JP5699265B2 - 竪型マイクロ波製錬炉 - Google Patents
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Description
本発明は、鉄鉱石から銑鉄を得る製鉄炉等の竪型マイクロ波製錬炉に関し、特に、マイクロ波により鉄鉱石と石炭又はコークス等の炭素源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溶融銑鉄を得る竪型マイクロ波製錬炉に関する。
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）。
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１５００℃以上の温度において、６時間以上を要し、生産効率が低く、銑鉄１トンあたりＣＯ２ガスを２トン排出するという問題点がある。
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。
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。
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、また所謂都市鉱山から貴金属等を回収することができる竪型マイクロ波製錬炉を提供することを目的とする。
本発明に係る竪型マイクロ波製錬炉は、上部に原料の供給口を有する竪型炉体と、この竪型炉体の炉底に設けられた炉床部材と、前記堅型炉体の下部側部に前記堅型炉体に連通すると共にこの下部側部から側方に広がるように設けられ少なくとも一部の内壁がマイクロ波を反射する材料で構成されたマイクロ波照射室と、このマイクロ波照射室の下部に設けられた製錬生成物の取出口と、前記マイクロ波照射室にマイクロ波を導入するためにマイクロ波を透過する材料で形成されたマイクロ波導入窓と、マイクロ波を前記マイクロ波導入窓を介して前記マイクロ波照射室内に照射するマイクロ波照射装置と、このマイクロ波照射装置からのマイクロ波の照射を制御する制御装置と、を有し、前記原料は前記炉床部材上で、この炉床部材に連通する前記マイクロ波照射室から直接マイクロ波の照射を受けて加熱されることを特徴とする。
この竪型マイクロ波製錬炉において、例えば、前記原料は、鉄鉱石と炭素源とを含み、前記製錬生成物は溶銑である。またこの竪型マイクロ波製錬炉において、前記原料が鉄鉱石とコークスとの混合粉である場合は、前記制御装置は、前記マイクロ波照射装置から、０．９１５乃至１４０ＧＨｚの範囲内の１又は複数の周波数のマイクロ波を照射させることが好ましい。また、前記制御装置は、前記マイクロ波照射装置から照射されるマイクロ波の波面及び位相を制御することにより、ビームの方向を電気的に可変とすることが好ましい。
更に、前記炉床部材は、炉底の下方から炉内に挿入されたものであり、その上面が中央が上方に突出した凸面を構成すると共に、上下動可能に支持されており、前記炉床部材の上下位置を調整することにより、前記竪型炉体の下部側壁と前記炉床部材との間の開口面積を調整し、前記マイクロ波照射室への前記原料の供給量を調整する他の制御装置を有するように構成することが好ましい。この場合に、前記炉床部材は、例えば、炭素を主成分とする素材からなり、溶銑と反応して消耗するものである。
更にまた、マイクロ波照射室は、例えば、マイクロ波を反射する銅若しくは銅合金、ステンレス鋼、金を被覆したステンレス鋼又はグラファイトで内張されているように構成することができる。
本発明に係る他の竪型マイクロ波製錬炉は、上部に原料の供給口を１又は複数個有する竪型炉体と、この炉体内に設けられ炉体内を上部と下部とに区切る耐火物製の炉頭部と、この竪型炉体の炉底に設けられ前記炉頭部との間で反応空間であるアプリケータを形成する耐火物製の炉床部と、前記アプリケータに面する前記炉頭部及び炉床部の面に設けられ導電性物質からなり接地されてマイクロ波を反射する内張と、前記炉床部に設けられた製錬生成物の取出口と、前記アプリケータにマイクロ波を導入するためにマイクロ波を透過する材料で形成されたマイクロ波導入窓と、マイクロ波を前記マイクロ波導入窓を介して前記アプリケータ内に照射するマイクロ波照射装置と、このマイクロ波照射装置からのマイクロ波の照射を制御する制御装置と、を有し、前記原料は前記炉床部上で、前記アプリケータから直接マイクロ波の照射を受けて加熱されることを特徴とする。
前記内張は、例えば、グラファイトのシート、板又はブロックである。
更にまた、前記竪型炉体は、例えば、鋼材により形成された鉄皮の内側に、黒鉛、アルミナ又はシリカで内張されたものである。
更にまた、本件発明の竪型マイクロ波製錬炉は、原料を電子機器廃棄物とすることができ、この場合に、製錬生成物は貴金属又はレアメタルである。
本発明によれば、竪型炉体の上部から、例えば、鉄鉱石及び炭素源を含む原料を竪型炉体内に装入し、竪型炉体の下部のマイクロ波照射室内にこの原料を導入し、マイクロ波導入窓からマイクロ波をマイクロ波照射室内に照射し、このマイクロ波照射室内で原料をマイクロ波により加熱し、鉄鉱石を還元する。このため、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。
原料を粉状とし、マイクロ波照射装置が０．９１５乃至１４０ＧＨｚの範囲内の１又は複数の周波数のマイクロ波を照射するようにすることにより、更に、効率的に原料をマイクロ波加熱することができる。更に、マイクロ波照射装置が、マイクロ波の波面及び位相を制御することにより、ビームの方向を電気的に可変とすることができ、効率的に、マイクロ波照射室内の原料にマイクロ波を均一に照射して加熱することができる。
炉床部材として、上面中央が突出した凸面を有するものを使用することにより、竪型炉体内を降下してくる原料を炉底部でその周辺側に向けて振り分け、堅型炉体の下部側部にこの下部側部から側方に広がるように設けられたマイクロ波照射室に向けて誘導することができる。そして、炉床部材の上下位置を調節して、この炉床部材と竪型炉体の下部側壁との間の開口面積を調整することにより、マイクロ波照射室への原料の供給量を調整することができ、出銑速度を制御することができる。
また、炉床部材として、耐火材の代わりに、炭素を主成分とする素材を使用した場合は、この炭素素材は溶銑と反応して消耗するので、経時的に、前記炉床部材を上昇移動させることが必要であるが、このように、炉床部材として、炭素素材を使用することにより、炉床部材は鉄鉱石と反応する炭素源としても作用する。また、炉床部材として炭素素材を使用すると、炭素素材は、マイクロ波を反射するため、原料の加熱にマイクロ波を有効に使用できるという利点もある。
更に、竪型炉体は、例えば、鋼材により形成された鉄皮の内側に、黒鉛、アルミナ又はシリカで内張されたものである。この場合に、鋼材は、マイクロ波を反射するので、マイクロ波が外部に漏出することはない。また、マイクロ波照射室の内面を、マイクロ波を反射する銅若しくは銅合金、ステンレス鋼、金を被覆したステンレス鋼又はグラファイトで内張することにより、マイクロ波を効率的にマイクロ波照射室内で反射させることができ、原料の加熱に有効に使用することができる。
更にまた、原料を電子機器廃棄物とすれば、本件発明のマイクロ波製錬炉により、電子機器廃棄物内の貴金属又はレアメタルを回収することができる。
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は本発明の第１実施形態に係る竪型マイクロ波製錬炉を示す縦断面図である。竪型炉体１は溶鉱炉のように縦長の炉であり、ステンレス鋼等の鋼材で製造された鉄皮の内面を耐火物等で内張した構造を有する。鉄皮で覆うのは、マイクロ波を反射させて外部に漏洩させないためである。鉄皮の内張耐火物等は、マイクロ波を反射する黒鉛、又はマイクロ波を透過するアルミナ又はシリカを使用することが好ましい。なお、炉体に対し、熱の影響があるのは、炉底部３である。この炉底部３の温度が６００℃以上になると、ＦｅＯが生成する。この場合に、アルミナとＦｅＯとが反応し、浸潤する温度は１３３０℃以上、シリカとＦｅＯとが反応して浸潤するのは、１１８０℃以上である。従って、この浸潤を防止するために、炉底部３においては、その鉄皮の内張に、黒鉛又はマグネシアを使用することが好ましい。更に、このような熱影響を防止するためには、鉄皮の外面を水冷することが好ましい。この竪型炉体１の上部は原料１０の供給口２となっている。原料１０は鉄鉱石と炭素源とを含むものであり、例えば、鉄鉱石の粉末とコークスの粉末の混合粉末である。炭素源としては、コークス粉、グラファイト粉及び石炭粉等がある。竪型炉体１の下端の炉底部３は、炉頂部よりも若干内部面積が広くなっているが、竪型炉体１は基本的には原料１０を降下させるだけの機能を有する形状であればよい。よって、竪型炉体１内は、反応生成ガスは通過しない。従って、原料として、粉体を使用することができる。但し、竪型炉体１内を反応生成ガスが上昇するようにすれば、竪型炉体１の内部は５００℃程度になるので、竪型炉体１の上部で原料を反応生成ガスの温度で予熱することができる。なお、溶鉱炉においては、シャフト部は下部が広がっており、この広がり部の下方で更に温度が上昇すると、原料が焼結し収縮するので、この下方部分を少し絞った形状（ボッシュ）にしている。マイクロ波製錬炉においても、炉底部３では原料が収縮する可能性があるが、必ずしもこの部分を絞る必要はなく、垂直壁に形成してもよい。竪型炉体１の上部は若干絞り込み、全体として下広がりの形状にした方が良い。
この竪型炉体１の炉底部３は、竪型炉体1の下部側部から側方に広がるように設けられたマイクロ波照射室４に連通している。このマイクロ波照射室４は竪型炉体１の炉底部３の周囲を取り囲むリング状の形状を有しており、更にその外側に隣接してマイクロ波導入室６が設けられている。マイクロ波導入室６は、炉底部３の周方向に等配の位置に、複数個（例えば６個）設けることができる。マイクロ波照射室４とマイクロ波導入室６とは垂直の壁で仕切られているが、両者は壁に設けた孔５ａにより連通している。マイクロ波照射室４の上面は、上方に凸に湾曲した曲面を有している。また、各マイクロ波導入室６の外側面は、その一部が更に外側に延出して、内部空間が外方に広がっており、この延出部の外側面には、マイクロ波を室内に導入するためのマイクロ波導入窓５が設けられている。従って、マイクロ波導入窓５は炉体周方向における炉体中心を中心とする等配の位置に各マイクロ波導入室６毎に設けられている。マイクロ波照射室４の内面は、マイクロ波を反射する材料で内張されている。このようなマイクロ波を反射する材料であって、高温で使用できるものとしては、銅若しくは銅合金、ステンレス鋼、金を被覆したステンレス鋼等の電磁波（マイクロ波及び赤外線）を反射する材料、又はグラファイトのようにマイクロ波を反射し、赤外線を吸収して再放射する材料を使用することができる。この場合に、マイクロ波反射室４の内面を構成する材料（内張となる材料）は、マイクロ波のみならず、赤外線を反射するものが好ましい。赤外線の反射による輻射熱により、マイクロ波照射室４内の熱を、原料の加熱に有効に使用することができる。なお、マイクロ波照射室４の内張材料として、マイクロ波を反射する銅又は銅合金を使用した場合、これを水冷することが好ましい。また、銅又は銅合金は炉内に発生する硫黄等により腐食する可能性がある。このため、内張材料の銅又は銅合金の内表面を、マイクロ波を透過するシリカで被覆することが好ましい。
マイクロ波導入室６内には反射鏡６ａ、６ｂが設置されており、マイクロ波ＭＷはマイクロ波導入窓５を透過してマイクロ波導入室６内に進入し、凸面鏡の反射鏡６ｂにて反射し、その後、凹面鏡の反射鏡６ａにて反射して、孔５ａに向かい、孔５ａを通過して、マイクロ波照射室４内に進入する。マイクロ波導入窓５は、マイクロ波を透過する（マイクロ波を吸収しない）シリカ等の材料により成形されている。また、反射鏡６ａ、６ｂはマイクロ波を反射する銅又は銅合金により形成することができる。但し、この銅又は銅合金製反射鏡６ａ、６ｂも水冷することが好ましい。
各マイクロ波導入室６の外方延出部の底面には、マイクロ波導入室６内に窒素（Ｎ２）ガスを導入する導入部材１１が設けられており、マイクロ波照射室４の上面には、窒素ガス及び反応ガスを排出する排ガス排出部材１２が設けられている。なお、マイクロ波照射室４及びマイクロ波導入室６の構造は、上述の構造に限らず、種々の構造を採用することができる。上記実施形態では、マイクロ波照射室４が炉底部３の周りに設けられたリング状の構造を有し、マイクロ波導入室６がこのマイクロ波照射室４に個別に連通する複数個の室構造を有しているが、マイクロ波導入室６はマイクロ波照射室４と同様にリング状をなしていてもよい。また、マイクロ波照射室４も、リング状ではなく、複数個の個別の室構造が炉底部３の周方向に等配の位置に設けられていても良い。また、各室を個別に設けた場合には、必ずしも等配の位置に設けなくてもよい。
炉底部３の炉床には、竪型炉体１の下方から上方の炉内に向けて挿入された炉床部材７が設けられている。この炉床部材７は、その上端部が上に凸の湾曲面となっている。即ち、炉床部材７は、その上面が、中央が上方に突出した凸面を構成している。この炉床部材７は、耐火物又は黒鉛等の炭素素材により製造されている。そして、この炉床部材７は、適宜の支持駆動装置（図示せず）により、上下動可能に支持されている。なお、この炉床部材は、製錬炉の起動時に溶銑でコーティングされるように配置されていることが好ましい。
炉底部３の炉床には、炉床部材７の周囲に配置されたリング状の支持部材８が設けられており、支持部材８は炉床部材７と共に、竪型炉体１の炉床を構成している。そして、支持部材８の外側で、この支持部材８の周方向に離隔した複数の位置には、加熱されて還元された溶銑を取り出すための複数個の取出口９が、炉体周方向における炉体中心を中心とする等配の位置に設置されている。支持部材８は、溶銑と反応しない材料、例えば、黒鉛で成形されている。この支持部材８には銑鉄が十分に接触していることが必要である。そうしないと、溶銑流がアンテナとなって、マイクロ波が外部に漏出してしまう。
マイクロ波照射装置（図示せず）は、マイクロ波発振器からマイクロ波ＭＷを出射し、このマイクロ波ＭＷをマイクロ波導入室６のマイクロ波導入窓５まで導く。また、マイクロ波発振器から発振したマイクロ波は、マイクロ波導入窓５に向けて導かれる。マイクロ波発振器は０．９１５乃至１４０ＧＨｚの周波数範囲内における１又は複数の周波数をもつマイクロ波を発振する。鉄鉱石のマグネタイトは、２ＧＨｚ付近にマイクロ波の吸収のピークがあると推定される。このマイクロ波の吸収が最大の周波数に近い工業用周波数として、２．４５ＧＨｚがある。また、竪型マイクロ波製錬炉の大型化に対応しやすいという点で、周波数が低い長波長の９１５ＭＨｚ（０．９１５ＧＨｚ）がある。一方、鉄鉱石へのマイクロ波の吸収が大きすぎた場合、羽口（マイクロ波照射室４近傍の原料供給部）における反応層の厚さが薄くなり、竪型マイクロ波製錬炉を大型化したときにマイクロ波が原料中に十分に浸透しない。このような場合は、マイクロ波の周波数を上げる必要がある。物理的には、マグネタイト中の磁性（電子のスピン）は、周波数が高くなると追従しにくくなり、マイクロ波の吸収が弱くなるので、マイクロ波の浸透深さが深くなる。このため、マイクロ波の周波数を上げることにより、マイクロ波の浸透深さを深くして、反応層の厚さを確保する。このため、マイクロ波の周波数の最大値は１４０ＧＨｚ程度である。なお、水については、２０ＧＨｚ、酸素は６０ＧＨｚにマイクロ波の吸収ピークがある。そこで、竪型製錬炉の大型化のためには、ミリ波帯のマイクロ波を使用することも必要になる。
マイクロ波照射装置は、マイクロ波の位相制御により、マイクロ波の波面を制御する。これは、所謂イージス艦のフェーズドアレイレーダーと同じ原理である。このように、マイクロ波の波面を制御することにより、ビームの方向を電気的に可変とし、羽口（マイクロ波照射室４近傍の原料供給部）における原料の均一な加熱が可能となる。この点、電子レンジのように加熱物を回転させたり、マイクロ波をスターラー（金属羽）で攪拌するようなものとは原理的に異なる。
竪型炉体１は適宜の支持装置に支持されており、この竪型炉体２の底部に設けられた溶銑取出口９の下方には、溶銑を運搬するための取鍋（図示せず）が配置される。また、竪型炉体１の上部は、サイクロン（図示せず）に接続されており、竪型炉体１の内部の窒素ガス及び反応生成ガスはサイクロンで清浄化された後、外部に排ガスとして排出される。
次に、上述の如く構成された竪型マイクロ波製錬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、竪型炉体１の上部の原料供給口から、原料１０を連続的に竪型炉体１内に装入する。この原料は、鉄鉱石粉、コークス粉、グラファイト粉及び石炭粉等の混合粉体であり、竪型炉体１のほぼ全体を充填するように供給される。本実施形態においては、竪型炉体１にはガスを通流させない。このため、原料として、粉末を使用することができる。但し、これらの混合粉体をペレット状に固めても良い。この原料１０は、炉底部に設けられた炉床部材７の上面が上に凸に湾曲していることにより、竪型炉体１の中心から周辺部側に向けて繰り出される。この竪型炉体１の炉底部の周辺部には、マイクロ波照射室４が配置されており、炉床部材７の上面を滑動した原料１０は、マイクロ波照射室４に向かう。
一方、マイクロ波発振器から発振したマイクロ波ＭＷは、ビーム状に整形されて、マイクロ波導入窓５を介してマイクロ波導入室６内に入り、反射鏡６ｂに照射される。このマイクロ波ＭＷは、反射鏡６ｂ、反射鏡６ａで反射した後、孔５ａを介してマイクロ波照射室４内に導入される。そして、このマイクロ波照射室４内に供給された原料１０は、集中的にマイクロ波ＭＷの照射を受けて加熱され、鉄鉱石が炭素源により還元され、溶融銑鉄が得られる。即ち、原料１０の鉄鉱石粉、コークス粉、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、鉄鉱石粉とコークス粉、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、溶融銑鉄ＭＩが生成する。この溶融銑鉄ＭＩは取出口９から取り出され、取鍋に集められる。溶融銑鉄ＭＩが連続的に取り出され、縦型炉体１の上部供給口からは、原料１０が連続的に縦型炉体１内に供給されるので、溶融銑鉄ＭＩが連続的に出銑される。
マイクロ波導入窓５はマイクロ波を吸収しないシリカ等により形成されている。本実施形態においては、マイクロ波照射室４の外側にマイクロ波導入室６を設け、このマイクロ波導入室６内に反射鏡６ａ、６ｂを設置し、マイクロ波導入室６内に窒素ガスを導入することにより、マイクロ波導入室６及びマイクロ波照射室４を外気から遮断している。そして、これらのマイクロ波導入室６及びマイクロ波照射室４を通過してきたガス及び原料の鉄鉱石と炭素源との反応により生じた反応生成ガスは、排ガスとして、排出部材１２から排出する。この排ガスは比較的高温であり、その熱量を原料の予熱に使用することができる。また、マイクロ波導入窓５はシリカ等で形成されており、原料の炭素粉で汚れる虞がある。しかし、本実施形態においては、マイクロ波照射室４へのマイクロ波導入部は、単なる孔５ａとなっており、シリカ製のマイクロ波導入窓５はマイクロ波導入室６の外面に設置しているので、シリカが炭素粉により汚染されることはない。
マイクロ波ＭＷは、マイクロ波照射室４内で、その内表面で反射し、マイクロ波照射室４から漏洩することなく、マイクロ波照射室４内の原料に効率的にかつ集中的に照射される。よって、原料を高効率で加熱することができる。このマイクロ波は、マイクロ波照射室４内でもっぱら原料１０の照射に使用されるので、マイクロ波照射室４から殆ど出ることがない。このため、縦型炉体１がマイクロ波を吸収しやすいステンレス鋼材で製造されていても、この縦型炉体１までマイクロ波が進入することはないので、竪型炉体１に吸収されることはなく、マイクロ波の損失がない。また、原料１０が縦型炉体１内で高温になり、ウスタイト（ＦｅＯ）が生成しても、マグネシアはこのウスタイトとの反応による浸潤が少ないという利点がある。これに対し、仮に、縦型炉体１をアルミナで内張りすると、アルミナはマイクロ波の吸収が少ないものの、このアルミナはウスタイトと化学反応し、ウスタイトが炉体に浸潤していく。結局、本発明のように、原料１０を縦型炉体１の内部に貯留し、マイクロ波照射室４内でマイクロ波を原料１０に照射することにより、マイクロ波の損失とウスタイトの浸潤という双方の問題点を解消することができる。また、マイクロ波照射室４の内張耐火物を、赤外線も反射する材料とすることにより、高温の溶融銑鉄からの輻射熱もマイクロ波照射室４内に閉じこめることができ、マイクロ波照射室４内の原料１０を更に効率的に加熱することができる。
炉床部材７は、適宜の支持駆動装置により上下動することができる。原料１０は、縦型炉体１の側壁下部と、炉床部材７との間の間隙を通って、マイクロ波照射室４に向けて移動する。このため、炉床部材７の上下位置を調整することにより、マイクロ波照射室４に供給する原料１０の供給速度を調整することができる。
また、この炉床部材７を炭素材料で製造した場合は、溶融銑鉄ＭＩと炉床部材７の炭素とが反応して、炉床部材７が消耗していく。このため、炉床部材７を炭素材料で製造した場合は、炉床部材７を経時的に上昇させる必要がある。このように、炉床部材７を炭素材料で製造することにより、炉床部材は鉄鉱石と反応する炭素源としても作用する。また、炉床部材として炭素素材を使用すると、炭素素材は、マイクロ波を反射するため、原料の加熱にマイクロ波を有効に使用できるという利点もある。
この炭素材料と溶融銑鉄ＭＩとの反応によりガスが発生する。また、原料１０の加熱により、鉄鉱石と炭素源とが反応して、ＣＯ及びＣＯ２等の反応ガスが生成する。この場合に、本実施形態においては、縦型炉体１の下部に羽口を設け、この羽口から不活性ガスである窒素ガスを炉内に吹き込み、マイクロ波照射室４から縦型炉体１内に向かう気流を生成している。このため、鉄鉱石と炭素源との反応による反応ガスが生成しても、窒素ガスの気流により、反応ガスは縦型炉体１の上部から排出され、マイクロ波照射室４内に反応ガスが逆流することが防止される。
上記実施形態においては、炉床部材７の上面の形状が湾曲しているが、本発明はこれに限らず、炉床部材７としては、縦型炉体１を降下してくる原料１０を、炉底周辺部のマイクロ波照射室４に向けて誘導できる形状をもつものであれば、種々の形状を採用することができる。また、炉床部材７の上面の形状は、縦型炉体１からマイクロ波照射室４への原料の供給量を調整しやすい形状にすることが好ましい。
還元鉄が炭素を吸収して銑鉄となるのは亜共晶域であり、この亜共晶域は温度が１４００℃、炭素濃度が１．８質量％である。この銑鉄が黒鉛と接触して炭素飽和になると、炭素濃度が４．８質量％になる。従って、未飽和の銑鉄が炉床部材７の黒鉛材に接触すると、炉床部材７の損耗が生じる。反応ガスは、ＣＯガス、ＣＯ２ガス及び少量のＮ２ガスである。この反応ガスは、竪型炉体１を介して排出せず、マイクロ波照射室４に設けたガス排出部材１２を介して排出する。この排気ガスの体積は、０℃１気圧で換算して、鉄５０ｇの生成に対し１０リットルである。排ガス温度が５５０℃とすれば、排気ガスの体積は３０リットルである。日産１トンの製錬炉においては、排気ガスは、１日あたり６００ｍ３、毎分４２リットル発生する。これを原料の予熱に使用すると、使用電力を著しく節約することができる。また、この排ガス中のＣＯ濃度は５０％近くあり、発生するエネルギが大きいので、製鉄下工程の加熱エネルギに使用することができる。
本発明は、原料を電子機器廃棄物とすることができる。その場合には、製錬生成物として、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属及びレアメタルを回収することができる。このように、所謂都市鉱山からの貴金属及びレアメタルの回収の場合には、ガス導入部材１１から窒素ガスをマイクロ波導入室６内に供給するのではなく、酸素を含むガスをガス導入口１１からマイクロ波導入室６内に供給する。そうすると、マイクロ波の照射により、電子機器廃棄物の例えば回路基板のエポキシ樹脂等がマイクロ波を吸収して加熱され、これらのエポキシ樹脂等は酸素と反応して燃焼し、排気ガスが竪型炉体１の上部から排気されると共に、配線又は端子の貴金属又はレアメタルが溶融して、これらの貴金属又はレアメタルは炉底部３に溜まる。そして、これらの貴金属又はレアメタルの溶融金属は、取出口９から取り出される。
次に、本発明の第２実施形態について図２を参照して説明する。ステンレス鋼製の円筒状をなす竪型炉体２０が、その底部を架台１５の開口部１５ａ内に嵌合させて、架台１５に支持されている。また、この炉体２０は、その外底部の中央を、昇降装置１６により、上下動可能に支持されている。この昇降装置１６を降下させることにより、炉床部２６とアプリケータ２７の内張２８の導電性物質を補修したり、交換することができるようになっている。架台１５の下部には、取鍋１７が配置されており、炉体２０の下面から下方に突出する精錬生成物（溶融銑鉄）の排出管３０が取鍋１７内に挿入されるようになっている。取鍋１７は別の昇降装置（図示せず）の上に載置されており、この昇降装置により取鍋１７を下降させることにより、排出管３０が取鍋１２内に挿入されているときにも、取鍋１７を架台１５の下部から搬出できるようになっている。また、空の取鍋１７が架台１５の下方に配置された後、取鍋１７の昇降装置を上昇させることにより、排出管３０が取鍋１７内に挿入される。この溶融銑鉄が通流する排出管３０は、後述する内張２８と同様に、グラファイトで成形されており、内張２８と共に、後述するように接地されている。
炉体２０内には、耐火物からなる炉頭部２５が炉体２０の内部を上部と下部とに仕切るようにして配置されている。また、炉体２０の底部には、耐火物からなる炉床部２６が配置されている。この炉頭部２５と炉床部２６との間に、反応空間であるアプリケータ２７が形成される。炉床部２６の上面は、周縁部が急峻に盛り上がり、溶融金属の湯溜まりを区画する盛り上がり部２９を形成している。また、炉床部２６の中央本体部は、その上面が中心に向かって緩やかに盛り上がり、中心から周辺部に向けて傾斜する斜面となっている。そして、この炉床部２６の本体部の斜面の最下位位置、即ち、盛り上がり部２９の内面に接する位置には、垂直に延びる孔２６ａが形成されており、この孔２６ａに排出管３０が連結されている。アプリケータ２７を区画する面、即ち、炉頭部２５におけるアプリケータ２７に面する面と、炉床部２６におけるアプリケータ２７に面する面には、導電性物質の内張２８が設けられている。孔２６ａの内面にも、導電性物質の内張２８が形成されている。炉頭部２５及び炉床部２６は、例えば、ムライト、アルミナ等の耐火物で構成されている。導電性の内張２８は、例えば、グラファイト製のシート、板又はブロックである。この内張２８は、溶融銑鉄の熱に耐える耐火性を有すると共に、導電性を有しているために、マイクロ波を反射する。この導電性物質からなる内張２８は、炉体２０に電気的に接続されており、この炉体２０を介して、接地されている。なお、盛り上がり部２９の傾斜面及びその上方の炉頭部２５のアプリケータ２７に面する下面には、水冷銅板を設け、この水冷銅板の表面をマイクロ波を反射する導電性内張２８（例えば、グラファイト製）で覆うようにしてもよい。この水冷銅板により、アプリケータ２７の周辺部の内張２８及び炉体部分を冷却することができる。
一方、炉床部２６内には、例えば、抵抗発熱コイル等の適宜の加熱部材（図示せず）が内設されており、この加熱部材により、炉床部２６が加熱されるようになっている。これにより、溶融銑鉄が炉床部２６上に留まっている間に、温度が低下することが抑制される。
炉体２０の側面には、アプリケータ２７内にマイクロ波を導入するためのシリカ製の窓３１が設けられており、この窓３１にマイクロ波の導波管３２が接続されている。シリカ製の窓３１はアプリケータ２７の空間を密閉すると共に、シリカはマイクロ波を透過するために、マイクロ波をアプリケータ２７に導入することができる。この導波管３２及び窓３１は、炉体２０の周方向の例えば４カ所の等配の位置に設置されている。
炉頭部２５の上方の炉体２０内には、排ガス熱交換器２３が設置されている。この排ガス熱交換器２３は、そのガス入口に、炉頭部２５内を挿通する管２４ａが接続され、そのガス出口に、炉体２０を挿通する管２４ｂが接続されており、アプリケータ２７内の排ガスを、管２４ａ,２４ｂを介して炉体２０の外部に排出すると共に、その排ガスの熱を排ガス熱交換器２３により回収するようになっている。
炉体２０の頭部には、ホッパ状の原料供給部２１が１又は複数個設けられており、炉体２０における炉頭部２５より上方の空間に、垂直に延びる原料供給管２２が配置されている。この原料供給管２２はその下部が炉頭部２５内を挿通して、アプリケータ２７に連通し、その上部が原料供給部２１に接続されている。原料供給管２２は内部にスクリュー式の粉体輸送部材が設けられており、これにより、原料供給部２１から粉末状の原料が原料供給管２２内を下方に送られて、原料供給管２２の下端からアプリケータ２７内に投下される。
次に、上述のごとく構成された第２実施形態の動作について説明する。第１実施形態と同様の原料が原料供給管２２からアプリケータ２７内に投入され、マイクロ波が導波管３２からシリカ窓３１を介してアプリケータ２７内に照射される。そうすると、粉末原料は炉床部２６上に滞留し、マイクロ波はアプリケータ２７内で、接地された導電性物質からなる内張２８にて反射しつつ、炉床部２６上の粉末原料に吸収される。これにより、粉末原料が加熱されて溶融し、精錬反応が生じて、溶融銑鉄と原料との混合物４０が生成する。マイクロ波は、炉頭部２５の下面の内張２８により反射して、炉床部２６上の溶融銑鉄と原料との混合物４０に入射して吸収され、溶融銑鉄と原料との混合物４０が加熱される。また、原料供給管２２からは原料粉末が連続的にアプリケータ２７内に供給されており、この原料粉末にもマイクロ波が吸収されて加熱される。導波管３２から導入されるマイクロ波は、盛り上がり部２９の外縁側の斜面の内張２８により反射し、その後、内張２８にて反射を繰り返して、炉床部２６上の原料粉末及び溶融銑鉄に吸収される。一方、溶融銑鉄と原料との混合物４０にて反射してアプリケータ２７の周縁部に向かうマイクロ波は、盛り上がり部２９にて遮断され、窓３１を介して導波管３２内に戻ることが防止される。これにより、導波管３２に接続されているマイクロ波発生装置に障害が生じる虞を回避できる。
本実施形態においては、炉頭部２５と炉床部２６との間の空間であるアプリケータ２７内で、マイクロ波は、接地された導電性物質である内張２８により繰り返し反射を受け、アプリケータ２７内に閉じ込められる。従って、アプリケータ２７内に供給された原料粉末に効率的にマイクロ波が照射され、原料粉末はマイクロ波を吸収して発熱する。マイクロ波は、アプリケータ２７内に閉じ込められるので、漏洩が極めて少なく、効率的に原料粉末の加熱に供される。これにより、原料粉末を効率的に加熱して、精錬反応を生じさせることができる。
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。また、本件発明によれば、電子機器廃棄物等の所謂都市鉱山からの貴金属及びレアメタルの回収も可能である。
１、２０：縦型炉体
２、２１：原料供給口
３：炉底部
４：マイクロ波照射室
５：マイクロ波導入窓
５ａ：孔
６：マイクロ波導入室
６ａ、６ｂ：反射鏡
７：炉床部材
８：支持部
９：取出口
１０：原料
１１：ガス導入部材
１２：排ガス排出部材
２２：原料供給管
２５：炉頭部
２６：炉床部
２７：アプリケータ
２８：内張（導電性物質）
２９：盛り上がり部
３０：排出管
３２：マイクロ波導波管
２、２１：原料供給口
３：炉底部
４：マイクロ波照射室
５：マイクロ波導入窓
５ａ：孔
６：マイクロ波導入室
６ａ、６ｂ：反射鏡
７：炉床部材
８：支持部
９：取出口
１０：原料
１１：ガス導入部材
１２：排ガス排出部材
２２：原料供給管
２５：炉頭部
２６：炉床部
２７：アプリケータ
２８：内張（導電性物質）
２９：盛り上がり部
３０：排出管
３２：マイクロ波導波管
Claims (12)
- 上部に原料の供給口を有する竪型炉体と、この竪型炉体の炉底に設けられた炉床部材と、前記堅型炉体の下部側部に前記堅型炉体に連通すると共にこの下部側部から側方に広がるように設けられ少なくとも一部の内壁がマイクロ波を反射する材料で構成されたマイクロ波照射室と、このマイクロ波照射室の下部に設けられた製錬生成物の取出口と、前記マイクロ波照射室にマイクロ波を導入するためにマイクロ波を透過する材料で形成されたマイクロ波導入窓と、マイクロ波を前記マイクロ波導入窓を介して前記マイクロ波照射室内に照射するマイクロ波照射装置と、このマイクロ波照射装置からのマイクロ波の照射を制御する制御装置と、を有し、前記原料は前記炉床部材上で、この炉床部材に連通する前記マイクロ波照射室から直接マイクロ波の照射を受けて加熱されることを特徴とする竪型マイクロ波製錬炉。
- 上部に原料の供給口を１又は複数個有する竪型炉体と、この炉体内に設けられ炉体内を上部と下部とに区切る耐火物製の炉頭部と、この竪型炉体の炉底に設けられ前記炉頭部との間で反応空間であるアプリケータを形成する耐火物製の炉床部と、前記アプリケータに面する前記炉頭部及び炉床部の面に設けられ導電性物質からなり接地されてマイクロ波を反射する内張と、前記炉床部に設けられた製錬生成物の取出口と、前記アプリケータにマイクロ波を導入するためにマイクロ波を透過する材料で形成されたマイクロ波導入窓と、マイクロ波を前記マイクロ波導入窓を介して前記アプリケータ内に照射するマイクロ波照射装置と、このマイクロ波照射装置からのマイクロ波の照射を制御する制御装置と、を有し、前記原料は前記炉床部上で、前記アプリケータから直接マイクロ波の照射を受けて加熱されることを特徴とする竪型マイクロ波製錬炉。
- 前記原料は、鉄鉱石と炭素源とを含み、前記製錬生成物は溶銑であることを特徴とする請求項１又は２に記載の竪型マイクロ波製錬炉。
- 前記原料は鉄鉱石とコークスとの混合粉であり、前記制御装置は、前記マイクロ波照射装置から、０．９１５乃至１４０ＧＨｚの範囲内の１又は複数の周波数のマイクロ波を照射させることを特徴とする請求項１又は２に記載の竪型マイクロ波製錬炉。
- 前記制御装置は、前記マイクロ波照射装置から照射されるマイクロ波の波面及び位相を制御することにより、ビームの方向を電気的に可変とすることを特徴とする請求項４に記載の竪型マイクロ波製錬炉。
- 前記炉床部材は、炉底の下方から炉内に挿入されたものであり、その上面が中央が上方に突出した凸面を構成すると共に、上下動可能に支持されており、
前記炉床部材の上下位置を調整することにより、前記竪型炉体の下部側壁と前記炉床部材との間の開口面積を調整し、前記マイクロ波照射室への前記原料の供給量を調整する他の制御装置を有することを特徴とする請求項１に記載の竪型マイクロ波製錬炉。 - 前記炉床部材は、炭素を主成分とする素材からなり、溶銑と反応して消耗するものであることを特徴とする請求項６に記載の竪型マイクロ波製錬炉。
- 前記竪型炉体は、鋼材により形成された鉄皮の内側に、黒鉛、アルミナ又はシリカで内張されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の竪型マイクロ波製錬炉。
- 前記マイクロ波照射室は、その少なくとも一部の内壁が、マイクロ波を反射する銅若しくは銅合金、ステンレス鋼、金を被覆したステンレス鋼又はグラファイトで内張されていることを特徴とする請求項１に記載の竪型マイクロ波製錬炉。
- 前記炉床部材は、製錬炉の起動時に溶銑でコーティングされるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の竪型マイクロ波製錬炉。
- 前記原料は、電子機器廃棄物であり、前記製錬生成物は、貴金属又はレアメタルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の竪型マイクロ波製錬炉。
- 前記内張は、グラファイトのシート、板又はブロックであることを特徴とする請求項２に記載の竪型マイクロ波精錬炉。
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