JP6077164B1 - 共振構造を有する製錬原料ペレット及びこれを用いた製錬原料 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波を加熱源とした金属の製錬技術において、マイクロ波を製錬原料ペレット又は製錬原料に集中的に照射することによって、加熱効率を高めることができる製錬原料ペレット及びこれを用いた製錬原料を得る方法の提供。【解決手段】マイクロ波を加熱源とする製錬の原料となるペレットであって、金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱とした基材に、導電性物質を内包させた構成であり、ペレット内に、導電性部分と誘電性部分とを設けたことによって、マイクロ波の共振構造を有する構成である製錬原料。【選択図】図１

Description

本発明は、製錬原料に関し、詳しくは、マイクロ波を加熱源とする金属の製錬技術において用いられる製錬原料ペレット及びこれらを用いた製錬原料に関する。

従来から、鉱石を還元することによって金属を取り出す製錬技術のうち、加熱炉を用いて鉱石を溶融し、目的の金属を得る乾式製錬が知られている。また、この乾式製錬に用いられる加熱炉として、マイクロ波を加熱源とするものが知られている。

特許文献１（特開２０１２−１５８７９０）に記載の技術は、
『ヘマタイト又はゲーサイトの少なくともいずれかを含有する製鉄原料を、マイクロ波による加熱を除く加熱方法により１５０℃以上に予熱する第１工程と、予熱された前記製鉄原料を還元性ガスの雰囲気下で周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射して加熱、還元する第２工程を有するマイクロ波を利用した製鉄原料の還元方法』である。

この技術によれば、鉄の製錬について、従来のような火力による原料の加熱ではなく、加熱源としてマイクロ波を利用することができる。
しかし、この技術では、マイクロ波が加熱炉内において分散し、ターゲットである原料に集中しないことから、加熱効率が悪いという問題があった。

特許文献２（特開２０１１−０１７０８３）に記載の技術は、
『（ａ）鉱石／融剤混合物を形成するために（ｉ）４．０ｍｍ以下の最大サイズを有する所定の粒子サイズ分布を有する鉱石と（ｉｉ）融剤を混合する工程、
（ｂ）団鉱の品質および製造収率を最適化させるために、混合工程（ａ）の前にまたは間に、鉱石の水分含量を調節する工程、
（ｃ）前記鉱石／融剤混合物をプレスして生団鉱にする工程、
（ｄ）焼成された団鉱を形成するために、前記生団鉱を硬化させる工程
を含む高炉または他の直接還元炉の原料としての使用に適切な鉄鉱石団鉱を製造する方法』である。

この技術によれば、高速で焼成温度へ到達することができる原料（鉄鉱石団鉱）を得ることができるとされており、良好な団鉱の製造方法に関して開示されている。
しかし、この技術は、従来の製鉄装置である高炉や直接還元炉に関するもので、原料を火力によって加熱する技術であり、マイクロ波による加熱には適性がない。

本発明者らは、マイクロ波を利用した金属の製錬技術において、製錬原料の構造が、マイクロ波による加熱効率に大きく関わることに注目した。
しかし、特許文献１又は２には、マイクロ波を加熱源とした製錬において、効率的な加熱を行うために最適化された製錬原料に関する言及は無く、示唆さえもされていない。

特開２０１２−１５８７９０ 特開２０１１−０１７０８３

そこで、本発明の課題は、マイクロ波を加熱源とした金属の製錬技術において、マイクロ波を製錬原料ペレット又は製錬原料に集中的に照射することによって、加熱効率を高めることができる製錬原料ペレット及びこれを用いた製錬原料を提供することにある。

上記本発明の課題は、下記の手段により達成される。
１．マイクロ波を加熱源とする製錬の原料となるペレットであって、
金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱とした基材に、導電性物質を内包させた構成であり、
ペレット内に、導電性部分と誘電性部分とが設けられ、
該ペレットは、少なくとも１つの辺又は１つの円周を有する形状であり、
該ペレットの１辺の長さ又は周囲長が、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／４の整数倍に形成された構成であることを特徴とするマイクロ波の共振構造を有する製錬原料ペレット。
ただし、「実効波長＝自由空間波長／ＳＱＲＴ（導電性物質の周囲の誘電率）」、「自由空間波長＝光速度／使用されるマイクロ波の周波数」である。

２．導電性物質が、アンテナ形状に成形された集合体であることを特徴とする前記１に記載の製錬原料ペレット。

３．導電性物質の粒子の間隔が、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／１０以下に構成されたことを特徴とする前記１に記載の製錬原料ペレット。
ただし、「実効波長＝自由空間波長／ＳＱＲＴ（導電性物質の周囲の誘電率）」、「自由空間波長＝光速度／使用されるマイクロ波の周波数」である。

４．導電性物質の集合体が、棒形状に成形されたことを特徴とする前記２に記載の製錬原料ペレット。

５．導電性物質の集合体が、コイル形状に成形されたことを特徴とする前記２に記載の製錬原料ペレット。

６．導電性物質の集合体が、リング形状に成形されたことを特徴とする前記２に記載の製錬原料ペレット。

７．導電性物質の集合体が、スプリットリング形状に成形されたことを特徴とする前記２に記載の製錬原料ペレット。

８．前記１〜７のいずれかに記載の製錬原料ペレットを複数個用いて、１つの集合体として形成された製錬原料であって、
該１つの集合体に形成された製錬原料は、少なくとも１つの辺又は１つの円周を有する形状であり、
該１つの集合体に形成された製錬原料の１辺の長さ又は周囲長が、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／４の整数倍であることを特徴とする製錬原料。
ただし、「実効波長＝自由空間波長／ＳＱＲＴ（導電性物質の周囲の誘電率）」、「自由空間波長＝光速度／使用される周波数」である。

９．前記１〜７のいずれかに記載の製錬原料ペレットが複数個用いられ、これらを等間隔に並べて配置することで１層のメタマテリアル層を形成し、
このメタマテリアル層が複数個用いられ、これらを層状に配置することで、マイクロ波の反射層が形成されると共に、
この層状に配置されたメタマテリアル層の間に、金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱にした基材層が配置された構成であり、
前記メタマテリアル層の間に配置された前記基材中で、マイクロ波の共振が生ずることを特徴とする製錬原料。

１０．前記４に記載の製錬原料ペレットが複数個用いられ、
これらが、棒状に成形された導電性物質の集合体が直線状となるように配置されると共に、
この複数の製錬原料ペレットによる長さが、１／４波長の整数倍とされることで、マイクロ波の共振構造を有することを特徴とする製錬原料。

前記１に示す発明によれば、金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱とした基材に、導電性物質を内包させることによって、ペレット内に導電性部分と誘電性部分とが設けられるので、マイクロ波の共振構造を得ることできる。これにより、この製錬原料ペレットにマイクロ波を照射すると、加熱炉内において、マイクロ波が原料ペレットに対して集中
して照射され、加熱効率の高い製錬原料ペレットを得ることができる。
また、前記１に示す発明によれば、ペレットの１辺の長さ又は周囲長を、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／４の整数倍に形成すれば、Ｑ値（マイクロ波吸収能の指標）の高いペレットを得ることができる。この場合のペレットは、基材に対して、導電性物質が均一又は偏在して内包された態様である。
これにより、この製錬原料ペレットにマイクロ波を照射すると、加熱炉内において、マイクロ波が原料ペレットに対して集中して照射され、加熱効率の高い製錬原料ペレットを得ることができる。

前記２に示す発明によれば、導電性物質を、マイクロ波のアンテナとなる形状（アンテナ形状）に成形した集合体とすることで、Ｑ値（マイクロ波吸収能の指標）の高いペレットを得ることができる。これにより、この製錬原料ペレットにマイクロ波を照射すると、加熱炉内において、マイクロ波が原料ペレットに対して集中して照射され、加熱効率の高い製錬原料ペレットを得ることができる。

前記３に示す発明によれば、導電性物質の粒子の間隔を、使用されるマイクロ波周波数の実効波長の１／１０以下になるように、ペレットを形成することによって、Ｑ値（マイクロ波吸収能の指標）の高いペレットを得ることができる。これにより、この製錬原料ペレットにマイクロ波を照射すると、加熱炉内において、マイクロ波が原料ペレットに対して集中して照射され、加熱効率の高い製錬原料ペレットを得ることができる。

前記４に示す発明によれば、導電性物質の集合体を、棒形状のアンテナ形状に成形し、これを金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱とした基材に内包させることで、マイクロ波の共振構造を有する製錬原料ペレットを得ることができる。

前記５に示す発明によれば、導電性物質の集合体を、コイル形状のアンテナ形状に成形し、これを金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱とした基材に内包させることで、マイクロ波の共振構造を有する製錬原料ペレットを得ることができる。

前記６に示す発明によれば、導電性物質の集合体を、リング形状のアンテナ形状に成形し、これを金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱とした基材に内包させることで、マイクロ波の共振構造を有する製錬原料ペレットを得ることができる。

前記７に示す発明によれば、導電性物質の集合体を、スプリットリング形状のアンテナ形状に成形し、これを金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱とした基材に内包させることで、マイクロ波の共振構造を有する製錬原料ペレットを得ることができる。

前記８に示す発明によれば、前記１〜７のいずれかに記載の製錬原料ペレットを複数個用いて、共振構造を持つ製錬原料を得ることができる。
即ち、製錬原料ペレットを複数個用いて、１つの集合体（製錬原料）を形成し、この集合体（製錬原料）の１辺の長さ又は周囲長を、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／４の整数倍に形成すれば、Ｑ値（マイクロ波吸収能の指標）の高い製錬原料を得ることができる。
これにより、この製錬原料はマイクロ波の共振構造となり、これにマイクロ波を照射すると、加熱炉内において、マイクロ波が製錬原料に対して集中して照射され、加熱効率の高い製錬原料を得ることができる。

前記９に示す発明によれば、前記１〜７のいずれかに記載の製錬原料ペレットを複数個用いて、共振構造を持つ製錬原料を得ることができる。
前記９の構成を詳述すると、先ず、複数の製錬原料ペレットを、等間隔に並べて配置することで１層のメタマテリアル層を形成する。このメタマテリアル層が複数個用いられ、これらを層状に配置することで、マイクロ波の反射層を形成する。
次に、前記メタマテリアル層の間に、金属酸化物と還元剤を均一に混合した団鉱を挟むように配置する。かかる構成の製錬原料に、マイクロ波を照射すれば、前記メタマテリアル層の間に配置された前記団鉱中で、マイクロ波の共振が生ずることになる。
この構成によって、加熱炉内において、マイクロ波が製錬原料に集中して照射されるので、加熱効率を高めることができる。

前記１０に示す発明によれば、導電性物質の集合体を棒状に成形し、これを金属酸化物と還元剤を均一に混合した団鉱に内包させた製錬原料ペレットを、この棒状の導電性物質が直線状になるように配置し、この複数の製錬原料ペレットによる長さを、１／４波長の整数倍とすることで、製錬原料がマイクロ波のアンテナとなり、マイクロ波の共振構造を有する製錬原料を得ることができる。
この構成によって、加熱炉内において、マイクロ波が製錬原料に集中して照射されるので、加熱効率を高めることができる。

本発明に係る製錬原料ペレットの一実施例を表す概略構成図（アンテナ型・棒形状の例） 本発明に係る製錬原料ペレットの他の実施例を表す概略構成図（アンテナ型・コイル形状の例） 本発明に係る製錬原料ペレットの他の実施例を表す概略構成図（アンテナ型・リング形状の例） 本発明に係る製錬原料ペレットの他の実施例を表す概略構成図（アンテナ型・スプリットリング形状の例） 本発明に係る製錬原料ペレットの他の実施例を表す概略断面図（均一型の例） 本発明に係る製錬原料ペレットの他の実施例を表す概略断面図（偏在型の例） 従来の製錬原料ペレットについての電場分布のシミュレーション画像 本発明に係る製錬原料ペレットについての電場分布のシミュレーション画像 本発明に係る製錬原料の一実施例を表す概略構成図（縦方向への積み上げ） 本発明に係る製錬原料の一実施例を表す概略構成図（横方向への配列） メタマテリアル層の例を表す概略構成図（リング形状） メタマテリアル層の例を表す概略構成図（スプリットリング形状） 本発明に係る製錬原料の一実施例を表す概略構成図（メタマテリアル構造） 製錬装置の公知例を表す概略構成図 Ｑ値の比較実験結果を表すグラフ

本発明に係る製錬原料ペレット（以下、単に「製錬原料ペレット」ともいう。）１は、マイクロ波を加熱源とする製錬装置において、マイクロ波によって加熱・還元される金属の製錬原料を構成する小さな塊である。
マイクロ波を加熱源とする製錬装置の構成について、図１４に例示する。なお、製錬原料ペレット１を加熱する製錬装置は、図１４に示される構成に限定されるものではない。

図１４において例示される製錬装置１０１では、加熱室１０２に載置された原料１０９に対して、マイクロ波が照射される。このマイクロ波照射によって、原料１０９は加熱・還元される。
しかし、従来の原料にマイクロ波を照射しても、加熱効率が不十分であるという問題があった。この原因として、本発明者らは、この加熱・還元の際に、加熱室内１０２においてマイクロ波が分散し、原料１０９付近にマイクロ波が集中しないという問題があることを見出した。
そこで、本発明者らは、装置の構成ではなく、原料の構成に改良を加え、以下に記載する構成を採用することによって、前記問題を解決した。

以下、添付の図面に従って、本発明を詳細に説明する。
製錬原料ペレット１の実施例を表す概略構成図を、図１〜４に示す。

製錬原料ペレット１は、金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱にした基材２に、導電性物質３が内包された構成である。

製錬原料ペレット１は、製錬原料４を構成する小さな塊であり、一般的には、複数の製錬原料ペレットを加熱室における原料容器等に配置して、これを１つの製錬原料４とし、これにマイクロ波が照射されて加熱・還元されるものである。ただし、本発明は、単体の製錬原料ペレット１が、マイクロ波による加熱・還元の対象とされることを除外するものではない。

上述のとおり、基材２は、金属酸化物と還元剤を均一に混合し、これを任意の形状に成形したものである。基材２の形状に限定はないが、図１〜４に示されるように、円柱形を例示することができる。基材２を円柱形に成形することにより、複数の製錬原料ペレット１を任意の方向や間隔で配列し易いという利点がある。

基材２を形成する金属酸化物は、加熱・還元によって取り出したい金属の酸化物であり、例えば、マグネシウムを取り出したい場合は、酸化マグネシウム（ドロマイト等）ということになる。

基材２を形成する還元剤は、導電性の有無を問わない。還元剤の種類に限定はないが、例えば、フェロシリコンを挙げることができる。

基材２に内包される導電性物質に限定はなく、公知公用の導電性を有する物質を特別の制限無く採用することができる。本発明に用いることができる導電性物質として、例えば、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム又はフェロシリコンを挙げることができる。

導電性物質３は、製錬原料ペレット１が、マイクロ波のアンテナとなるために内包される。即ち、製錬原料ペレット１は、基材２に、導電性物質３が内包されることにより、ペレット内に、導電性部分と誘電性部分とが設けられ、これにより、マイクロ波の共振構造を有するものである。
本発明において、マイクロ波のアンテナ（または、単に「アンテナ」。）とは、マイクロ波を共振させる構造をいう。

導電性物質３を、金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱にした基材２に内包させる態様について、以下に説明する。

先ず、導電性物質３を、マイクロ波のアンテナとなり得る形状（アンテナ形状）に成形した集合体３１とし、これを基材２に内包させる態様を挙げることができる（以下、かかる態様を「アンテナ型」という。）。この構成により、製錬原料ペレット１は、マイクロ波の共振構造を有する。
導電性物質の集合体３１が、アンテナ形状となるためには、例えば、図１に示される棒形状、図２に示されるコイル形状、図３に示されるリング形状、図４に示されるスプリットリング形状を挙げることができる。

棒形状の導電性物質の集合体３１ａは、図１に示されるように、円柱又は角柱からなる直線状の形状である。基材２の形状が円柱形である場合には、基材２と導電性物質の集合体３１ａの高さ方向が、同じ方向であることが好ましい。

コイル形状の導電性物質の集合体３１ｂは、図２に示されるように、螺旋状の形状であり、ループアンテナの如き形状である。基材２の形状が円柱形である場合には、基材２と導電性物質の集合体３１ｄの高さ方向が、同じ方向であることが好ましい。

リング形状の導電性物質の集合体３１ｃは、図３に示されるように、円形状である。基材２の形状が円柱形である場合には、基材２と導電性物質の集合体３１ｃの径方向が、同じであることが好ましい。

スプリットリング形状の導電性物質の集合体３１ｄは、図４に示されるように、円形状の一部を欠いた形状、換言すれば、Ｃ字の如き形状である。基材２の形状が円柱形である場合には、基材２と導電性物質の集合体３１ｄの径方向が、同じであることが好ましい。

導電性物質の集合体３１が成形されるアンテナ形状は、図１〜４に示される形状に限定されず、マイクロ波のアンテナとして、即ち、ＩＳＭ帯で使用が許されているマイクロ波の周波数（約２．４５ＧＨｚ、約５．８ＧＨｚ又は直近で使用が許可された約９１５ＭＨｚ。）で共振する構造として、公知公用の形状を特別の制限なく採用することができる。

製錬原料ペレット１内の導電性物質３が、マイクロ波のアンテナの役割を果たせば、製錬原料ペレット１は、マイクロ波の共振構造となり、ここにマイクロ波が集中することになる。

次に、導電性物質３を、基材２に混合させる態様であって、基材２の中に、導電性物質の粒子３２が均一に配される態様を挙げることができる（以下、かかる態様を「均一型」という。）。この構成によっても、製錬原料ペレット１は、マイクロ波の共振構造を有する。
図５に、上記した均一型の製錬原料ペレット１の実施例を表す概略断面図を示す。この図では、導電性還元剤の粒子３２の配置を理解するため、図１等のような円筒形の製錬原料ペレット１を、中央から縦に切った場合の断面図を示す。
図５に示されるように、導電性物質の粒子３１が、基材２の中に略等間隔で均一に配されている。

次に、導電性物質３を、基材２に混合させる態様であって、基材２の中に、導電性物質
の粒子３２が偏在して配される態様を挙げることができる（以下、かかる態様を「偏在型」という。）。この構成によっても、製錬原料ペレット１は、マイクロ波の共振構造を有する。
図６に、上記した偏在型の製錬原料ペレット１の実施例を表す概略断面図を示す。この図では、導電性還元剤の粒子３２の配置を理解するため、図１等のような円筒形の製錬原料ペレット１を、中央から縦に切った場合の断面図を示す。
図６に示されるように、導電性物質の粒子３１が、基材２の中に不規則に偏在して配されており、粒子の密度が高い箇所と低い箇所とに分かれている。

製錬原料ペレット１が均一型又は偏在型である場合において、製錬原料ペレット１が、マイクロ波の共振構造を有するためには、以下の構成となることが好ましい。

導電性物質３を含む製錬原料ペレット１が、マイクロ波の共振構造となるためには、導電性物質３の粒子３２の間隔が、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／１０以下となるように構成される。ここでいう実効波長とは、「自由空間波長／ＳＱＲＴ（導電性物質の周囲の誘電率）」から算出され、自由空間波長は、「光速度／使用される周波数」から算出される。
なお、使用されるマイクロ波の周波数は、電波法の規定の範囲内であって、マイクロ波が照射される加熱炉等において漏れが生じない範囲であればよい。例えば、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ又は９１５ＭＨｚを挙げることができる。

上記の構成は、均一型の製錬原料ペレット１に用いられることが好ましい。

次に、導電性物質３を含む製錬原料ペレット１が、その１辺の長さ又は周囲長を、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／４の整数倍とすることが好ましい。ここでいう実効波長とは、「自由空間波長／ＳＱＲＴ（導電性物質の周囲の誘電率）」から算出され、自由空間波長は、「光速度／使用される周波数」から算出される。
なお、使用されるマイクロ波の周波数は、電波法の規定の範囲内であって、マイクロ波が照射される加熱炉等において漏れが生じない範囲であればよい。例えば、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ又は９１５ＭＨｚを挙げることができる。

上記の構成は、均一型又は偏在型のいずれの製錬原料ペレット１に用いられてもよい。なお、導電性物質の粒子３１が偏在する（偏在型）場合には、アンテナ長が不揃い又は不規則となり、これにより、Ｑ値（マイクロ波吸収能の指標）に反映される。詳しくは、後述する。

偏在型ペレットの特徴として、使用される周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）近辺の幅広い帯域についてマイクロ波を吸収することができ、マグネトロン等の周波数が不安定な電源による製錬に適することがいえる。

一方で、アンテナ形状の導電性物質を内包するペレット（アンテナ型）は、利用可能な周波数の帯域は狭いが、所定の周波数のマイクロ波を正確に照射した場合には、エネルギー効率が高いという利点がある。

本発明に係る製錬原料ペレット１について、上記の構造でマイクロ波の共振構造となっていることを確認するために、加熱室内における電場分布のシミュレーション実験を行った。
上記電場分布のシミュレーション画像を、図７〜８に示す。図７は、従来の構造の製錬原料ペレットＰ（金属酸化物と還元剤が均一に混合された団鉱であって、導電性物質の集合体を内包しないもの）についてのシミュレーション結果であり、図８は、本発明に係る
製錬原料ペレット１（金属酸化物と還元剤が均一に混合された団鉱であって、導電性物質の集合体が内包されたもの）についてのシミュレーション結果である。

図７では原料ペレットＰを、図８では製錬原料ペレット１を、それぞれ５つ縦に積み上げている。
これらのシミュレーション結果の画像は、淡色の部分ほど電場のエネルギー密度が高く、濃色の部分ほど電場のエネルギー密度が低いことを表わしている。

まず、従来の構造の製錬原料ペレットＰについて、上記シミュレーション画像について説明する。従来の構造の製錬原料ペレットＰは、本発明における基材２と同じく、金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱にした構成である。
図７に示されるように、電場のエネルギー密度が高い箇所が、加熱室全体に及んでおり、これにより、マイクロ波が加熱室全体に散逸することがわかった。また、このシミュレーション実験によれば、ペレットＰの到達温度は、５００〜６００℃程度であった。

続いて、本発明に係る製錬原料ペレット１について、上記シミュレーション画像について説明する。使用された製錬原料ペレット１は、図１に示されるように、円筒形の基材２に、棒形状の導電性物質の集合体３１（３１ａ）が内包された構成である。

図８に示されるように、製錬原料ペレット１を使用したシミュレーション実験では、従来の製錬原料ペレットＰを使用した場合に比べて、電場のエネルギー密度が高い箇所が、製錬原料ペレット１の近辺に集中しており、加熱室内の他の箇所では、電場のエネルギー密度が低いことが確認された。これを換言すれば、マイクロ波が、製錬原料ペレット１の近辺に集中することが分かった。また、このシミュレーション実験によれば、製錬原料ペレット１の到達温度は、１０００℃以上に達し、従来のペレットＰよりも高温に加熱され、加熱効率が著しく改善されることが確認された。

上記のとおり、製錬原料ペレット１が、マイクロ波の共振構造となることによって、加熱室内においてマイクロ波が原料に集中し、原料の加熱・還元の効率が著しく高まることが確認された。

次に、製錬原料ペレット１を複数個使用し、これらを１つの製錬原料４として加熱・還元する構成について説明する。
上述の製錬原料ペレット１についてのシミュレーション実験により、製錬原料４が、マイクロ波の共振構造となることによっても、この製錬原料４にマイクロ波が集中して照射され、加熱効率は高くなることは明らかである。

製錬原料ペレット１は、その単体でマイクロ波の共振構造であるため、これを縦に積み上げる、横に並べる、敷き詰める等することで複数個を配置し、１つの製錬原料４とすれば、この製錬原料４は、マイクロ波の共振構造を有する。しかし、これだけでは、製錬原料４の近辺へのマイクロ波の集中が安定しない。そこで、複数の製錬原料ペレット１を、以下のように配置することが好ましく、この配置により製錬原料４はマイクロ波の共振構造を有し、加熱室内においてマイクロ波が集中して照射される。

図９に示される実施例は、図１に示される製錬原料ペレット１を、棒形状の導電性物質の集合体３１（３１ａ）が一直線になるように、縦方向（垂直方向）に積み上げられた構成の製錬原料４である。かかる構成の製錬原料４は、縦方向の高さを、照射されるマイクロ波の１波長、１／２波長又は１／４波長（即ち、１／４波長の整数倍。）とすることが好ましい。この構成により、製錬原料４は、マイクロ波の共振構造となり、マイクロ波は製錬原料４に集中し、加熱効率を高めることができる。

また、図９に示される実施例では、製錬原料ペレット１を縦方向に積み上げたが、図１０に示されるように、棒形状の導電性物質の集合体３１が一直線になるように、横方向（水平方向）に並べる構成としてもよい。この場合も、製錬原料４の長さが、照射されるマイクロ波の１波長、１／２波長又は１／４波長（即ち、１／４波長の整数倍。）とされることが好ましい。

製錬原料ペレット１を複数個使用し、これらを１つの集合体として製錬原料４を形成し、この製錬原料４が共振構造を有する他の例について説明する。

製錬原料ペレット１を複数個用いて、１つの集合体（製錬原料４）を形成し、この製錬原料４の１辺の長さ又は周囲長を、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／４の整数倍とすれば、この製錬原料４はマイクロ波の共振構造を有する。ここで、実効波長とは、自由空間波長／ＳＱＲＴ(導電性物質の周囲の誘電率）から算出され、自由空間波長は、光速度／使用される周波数で算出される。

製錬原料ペレット１を、所定の間隔で並べて配置することによって、メタマテリアル構造を有する製錬原料４を得ることができる。
メタマテリアル構造とするためには、アンテナ形状に成形された導電性物質の集合体３１を内包させた製錬原料ペレット１を、等間隔に並べて配置すればよい。

まず、図１１〜１２に示されるように、製錬原料ペレット１を、等間隔で並べて配置することで、メタマテリアルの性質を有するメタマテリアル層５を形成する。図１１は、図３に示されるリング状の導電性物質の集合体３３を、図１２は、図４に示されるスプリットリング状の導電性物質の集合体３４を内包する製錬原料ペレット１を、それぞれ複数個並べて配置し、メタマテリアル層５を形成した例である。
このメタマテリアル層５を層状に重ねて配置すれば、マイクロ波の反射層、即ち、例えば２．４５Ｇｈｚの反射層を形成することができる。

続いて、図１３に示されるように、メタマテリアル層５の間に、金属酸化物と還元剤を均一に混合して形成した基材層６を、メタマテリアル層５に挟まれるように配置する。
上記のようにして、メタマテリアル層５と基材層６とが交互に重なり合い、層構造に形成された製錬原料４に、マイクロ波を照射すれば、基材層６においてマイクロ波の共振が生ずることになる。この構成によって、加熱炉内において、マイクロ波が製錬原料４に集中して照射されるので、加熱効率を高めることができる。

製錬原料ペレット１の製造方法について、以下に説明する。
例として、導電性物質３の集合体３１が、棒形状である場合を示す。なお、本発明に係る製錬原料ペレット１は、以下に記載する製造方法に限定されるものではない。

先ず、同等粒径の金属酸化物の粒体と還元剤の粒体とを混合し、これを型に入れて加圧成形する。この加圧成形された団鉱に、ボール盤等を使用して穿穴する。この穿穴の際には、貫通しないようにし、器状の団鉱を形成する。
次に、この穴に導電性物質の粒体を詰める。そして、一度加圧成形された金属酸化物を崩し、これを用いて、導電性物質に蓋をするような要領でこの穴を塞ぐ。このような手順で、製錬原料ペレット１を製造することができる。
なお、上記のように穴に蓋をするのは、導電性物質が露出していると、これが零れるおそれがあるためである。なおまた、一度加圧成形された金属酸化物で蓋をするのは、加圧成形していない金属酸化物では、蓋として保持されず、金属酸化物と導電性物質が共に粒体として零れるおそれがあるためである。

導電性物質の集合体３１が、コイル形状、リング形状又はスプリットリング形状である場合には、これらの形状の導電性物質の集合体３１を加圧成形等の手段により作成しておき、これを、同等粒径の金属酸化物の粒体と還元剤の粒体とを混合物に埋め込み、加圧成形することで製造することができる。また、同等粒径の金属酸化物の粒体と還元剤の粒体との混合物を加圧成形し、これに削り出しや穿穴等の手段によってコイル形状、リング形状又はスプリットリング形状の穴を設け、この所定の形状に設けられた穴に、導電性物質の粒体を流し込み、一度加圧成形された金属酸化物を崩した物等で蓋をして、全体を加圧成形する手段も採用することができる。

次に、例として、導電性物質の粒子３２が、基材２内に偏在した態様である偏在型の製錬原料ペレット１について、その製造方法を示す。
偏在型のペレットは、粒径の異なる金属酸化物、還元剤及び導電性物質の粒子３２を混合し、これらの混合物を加圧成形することで製造することができる。ペレット内で、導電性物質の粒子３２は不規則に配され、基材２の中に偏在する。

具体例として、金属酸化物である軽焼ドロマイト（212〜425μm）と、導電性物質であるフェロシリコン（100〜212μm）の混合物を、径13mm×高さ12mmの円筒形ペレットに加圧成形する方法を挙げることができる。

例えば、これを５つ積み上げる又は横に並べる（図９〜１０参照）と、マイクロ波の周波数である約２．４５ＧＨｚに対して共振構造となり、効率的な加熱が可能となる。

最後に、製錬原料ペレット１における導電性物質の内包手段によって、マイクロ波の吸収能に如何なる相違が発生するかを検証するため、次のような実験を行った。

図１５は、次に示す（１）〜（３）の各製錬原料ペレット１のＱ値を導出するために、ＴＥ１０３モードを使って測定した結果を表すグラフである。Ｑ値とは、マイクロ波の吸収能を示す指標であり、ピーク周波数／帯域幅（半値幅）から導出される。

（１）金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱とした基材２に、アンテナ形状に成形された導電性物質の集合体３１を内包させた構成（アンテナ型）
（２）金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱とした基材２に、多数の導電性物質の粒子３２が、均一かつ略等間隔に内包された構成（均一型）
（３）金属酸化物と還元剤と多数の導電性物質の粒子３２を混合して、導電性物質３が、不均一かつ不規則に偏在して内包された構成（偏在型）

図１５に示されるグラフから、上記（１）〜（３）の各製錬原料ペレットのＱ値を導出すると、次のとおりとなった。
（１）アンテナ型：Ｑ＝１００３
（２）均一型 ：Ｑ＝８６９
（３）偏在型 ：Ｑ＝７２２

上記の結果より、（１）のアンテナ型は、帯域幅が狭いものの、マイクロ波の周波数を正確に合致させることによって、極めて高い吸収能を発揮でき、マイクロ波エネルギーの大半をペレットに吸収することができ、加熱効率を著しく高めることができる。

一方、（３）の偏在型は、Ｑ値が最も低く、マイクロ波の吸収能は低いものの、帯域幅が広いため、幅広い周波数に対応ができ、照射されるマイクロ波の周波数が不安定である場合などでも、一定の加熱効率を得ることができる。マルチモードには最適であるともい
える。

（２）の均一型は、Ｑ値と帯域幅が共に（１）と（３）の間であり、比較的高い吸収能を発揮しつつ、対応できる周波数も比較的広いという利点がある。

１ 製錬原料ペレット
２ 基材
３ 導電性物質
３１ 導電性物質の集合体
３１ａ 棒形状
３１ｂ コイル形状
３１ｃ リング形状
３１ｄ スプリットリング形状
３２ 導電性物質の粒子
４ 製錬材料
５ メタマテリアル層
６ 基材層
Ｐ 従来の製錬原料ペレット
１０１ 従来の製錬装置
１０２ 加熱室
１０３ 凝縮室
１０４ マイクロ波源
１０５ 導波管
１０６ シールド
１０７ 隔壁
１０８ 蒸気出口
１０９ 原材料
１１０ 原材料載置台
１１１ 原材料容器
１１２ マイクロ波導入口
Ｖ 真空ポンプ

Claims (10)

1. マイクロ波を加熱源とする製錬の原料となるペレットであって、
   金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱とした基材に、導電性物質を内包させた構成であり、
   ペレット内に、導電性部分と誘電性部分とが設けられ、
   該ペレットは、少なくとも１つの辺又は１つの円周を有する形状であり、
   該ペレットの１辺の長さ又は周囲長が、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／４の整数倍に形成された構成であることを特徴とするマイクロ波の共振構造を有する製錬原料ペレット。
   ただし、「実効波長＝自由空間波長／ＳＱＲＴ（導電性物質の周囲の誘電率）」、「自由空間波長＝光速度／使用されるマイクロ波の周波数」である。
2. 導電性物質が、アンテナ形状に成形された集合体であることを特徴とする請求項１に記載の製錬原料ペレット。
3. 導電性物質の粒子の間隔が、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／１０以下に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の製錬原料ペレット。
   ただし、「実効波長＝自由空間波長／ＳＱＲＴ（導電性物質の周囲の誘電率）」、「自由空間波長＝光速度／使用されるマイクロ波の周波数」である。
4. 導電性物質の集合体が、棒形状に成形されたことを特徴とする請求項２に記載の製錬原料ペレット。
5. 導電性物質の集合体が、コイル形状に成形されたことを特徴とする請求項２に記載の製錬原料ペレット。
6. 導電性物質の集合体が、リング形状に成形されたことを特徴とする請求項２に記載の製錬原料ペレット。
7. 導電性物質の集合体が、スプリットリング形状に成形されたことを特徴とする請求項２に記載の製錬原料ペレット。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の製錬原料ペレットを複数個用いて、１つの集合体として形成された製錬原料であって、
   該１つの集合体に形成された製錬原料は、少なくとも１つの辺又は１つの円周を有する形状であり、
   該１つの集合体に形成された製錬原料の１辺の長さ又は周囲長が、使用されるマイクロ波の周波数の実効波長の１／４の整数倍であることを特徴とする製錬原料。
   ただし、「実効波長＝自由空間波長／ＳＱＲＴ（導電性物質の周囲の誘電率）」、「自由空間波長＝光速度／使用される周波数」である。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載の製錬原料ペレットが複数個用いられ、これらを等間隔に並べて配置することで１層のメタマテリアル層を形成し、
   このメタマテリアル層が複数個用いられ、これらを層状に配置することで、マイクロ波の反射層が形成されると共に、
   この層状に配置されたメタマテリアル層の間に、金属酸化物と還元剤を均一に混合して団鉱にした基材層が配置された構成であり、
   前記メタマテリアル層の間に配置された前記基材中で、マイクロ波の共振が生ずることを特徴とする製錬原料。
10. 請求項４に記載の製錬原料ペレットが複数個用いられ、
    これらが、棒状に成形された導電性物質の集合体が直線状となるように配置されると共に、
    この複数の製錬原料ペレットによる長さが、１／４波長の整数倍とされることで、マイクロ波の共振構造を有することを特徴とする製錬原料。