JP6726617B2 - マイクロ波複合加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波とバーナーなどの外部加熱を併用して被加熱物を加熱するためのマイクロ波複合加熱炉に関する。

１９８０年代後半から大電力のマイクロ波を被加熱物に照射して加熱することにより
（１）反応温度の低下
（２）反応時間の短縮
（３）高純度材料の生成（反応選択性）
など、これまでの火炎や高温ガスによる加熱とは異なる化学的・物理的な挙動が生じることが知られるようになってきている。これらはマイクロ波の電磁気エネルギーが熱に緩和する前に直接に物質の分子構造に作用するために生じる「マイクロ波効果」と呼ばれるものであり、様々な分野で応用が図られようとしている。

ここで、図４（Ａ）に模式的に示すようなマイクロ波のみで加熱を行う加熱炉では、マイクロ波エネルギーを供給する設備（マイクロ波源）が、同量の熱エネルギーを供給するガスバーナーなどの外熱型の設備に比べ一桁程度高いため、非常にコストが高くなる。また、例えば、特許文献１に示すような技術では、マイクロ波は断熱材及び耐火物を透過することにより炉本体の内部に入射されるよう構成されている。そこで、図４（Ｂ）に示すようなマイクロ波と、装置コスト、運転コストの低いバーナーなど従来熱源による外部加熱を併用する方法が提案されている。（例えば、特許文献２）

特開２００２−１３０９６０号公報 特開２０１３−２１６９４３号公報

Roy, R., Peelamedu, P.D., Hurtt, L., Cheng, J.P. and Agrawal, D., "Definitive experimental evidence for Microwave Effects: Radically new effects of separated E and H fields, such as decrystallization of oxides in seconds," Mat. Res. Innovat., 6, (2002) pp128-140 B.C. Towe, "Induced Ultra-High Frequency Ultrasonic Vibration as the Driving Force for Reported Sub-Thermal Microwave Effects on Materials" Materials Science and Technology (MS&T) 2009, October 25-29, Pittsburgh, PA. Copy Right MS&T09 New Roles for Electric and Magnetic Fields. M. C. Steele and B. Vural," Wave Interactions in Solid State Plasmas" McGrow Hill (1968) Chap.8~9 ランダウ・リフシッツ(佐藤常三 訳)、"弾性理論" 東京図書pp192~193

発明者らは、マイクロ波効果について以下の考察を行った。

反応速度を論じる遷移状態理論は、固相、液相、表面さらには光化学、触媒、同位体にまで拡張されてきた。1980年代から、マイクロ波による焼結や、様々な化学反応に於いて、活性化エネルギーの低下、通常の加熱では起こりえない迅速で、選択的な化学反応など、マイクロ波効果、あるいは非熱的効果と呼ばれる現象が見出された。2002年、R. Roy らは、電磁波のエネルギーが、物質中で熱という乱雑性の高い運動エネルギーに変わる、その変換過程にマイクロ波効果の謎があると云う実験結果を示し（非特許文献１）、2009年、B.C.Towe は、「高温域のマイクロ波と超音波生成物の類似性」を指摘した（非特許文献２）。本研究は、マイクロ波擾乱という非平衡系に、遷移状態理論を拡張し、実験結果を説明しようとするものである。

物質は実質的に、多結晶による粒界、粉体、クラスターなど空間的な不均一性を持っている。マイクロ波の電磁界は、このような表面の電荷に力を及ぼす。この力と歪みという機械的な性質と、圧電性・分子磁性などの物質の持つ電気的性質が結合して、Electro-kinetic wave (EKW)という波動を励起する（非被特許文献３）。このような弾性波の減衰率は、物質が、粒径aで区分される様な多結晶構造または粉体等であるならば、条件、「周波数ω >> 温度伝導率χ/a²」を満たすとき、周数の平方根に比例することが理論的に示されている(非特許文献４)。例えば、粒径が数ミクロンのアルミナ系材料の定数を当てはめると、マイクロ波帯の超音波が励起され、固体プラズマ中の分散式で表すことが出来る。次の問題は、マイクロ波のフォトンエネルギーは10^-5 eVのオーダーで、これは化学結合のエネルギー１eVに較べてあまりに低いため、マイクロ波の電磁界で分子中の電子を揺すっても化学反応を励起できないことである。発明者は、このEKWの位相速度は音波のオーダーであるから、結晶格子中のイオンの熱振動との間に、ランダウ減衰により、速度空間で無衝突減衰が発生し、その結果、波動のエネルギーが、格子の振動に無衝突過程で累積してゆくと云う作業仮説を提唱するに至ったのである。
次に、発明者は、熱平衡系の速度分布関数f₀(v)に、1次のオーダーの揺らぎf₀(v)・(v- v_ｐｈ)・g(v-v_ｐｈ)を加え、Eyring の絶対反応速度理論に基づいて、マイクロ波非平衡系に対する反応速度定数Ｋ^*を導いた。ここで、音波の振幅ξについて、ξ²≪RT/m^*を仮定した。

上式の右辺の[ ]内の第１項は、通常の熱によるよく知られた遷移状態理論による化学反応速度である。第２項がマイクロ波による摂動が及ぼす化学反応の促進効果に対応する。マイクロ波効果は、マイクロ波による揺らぎ，すなわち振幅ξの超音波のエネルギーξ²が大きいほど顕著に現れることを示している。

導かれた反応常数はマイクロ波のエネルギーが、物質中の荷電粒子に揺動を与えて小さな音波振動を励起し、その揺動が累積した結果として位相の揃った音波振動が成長し、熱振動に匹敵するエネルギーを獲得することを示している。理論の工業的応用を図るには、この成長した音波の振幅の具体的な数値とマイクロ波電力の関係を導く必要がある。音波振幅の成長時間の算出は、音波のエネルギーが熱に緩和するまでの時間より長くなることはあり得ないため、熱に緩和するまでの時間を算出すること等価である。

非特許文献４の記述を基礎として、音波の減衰距離と時間を算出した。その結果は、マイクロ波エントロピーが低いほど、つまり、周波数分散が小さいほど、熱に緩和するまでの時間が長くなることが明らかとなった。すなわち、反応常数K^*は、下式のように、温度T、マイクロ波電力p_μ、周波数ωおよびマイクロ波のQ値（Ｑ=ω/Δω、ここで Δωは周波数分散幅）という実際に計測できるパラメータで表すことができる。なお、ｖ_ｐｈは音速、ｖ_ｔｈは熱速度であり、両者の比は1のオーダーである。

マイクロ波による超音波振動が、熱に変わる緩和時間よりも、短い時間に、図５に示す単振動のエネルギー（５）を供給するために、周波数分散を小さくしたマイクロ波が望ましい。

上記のように、発明者らは鋭意研究の結果、マイクロ波効果はマイクロ波のエネルギー（電磁界密度の２乗）に比例して顕在化することを見出した。上記の従来技術においては、加熱空間におけるマイクロ波の散逸、マイクロ波照射時の炉壁による損失などのため、マイクロ波の電磁界密度を大きくすることができないので、十分なマイクロ波効果を奏することができなかった。従来のマイクロ波加熱では、マイクロ波の質であるＱに無関心であったために、熱への緩和時間が短い場合が多く、更に大きなマイクロ波源が必要になっていた。
このため、十分なマイクロ波効果を奏するには、ただ出力を増大させるという手段に依存し、装置コスト、運転コストが増大するという問題があった。

そこで、本発明は、マイクロ波を用いた加熱によるマイクロ波効果を十分に奏するとともに、それぞれの加熱方法の特徴を生かした経済的な加熱を行うことができるマイクロ波複合加熱炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、マイクロ波複合加熱炉において、
断熱材からなる筐体と、
前記筐体の内部に配置され、被加熱物を収容し、加熱するための加熱容器と、
マイクロ波発生装置によりマイクロ波を発生させ、当該マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送手段により前記加熱容器に収容された被加熱物に、前記加熱容器の外壁を介さずにマイクロ波を照射するためマイクロ波照射装置と、
前記加熱容器を外部から加熱するための加熱手段と、
を備え、
前記加熱容器は導電性を有し、マイクロ波を内部で反射可能である炭素系材料を主成分として形成されており、
被加熱物をマイクロ波と前記加熱手段とにより加熱可能に構成されている、
という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のマイクロ波複合加熱炉において、
前記加熱容器は、炭化けい素粒子とカーボンとを結合させて形成された複合材料からなる、
という技術的手段を用いる。
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のマイクロ波複合加熱炉において、
前記複合材料は、炭化けい素の含有率が２０〜７０％であり、高周波に対する電気伝導率が銅の１／１０以上である、
という技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のマイクロ波複合加熱炉において、
前記加熱容器内に雰囲気を調整するガスを導入するためのガス導入手段と、
被加熱物を加熱処理したときに発生するガスを回収、処理するガス回収手段と、を備えた、
という技術的手段を用いる。

請求項５に記載の発明では、請求項４に記載のマイクロ波複合加熱炉において、
前記マイクロ波伝送手段は導波管であり、
前記ガス導入手段は当該導波管に接続されており、
前記ガス回収手段は前記ガス導入手段を介して当該導波管に接続されており、
当該導波管の先端から、前記ガス導入手段から導入するガス、または前記ガス導入手段から導入するガスと前記ガス回収手段において処理されたガスとの混合ガスを前記加熱容器の内部に導入する、
という技術的手段を用いる。

請求項６に記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載のマイクロ波複合加熱炉において、
前記マイクロ波伝送手段は、前記マイクロ波発生装置により発生されたマイクロ波を反射するマイクロ波反射手段により、マイクロ波を前記加熱容器内部に誘導するように構成されている、
という技術的手段を用いる。

請求項７に記載の発明では、請求項６に記載のマイクロ波複合加熱炉において、
前記マイクロ波伝送手段は、加熱された被加熱物が放射する赤外線を反射して前記加熱容器内に誘導する赤外線反射手段を備えた、
という技術的手段を用いる。

請求項８に記載の発明では、請求項７に記載のマイクロ波複合加熱炉において、
前記赤外線反射手段は、前記マイクロ波反射手段のマイクロ波の反射面に階段状に形成された反射面として構成されている、
という技術的手段を用いる。

請求項９に記載の発明では、請求項６ないし請求項８のいずれか１つに記載のマイクロ波複合加熱炉において、
前記マイクロ波照射装置は、
複数個の前記マイクロ波発生装置が、筐体側壁に加熱容器を囲むように配置されており、当該複数のマイクロ波発生装置が発生させるマイクロ波の波面を制御することにより、任意の照射面を形成可能に構成されている、
という技術的手段を用いる。

請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載のマイクロ波複合加熱炉において、
前記加熱容器内に被加熱物を供給する被加熱物供給手段と、
加熱処理された被加熱物を回収するための回収手段と、
を備えた、
という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、被加熱物への熱供給は、主に加熱手段により加熱容器に与えられる熱流によって行い、マイクロ波は高温となった被加熱物に選択的に吸収させる。加熱容器内部にマイクロ波を閉じ込めて、電磁界密度を向上させることにより、マイクロ波が熱エネルギーに緩和する前に、マイクロ波効果を十分に奏することができるようにすることができる。加熱手段により、温度分布を均一にすることができるとともに、反応効率及びエネルギー効率の向上を図ることができ、装置コスト、運転コストの低い加熱を行うことができる。

請求項２、３に記載の発明のように、炭化けい素粒子とカーボンとを結合させて形成された複合材料は、マイクロ波を良好に反射するとともに、耐熱性も高く、加熱容器の材質として好適に用いることができる。

請求項４に記載の発明によれば、ガス導入手段により加熱容器内に雰囲気を調整するガスを導入し、ガス回収手段により被加熱物を加熱処理したときに発生するガスを回収、処理することができる。

請求項５に記載の発明によれば、導波管の先端から、ガス導入手段から導入するガス、またはガス導入手段から導入するガスとガス回収手段において処理されたガスとの混合ガスを加熱容器の内部に導入するため、被加熱物から生じる反応ガスを加熱容器内から排出させることができる。また、導波管の先端からガスを吹き込むため、導波管の内部にダストや反応ガスなどが侵入して汚染されたり、プラズマが発生したりすることを防ぐことができる。

請求項６に記載の発明によれば、マイクロ波反射手段によりマイクロ波発生装置により発生されたマイクロ波を反射して加熱容器の内部に誘導することができる。これにより、マイクロ波発生装置の配置位置の自由度が増大する。また、複数のマイクロ波の周波数、位相、発振出力を電気的に変化させ、照射するマイクロ波ビームのエネルギー分布、伝搬方向を制御することができるので、高温中に、スターラーなどの機械的な回転機構などを持ち込む必要がなくなる。

請求項７に記載の発明によれば、加熱された被加熱物から放射される赤外線を加熱容器内に戻して加熱に用いることができるので、より効率的な加熱が可能である。

請求項８に記載の発明によれば、マイクロ波反射手段と赤外線反射手段とを簡単な構成で一体的に形成することができる。

請求項９に記載の発明によれば、マイクロ波の波面を制御することにより、マイクロ波の指向性を電気的に可変とし、任意の照射面を形成することができる。これにより、加熱容器が攪拌機構などを要さず、被加熱物の均一な加熱が可能となる。

請求項１０に記載の発明によれば、被加熱物供給手段により加熱容器内に被加熱物を供給し、回収手段により加熱処理された被加熱物を回収することができる。ここで、供給・回収ともに連続式、バッチ式のいずれの方式も採用することができる。

第１実施形態のマイクロ波複合加熱炉の構成、内部構造を模式的に示した説明図である。 第２実施形態のマイクロ波複合加熱炉の構成、内部構造を模式的に示した説明図である。 赤外線反射手段の構成及び原理を模式的に示す説明図である。 従来のマイクロ波加熱炉の構成を模式的に示す説明図である。 マイクロ波加熱と従来加熱によるエネルギー供給のフローを示す模式図である。

（第１実施形態）
本発明のマイクロ波複合加熱炉の第１実施形態について図を参照して説明する。

（マイクロ波複合加熱炉の構成）
図１に示すように、マイクロ波複合加熱炉１は、筺体１０と、筐体１０の内部に配置され、被加熱物を収納し、加熱するための加熱容器１１と、加熱容器１１を外部から加熱する加熱手段１２と、マイクロ波照射装置１３と、加熱容器１１内に被加熱物を供給する被加熱物供給装置１４と、加熱容器１１内に雰囲気を調整するガスを導入するためのガス導入手段１５と、被加熱物を加熱処理したときに発生するガスを回収、処理するガス回収手段１６と、図示しない制御装置と、を備えている。

筺体１０は、耐火れんがなどの断熱材により形成された耐火壁１０ａからなり、台座１０ｂを介して内部に加熱容器１１を収容している。本実施形態では、加熱容器１１は加熱手段１２により下方から加熱可能な位置に配置されている。また、加熱容器１１の上部に、後述する被加熱物供給路１８と連通する開口部を有し、加熱容器１１の開口部１１ａの一部を覆うように形成された遮蔽壁１０ｃが設けられている。遮蔽壁１０ｃにはマイクロ波、赤外線を反射して加熱容器１１内に戻すための内張が施されており、本実施形態ではこの内張は加熱容器１１と同じ材料で形成されている。

加熱容器１１は、導電性が高くマイクロ波を反射して内部に閉じ込めるとともに、耐熱性が高く、被加熱物と反応しない材料からなる。ここで、ステンレスなどの金属材料は、高温域での電気伝導率、強度の低下、溶融などのため使うことができない。また、耐熱合金も価格が高く、化学的活性の増大などの理由によって、適当ではない。本発明では、各種材料を鋭意検討した結果、導電性を有する炭素系材料を主成分として形成されている材料を採用した。具体的には、炭化けい素粉末をカーボンにより結合した焼結体であって、炭化けい素の含有率が２０〜７０％であり、高周波に対する電気伝導率が銅の１／１０以上であるものが好適である。本実施形態では、炭化けい素粒子３５重量％とカーボンとからなる複合焼結材料を用いた。本実施形態で用いた加熱容器１１には、被加熱物との反応を防止するために、酸化けい素などの酸化物のコーティングが施されている。ここで、炭素系材料を主成分とする材料として、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの骨材をカーボンで結合した材料、グラファイト、炭化物系の導電性セラミックス、などを用いることができる。

加熱容器１１は、上部に開口部１１ａを有するるつぼ状に形成されており、底部近傍には、加熱処理後の被加熱物を取り出すための取出口１１ｂが形成されている。取出口１１ｂには、取出口１１ｂの開閉を行う、回収手段１７の仕切り弁１７ａが設けられている。仕切り弁１７ａにより取出口１１ｂの開閉を行い、被加熱物の収容と加熱処理後の被加熱物の取り出しとを切り替えることができる。仕切り弁１７ａにより取出口１１ｂを開状態にすると、加熱処理後の被加熱物は取出口１１ｂから搬送装置１７ｂに送られる。搬送装置１７ｂは加熱処理後の被加熱物を次工程に搬送する。このように、回収手段１７は、仕切り弁１７ａと搬送装置１７ｂとを備え、加熱処理後の被加熱物の取り出しを行うための手段として作用する。ここで、回収手段１７は、連続式、バッチ式のいずれの方式も採用することができる。

加熱手段１２は、筺体１０の内部であって、加熱容器１１を外部から加熱可能に構成された、例えば、ガスバーナー、液体燃焼バーナー、電気ヒータなどからなる。

マイクロ波照射装置１３は、マイクロ波発生装置１３ａと、マイクロ波発生装置１３ａにより発生したマイクロ波を加熱容器１１の開口部１１ａから内部に直接照射するためのマイクロ波伝送手段としての導波管１３ｂとを備えている。導波管１３ｂは、加熱容器１１に収容された被加熱物に、加熱容器１１の外壁を介さずにマイクロ波を照射する位置に配置されている。マイクロ波発生装置１３ａにより発生させるマイクロ波は、被加熱物のマイクロ波の吸収率を向上させるために、０．９〜１００ＧＨｚが好ましい。本実施形態では、２．４５ＧＨｚを採用した。

被加熱物を加熱容器１１に供給する被加熱物供給装置１４は、スクレーパを備えた被加熱物供給路１８を介して加熱容器１１の上部に設けられている。被加熱物供給装置１４としては、例えばホッパーのような公知の定量供給装置などを用いることができる。

ガス導入手段１５は、配管１５ａにより導波管１３ｂに接続されており、導波管１３ｂの先端から加熱容器１１内の雰囲気を調整するガス、例えば加熱時における被加熱物の酸化を防止するとともに、反応ガスを系外に排出するためのＣＯ_２などの不活性ガスや窒素など、を加熱容器１１内に導入可能に構成されている。

ガス回収手段１６は、被加熱物供給路１８の上部と連通する配管１６ａと、配管１６ａに設けられたコンプレッサー１６ｂを備えている。配管１６ａは、ガス導入手段１５に接続されている。ここで、被加熱物供給路１８は被加熱物を加熱容器１１へ供給する経路であるとともに、加熱手段１２から生じる燃焼ガスや被加熱物から発生するガスを回収するためのガス流通路としても作用する。

被加熱物供給路１８の側壁部には、被加熱物供給装置１４から加熱容器１１に被加熱物を供給するときに、被加熱物を予熱するための予熱用マイクロ波照射装置１９が２機設けられている。これによれば、被加熱物を加熱容器１１に投入する前に加熱することができるので、加熱処理の効率を向上させることができる。

その他、図示はしないが、マイクロ波複合加熱炉１は、加熱容器１１の温度を測定する温度測定手段などを備えている。従来はマイクロ波の照射の影響を避けるため温度測定手段として光高温計などが用いられてきたが、加熱容器１１外部にはマイクロ波が漏れないため、加熱容器１１の側壁に熱電対を配置して温度測定手段とすることができる。

（加熱方法）
次に、加熱炉１を用いた被加熱物の加熱方法について、スポンジ鉄または銑鉄の製造を例に説明する。

まず、ガス導入手段１５により、導波管１３ｂの先端から加熱容器１１の内部にＣＯ_２、窒素等の不活性ガス（本実施形態では窒素）を導入し、不活性ガスを充填させる。そして、加熱手段１２により加熱容器１１及び筺体１０内部を、スポンジ鉄を製造する場合には１０５０〜１２５０℃、銑鉄を製造する場合には１３７０〜１４００℃に加熱しておく。

続いて、被加熱物供給装置１４により、所定量の被加熱物Ｍ（原料）を被加熱物供給路１８を介して加熱容器１１内に投入する。

原料は、鉄鉱石に、コークス、カーボンなどの炭素源を十分な還元反応を起こすことができる所定の比率で混合した粉体である。原料は、粉体以外にもペレット状に成形したものなど、各種形態を用いることができる。

ここで、予熱用マイクロ波照射装置１９により被加熱物供給路１８を通過する原料を予熱することができる。これにより、加熱容器１１での入熱を少なくすることができる。また、鉄鉱石が赤鉄鉱を含む場合には、５００〜８００℃の予熱により、マイクロ波の吸収率の高い磁鉄鉱に還元してマイクロ波を吸収しやすい状態にすることができる。

続いて、マイクロ波照射装置１３のマイクロ波発生装置１３ａによりマイクロ波を発生させ、導波管１３ｂを介して加熱容器１１内に導入し、被加熱物Ｍ２に照射する。マイクロ波は、加熱容器１１の内表面及び遮蔽壁１０ｃにおいて反射するため、マイクロ波を加熱容器１１内に閉じ込めることができる。これにより、マイクロ波の損失を少なくすることができ、電磁界密度を向上させることができる。被加熱物は加熱手段１２により加熱されているため、マイクロ波の電磁界密度を向上させることにより、マイクロ波が熱エネルギーに緩和する前に、マイクロ波効果を十分に奏することができる。

マイクロ波を照射された原料は、その成分である鉄鉱石、炭素源がそれぞれ発熱して急速に加熱される。鉄鉱石は接触する炭素源により酸化鉄が優先的に還元され、高純度の溶融銑鉄またはスポンジ鉄が生成する。ここで、高炉の操業温度は１５５０℃程度であるが、本発明においては、原料の加熱温度を１２００℃とすれば還元反応が起こり、１４００℃以下で溶融状態とすることができる。

マイクロ波による加熱によれば、原料の加熱速度を増大させることができ、マイクロ波効果によりけい素、マグネシウム、リン酸、チタン、イオウ、マンガンなどの不純物濃度を低下させることができる。また、加熱速度の制御により、鉄中に浸炭される炭素量を調整することができる。

原料の加熱により、水素ガス、メタンガス、窒素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス等の揮発性ガスや反応ガスであるＣＯ、ＣＯ_２等の反応ガスが発生する。これらのガスは、ガス導入手段１５により導波管１３ｂの先端から加熱容器１１内に吹き込まれたガスにより押し出され、加熱容器１１内から排出される。ここで、導波管１３ｂの先端からガスを吹き込むため、導波管１３ｂの内部にダストや反応ガスなどが侵入して汚染されたり、プラズマが発生したりすることを防ぐことができる。

ガス回収手段１６により筺体１０内に上向きの気流が生じるため、反応ガスなどは加熱手段１２により発生する燃焼ガスとともに筺体１０内から排出される。これにより、燃焼ガスが加熱容器１１内に侵入することがない。

筺体１０内から排出されたガスは、被加熱物供給路１８を下方から上方へ流れる。このとき、被加熱物供給路１８を通過する被加熱物を加熱するとともに、ガスに含まれるＣＯが被加熱物の一部を還元する。

ガス回収手段１６により回収されたガスは、コンプレッサー１６ｂにより加圧され、ガス導入手段１５において窒素と混合されて、導波管１３ｂの先端から加熱容器１１内に吹き込まれる。これにより、多量の反応ガスなどを外部に放出することなく、加熱を行うことができる。また、反応ガスなどは高温であるため、導波管１３ｂから吹き込むガスを加温することができるので、原料の温度を低下させることなく効率的に加熱を行うことができる。

また、ガス導入手段１５から導入される不活性ガスとガス回収手段１６により回収されたガスとの混合比を変えることにより、加熱容器１１中の酸素分圧等の雰囲気を制御することもできる。これにより、鉄中の炭素及び不純物濃度を制御することができる。

原料の加熱により生成されたスポンジ鉄または銑鉄は、加熱容器１１の取出口１１ｂに設けられた仕切り弁１７ａを開放することにより、外部に取りだすことができる。

鉄鉱石中の不純物は還元されずに固体状態であり、溶融した還元鉄には取り込まれないため、不純物が多く含まれる低品位の鉄鉱石を用いても高純度の銑鉄を得ることができ、鉄鋼精錬に好的に用いることができる。

上述の加熱処理は、原料の投入を間欠的に行いバッチ処理としてもよいし、原料を連続的に投入して加熱処理を行い、連続的にスポンジ鉄または銑鉄は取りだすこともできる。

上述の加熱方法によれば、鉄鉱石の還元温度、つまり反応温度を低下させることができる。また、マイクロ波による急速な加熱と加熱手段１２による外部加熱との組み合わせにより、反応時間を短縮することができる。更に、鉄鉱石は接触する炭素源により酸化鉄が優先的に還元されるため、高純度の溶融銑鉄またはスポンジ鉄を生成することができる。以上のような、マイクロ波効果を十分に奏するとともに、加熱手段１２による外部加熱を併用することにより、加熱容器１１の温度を維持し、温度分布を均一にすることができ、更にコストが低い加熱方法を実現することができる。

（変更例）
ガス回収手段１６は熱交換器を備えた構成とすることもできる。これによれば、反応ガスなどの排熱を被加熱物の予熱やコージェネバーナーなどに用いることができる。

加熱容器１１を、開口部１１ａの径を絞ったビン状の形状とすることができる。これによれば、開口部１１ａが小さくなるので、マイクロ波をより効果的に内部に閉じ込めることができるので、電磁界密度を向上させることができる。

被加熱物の供給方法として、ロータリーキルンを接続し予熱された被加熱物を供給することもできる。これによれば、既存のロータリーキルンを予備加熱予備還元設備として使用することができる。ロータリーキルンの出口温度はおよそ８００℃程度で十分であるので、既存設備の処理速度は約２倍になり、省資源、省エネルギー化に大きく貢献する。

上述した実施形態では、被加熱物（原料）として、スポンジ鉄または銑鉄を製造するための鉄鉱石と炭素源との混合物を加熱したが、これに限定されるものではない。本発明の加熱炉１は、各種酸化物など導電性を有していない材料の加熱を行うために用いることができる。例えば、放射性廃棄物の溶融固化、都市鉱山における貴金属回収、半導体用シリコン原料の製造、などのために用いることができる。ここで、マイクロ波の周波数、出力などは被加熱物に応じて適宜設定することができる。

（第１実施形態の効果）
本実施形態の加熱炉１によれば、被加熱物への熱供給は、主に加熱手段１２により加熱容器１１に与えられる熱流によって行い、マイクロ波は高温となった被加熱物に選択的に吸収させる。加熱容器１１内部にマイクロ波を閉じ込めて、電磁界密度を向上させることにより、マイクロ波が熱エネルギーに緩和する前に、マイクロ波効果を十分に奏することができるようにすることができる。加熱手段１２により、温度分布を均一にすることができるとともに、反応効率及びエネルギー効率の向上を図ることができ、装置コスト、運転コストの低い加熱を行うことができる。

（第２実施形態）

（第２実施形態）
第２実施形態に係るマイクロ波複合加熱炉について図を参照して説明する。

マイクロ波複合加熱炉２は、筺体２０と、筐体２０の内部に配置され、被加熱物を収納し、加熱するための加熱容器２１と、加熱容器２１を外部から加熱する加熱手段２２と、マイクロ波照射装置２３と、加熱容器２１内に被加熱物を供給する被加熱物供給装置２４と、加熱容器２１内に雰囲気を調整するガスを導入するためのガス導入手段２５と、被加熱物を加熱処理したときに発生するガスを回収、処理するガス回収手段２６と、図示しない制御装置と、を備えている。

筺体２０は、耐火れんがなどの断熱材により形成された耐火壁２０ａからなり、内部に加熱容器２１を収容している。

加熱容器２１は、第１実施形態の加熱容器１１と同様の材料からなり、開口部２１ａに向けて径が小さくなるるつぼ状に形成されている。これにより、開口部２１ａ近傍で、マイクロ波と赤外線を反射し、より効率的に加熱容器２１内部に閉じ込めることができる。底部は、加熱処理後の被加熱物を取り出すために開閉可能に形成された回収手段２７の取出口２７ａと連通しており、加熱処理後の被加熱物は取出口２７ａから取出容器２７ｂに送られる。

加熱手段２２は、第１実施形態の加熱手段１２同様に、筺体２０の内部であって、加熱容器２１を外部から加熱可能に構成された、例えば、ガスバーナー、液体燃焼バーナー、電気ヒータなどからなる。ここでは、ガスバーナー２２ａを採用した。

ガスバーナー２２ａにより発生する燃焼ガスは、筺体２０上部から熱交換器２２ｂに流され、外気と熱交換された後、外部に排出される。熱交換された外気は燃焼空気としてガスバーナー２２ａに供給される。

マイクロ波照射装置２３は、マイクロ波発生装置２３ａと、マイクロ波発生装置２３ａにより発生したマイクロ波を反射して加熱容器１１に導く反射鏡２３ｂと、マイクロ波が通過しマイクロ波を加熱容器２１内に照射するためのマイクロ波窓２３ｃと、マイクロ波窓２３ｃを通過したマイクロ波を加熱容器２１の側壁から内部に照射するためのマイクロ波照射路２３ｄと、を備えている。マイクロ波照射路２３ｄは、加熱容器２１の側壁に設けられたマイクロ波照射口２１ｂを介して加熱容器２１の内部に連通し、他端はマイクロ波窓２３ｃにより外部と遮断されている。

マイクロ波照射装置２３は加熱容器２１を囲むように複数箇所に設けられている。

マイクロ波発生装置２３ａで発生したマイクロ波ＭＷは、反射鏡２３ｂによりマイクロ波窓２３ｃに導かれ、マイクロ波窓２３ｃ、マイクロ波照射路２３ｄを通過し、マイクロ波照射口２１ｂから加熱容器２１内部の被加熱物Ｍ２に照射される。

複数のマイクロ波照射装置２３は、それぞれがマイクロ波の位相制御を行い、マイクロ波の波面を制御することにより、マイクロ波の指向性を電気的に可変とし、任意の照射面を形成することができる。これにより、加熱容器２１の攪拌機構などを要さず、被加熱物の均一な加熱が可能となる。また、マイクロ波発生装置２３ａが複数のマイクロ波発生素子（例えば、半導体素子）を備えている構成の場合には、フェーズドアレイ方式によりマイクロ波の波面を制御し、単体のマイクロ波照射装置２３によりマイクロ波の方向を可変とすることができる。また、マイクロ波発生装置２３ａは周波数・位相ロック法によりマイクロ波の周波数制御を行う方式を採用することができる。

反射鏡２３ｂのマイクロ波ＭＷを反射する反射面は、マイクロ波を反射する材料、例えば、銅系材料、ステンレス鋼などにより形成される。また、赤外線を反射可能に構成することが好ましい。例えば、反射面をカーボン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で形成することができる。ここで、マイクロ波と赤外線の波長の差を利用して、両者を分離することができる。これによれば、図３に示すように反射面（平均反射面Ｒ）に、赤外線ＩＲを元の方向に反射する階段状に形成された溝状の赤外線反射面Ｓを形成する。赤外線反射面Ｓは反射面に幅ｄが３０〜３００μｍのステップ状に形成される。ここで、赤外線反射面Ｓの幅は、マイクロ波の波長の１／１００程度、赤外線波長の数十倍程度であり、マイクロ波は波長が長いので、マイクロ波の反射方向は平均反射面Ｒによる反射方向に支配されるが、赤外線ＩＲは赤外線反射面Ｓにより反射される。これにより、赤外線反射面Ｓが赤外線反射手段として作用する。赤外線反射面Ｓの傾斜などの形状は、赤外線ＩＲが被加熱物に戻るように設定する。これにより、赤外線を加熱容器２１の内部に戻すことができるので、より効率的な加熱を行うことができる。また、マイクロ波反射手段と赤外線反射手段とを簡単な構成で一体的に形成することができる。

被加熱物供給装置２４は、ホッパー２４ａ、ホッパー２４ａに接続された予熱装置２４ｂ、予熱装置２４ｂに続くロータリーフィーダー２４ｃを備え、ドリフト管２３ｄを介して加熱容器２１内に供給量を正確に制御された被加熱物を落下させて供給する。

予熱装置２４ｂには、加熱容器２１上部に設けられた排気ダクト２６ａが接続されている。また、第１実施形態の予熱用マイクロ波照射装置１９同様の予熱用マイクロ波照射装置２９が設けられている。

ガス導入手段２５は、マイクロ波照射路２３ｄから加熱容器２１内にガスを導入するガス導入部材２５ａ、バッファ２５ｂ、コンプレッサー２５ｃ及び流量計２５ｄを備えている。

ガス回収手段２６は、加熱容器２１から発生した反応ガス、雰囲気ガス（例えば窒素）などの排出ガスを予熱装置２４ｂに導くダクト２６ａと、予熱装置２４ｂからの予熱後に排出されたガスから水分を濃縮して除去するコンデンサ２６ｂと、ダストなどを除去するフィルタ２６ｃなど、を備えている。

加熱容器２１から排出されるガスは、スポンジ鉄または銑鉄の製造の場合、高温（５００〜１０００℃）のＣＯ、ＣＯ_２、Ｎ_２などである。この排出ガスは、ダクト２６ａを介して予熱装置２４ｂ下部から内部に導入され、上方へ流れながら被加熱物を加熱する。このとき、排出ガスに含まれるＣＯが被加熱物の一部を還元する。予備還元装置からの排ガス温度は、６０〜２００℃程度が望ましい。

予熱装置２４ｂからの予熱後に排出されたガスは、コンデンサ２６ｂ、フィルタ２６ｃを経て不要物を除去された後に、バッファ２５ｂに送られる。ここで、図示しない窒素源から導入された窒素と混合され、コンプレッサー２５ｃで加圧されて、流量計２５ｄを経て、所定量がガス導入部材２５ａによりマイクロ波照射路２３ｄを経由し加熱容器２１内に導入される。これにより、加熱容器２１内の反応ガスは加熱容器２１内から排出される。ここで、ガス導入部材２５ａはマイクロ波窓２３ｃ近傍から加熱容器２１内に向かって吹き込まれるため、マイクロ波照射路２３ｄの内部にダストや反応ガスなどが侵入して汚染されたり、プラズマが発生したりすることを防ぐことができる。

このように、マイクロ波複合加熱炉２によれば、熱、ガスを有効に利用しながら効率的な加熱を行うことができる。

（第２実施形態の効果）
マイクロ波複合加熱炉２によれば、第１実施形態のマイクロ波複合加熱炉１が奏することができる効果に加え、以下の効果を奏することができる。
マイクロ波の波面を制御することにより、マイクロ波の指向性を電気的に可変とし、任意の照射面を形成することができる。これにより、加熱容器２１が攪拌機構などを要さず、被加熱物の均一な加熱が可能となる。
加熱された被加熱物から放射される赤外線を加熱容器２１内に戻して加熱に用いることができるので、より効率的な加熱が可能である。

（その他の実施形態）
マイクロ波照射装置として、発明者らが開発した（特開２０１３−１１３８４号公報：マイクロ波加熱炉）加熱方式を採用することもできる。マイクロ波源はモジュール化し、位相制御によって指向性を持った波源ユニットとする。この波源ユニットを合成したマイクロ波アンテナを加熱容器の周りにラジアル状に設置する。指向性を持ったマイクロ波ビームを反射鏡により、加熱容器中央に向かって照射し、被加熱物表面で最大になるよう集束させ、被加熱物を加熱する。

１、２…マイクロ波複合加熱炉
１０…筐体
１１…加熱容器
１２…加熱手段
１３…マイクロ波照射装置
１３ａ…マイクロ波発生装置
１３ｂ…導波管
１４…被加熱物供給装置
１５…ガス導入手段
１６…ガス回収手段
１８…被加熱物供給路
１９…予熱用マイクロ波照射装置
２０…筐体
２１…加熱容器
２２…加熱手段
２３…マイクロ波照射装置
２３ａ…マイクロ波発生装置
２３ｂ…反射鏡
２３ｃ…マイクロ波窓
２３ｄ…マイクロ波照射路２３ｄ
２４…被加熱物供給装置
２５…ガス導入手段
２６…ガス回収手段
２９…予熱用マイクロ波発生装置

Claims (10)

1. 断熱材からなる筐体と、
   前記筐体の内部に配置され、被加熱物を収容し、加熱するための加熱容器と、
   マイクロ波発生装置によりマイクロ波を発生させ、当該マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送手段により前記加熱容器に収容された被加熱物に、前記加熱容器の外壁を介さずにマイクロ波を照射するためのマイクロ波照射装置と、
   前記加熱容器を外部から加熱するための加熱手段と、
   を備え、
   前記加熱容器は導電性を有し、マイクロ波を内部で反射可能である炭素系材料を主成分として形成されており、
   被加熱物をマイクロ波と前記加熱手段とにより加熱可能に構成されていることを特徴とするマイクロ波複合加熱炉。
2. 前記加熱容器は、炭化けい素粒子とカーボンとを結合させて形成された複合材料からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波複合加熱炉。
3. 前記複合材料は、炭化けい素の含有率が２０〜７０％であり、高周波に対する電気伝導率が銅の１／１０以上であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波複合加熱炉。
4. 前記加熱容器内に雰囲気を調整するガスを導入するためのガス導入手段と、
   被加熱物を加熱処理したときに発生するガスを回収、処理するガス回収手段と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のマイクロ波複合加熱炉。
5. 前記マイクロ波伝送手段は導波管であり、
   前記ガス導入手段は当該導波管に接続されており、
   前記ガス回収手段は前記ガス導入手段を介して当該導波管に接続されており、
   当該導波管の先端から、前記ガス導入手段から導入するガス、または前記ガス導入手段から導入するガスと前記ガス回収手段において処理されたガスとの混合ガスを前記加熱容器の内部に導入することを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波複合加熱炉。
6. 前記マイクロ波伝送手段は、前記マイクロ波発生装置により発生されたマイクロ波を反射するマイクロ波反射手段により、マイクロ波を前記加熱容器内部に誘導するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載のマイクロ波複合加熱炉。
7. 前記マイクロ波伝送手段は、加熱された被加熱物が放射する赤外線を反射して前記加熱容器内に誘導する赤外線反射手段を備えたことを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波複合加熱炉。
8. 前記赤外線反射手段は、前記マイクロ波反射手段のマイクロ波の反射面に階段状に形成された反射面として構成されていることを特徴とする請求項７に記載のマイクロ波複合加熱炉。
9. 前記マイクロ波照射装置は、
   複数個の前記マイクロ波発生装置が、筐体側壁に加熱容器を囲むように配置されており、当該複数のマイクロ波発生装置が発生させるマイクロ波の波面を制御することにより、任意の照射面を形成可能に構成されていることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１つに記載のマイクロ波複合加熱炉。
10. 前記加熱容器内に被加熱物を供給する被加熱物供給手段と、
    加熱処理された被加熱物を回収するための回収手段と、
    を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載のマイクロ波複合加熱炉。

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