JP6432427B2 - マイクロ波加熱装置及びマイクロ波加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波加熱装置及びマイクロ波加熱方法に関する。

連続鋳造法による製鋼工程では、取鍋からタンディッシュへと溶鋼を注入する際に溶鋼を外気から遮断するために、ロングノズルに次いで、注入管が多く用いられている。かかる注入管の内部は、溶鋼の二次酸化を防止するために、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスが満たされている。

かかる注入管内の湯面では、取鍋からの溶鋼の注入流がＡｒ等の不活性ガスを巻き込むため、溶鋼中に多くの気泡が発生する。発生した気泡は、タンディッシュ内に上昇流を生じさせ、溶鋼中に懸濁している非金属介在物の浮上を促進させる。従って、溶鋼をタンディッシュに注入する際に注入管を使用した場合には、ロングノズルを使用した場合に比べて、溶鋼を清浄化することが可能となる。

注入管の下端部は、タンディッシュ内の溶鋼中に浸漬されており、内部の空間は、取鍋からの溶鋼流が降下するため、１０００℃以上の高温に曝される。更に、注入管は、タンディッシュ内の湯面上に存在するスラグによっても浸食を受ける。従って、注入管は、主に、アルミナ−グラファイトやマグネシア−グラファイト等といった酸化物−炭素質系の耐火物で構成されるのが一般的である。

ここで、注入管内壁面の溶鋼に浸漬していない部位の表面温度は、上記のような１０００℃以上の高温に曝されるものの、通常、鋼の凝固温度よりも低い。そのため、かかる部位に溶鋼が飛散すると、飛散した溶鋼が凝固して付着し、かかる付着地金が成長していく。かかる地金の付着現象は、注入管には避けられない現象である。付着地金が成長すると、注入管の内部空間を閉塞して、操業を阻害する可能性がある。そこで、注入管の内壁に付着地金が成長してくると、付着した地金を酸素で溶断する等の作業が行われてきた。しかしながら、付着地金を溶断した場合、除去された地金が注入管を通ってタンディッシュ内に混入してしまい、溶鋼を汚染する原因となってしまう。

そこで、付着地金の溶断処理を行わないようにするために、下記の特許文献１には、注入管の内壁に対して着脱可能な保護筒を設け、保護筒に地金が成長してきた場合には保護筒を交換する作業を行う、という技術が提案されている。

また、下記の特許文献２には、注入管の内壁に所定の成分からなる内張り層を設け、注入管の内壁への地金の付着を抑制する技術が提案されている。

特開２０１２−１６６２５５号公報 特開２０１３−１７３１４９号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術を用いた場合であっても、注入管の内部に設けた保護筒への地金の付着を抑制できるわけではなく、保護筒の交換のために連続鋳造処理を中断することが必要となって、生産性が低下してしまう。また、上記特許文献２の技術を用いる場合には、特殊な内張り層を有する注入管を準備しなくてはならず、簡便ではない。このように、注入管の内壁に付着する地金の成長を、生産性を維持しつつ、かつ、より簡便に抑制可能な技術は、確立されていない現状にある。

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、注入管の内壁に付着する地金の成長を、生産性を維持しつつ、かつ、より簡便に抑制することが可能な、マイクロ波加熱装置及びマイクロ波加熱方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、マイクロ波を用いて、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を供給するための注入管の内壁を加熱するマイクロ波加熱装置であって、前記注入管の内壁を加熱するために用いられるマイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、前記注入管の側面から内部へと挿入されており、前記注入管の内壁に対してマイクロ波を照射する導波管と、を備える、マイクロ波加熱装置が提供される。

前記溶鋼の溶融温度をＴ_ｍ［℃］とした際に、前記タンディッシュの湯面から当該湯面の上方１０００ｍｍまでの範囲が（Ｔ_ｍ−１５０）℃以上に加熱されるように、前記導波管が配設されることが好ましい。

前記注入管の厚みは、前記マイクロ波の浸透深さの３倍以上であることが好ましい。

前記導波管は、前記導波管の中心軸が、前記注入管の内部を流れる前記溶鋼の下降流の外周に接する方向よりも前記注入管の内壁側に向くように配設されていることが好ましい。

前記導波管は、前記注入管の側面に複数設けられてもよい。

複数の前記導波管を前記注入管の中心軸に沿って上方から見た場合に、前記複数の導波管は、前記注入管の中心軸に対して対称となるように設けられてもよい。

複数の前記導波管は、当該導波管の中心軸に対して直交する方向に切断した際の切断面が略矩形状となっており、前記複数の導波管の少なくとも何れか１つは、略矩形状の切断面の長手方向が前記注入管の中心軸の方向に対して平行とならないように、前記注入管の側面から挿入されてもよい。

複数の前記導波管は、前記タンディッシュの湯面からの高さが互いに異なるように、前記注入管の側面に配設されてもよい。

前記マイクロ波の周波数は、９１５ＭＨｚ帯又は２．４５ＧＨｚ帯に属する周波数であることが好ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、マイクロ波を用いて、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を供給するための注入管の内壁を加熱するマイクロ波加熱方法であって、前記注入管の側面から内部へと挿入された導波管から、所定周波数のマイクロ波を照射する、マイクロ波加熱方法が提供される。

以上説明したように本発明によれば、マイクロ波を用いて注入管の内壁を加熱することにより、注入管の内壁に付着する地金の成長を、生産性を維持しつつ、かつ、より簡便に抑制することが可能となる。

注入管について説明するための説明図である。 注入管について説明するための説明図である。 注入管の内壁に付着する地金について説明するための説明図である。 注入管の内壁に付着する地金について説明するためのグラフ図である。 注入管の内壁に付着する地金について説明するためのグラフ図である。 マイクロ波による耐火物の加熱について説明するための説明図である。 マイクロ波による耐火物の加熱結果を説明するためのグラフ図である。 本発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の構成を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。

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。

（本発明者による検討結果について）
本発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置及びマイクロ波加熱方法について説明するに先立ち、注入管の内壁に付着する地金の成長の抑制方法について本発明者が検討した内容を、具体的に説明する。

図１は、連続鋳造法に用いられる取鍋、注入管及びタンディッシュ付近の設備構成を模式的に示した説明図であり、図２は、注入管の構成を模式的に示した説明図である。
図１に模式的に示したように、取鍋の底部には、内部が中空の注入管が装着されており、注入管のもう一方の端部（図１におけるｚ軸負方向側の端部）は、タンディッシュに装着されている。取鍋に供給された溶鋼は、中心軸が図１中のｚ軸方向と略平行となるように設けられた注入管の内部を通ってタンディッシュへと供給され、タンディッシュ内に一次的に保持される。この際に、注入管のタンディッシュ側の端部（図１におけるｚ軸負方向側の端部）は、タンディッシュに保持される溶鋼中に浸漬されることとなる。タンディッシュに保持されている溶鋼は、タンディッシュの底部に設けられた鋳型の内部へと連続的に供給されて、スラブ等の鋼片が製造される。

ここで、本発明で着目する注入管は、例えば内径が５００〜７００ｍｍ、長さ（図１におけるｚ軸方向の長さ）が１０００〜１５００ｍｍ程度の中空部材であり、アルミナ−グラファイト耐火物やマグネシア−グラファイト耐火物等のような公知の耐火物を用いて形成されている。

先だって説明したように、注入管の下端部は、タンディッシュ内の溶鋼中に浸漬されており、内部の空間は、取鍋からの溶鋼流が降下するため、１０００℃以上の高温に曝される。一方で、注入管内壁面の溶鋼に浸漬していない部位の表面温度は、上記のような１０００℃以上の高温に曝されるものの、通常、鋼の凝固温度よりも低い。そのため、かかる部位に溶鋼が飛散すると、飛散した溶鋼が凝固して付着し、図２に模式的に示したように、付着した地金が成長していくこととなる。

本発明者が、注入管の内壁に付着する地金について調査した結果、図２に模式的に示したような地金は、主に、溶鋼の液面（湯面）から上方に距離Ｄ＝１０００ｍｍだけ離隔した位置までの範囲に付着していることが明らかとなった。また、注入管の内壁に地金が付着する原因は、図２に示した距離Ｄの範囲において注入管の内壁面の温度が鋼の凝固温度よりも低いためであることに着目すると、かかる範囲の内壁面を凝固温度近傍まで何らかの手段で加熱できれば、地金の付着を抑制可能であると考えた。

そこで、本発明者は、注入管の内壁面の温度をどのくらいまで加熱すれば、地金の付着を抑制できるかを確かめるために、図３〜図４Ｂに示したような検証を行った。図３は、注入管の内壁に付着する地金について説明するための説明図であり、図４Ａ及び図４Ｂは、注入管の内壁に付着する地金について説明するためのグラフ図である。

本発明者は、まず、注入管に用いられるものと同様の耐火物（アルミナ−グラファイト耐火物）を準備して、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍという大きさの耐火物サンプルとし、その質量を測定した。その上で、かかる耐火物サンプルを加熱炉で試験温度まで加熱した。より詳細には、加熱炉から耐火物サンプルを取り出した後の温度低下を考慮し、耐火物サンプルを試験温度よりもやや高い温度まで加熱した。

ここで、かかる検証に用いたアルミナ−グラファイト耐火物の主成分を、以下の表１に示す。

加熱した耐火物サンプルを加熱炉の内部から取り出し、試験台（図示せず。）の上に載置した後、サンプルの表面温度を放射温度計により測定し、試験温度になったことを確認した。

次に、実際の操業で用いられる低炭素鋼溶鋼（Ａ）（融点Ｔ_ｍ：約１５４０℃）を２０ｇ準備し、かかる溶鋼を、図３左側に示したように耐火物サンプルの中央部分に滴下した。図３左側に示した状態を１０秒間保持した後、図３中央に示したように、耐火物サンプルを９０度傾けて、表面の溶鋼を除去した。

ここで、かかる検証に用いた低炭素鋼溶鋼（Ａ）の成分を、以下の表２に示す。なお、以下の表２において、残部は、Ｆｅ及び不純物である。

表面の溶鋼を除去した後の耐火物サンプルには、図３右側に示したように、地金が付着している。そこで、地金が付着した状態での耐火物サンプルの質量を測定し、付着前後での質量変化を算出した。ここで得られた質量変化が、地金の付着量となる。

以上説明したような手順の操作を、試験温度を１０００〜１５４０℃の範囲で変えながら、３回実施した。

得られた結果を、図４Ａに示した。ここで、図４Ａの横軸は、試験片温度（単位：℃）であり、図４Ａの縦軸は、質量変化ΔＷ（単位：ｇ）である。図４Ａから明らかなように、試験片温度が９００〜１３５０℃という、溶鋼の融点（約１５４０℃）よりも極めて低い範囲にある状態では、耐火物サンプルに多くの地金が付着していることがわかる。一方、試験片温度が１３９０℃以上（すなわち、（Ｔ_ｍ−１５０）℃以上）となると、試験片温度が９００〜１３５０℃の場合と比べて、地金の付着量が急激に減少していることが明らかとなった。

次に、高炭素鋼溶鋼（Ｂ）（融点約１４８０℃）について、上記と同様の試験を実施した。ここで、検証に用いた高炭素鋼の成分を、以下の表３に示す。なお、以下の表３において、残部は、Ｆｅ及不純物である。

得られた結果を、図４Ｂに示した。ここで、図４Ｂの横軸は、試験温度（単位：℃）であり、図４Ｂの縦軸は、質量変化ΔＷ（単位：ｇ）である。図４Ｂから明らかなように、試験温度が１０００〜１２８０℃という、溶鋼の融点（約１４８０℃）よりも極めて低い範囲にある状態では、耐火物サンプルに多くの地金が付着していることがわかる。一方、試験温度が１３３０℃以上（すなわち、（Ｔ_ｍ−１５０）℃以上）となると、試験温度が９００〜１２８０℃の場合と比べて、地金の付着量が急激に減少していることが明らかとなった。

かかる結果から、本発明者は、図２に示した範囲Ｄの内壁面の温度を、（Ｔ_ｍ−１５０）℃以上に加熱することができれば、注入管の内壁面への地金の付着を抑制できることに想到した。

かかる知見のもと、本発明者は、注入管の内壁面を（Ｔ_ｍ−１５０）℃以上まで加熱する手段について、検討を行った。ここで、注入管の内部空間は、先だって説明したように、Ａｒ等の不活性ガスが充填されており、酸素が存在しない状態となっているため、バーナー等の加熱手段を用いることができない。しかしながら、図２に模式的に示したように、注入管の内部空間は溶鋼で満たされているわけではなく、注入管の内壁面と溶鋼の下降流との間には空間が存在している。そこで、本発明者は、マイクロ波を用いて、かかるマイクロ波を内部空間中に伝播させることで、マイクロ波の有する電気エネルギーにより所望の範囲の内壁面を全体的に加熱できるのではないかと考えた。

そこで、本発明者は、注入管に用いられるアルミナ−グラファイト等の耐火物が、マイクロ波により加熱可能であるかを検討した。
まず、本発明者は、１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍという大きさのアルミナ−グラファイト耐火物を試験片として準備し、５００ｍｍ×５００ｍｍ×５００ｍｍの金属チャンバー内に載置した。その上で、周波数２．４５ＧＨｚ、出力１ｋＷのマイクロ波を金属チャンバー内の試験片に照射して、試験片が加熱されるか否かを確認した。その結果、試験片は、マイクロ波により速やかに加熱されることを確認した。

続いて、本発明者は、電気加熱炉を用いて、実際の注入管の使用環境と同様な環境下において、注入管をマイクロ波により何度まで加熱可能であるかを確認するために、図５及び図６に示したような検証を実施した。図５は、マイクロ波による耐火物の加熱について説明するための説明図であり、図６は、マイクロ波による耐火物の加熱結果を説明するためのグラフ図である。

実際の注入管の使用環境下では、余熱と溶鋼の輻射熱とにより、注入管の内部温度は、約１２００〜１４００℃になっている。そこで、本発明者は、かかる使用環境を模擬するために、図５に模式的に示したように、炉内サイズが４００ｍｍ×４００ｍｍ×４００ｍｍである電気加熱炉を利用した。

具体的には、一般的に注入管に用いられる、カーボン含有量の異なる３種類のグラファイト耐火物を、１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍという大きさの試験片として準備し、かかる試験片の内部に熱電対を設置した後に、電気加熱炉の炉内に設置した。その後、電気加熱炉を操作して、炉内温度が１２００℃を維持するようにし、試験片の温度が１２００℃となるまで加熱した。

ここで、かかる検証に用いたグラファイト耐火物の試験片（１）〜（３）の主成分を、以下の表４に示す。以下の表４から明らかなように、試験片（１）及び試験片（２）は、アルミナ−グラファイト耐火物であり、試験片（３）は、マグネシア−グラファイト耐火物である。なお、以下の表４において、試験片（１）及び試験片（２）の残部は、ＺｒＯ_２、ＳｉＣ等である。

上記試験片（１）〜（３）の温度が１２００℃となった後、各試験片に対して周波数２．４５ＧＨｚ、出力１ｋＷのマイクロ波を照射し、熱電対からの出力値（すなわち、試験片表面での温度上昇の様子）を観察した。

得られた結果を、図６に示す。図６の横軸は、マイクロ波の照射時間であり、図６の横軸０分に、上記のようなマイクロ波の照射を開始した。また、図６の縦軸は、試験片の温度である。図６から明らかなように、いずれの試験片についても、２０分程度のマイクロ波加熱により、試験片の温度を１７００℃まで加熱できることが明らかとなった。この結果は、注入管に用いられるアルミナ−グラファイト耐火物が、マイクロ波を良く吸収することを示している。

ここで、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Ｐ_ａｂｓ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Ｐ_ａｂｓ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。従って、下記式１１で表されるＰ_ａｂｓ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。マイクロ波は、誘電損失により物質に吸収されると、マイクロ波のエネルギーが熱に変換され、結果的にマイクロ波を吸収した物質が加熱されることとなる。

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］
ε_０：真空中の誘電率 ［Ｆ／ｍ］
ε_ｒ”：被加熱物質の比誘電率の虚数部
μ_０：真空中の透磁率 ［Ｈ／ｍ］
μ_ｒ”：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。

上記式１１から明らかなように、マイクロ波加熱による耐火物の温度上昇は、耐火物を構成する物質の比誘電率の虚数部ε_ｒ”に依存している。

ここで、一般的に用いられる、アルミナ−グラファイトやマグネシア−グラファイト等の耐火物の構成素材において、アルミナやマグネシアといった酸化物は、マイクロ波の非吸収体であり、マイクロ波は、グラファイト等の炭素材に極めて良く吸収される。従って、上記の検証は、アルミナ−グラファイト耐火物及びマグネシア−グラファイト耐火物を用いて行ったものであるが、アルミナ−グラファイトやマグネシア−グラファイト以外の酸化物−炭素質系の耐火物であっても、上記と同様の挙動を示すものと考えられる。

ところで、マイクロ波が誘電損失により物質に吸収されると、マイクロ波のエネルギーは熱に変換されて、結果的にマイクロ波を吸収した物質が加熱されることとなる。この際、マイクロ波がどのくらいまで物質の内部に浸透するかは、以下の式１３で算出することが可能である。

ここで、上記式１３において、
δ ：マイクロ波の浸透深さ ［ｃｍ］
λ ：自由空間におけるマイクロ波の波長 ［ｃｍ］
ε’ ：物質の比誘電率（実部）
ｔａｎ δ：物質の誘電正接
である。
また、ｔａｎ δは、物質の誘電率ε_ｒ’及び誘電損失係数ε_ｒ”を用いて、（ε_ｒ’／ε_ｒ”）で算出することが可能である。

本発明者は、これらの知見に基づき更なる検討を行った結果、以下で詳述するような、マイクロ波加熱装置及びマイクロ波加熱方法に想到したのである。

（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マイクロ波加熱装置及びマイクロ波加熱方法（以下、単に、「加熱方法」、「加熱装置」ともいう。）で用いられるマイクロ波について、簡単に説明する。

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、本実施形態に係る加熱方法及び加熱装置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。

以下で説明する本発明の実施形態では、電磁波の周波数は特に限定されず、例えば、ＩＳＭバンドである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、又は、北米におけるＩＳＭバンドである９１５ＭＨｚ帯（９０２ＭＨｚ〜９２８ＭＨｚ）等を適宜選択することが可能である。特に、９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚという周波数のマイクロ波は、装置が安価である点や、発振器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、安価に導入することができる。このため、本発明に用いるマイクロ波発振器としては、９１５ＭＨｚ、又は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振可能なものが好ましい。

（マイクロ波加熱装置の構成について）
続いて、図７〜図１３を参照しながら、本発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置について、詳細に説明する。

まず、図７を参照しながら、本実施形態に係るマイクロ波加熱装置の構成について、詳細に説明する。図７は、本実施形態に係るマイクロ波加熱装置の構成を説明するための説明図である。

本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１０は、図１及び図２に模式的に示したような、連続鋳造法に用いられる注入管に対して設けられ、注入管の内部空間に対してマイクロ波を照射することで、注入管の内壁面を所定の温度まで加熱する装置である。

本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１０は、図７に示したように、マイクロ波発振器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７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。

マイクロ波発振器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器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器１０１により、例えば９１５ＭＨｚ帯や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器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。

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、マイクロ波発振器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、マイクロ波発振器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、本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１０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。

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、注入管の内壁面側）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。

本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１０の加熱対象は、注入管の内壁面であるが、注入管の内部には溶鋼の下降流が存在しているため、注入管の内壁面と後述するマイクロ波照射部材１０９との間の状況は、絶えず変化していくことが考えられる。かかる場合、負荷側のインピーダンスの変動に伴い、マイクロ波の照射効率が変動する。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、安定して効率良く注入管の内部空間に向けて照射することが可能となる。

マイクロ波照射部材１０９は、注入管の側面から内部へと挿入されて、注入管の内部に向けてマイクロ波を照射する部材である。注入管の内部空間にマイクロ波が照射されることで、注入管の内壁面に対してマイクロ波を吸収させることが可能となる。このマイクロ波照射部材１０９には、マイクロ波照射部材１０９の先端から注入管の内部に存在する溶鋼や粉塵等が逆流してこないように、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ていてもよい。また、導波管の先端部分を、マイクロ波吸収の少ないアルミナやマグネシアを主成分とする耐火材や、アルミナ及びＳｉＯ_２を主成分とする断熱性のあるファイバー材で被覆してもよい。更に、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、注入管の内部に存在する溶鋼や粉塵等が自動整合器１０７に流入しないように、防塵ガラスが設けられることが好ましい。このようなマイクロ波照射部材１０９としては、各種のアンテナや導波管や同軸ケーブルなど公知のあらゆるものを利用することが可能であるが、各種の導波管を用いることが簡便である。

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。

以上、図７を参照しながら、本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１０の全体的な構成について、詳細に説明した。

＜導波管の設置方法について＞
本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１０に設けられたマイクロ波照射部材である導波管１０９は、注入管の内壁に対してマイクロ波を照射するために、注入管の側面から内部へと挿入される。そこで、以下では、かかる導波管１０９の注入管への設置方法について、図８Ａ〜図１３を参照しながら詳細に説明する。図８Ａ〜図１３は、本実施形態に係るマイクロ波加熱装置における導波管の設置方法について説明するための説明図である。

なお、導波管１０９が設置される注入管は、その内壁面が、アルミナ−グラファイトやマグネシア−グラファイト等といった公知の酸化物−炭素質系耐火物で構成されているものであれば、特に限定されるものではない。ただ、注入管の厚みが薄いために、注入管の内部空間へと照射される前にマイクロ波が注入管を透過してしまっては、注入管に供給されたマイクロ波のエネルギーを有効に利用することができない。そこで、導波管１０９の設置される注入管の厚みを、上記式１３で表わされるマイクロ波の浸透深さδの３倍以上とすることが好ましく、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合、注入管の厚みを約８０ｍｍ以上とすることが好ましい。注入管の厚みをマイクロ波の浸透深さδの３倍以上とすることで、注入管の外部へのマイクロ波の透過を抑制することが可能となり、マイクロ波のエネルギーを効率良く利用することが可能となる。

なお、注入管の厚みの上限値については、特に規定されるものではないが、注入管を準備する際のコスト的な観点から、１０倍以下とすることが好ましい。

本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１０の導波管１０９は、先だって説明したような知見に基づき、溶鋼の溶融温度をＴ_ｍ［℃］とした際に、タンディッシュの湯面から当該湯面の上方１０００ｍｍまでの範囲が（Ｔ_ｍ−１５０）℃以上に加熱されるように、注入管の周囲に配設される。このように導波管１０９が配設されることで、導波管１０９から照射されるマイクロ波によって注入管の内壁面が（Ｔ_ｍ−１５０）℃以上に加熱される。その結果、注入管の内壁面に地金が付着することを防止することができる。

ここで、先だって説明したように、注入管の内部（より詳細には、注入管のｚ軸方向に平行な中心軸の近傍）には、溶鋼の下降流が存在している。従って、図８Ａに示したように、注入管の側面から注入管の略中心部を流れる溶鋼流の方向に向けて導波管１０９を挿入した場合、導波管１０９から照射されたマイクロ波が伝播する際に、溶鋼の下降流の存在に起因して電界場によどみが生じてしまい、マイクロ波の伝播効率が低下する可能性が考えられる。そこで、本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１０では、例えば図８Ｂ及び図８Ｃに模式的に示したように、導波管１０９の中心軸が注入管の略中央部を流れる溶鋼流に向かわないように、偏心させて設置することが好ましい。

すなわち、図８Ｂ及び図８Ｃに示したように、導波管１０９は、導波管１０９の中心軸が、注入管の略中心部を流れる溶鋼流の外周に接する向きよりも注入管の内壁側を向くように設置されることが好ましい。

より好ましい導波管１０９の設置方法を、図８Ｄに模式的に示した。
図８Ｄにおいて、導波管１０９の中心軸が溶鋼流の外周と接する位置を接点Ｍとし、このような導波管１０９の配設方向を（Ａ）と表わすこととする。また、溶鋼流の中心Ｏと点Ｍとを結んだ線Ｌが注入管の内壁と交わる点をＮとし、導波管１０９の中心軸が点Ｎを通るような導波管１０９の配設方向を（Ｂ）と表わすこととする。この場合に、より好ましい導波管１０９の配設方向（Ｃ）は、配設方向（Ａ）と配設方向（Ｂ）との間の略中間を導波管１０９の中心軸が通過する方向である。このような方向に導波管１０９を配設することで、マイクロ波の電界が、溶鋼流に干渉されることなく、注入管の内部により均一に伝搬するようになる。

また、本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１０では、注入管の内部空間に対してより均一にマイクロ波を照射するために、図９〜図１１に示したように、複数の導波管１０９を利用しても良い。ここで、図９〜図１１は、複数の導波管１０９を、注入管の中心軸に沿って上方から見た場合を模式的に示したものである。なお、導波管１０９の本数は、特に限定されるものではなく、注入管の径の大きさに応じて適宜選択することが可能であり、図９及び図１０に示したように偶数本であっても良いし、図１１に示したように奇数本であっても良い。

なお、導波管１０９を複数本用いる場合、注入管の内部空間に対してより均一にマイクロ波を伝播させるために、図９〜図１１示したように、導波管１０９は、注入管の中心軸に対して対称となるように設けることが好ましい。かかる場合であっても、それぞれの導波管１０９の中心軸が注入管の中心軸と交差しないように、導波管１０９を偏心させて配置することが好ましい。

また、注入管の軸方向（すなわち、ｚ軸方向）についてもマイクロ波を均一に照射するために、図１２Ａ及び図１２Ｂに示したように、複数の導波管１０９を、タンディッシュの湯面からの高さが互いに異なるように配設することが好ましい。この場合、複数の導波管１０９は、注入管の側面に対して、らせん状に配設されることとなる。ここで、それぞれの導波管１０９の挿入の向きは、図１２Ａに示したように、水平方向（図１２ＡにおけるＸ軸方向に対して平行な方向）としても良いし、図１２Ｂに示したように、水平方向とはせずに斜め方向としてもよい。更には、注入管の中心軸に対して平行な方向に沿って複数配置される導波管１０９の高さが互いに略均等となるように複数の導波管１０９を配置することが、注入管内壁の均等加熱にはより好ましい。

また、導波管１０９としては、図１３に模式的に示したように、断面が略矩形状となる矩形導波管が用いられることが多い。この場合に、図９〜図１２に模式的に示したように複数の導波管１０９を注入管の周囲に配設すると、複数の導波管１０９の間でマイクロ波が相互に干渉してしまい、ある一つの導波管１０９から照射されたマイクロ波が、他の導波管１０９の内部に入射してしまうことも考えられる。そこで、このような状況が生じないようにするために、図１３に模式的に示したように、略矩形状の切断面の長手方向が注入管の中心軸の方向（ｚ軸方向）に対して平行とならないように、導波管１０９を回転させてひねった状態で、注入管の内部へと挿入してもよい。複数の導波管１０９のうちの少なくとも１つを、図１３に示したようにひねった状態で配設することで、導波管１０９の開口部の重なり度合いを低下させることができ、マイクロ波の相互干渉を防止することが可能となる。

以上、図８Ａ〜図１３を参照しながら、本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１０における導波管１０９の設置方法について、詳細に説明した。

本実施形態に係るマイクロ波加熱装置を用いたマイクロ波加熱方法では、以上のようにして注入管の周囲から導波管の内部に向かって導波管１０９を挿入した後、導波管１０９から、所定周波数のマイクロ波を照射する。

以上説明したような加熱装置を用いた加熱方法を適用することで、注入管の内壁面が所定温度まで加熱され、注入管の内壁面に地金が付着することを防止することができる。その結果、注入管の内壁に付着する地金の成長を、マイクロ波を照射するという簡便な方法により、生産性を維持しつつ抑制することができる。

ここで、マイクロ波加熱装置１０から照射されるマイクロ波の総出力については、特に限定されるものではなく、注入管の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。例えば、実際の操業に使用する注入管の設計データに基づき、有限要素法による電磁場解析等の公知のシミュレーションを実施することで、注入管の内壁に照射することが好ましいマイクロ波の総出力を算出することができる。その上で、求められるマイクロ波の総出力を、注入管に設置する導波管１０９に均等に割り振ることで、一つの導波管１０９から照射されるマイクロ波の出力を決定することができる。

なお、マイクロ波による注入管の加熱温度の上限としては、耐火物が溶損を開始する２０００℃以下とすることが重要であり、温度上限を考慮したマイクロ波の照射条件を設定することが重要となる。

以上、図７〜図１３を参照しながら、本実施形態に係るマイクロ波加熱装置及びマイクロ波加熱方法について、詳細に説明した。

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。

１０ マイクロ波加熱装置
１０１ マイクロ波発振器
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
１１１ 導波管

Claims (10)

1. マイクロ波を用いて、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を供給するための注入管の内壁を加熱するマイクロ波加熱装置であって、
   前記注入管の内壁を加熱するために用いられるマイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、
   前記注入管の側面から内部へと挿入されており、前記注入管の内壁に対してマイクロ波を照射する導波管と、
   を備える、マイクロ波加熱装置。
2. 前記溶鋼の溶融温度をＴ_ｍ［℃］とした際に、
   前記タンディッシュの湯面から当該湯面の上方１０００ｍｍまでの範囲が（Ｔ_ｍ−１５０）℃以上に加熱されるように、前記導波管が配設される、請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. 前記注入管の厚みは、前記マイクロ波の浸透深さの３倍以上である、請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱装置。
4. 前記導波管は、前記導波管の中心軸が、前記注入管の内部を流れる前記溶鋼の下降流の外周に接する方向よりも前記注入管の内壁側に向くように配設されている、請求項１〜３の何れか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
5. 前記導波管は、前記注入管の側面に複数設けられる、請求項１〜４の何れか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
6. 複数の前記導波管を前記注入管の中心軸に沿って上方から見た場合に、前記複数の導波管は、前記注入管の中心軸に対して対称となるように設けられる、請求項５に記載のマイクロ波加熱装置。
7. 複数の前記導波管は、当該導波管の中心軸に対して直交する方向に切断した際の切断面が略矩形状となっており、
   前記複数の導波管の少なくとも何れか１つは、略矩形状の切断面の長手方向が前記注入管の中心軸の方向に対して平行とならないように、前記注入管の側面から挿入される、請求項５又は６に記載のマイクロ波加熱装置。
8. 複数の前記導波管は、前記タンディッシュの湯面からの高さが互いに異なるように、前記注入管の側面に配設される、請求項５〜７の何れか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
9. 前記マイクロ波の周波数は、９１５ＭＨｚ帯又は２．４５ＧＨｚ帯に属する周波数である、請求項１〜８の何れか１項に記載のマイクロ波加熱装置。
10. マイクロ波を用いて、取鍋からタンディッシュへ溶鋼を供給するための注入管の内壁を加熱するマイクロ波加熱方法であって、
    前記注入管の側面から内部へと挿入された導波管から、所定周波数のマイクロ波を照射する、マイクロ波加熱方法。
    

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