炉幅方向に沿って配設された前記導波管の１組が、更に前記塊成化物の進行方向に沿って複数組配設されており、
互いに隣り合う２組の前記導波管の配置は、千鳥配置となっている
ことを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載の固体還元炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−１１３５３６（Ｐ２０１３−１１３５３６Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１９０６（Ｐ２０１１−２６１９０６）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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