JP2012082495A - Method for heating agglomerates - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、塊成化物の加熱方法に関する。 The present invention relates to a method for heating an agglomerate.
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給は逼迫し、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。 As the production of steel materials by electric furnaces has become popular, the supply and demand of scrap, the main raw material, has become tight, and the demand for reduced iron is increasing due to the demand for high-grade steel production in electric furnaces.
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。 As one of the processes for producing reduced iron, powdered iron ore and powdered coal or coke are mixed into agglomerates such as pellets and briquettes. There is a method of reducing the iron oxide in the iron ore to obtain solid metallic iron by charging it into a rotary hearth furnace and heating it to a high temperature.
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。 In the method as described above, a burner is generally used to heat the rotary hearth, and the agglomerated material that is the raw material of the reduced iron is transmitted from the outside by radiant heat from the furnace wall of the burner and the rotary hearth furnace. Heated thermally. Therefore, in the part where the raw material overlaps on the hearth, the heating on the back side is insufficient, resulting in nonuniform reduction of the entire agglomerated material, and the average reduction rate is reduced.
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。 Here, the heat necessary for the reduction reaction of the raw material composed of iron oxide and carbonaceous material is first supplied to the upper surface of the raw material layer by radiant heating by burner combustion in the space located in the upper part of the hearth, It will be supplied to the lower part of the raw material layer by conduction heat transfer in the raw material layer. Therefore, if the thickness of the raw material layer is increased in order to increase productivity, the heat transfer to the lower part of the raw material layer is delayed, the reduction rate of the lower part of the layer is reduced, and the residence time is increased, Productivity is reduced.
また、かかる方法は伝熱加熱を利用した方法であるため、原料温度が高くなり炉温との温度差が小さくなってくると、原料の昇温速度が遅くなり、還元完了時間が長くなるという問題がある。かかる問題を回避して還元速度を速めるには炉内温度を高くすれば良いが、炉温を高くすること事は炉を構成する部材の耐熱温度への要求が高くなることを意味し、装置コストが大きくなるという問題がある。また、原料層の上面近傍の鉄酸化物中の未還元ＦｅＯが鉄酸化物中の脈石成分や炭素質物質中の灰分と反応して低融点化合物を形成し、かかる低融点化合物が溶融して操業を困難にするという問題がある。 In addition, since this method is a method using heat transfer heating, when the temperature of the raw material becomes high and the temperature difference from the furnace temperature becomes small, the rate of temperature rise of the raw material becomes slow and the reduction completion time becomes long. There's a problem. In order to avoid such problems and increase the reduction rate, the furnace temperature may be increased. However, increasing the furnace temperature means that the requirement for the heat-resistant temperature of the members constituting the furnace is increased, and the apparatus There is a problem that the cost increases. In addition, unreduced FeO in the iron oxide near the upper surface of the raw material layer reacts with the gangue component in the iron oxide and the ash in the carbonaceous material to form a low melting point compound, which melts the low melting point compound. This makes it difficult to operate.
かかる問題を解決するために、以下に示す特許文献１では、原料挿入前に予め炉床表面を加熱し、原料を装入する位置における炉床表面の温度を６００℃以上とすることで、原料層下部の加熱の遅れを改善し、生産性を向上させる技術が開示されている。 In order to solve such a problem, in Patent Document 1 shown below, the hearth surface is heated in advance before the raw material is inserted, and the temperature of the hearth surface at a position where the raw material is charged is set to 600 ° C. or higher. A technique for improving the productivity by improving the delay in heating of the lower layer is disclosed.
他方、上述のような固体還元炉を利用した還元鉄の製造方法では、還元炉内へ供給された還元原料が、幅方向で異なる層厚となった場合に、加熱が均一に行われず、原料に還元ムラが発生するという問題がある。 On the other hand, in the method for producing reduced iron using the solid reduction furnace as described above, when the reducing raw material supplied into the reducing furnace has different layer thicknesses in the width direction, heating is not performed uniformly, and the raw material There is a problem that unevenness of reduction occurs.
かかる問題を解決するために、以下に示す特許文献２では、回転炉床内の原料の堆積高さムラを検出して、回転炉床炉内に設置した複数の還元補助バーナーによって原料層の層厚の厚い部分を加熱し、還元ムラを低減する技術が開示されている。
In order to solve such a problem, in
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３を参照。）。 In recent years, a technique has also been proposed in which the agglomerated material is heated not by a burner but by microwave irradiation (see Patent Document 3 below).
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、熱容量の大きな床部の昇温に大きなエネルギーを必要とするため、装置コスト及び操業コストが増加するという問題がある。また、上記特許文献２に記載の方法では、回転炉床炉の炉幅全体をカバーするために多くのバーナーを設置する必要があり、装置コストが増加するという問題がある。
However, the method described in Patent Document 1 requires a large amount of energy for raising the temperature of the floor portion having a large heat capacity, and thus there is a problem that the apparatus cost and the operation cost increase. Moreover, in the method described in
更に、上記特許文献３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。 Furthermore, in the method described in Patent Document 3, as described in the document, the amount of microwave power to be irradiated needs to be 100 to 200 kWh per ton of agglomerates. However, the output of the microwave oscillation device is generally an upper limit for industrial use of about 100 kW / unit, and the microwave alone is a mass that requires a large amount of production of several tens of tons per day. It is extremely difficult to heat and reduce the compound.
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、装置コスト及び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することが可能な、塊成化物の加熱方法を提供することにある。 Then, this invention is made | formed in view of the said problem, and the place made into the objective of this invention further suppresses generation | occurrence | production of the heating nonuniformity of an agglomerate, suppressing the increase in apparatus cost and operation cost. The object is to provide a method for heating the agglomerates.
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型した塊成化物を固体還元炉で加熱する方法において、固体還元炉に装入された前記塊成化物を、固体還元炉に設けられたバーナー及び炉壁からの輻射熱により加熱する輻射熱加熱ステップと、前記固体還元炉の炉内において前記塊成化物が所定の温度となった位置で、固体還元炉に設けられたマイクロ波発振装置により、以下の式１を満たすマイクロ波出力を有するマイクロ波を以下の式１を満たす照射時間で前記塊成化物に対して照射して、当該塊成化物を加熱するマイクロ波加熱ステップと、を含む塊成化物の加熱方法が提供される。 In order to solve the above problems, according to one aspect of the present invention, in a method of heating an agglomerate formed by mixing an iron oxide raw material and a reducing material in a solid reduction furnace, the solid reduction furnace is charged. A radiant heat heating step for heating the agglomerate by radiant heat from a burner and a furnace wall provided in the solid reduction furnace; and a position where the agglomerate has reached a predetermined temperature in the furnace of the solid reduction furnace. Then, the agglomerated material is irradiated with a microwave having a microwave output satisfying the following expression 1 with an irradiation time satisfying the following expression 1 by a microwave oscillating device provided in the solid reduction furnace. And a microwave heating step for heating the agglomerate.
Ｐ×Ａ×ｔ２＝（Ｔｆ−Ｘ−Ｔｂ）×Ｃｂ×Ｗｂ ・・・（式１） P × A × t2 = (Tf−X−Tb) × Cb × Wb (Formula 1)
ここで、上記式１において、
Ｐ ：マイクロ波出力 ［Ｗ］
Ａ ：塊成化物のマイクロ波エネルギーの吸収効率
Ｔｆ：固体還元炉の炉内雰囲気温度 ［℃］
Ｘ ：塊成化物の温度の許容幅 ［℃］
Ｔｂ：マイクロ波照射前の塊成化物の温度 ［℃］
Ｃｂ：塊成化物の比熱 ［Ｊ／ｇ・Ｋ］
Ｗｂ：マイクロ波照射範囲内にある塊成化物の総質量 ［ｇ］
ｔ２：マイクロ波照射範囲内にある塊成化物へのマイクロ波の照射時間 ［ｓ］
である。
Here, in Equation 1 above,
P: Microwave output [W]
A: Absorption efficiency of microwave energy of agglomerate Tf: Atmospheric temperature of solid reduction furnace [° C.]
X: Allowable width of agglomerate temperature [° C.]
Tb: temperature of agglomerated material before microwave irradiation [° C.]
Cb: specific heat of agglomerate [J / g · K]
Wb: total mass of agglomerates within microwave irradiation range [g]
t2: Microwave irradiation time for agglomerates within the microwave irradiation range [s]
It is.
前記塊成化物の温度が前記炉内雰囲気温度の８０％以上となった位置から、前記マイクロ波を照射することが好ましい。 It is preferable to irradiate the microwave from a position where the temperature of the agglomerated product is 80% or more of the temperature in the furnace atmosphere.
前記塊成化物中に含まれる前記酸化鉄原料の粒子サイズは、前記還元材の粒子サイズよりも小さいことが好ましい。 The particle size of the iron oxide raw material contained in the agglomerated product is preferably smaller than the particle size of the reducing material.
前記塊成化物は、当該塊成化物の外径に相当する大きさ、又は、当該塊成化物の略中心部の厚みのいずれか小さい方のサイズが、式（２）で表されるマイクロ波の浸透深さδの６倍以内であってもよい。 The size of the agglomerated material corresponding to the outer diameter of the agglomerated material or the thickness of the substantially central portion of the agglomerated material, which is smaller, is represented by the microwave represented by the formula (2). It may be within 6 times the penetration depth δ.
ここで、上記式２において、
δ ：マイクロ波の浸透深さ ［ｃｍ］
λ ：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。
Here, in the
δ: microwave penetration depth [cm]
λ: Microwave wavelength [cm]
ε ': relative permittivity of the substance (real part)
tan δ: the dielectric loss tangent of the substance.
以上説明したように本発明によれば、バーナーによる加熱とマイクロ波による加熱とを併用し、塊成化物が所定の温度となった位置で特定のマイクロ波出力を有するマイクロ波を塊成化物に対して照射するため、装置コスト及び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することが可能である。 As described above, according to the present invention, heating with a burner and heating with a microwave are used in combination, and a microwave having a specific microwave output at the position where the agglomerated product reaches a predetermined temperature is converted into the agglomerated product. On the other hand, it is possible to further suppress the occurrence of uneven heating of the agglomerated material while suppressing an increase in apparatus cost and operation cost.
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。 Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.
なお、以下の説明では、固体還元炉として回転炉床炉を例にとって本発明の実施形態に係る塊成化物の加熱方法について説明するが、本発明に係る塊成化物の加熱方法は、流動床炉やシャフト炉等の他の固体還元炉に対しても利用可能である。 In the following description, a method for heating an agglomerate according to an embodiment of the present invention will be described by taking a rotary hearth furnace as an example of a solid reduction furnace, but the method for heating an agglomerate according to the present invention is a fluidized bed. It can also be used for other solid reduction furnaces such as furnaces and shaft furnaces.
＜還元鉄の製造工程について＞
本発明の実施形態に係る塊成化物の加熱方法について説明するに先立ち、まず、図１を参照しながら、還元鉄の製造工程について、詳細に説明する。図１は、還元鉄の製造工程を説明するための説明図である。
<About the manufacturing process of reduced iron>
Prior to describing the method for heating an agglomerated product according to the embodiment of the present invention, first, the production process of reduced iron will be described in detail with reference to FIG. Drawing 1 is an explanatory view for explaining the manufacturing process of reduced iron.
まず、製鉄ダスト（酸化鉄粉）及び鉄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１１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１３に装入される。
First, iron oxide raw materials such as iron making dust (iron oxide powder) and iron ore, and reducing materials such as coal, coke, and fine carbon are stored in advance in the
ボールミル等の振動ミルに代表される粉砕機１３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１５に運搬される。
A pulverizer 13 typified by a vibration mill such as a ball mill pulverizes the charged iron oxide raw material and reducing material to a predetermined particle size while mixing. The particle diameters of the iron oxide raw material and the reducing material after pulverization can be set to values suitable for a solid reduction furnace such as a rotary hearth furnace, a fluidized bed furnace, and a shaft furnace used for producing reduced iron. The mixture of the pulverized iron oxide raw material and the reducing material is conveyed to the
混練機１５は、粉砕機１３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１５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１５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１５によって混練された混合物は、成型機１７に搬送される。
The
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１７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１７は、後述する乾燥・加熱還元後、例えば熱間にて溶解炉２３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、乾燥機１９へと装入される。
A molding
乾燥機１９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２１へと搬送される。
The
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２１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。
For example, the
＜回転炉床炉について＞
続いて、図２および図３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、一般的な回転炉床炉について説明するための説明図であり、図３は、ブリケットの還元について説明するための説明図である。
<About rotary hearth furnace>
Next, a rotary hearth furnace which is an example of a solid reduction furnace used in the method for producing reduced iron will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a general rotary hearth furnace, and FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the reduction of briquettes.
まず、図２を参照しながら、回転炉床炉２１の内部構造について説明する。
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。
First, the internal structure of the
The
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。
A schematic diagram when the
Inside the
図３に示したように、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、図３に示したような反応が進行している。これらの反応の結果、ブリケット中に含まれる酸化鉄成分（ＦｅＯやＦｅ２Ｏ３等）は、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）となる。
As shown in FIG. 3, the briquette B moving in the
ここで、回転炉床炉２１の内部は、図２下段に示したように、３つのゾーンに区分することができる。これらの区分は便宜的なものであって、実際の回転炉床炉２１の内部に、図に示したような区分けがされているわけではない。
Here, the inside of the
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のゾーンを還元期と称することとする。
The first zone located in the vicinity of the
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。
Due to the high-temperature combustion gas generated by the
（第１の実施形態）
＜塊成化物の加熱方法について＞
以上説明したような、一般的な回転炉床炉等の固体還元炉を用いた還元鉄の製造技術を基盤技術として、以下で説明する本発明の第１の実施形態に係る塊成化物の加熱方法では、固体還元炉内で塊成化物を加熱・還元する際に、バーナーによる加熱に加えて、マイクロ波による加熱を利用する。
(First embodiment)
<About the heating method of agglomerates>
The heating of the agglomerate according to the first embodiment of the present invention described below is based on the manufacturing technology of reduced iron using a solid reduction furnace such as a general rotary hearth furnace as described above. In the method, when heating and reducing the agglomerate in the solid reduction furnace, heating by microwaves is used in addition to heating by a burner.
［マイクロ波について］
以下では、まず、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法に用いられるマイクロ波について、簡単に説明する。
[About microwave]
Below, the microwave used for the heating method of the agglomerate which concerns on this embodiment is demonstrated easily first.
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、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法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。 The microwave generally refers to an electromagnetic wave having a wavelength of 1 mm to 1 m and a frequency of 300 MHz to 300 GHz. However, as noted in the method for heating an agglomerate according to the present embodiment, when microwaves are used as heating means (so-called microwave heating is performed), microwaves are so-called ISM (Industry- Science-Medical) refers to an electromagnetic wave in a frequency band belonging to the band.
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１１で算出することが可能である。 When the microwave is absorbed by the material due to dielectric loss, the energy of the microwave is converted into heat, and as a result, the material that has absorbed the microwave is heated. At this time, how much the microwave penetrates into the substance can be calculated by the following equation (11).
ここで、上記式１１において、
δ ：マイクロ波の浸透深さ ［ｃｍ］
λ ：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。
Here, in
δ: microwave penetration depth [cm]
λ: Microwave wavelength [cm]
ε ': relative permittivity of the substance (real part)
tan δ: the dielectric loss tangent of the substance.
本発明者らの実験の結果によると、実際のマイクロ波加熱においては、上記式１１で求めた浸透深さδの３倍程度の深さまで、マイクロ波の作用によって物質が加熱される。従って、塊成化物は、その外径に相当する大きさ、又は、中心部の厚みのいずれか小さい方のサイズが、式１１で記載されるマイクロ波の浸透深さδの６倍以内であれば、塊成化物の内部までマイクロ波の加熱効果を作用させることが可能で、マイクロ波を利用することで、バーナーや炉壁からの輻射熱の伝熱に頼ることなく、塊成化物の外部及び内部を同時に加熱することが可能となる。
According to the results of experiments by the present inventors, in actual microwave heating, the substance is heated by the action of microwaves to a depth of about three times the penetration depth δ obtained by the
また、先に説明したように、塊成化物は、回転炉床炉等の固体還元炉内において層状に積層されることが多く、積層された塊成化物と塊成化物との間には間隙が存在する。一方で、電磁波には、電磁波の回り込み作用があるため、バーナーや炉壁の輻射を直接受けることができない塊成化物の層の下面部についても、マイクロ波を用いることで加熱することが可能となる。 In addition, as described above, agglomerates are often layered in a solid reduction furnace such as a rotary hearth furnace, and there is a gap between the agglomerated products and the agglomerated materials. Exists. On the other hand, since electromagnetic waves have a wraparound effect, it is possible to heat the lower surface portion of the agglomerate layer that cannot directly receive radiation from the burner or the furnace wall by using microwaves. Become.
このように、マイクロ波を用いた加熱方法は、遠隔作用で物質にエネルギーを供給することが可能であるため、面積の大きな固体還元炉であっても、比較的簡単な装置構成で、炉内に装入された原料である塊成化物に対して効率良くエネルギーを供給することが可能である。 Thus, since the heating method using microwaves can supply energy to a substance by a remote action, even in a solid reduction furnace having a large area, a relatively simple apparatus configuration can be used. It is possible to efficiently supply energy to the agglomerated material that is the raw material charged in the.
また、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１２のように表される。以下の式１２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１２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。 Further, microwave energy P abs per unit volume absorbed by the substance is expressed by the following Expression 12. As can be seen from the following Equation 12, the microwave energy P abs per unit volume absorbed by the heated substance (substance to be heated) depends on the conductivity, dielectric constant, and permeability of the heated substance. You can see that Therefore, it can be said that P abs represented by the following formula 12 is an amount related to the microwave absorption efficiency of the heated material.
ここで、上記式１２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。
Here, in the above equation 12,
σ: Conductivity of heated material [S / m]
f: Microwave frequency [Hz]
ε 0 : dielectric constant in vacuum [F / m]
ε ″: Imaginary part of relative permittivity of heated material μ 0 : Permeability in vacuum [H / m]
μ ”: Imaginary part of relative permeability of heated material E: Electric field strength formed by microwave [V / m]
H: intensity of magnetic field formed by microwave [A / m]
π: Pi ratio.
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。 The values of the imaginary part ε ″ of the relative dielectric constant are collectively shown below for the iron oxide and carbon material (reducing material) that are the raw materials of the agglomerated material and the refractory furnace materials that are generally used.
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：１〜１０
Imaginary part of dielectric constant ε ”
Alumina, which is a typical refractory furnace material: 0.004 to 0.01
・ Powdered carbon powder: 10-50
・ Iron oxide: 1-10
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、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、固体還元炉中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である。 As is clear from the above, the iron oxide and carbon material used as the raw material for the agglomerate have a larger value of the imaginary part ε ″ of the relative dielectric constant than that of a commonly used refractory furnace material. The material (reducing material) can absorb more microwave energy, and the value of alumina, which is a typical refractory furnace material, is 1/1000 compared to the values of iron oxide and carbon powder. This shows that the refractory furnace material does not absorb much microwave energy, so when it is irradiated in the solid reduction furnace, the furnace wall is covered with the refractory furnace material. It is possible to efficiently raise only the temperature of the agglomerated material that is the raw material while suppressing the rise in the furnace temperature.
［塊成化物の加熱方法について］
続いて、図４〜図６を参照しながら、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法について、詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法に利用される回転炉床炉を模式的に示した説明図である。また、図５及び図６は、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法を説明するための説明図である。
[About heating method of agglomerates]
Then, the heating method of the agglomerate which concerns on this embodiment is demonstrated in detail, referring FIGS. 4-6. FIG. 4 is an explanatory view schematically showing a rotary hearth furnace used in the method for heating an agglomerate according to the present embodiment. Moreover, FIG.5 and FIG.6 is explanatory drawing for demonstrating the heating method of the agglomerate which concerns on this embodiment.
本実施形態に係る塊成化物の加熱方法では、図４に示したように、マイクロ波発振装置１０１を利用して、バーナーによる加熱が行われている回転炉床炉等の固体還元炉の炉内に存在する塊成化物に対して、所定のマイクロ波出力を有するマイクロ波を照射する。この際、マイクロ波発振装置１０１で発振されたマイクロ波は、任意の形状を有する導波管１０３によって、固体還元炉２１まで導かれる。
In the method for heating an agglomerate according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, a furnace of a solid reduction furnace such as a rotary hearth furnace that is heated by a burner using a
導波管１０３と固体還元炉２１との接続部分には、セラミック板１０５が設けられている。このセラミック板１０５は、マイクロ波発振装置１０１及び導波管１０３を熱や粉塵から保護する役割を有している。また、かかるセラミック板１０５として、マイクロ波の吸収の少ない物質からなるセラミック板を利用することが好ましい。このようなセラミック板として、例えば、ＭｇＯセラミック板を挙げることができる。
A
また、炉内へと導波されたマイクロ波を効率よく塊成化物へ照射させるために、炉内には、仕切り板１０７が設けられている。
A
上記式１２から明らかなように、マイクロ波による物質の加熱において物質に吸収されるマイクロ波のエネルギーは、マイクロ波により形成される物質周辺の電界強度あるいは磁界強度の２乗に比例する。従って、マイクロ波加熱においては、なるべく狭い空間にマイクロ波を閉じ込めて、物質周辺の電界強度や磁界強度を大きくすることが望ましい。そこで、回転炉床炉等の固体還元炉２１においてマイクロ波加熱を実施する場合、マイクロ波による電界及び磁界強度を高くするために、図４に示したように、回転炉床炉の内部にマイクロ波を反射する仕切り板１０７を設け、回転炉床炉のある決まった範囲（ゾーン）に限定してマイクロ波を照射することが好ましい。
As is clear from the above equation 12, the energy of the microwave absorbed by the substance when the substance is heated by the microwave is proportional to the square of the electric field intensity or magnetic field intensity around the substance formed by the microwave. Therefore, in microwave heating, it is desirable to confine the microwave in as narrow a space as possible to increase the electric field strength and magnetic field strength around the substance. Therefore, when microwave heating is performed in a
このような仕切り板１０７を設けることで、炉内の塊成化物は、仕切り板１０７で挟まれた特定のゾーンにおいて、マイクロ波による加熱を受けることとなる。換言すれば、炉内の塊成化物は、マイクロ波を重畳した炉の範囲（ゾーン）を通過する、ある決まった時間で、マイクロ波による加熱を受けることとなる。
By providing such a
回転炉床炉に設置するマイクロ波を反射する仕切り板１０７としては、特に限定されるものではないが、例えば、内部に水冷構造を持つ金属板の表面を耐火物で覆った構造のものを利用することが可能である。
The
以上説明したように、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法では、マイクロ波による加熱を、原料である塊成化物の加熱ムラ（ひいては、還元ムラ）を解消するための補助加熱源として利用しているといえる。 As described above, in the method for heating an agglomerate according to the present embodiment, heating by microwaves is used as an auxiliary heating source for eliminating heating unevenness (and hence reduction unevenness) of the agglomerate that is a raw material. It can be said that.
なお、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法では、原料として用いられる塊成化物中の酸化鉄原料と還元材との配合比は特に限定されるわけではなく、還元鉄の製造プロセスにおいて一般的に行われる配合比を適用して製造された塊成化物を利用可能である。 In the agglomerate heating method according to the present embodiment, the mixing ratio of the iron oxide raw material and the reducing material in the agglomerated material used as the raw material is not particularly limited, and is generally used in the process for producing reduced iron. It is possible to use agglomerates produced by applying the blending ratios that are made automatically.
本実施形態に係る塊成化物の加熱方法では、所定の炉内雰囲気温度となっている固体還元炉２１に装入された塊成化物（例えば、ブリケット）を、まず、固体還元炉２１に設けられたバーナー３１及び炉壁からの輻射熱により加熱する。その後、塊成化物が所定の温度となった位置で、固体還元炉２１に設けられたマイクロ波発振装置１０１により、以下の式１０１を満たすマイクロ波出力を有するマイクロ波を、以下の式１０１を満たす照射時間で塊成化物に対して照射する。このようなマイクロ波を照射することにより、炉内に存在する塊成化物を、炉内雰囲気温度Ｔｆ（℃）に対してＴｆ±Ｘ（℃）の範囲となるまで加熱する。
In the method of heating an agglomerate according to the present embodiment, an agglomerate (for example, briquette) charged in a
Ｐ×Ａ×ｔ２＝（Ｔｆ−Ｘ−Ｔｂ）×Ｃｂ×Ｗｂ ・・・（式１０１） P × A × t2 = (Tf−X−Tb) × Cb × Wb (Formula 101)
ここで、上記式１０１において、
Ｐ ：マイクロ波出力 ［Ｗ］
Ａ ：塊成化物のマイクロ波エネルギーの吸収効率
Ｔｆ：固体還元炉の炉内雰囲気温度 ［℃］
Ｘ ：塊成化物温度の許容幅 ［℃］
Ｔｂ：マイクロ波照射前の塊成化物の温度 ［℃］
Ｃｂ：塊成化物の比熱 ［Ｊ／ｇ・Ｋ］
Ｗｂ：マイクロ波照射範囲内にある塊成化物の総質量 ［ｇ］
ｔ２：マイクロ波照射範囲を塊成化物が通過する時間（＝マイクロ波の照射時間） ［ｓ］
である。
Here, in
P: Microwave output [W]
A: Absorption efficiency of microwave energy of agglomerate Tf: Atmospheric temperature of solid reduction furnace [° C.]
X: Allowable width of agglomerate temperature [° C.]
Tb: temperature of agglomerated material before microwave irradiation [° C.]
Cb: specific heat of agglomerate [J / g · K]
Wb: total mass of agglomerates within microwave irradiation range [g]
t2: Time for the agglomerate to pass through the microwave irradiation range (= microwave irradiation time) [s]
It is.
上記式１０１において、炉内雰囲気温度Ｔｆ及びマイクロ波照射前の塊成化物の温度Ｔｂは、熱電対や放射温度計等の各種の温度測定手段により実測してもよいし、操業における設定値を利用してもよいし、過去の操業データ等から各種の方法を利用して推測した値を利用してもよい。また、塊成化物の比熱Ｃｂは、操業に使用する塊成化物に対して事前の測定を行うことで決定してもよく、各種の文献等に記載されている値を使用してもよい。
In the
また、マイクロ波照射範囲内にある塊成化物の総質量Ｗｂは、操業における設定値や実測値から算出した値であってもよく、過去の操業データ等から各種の方法を利用して推測した値であってもよい。また、マイクロ波照射範囲を塊成化物が通過する時間ｔ２については、回転炉床炉等の固体還元炉２１の装置サイズや仕切り板１０７の設置位置等の設置条件と、回転炉床の炉床進行速度と、に基づいて算出することが可能である。
Further, the total mass Wb of the agglomerated material within the microwave irradiation range may be a value calculated from a set value or an actual measurement value in operation, and is estimated using various methods from past operation data. It may be a value. For the time t2 when the agglomerate passes through the microwave irradiation range, the installation conditions such as the size of the
続いて、塊成化物温度の許容幅Ｘについて説明する。
図３に示した塊成化物の還元反応は、一般的に塊成化物が８００℃程度になると開始され、塊成化物の温度が１１００℃〜１２００℃以上になると還元反応が促進され、短時間での還元が進行する。従って、マイクロ波の照射終了時に塊成化物が上記温度範囲に到達していると、還元反応が促進された温度条件に塊成化物が保持される時間が長くなり、高い金属化率を得ることが容易となる。ここで、固体還元炉２１の一例である回転炉床炉は１２００℃〜１３００℃にて使用されることが多い。従って、塊成化物の温度の下限値は、炉内雰囲気温度−１００℃程度であることが好ましい。
Subsequently, the allowable width X of the agglomerate temperature will be described.
The reduction reaction of the agglomerate shown in FIG. 3 is generally started when the agglomerate reaches about 800 ° C., and the reduction reaction is promoted when the temperature of the agglomerate reaches 1100 ° C. to 1200 ° C. Reduction in progresses. Therefore, when the agglomerated material has reached the above temperature range at the end of the microwave irradiation, the time during which the agglomerated material is retained under the temperature condition in which the reduction reaction is promoted is prolonged, and a high metallization rate is obtained. Becomes easy. Here, the rotary hearth furnace which is an example of the
また、前述のとおり、塊成化物の温度を上げすぎると、塊成化物の鉄酸化物中の未還元ＦｅＯが鉄酸化物中の脈石成分や炭素質物質中の灰分と反応して低融点化合物を形成し、かかる低融点化合物が溶融して操業を困難にするという問題がある。一般的に、塊成化物を１４００℃以上に加熱すると、低融点化合物の溶融が顕著になる。従って、塊成化物の温度の上限値は、炉内雰囲気温度＋１００℃程度であることが好ましい。 In addition, as described above, if the temperature of the agglomerated material is raised too much, unreduced FeO in the iron oxide of the agglomerated material reacts with gangue components in the iron oxide and ash in the carbonaceous material, resulting in a low melting point. There is a problem that a compound is formed and such a low-melting-point compound is melted to make operation difficult. Generally, when the agglomerated material is heated to 1400 ° C. or higher, melting of the low melting point compound becomes significant. Therefore, it is preferable that the upper limit of the temperature of the agglomerated material is about the furnace atmosphere temperature + 100 ° C.
以上説明したように、塊成化物温度の許容幅Ｘは、−１００℃〜１００℃程度とすることが好ましい。 As described above, the allowable width X of the agglomerate temperature is preferably about −100 ° C. to 100 ° C.
また、塊成化物のマイクロ波エネルギーの吸収効率Ａは、マイクロ波を吸収しない金属チャンバー内部に塊成化物を設置してマイクロ波単独照射での加熱実験を行うことで、実験的に算出することが可能である。 Moreover, the absorption efficiency A of the microwave energy of the agglomerate can be calculated experimentally by installing the agglomerate inside a metal chamber that does not absorb microwaves and conducting a heating experiment with microwave alone irradiation. Is possible.
具体的には、加熱効率Ａは、マイクロ波によって塊成化物に供給された熱量Ｑｍ（Ｊ）と、塊成化物の温度上昇から求めた塊成化物が吸収した熱量Ｑｂ（Ｊ）との比によって求めることが可能である。 Specifically, the heating efficiency A is a ratio between the amount of heat Qm (J) supplied to the agglomerated material by microwaves and the amount of heat Qb (J) absorbed by the agglomerated material obtained from the temperature increase of the agglomerated material. Can be determined by
すなわち、マイクロ波照射中にチャンバー内に入射したマイクロ波出力Ｐｉｎとチャンバーから反射して戻ってきたマイクロ波出力Ｐｒｅｆとの差分を求めることで、チャンバー内部に正味に入射したマイクロ波出力ΔＰ（＝Ｐｉｎ−Ｐｒｅｆ）を算出可能である。また、算出したマイクロ波出力ΔＰとマイクロ波の照射時間ｔ（ｓ）とを用いて、塊成化物に供給されたマイクロ波の熱量Ｑｍ＝ΔＰ×ｔ（Ｊ）を算出できる。他方、マイクロ波照射前後の塊成化物の温度上昇ΔＴ（℃）と塊成化物の比熱Ｃｂ（Ｊ／ｇＫ）と、加熱された塊成化物の総質量Ｗｂ（ｇ）とを利用することで、塊成化物が受け取った熱量（エネルギー）Ｑｂ＝ΔＴ×Ｃｂ×Ｗｂ（Ｊ）を算出可能である。算出したこれらの値を利用することで、加熱効率Ａ＝Ｑｂ／Ｑｍを算出することができる。 That is, by obtaining the difference between the microwave output P in incident into the chamber during the microwave irradiation and the microwave output P ref reflected back from the chamber, the microwave output ΔP net incident into the chamber is obtained. (= P in −P ref ) can be calculated. Moreover, the heat quantity Qm = ΔP × t (J) of the microwave supplied to the agglomerated material can be calculated using the calculated microwave output ΔP and the microwave irradiation time t (s). On the other hand, by using the temperature increase ΔT (° C.) of the agglomerated material before and after microwave irradiation, the specific heat Cb (J / gK) of the agglomerated material, and the total mass Wb (g) of the heated agglomerated material. The amount of heat (energy) Qb = ΔT × Cb × Wb (J) received by the agglomerated material can be calculated. By using these calculated values, the heating efficiency A = Qb / Qm can be calculated.
また、一般的に、加熱効率Ａは塊成化物の温度に依存する係数であるため、上記実験においては、塊成化物の温度が回転炉床炉等の固体還元炉におけるマイクロ波の照射温度とおおむね等しい温度範囲にある時に求めることが望ましい。 In general, since the heating efficiency A is a coefficient depending on the temperature of the agglomerated material, in the above experiment, the temperature of the agglomerated material is equal to the microwave irradiation temperature in a solid reduction furnace such as a rotary hearth furnace. It is desirable to find it when the temperature is approximately equal.
上記式１０１で表されるマイクロ波出力を有するマイクロ波を照射する位置は、炉内で原料である塊成化物がある程度加熱されて塊成化物の温度と炉内雰囲気温度との差が少なくなり、塊成化物の昇温速度が低下してきた部位とすることが好ましい。このような部位で、上述のようなマイクロ波出力を有するマイクロ波を照射することで、塊成化物を炉内雰囲気温度近傍まで急速に補助加熱することが可能となる。また、原料である塊成化物が炉内雰囲気温度まで上昇すれば、その後温度は保持されることとなるため、結果的に、還元進行に必要な温度帯での保持時間を長くすることができ、塊成化物の還元率を向上させることができる。
The position where the microwave having the microwave output represented by the
このように、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法では、加熱ムラの低減を図るだけでなく、結果的に、還元進行に必要な温度帯での保持時間を長期化することが可能となる。そのため、加熱ムラの低減による還元率の向上、及び、保持時間の長期化による還元率の向上という２つの側面から、還元率の向上を図ることが可能となる。 Thus, in the method of heating an agglomerate according to the present embodiment, not only can heating unevenness be reduced, but as a result, the holding time in the temperature zone necessary for the progress of reduction can be prolonged. Become. Therefore, it is possible to improve the reduction rate from two aspects of improving the reduction rate by reducing heating unevenness and improving the reduction rate by extending the holding time.
ここで、マイクロ波の照射を開始する位置は、塊成化物の温度が炉内雰囲気温度の８０％以上となった位置とすることが好ましい。原料である塊成化物の昇温は、近似的に１次遅れ応答である。従って、塊成化物の温度上昇は、最終到達温度の８０％に到達する時間をｔ８０とし、最終到達温度に到達する時間をｔｆとすると、ｔｆ／ｔ８０＝２．９倍の時間が必要である。従って、塊成化物の昇温速度が低下する温度８０％到達時以降にマイクロ波を用いて塊成化物を昇温することで、マイクロ波により昇温される温度分が少なく、マイクロ波発振装置が小型で済み、かつ、マイクロ波を用いた急速昇温による加熱時間短縮に起因する還元温度保持効果が大きくなる。 Here, the position where the microwave irradiation is started is preferably a position where the temperature of the agglomerated material is 80% or more of the furnace atmosphere temperature. The temperature rise of the agglomerated material is approximately a first order lag response. Therefore, the temperature rise of the agglomerate requires tf / t80 = 2.9 times as long as t80 is the time to reach 80% of the final temperature and tf is the time to reach the final temperature. . Accordingly, the temperature of the agglomerate is raised using microwaves after reaching a temperature of 80% at which the temperature rise rate of the agglomerate decreases, so that the temperature raised by the microwave is small, and the microwave oscillation device However, the reduction temperature maintaining effect due to the shortening of the heating time due to the rapid temperature increase using microwaves is increased.
なお、加熱に利用するマイクロ波の周波数は、ＩＳＭバンドで認められている周波数であれば特に限定されず、例えば、２．４５ＧＨｚ帯（２．４０ＧＨｚ〜２．５０ＧＨｚ）や９１５ＭＨｚ帯（９０２ＭＨｚ〜９２８ＭＨｚ）に属する周波数等を適宜選択することが可能である。ここで、式１１に示したマイクロ波の浸透深さを考慮すると、より低い周波数帯（例えば、ｆ＝９１５ＭＨｚ帯）のマイクロ波を用いることにより、より大きなサイズの塊成化物であっても、その内部までマイクロ波を更に浸透させることが可能となり、加熱ムラの低減を更に図ることが可能となる。
The frequency of the microwave used for heating is not particularly limited as long as it is a frequency recognized in the ISM band. For example, the 2.45 GHz band (2.40 GHz to 2.50 GHz) and the 915 MHz band (902 MHz to 928 MHz). ) Can be selected as appropriate. Here, in consideration of the penetration depth of the microwave shown in
図５は、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法における塊成化物の温度上昇の様子を模式的に示したグラフ図である。図５の横軸は、還元炉内での位置（炉床位置）であり、縦軸は、塊成化物の温度である。 FIG. 5 is a graph schematically showing how the temperature of the agglomerated product rises in the method of heating an agglomerated product according to this embodiment. The horizontal axis in FIG. 5 is the position (hearth position) in the reduction furnace, and the vertical axis is the temperature of the agglomerated material.
図５に示したように、回転炉床炉等の固体還元炉２１に装入されたブリケット等の塊成化物は、炉内に設けられたバーナーや炉壁からの輻射熱により、その温度が上昇していく。本実施形態に係る塊成化物の加熱方法では、例えば、塊成化物の温度が炉内雰囲気温度Ｔｆの８０％となった位置、すなわち、図５における位置Ａ、から、式１０１で表されるマイクロ波出力を有するマイクロ波の照射を開始する。これにより、塊成化物の温度は、輻射熱による加熱時に比べて急速に上昇することとなり、例えば図５における位置Ｂにおいて、炉内雰囲気温度Ｔｆに到達することが可能となる。
As shown in FIG. 5, the temperature of the agglomerates such as briquettes charged in the
ここで、バーナーや炉壁からの輻射熱のみを利用して塊成化物が炉内雰囲気温度Ｔｆに到達する位置が、図５における位置Ｃであったとする。かかる場合、本実施形態に係る加熱方法のように輻射熱による加熱とマイクロ波による加熱とを併用することで、図５における区間ＢＣの分だけ、還元進行に必要な温度帯での保持時間を長くすることができることとなる。 Here, it is assumed that the position where the agglomerated material reaches the furnace atmosphere temperature Tf using only the radiant heat from the burner or the furnace wall is the position C in FIG. In such a case, the heating time by the radiant heat and the heating by the microwave are used in combination as in the heating method according to the present embodiment, so that the holding time in the temperature zone necessary for the progress of the reduction is increased by the section BC in FIG. Will be able to.
続いて、図６を参照しながら、電磁波シミュレーションを用いたマイクロ波の吸収効率に関する考察結果について、簡単に説明する。図６は、電磁波シミュレーションを用いて塊成化物の構造に応じてマイクロ波の吸収効率がどのように変化するかを算出した結果を示したグラフ図である。 Next, a result of consideration regarding the absorption efficiency of the microwave using the electromagnetic wave simulation will be briefly described with reference to FIG. FIG. 6 is a graph showing the result of calculating how the microwave absorption efficiency changes according to the structure of the agglomerate using electromagnetic wave simulation.
図６に結果は、塊成化物の単位粒子が、以下に示す（Ａ）〜（Ｄ）の４種類のような構造を有しているものとして、かかる単位粒子計８個がマイクロ波のエネルギーをどの程度吸収するかを電磁波シミュレーションにより算出した。 FIG. 6 shows that the unit particles of the agglomerate have the following four types of structures (A) to (D), and that eight unit particles in total have microwave energy. It was calculated by the electromagnetic wave simulation how much the amount of water was absorbed.
（Ａ）単位粒子が、酸化鉄原料の主成分の一つであるＦｅ２Ｏ３の単体で構成される
（Ｂ）単位粒子が、炭素の単体で構成される
（Ｃ）単位粒子が、内側にＦｅ２Ｏ３が位置し、外側に炭素が位置する２層構造となっている
（Ｄ）単位粒子が、外側にＦｅ２Ｏ３が位置し、内側に炭素が位置する２層構造となっている
(A) The unit particles are composed of a simple substance of Fe 2 O 3 which is one of the main components of the iron oxide raw material. (B) The unit particles are composed of a simple substance of carbon. (C) The unit particles are inside. the Fe 2 O 3 is located, a two-layer structure and going on (D) unit particles carbon outward position is located is Fe 2 O 3 on the outside, a two-layer structure which is located carbon inside ing
図６の最左端に位置する結果は、上記（Ａ）の構造を有する単位粒子８個が吸収するマイクロ波のエネルギーであり、図６の左から２番目の結果は、上記（Ｂ）の構造を有する単位粒子８個が吸収するエネルギーである。また、図６の左から３番目の結果は、上記（Ａ）の構造を有する単位粒子と、上記（Ｂ）の構造を有する単位粒子とが各４個ずつ存在する場合に、これら粒子に吸収されるマイクロ波のエネルギーである。 The result located at the leftmost end of FIG. 6 is the microwave energy absorbed by the eight unit particles having the structure of (A), and the second result from the left of FIG. 6 is the structure of (B). Is the energy absorbed by eight unit particles. Further, the third result from the left in FIG. 6 shows that when there are four unit particles each having the structure (A) and four unit particles having the structure (B), the particles absorb the particles. Is the energy of microwaves.
これら３種類の条件では、図６から明らかなように、単位粒子の集合に吸収されるマイクロ波のエネルギーは、１×１０−５Ｗ程度となった。 Under these three kinds of conditions, as is apparent from FIG. 6, the energy of the microwave absorbed by the assembly of unit particles was about 1 × 10 −5 W.
他方、図６の右から２番目及び最右端に位置する結果は、単位粒子がＦｅ２Ｏ３と炭素の２層構造となっている場合の結果である。上記（Ｃ）の構造を有する単位粒子が８個存在する場合には、図６の右から２番目の結果から明らかなように、４×１０−５Ｗ程度のエネルギーが吸収される。また、上記（Ｄ）の構造を有する単位粒子が８個存在する場合には、図６の最右端に位置する結果から明らかなように、６×１０−５Ｗ程度のエネルギーが吸収される。 On the other hand, the result located at the second rightmost position and the rightmost end in FIG. 6 is a result when the unit particle has a two-layer structure of Fe 2 O 3 and carbon. When eight unit particles having the structure (C) are present, energy of about 4 × 10 −5 W is absorbed, as is apparent from the second result from the right in FIG. Further, when there are eight unit particles having the structure (D), energy of about 6 × 10 −5 W is absorbed, as is apparent from the result located at the rightmost end in FIG.
かかるシミュレーション結果より、単位粒子が、外側にＦｅ２Ｏ３が位置し内側に炭素が位置するような２層構造を有することで、単位粒子あたりのマイクロ波の吸収効率が改善されることがわかる。従って、還元材である炭素材の周囲を酸化鉄原料が覆うような塊成化物を用いることで、塊成化物によるマイクロ波の吸収を更に改善させることが可能であることがわかる。このような塊成化物を実現するためには、酸化鉄原料の粒子サイズを、還元材である炭素材の粒子サイズよりも小さくすることが好ましい。 From these simulation results, it is understood that the absorption efficiency of microwaves per unit particle is improved by having a two-layer structure in which the unit particle has Fe 2 O 3 positioned outside and carbon positioned inside. . Therefore, it can be seen that the microwave absorption by the agglomerated material can be further improved by using the agglomerated material in which the iron oxide raw material covers the periphery of the carbon material as the reducing material. In order to realize such an agglomerated product, it is preferable to make the particle size of the iron oxide raw material smaller than the particle size of the carbon material which is a reducing material.
以上、図４〜図６を参照しながら、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法について、詳細に説明した。 The method for heating an agglomerated product according to this embodiment has been described in detail above with reference to FIGS.
以下、実施例及び比較例を示しながら、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法について、具体的に説明する。 Hereinafter, the method for heating the agglomerated product according to the present embodiment will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples.
＜実施例１＞
［ブリケットの製造］
以下に示す組成の製鉄ダスト７９質量％と、還元材である石炭２０質量％とに加え、更にバインダーとしてベントナイト１質量％を混合し、適量の水分を添加した混合物を製造した。その後、この混合物を混練した後にブリケットマシンに装入し、平均径５０ｍｍ×厚み２０ｍｍの生ブリケットを製造した。製造した生ブリケットは、乾燥機を用いて水分を除去し、水分含有率が０．５質量％の乾燥ブリケットとした。
<Example 1>
[Manufacture of briquettes]
In addition to 79% by mass of iron-making dust having the composition shown below and 20% by mass of coal as a reducing material, 1% by mass of bentonite was further mixed as a binder to produce a mixture to which an appropriate amount of moisture was added. Thereafter, the mixture was kneaded and then charged into a briquette machine to produce a raw briquette having an average diameter of 50 mm and a thickness of 20 mm. The produced raw briquette was dried using a dryer to obtain a dry briquette having a moisture content of 0.5% by mass.
上記生ブリケットの大きさは、還元鉄を製造する際に用いられる塊成化物の一般的な大きさである、外径１０ｍｍ〜６０ｍｍφ×厚み１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の大きさの範囲内のものとした。 The size of the raw briquette is a general size of agglomerated material used when producing reduced iron, and is within a range of an outer diameter of 10 mm to 60 mmφ × thickness of 10 mm to 30 mm. .
また、上記生ブリケットにおいて、事前に調べた誘電率のε’及びε”の値、並びに、加熱に用いたマイクロ波の波長λ＝１２．２４ｃｍ（周波数２．４５ＧＨｚ）を式１１に代入して求めたマイクロ波の浸透深さδは４．２ｍｍであり、生ブリケットの厚みは浸透深さδの４．８倍である。
In the raw briquette, the values of ε ′ and ε ″ of dielectric constants examined in advance and the wavelength λ = 12.24 cm (frequency 2.45 GHz) of the microwave used for heating are substituted into
ここで、ブリケットの製造に用いた製鉄ダストの平均粒子サイズは１０μｍであり、粉砕処理した石炭の平均粒子サイズは１００μｍである。かかる平均粒子サイズは、レーザ回折法による測定結果である。 Here, the average particle size of the iron-making dust used for manufacturing the briquette is 10 μm, and the average particle size of the pulverized coal is 100 μm. The average particle size is a measurement result by a laser diffraction method.
［マイクロ波による原料ブリケット加熱効率Ａの測定］
マイクロ波単独加熱による原料ブリケットの加熱実験を行い、上記乾燥ブリケットのマイクロ波による加熱効率Ａを求めた。
[Measurement of raw material briquette heating efficiency A by microwave]
A heating experiment of the raw material briquette by microwave heating alone was performed, and the heating efficiency A of the dried briquette by microwave was obtained.
内容積６００ｍｍ×６００ｍｍ×６００ｍｍのステンレス製のチャンバーの中央部に、上記乾燥済みのブリケット（以下、原料ブリケットともいう。）１０個（約５００ｇ）をセラミック坩堝にいれて設置した。この際、坩堝の周囲は、断熱ウールで断熱した。原料ブリケットには、中央部に予め熱電対を埋め込み、内部の温度を計測できるようにした。 Ten dried briquettes (hereinafter also referred to as raw material briquettes) (about 500 g) were placed in a ceramic crucible in a central portion of a stainless steel chamber having an internal volume of 600 mm × 600 mm × 600 mm. At this time, the periphery of the crucible was insulated with heat insulating wool. The raw material briquette was previously embedded with a thermocouple in the center so that the internal temperature could be measured.
ここで、セラミック坩堝は、マイクロ波を吸収しないＭｇＯ製の坩堝を使用した。また、断熱ウールもＳｉＯ２製であり、マイクロ波を吸収しない。従って、チャンバー内部は、原料とした乾燥ブリケット以外にマイクロ波を吸収する物質を設置していない状況となっている。 Here, the crucible made from MgO which does not absorb a microwave was used for the ceramic crucible. Further, the heat insulating wool is also made of SiO 2 and does not absorb microwaves. Therefore, the inside of the chamber is in a state where no substance that absorbs microwaves is installed other than the dry briquette as a raw material.
原料ブリケットを設置後、チャンバー内部を窒素ガスで置換し、不活性雰囲気とした。マイクロ波加熱中も窒素ガスを供給して、チャンバー内部を常に不活性雰囲気に維持した。チャンバー内部に、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、出力Ｐｉｎ＝２０００Ｗで２分間照射した。マイクロ波発振装置の出口には、反射波を吸収するサーキュレータを設け、サーキュレータとチャンバーの間に、チャンバーへの入射マイクロ波出力、反射マイクロ波出力がそれぞれ計測できる出力計を取り付けた。チャンバー内のマイクロ波が均一となるように、チャンバー内にはスターラーを設け、内部のマイクロ波を攪拌しながら、原料ブリケットの加熱を行った。 After installing the raw material briquette, the inside of the chamber was replaced with nitrogen gas to create an inert atmosphere. Nitrogen gas was also supplied during microwave heating, and the inside of the chamber was always maintained in an inert atmosphere. The inside of the chamber was irradiated with microwaves having a frequency of 2.45 GHz at an output P in = 2000 W for 2 minutes. A circulator that absorbs the reflected wave is provided at the outlet of the microwave oscillator, and an output meter that can measure the incident microwave output to the chamber and the reflected microwave output is attached between the circulator and the chamber. A stirrer was provided in the chamber so that the microwave in the chamber was uniform, and the raw material briquette was heated while stirring the internal microwave.
マイクロ波による原料ブリケットの加熱効率は、マイクロ波加熱前後の原料ブリケット１０個の平均温度上昇ΔＴ（℃）、チャンバーへのマイクロ波の入射出力Ｐｉｎ（Ｗ）、チャンバーからの反射出力Ｐｒｅｆ（Ｗ）、予め調べておいた原料ブリケットの比熱Ｃｂ（Ｊ／ｇＫ）、及び、加熱した乾燥ブリケット１０個の合計質量Ｗｂ（ｇ）から、下記式１５１により算出した。 The heating efficiency of the raw material briquette by microwaves is the average temperature rise ΔT (° C.) of 10 raw material briquettes before and after microwave heating, the microwave incident power P in (W) to the chamber, and the reflected power P ref ( W), the specific heat Cb (J / gK) of the raw material briquettes examined in advance, and the total mass Wb (g) of 10 heated dry briquettes, and calculated by the following formula 151.
（Ｐｉｎ−Ｐｒｅｆ）×Ａ×２×６０＝Ｃｂ×ΔＴ×Ｗｂ ・・・（式１５１） (P in −P ref ) × A × 2 × 60 = Cb × ΔT × Wb (Equation 151)
上記のマイクロ波加熱計測を５回繰り返した。加熱条件として、乾燥ブリケット１０個の平均温度が１１００℃から１３００℃までに昇温される間の昇温データに基づいて、加熱効率Ａを求めた。その結果、算出した加熱効率Ａの平均は、Ａ＝０．６３となった。 The above microwave heating measurement was repeated 5 times. As the heating condition, the heating efficiency A was determined based on the temperature rise data during the time when the average temperature of 10 dry briquettes was raised from 1100 ° C. to 1300 ° C. As a result, the average of the calculated heating efficiency A was A = 0.63.
この加熱効率Ａの値は、本実施例に用いた原料ブリケットの固有値であり、原料ブリケットの構成成分や粒径などの変化により変化するものである。 The value of the heating efficiency A is an intrinsic value of the raw material briquette used in the present example, and changes depending on changes in the constituent components and particle size of the raw material briquette.
＜実施例２＞
［ブリケットの加熱・還元］
図７に示した前室のある雰囲気置換可能な電気加熱炉にて、実施例１に示した乾燥ブリケットの還元実験を行った。電気加熱炉（内容積１ｍ×１ｍ×１ｍ）を１３００℃に昇温し、内部雰囲気を窒素で置換した。電気加熱炉は、温度制御運転により１３００℃温度に維持されるように、ヒータ電力が自動で制御されるようにした。
<Example 2>
[Heating / reducing briquettes]
The dry briquette reduction experiment shown in Example 1 was performed in an electric furnace having an anterior chamber shown in FIG. The electric heating furnace (internal volume 1 m × 1 m × 1 m) was heated to 1300 ° C., and the internal atmosphere was replaced with nitrogen. In the electric heating furnace, the heater power was automatically controlled so as to be maintained at a temperature of 1300 ° C. by temperature control operation.
図７に示した加熱炉の前室に、セラミックサンプル皿に乗せた実施例１の乾燥ブリケット４個をセットし、前室の扉を閉めて前室内の雰囲気を窒素ガスで置換した。乾燥ブリケットには中心部に熱電対を埋め込んでおき、ブリケット内部の温度を計測できるようにしておいた。前室内の窒素置換が終了した時点で加熱炉本体の扉を開けて、加熱炉内にサンプル皿に乗せた乾燥ブリケット４個を移動し、加熱炉本体の扉を閉めた。 Four dry briquettes of Example 1 placed on a ceramic sample dish were set in the front chamber of the heating furnace shown in FIG. 7, the door of the front chamber was closed, and the atmosphere in the front chamber was replaced with nitrogen gas. A thermocouple was embedded in the center of the dry briquette so that the temperature inside the briquette could be measured. When the nitrogen substitution in the front chamber was completed, the heating furnace main body door was opened, four dry briquettes placed on the sample pan were moved into the heating furnace, and the heating furnace main body door was closed.
［マイクロ波の照射条件］
熱電対で計測している乾燥ブリケット中心部の温度がＴ１（℃）になった時点で、マイクロ波を所定時間（ｔ２＝１２０秒）照射した。マイクロ波の出力は、以下の表２に示したＰ（Ｗ）とした。
[Microwave irradiation conditions]
When the temperature at the center of the dry briquette measured by the thermocouple reached T1 (° C.), the microwave was irradiated for a predetermined time (t2 = 120 seconds). The microwave output was P (W) shown in Table 2 below.
前述の通り、実際の回転炉床炉において、マイクロ波による加熱を行う場合、マイクロ波は、回転炉のある決まった範囲（ゾーン）に照射されることとなる。その際、炉内の原料ブリケットは、マイクロ波の照射ゾーンでマイクロ波による加熱を受ける。つまり、マイクロ波を重畳した炉の範囲（ゾーン）を通過する一定時間でマイクロ波からの加熱を受けることになる。このような状況を模擬するため、マイクロ波の照射時間を、先に示したように２分間の一定時間とした。 As described above, in the actual rotary hearth furnace, when heating by microwaves is performed, the microwaves are irradiated to a certain range (zone) of the rotary furnace. At that time, the raw material briquette in the furnace is heated by the microwave in the microwave irradiation zone. That is, heating from the microwave is received for a certain time passing through the range (zone) of the furnace on which the microwave is superimposed. In order to simulate such a situation, the microwave irradiation time was set to a fixed time of 2 minutes as described above.
マイクロ波の照射有無、照射開始時間にかかわらず、加熱炉本体の内部にブリケットを挿入してから丁度ｔ１＝１０分後に、再び加熱炉の扉を開けて乾燥ブリケットを窒素ガスで置換した前室に移動させ、４００℃以下に急速冷却した後に、前室の扉を開けて乾燥ブリケットを取り出し、乾燥ブリケットの還元状態（金属化率）を評価した。 Regardless of microwave irradiation or irradiation start time, just before t1 = 10 minutes after inserting the briquette into the main body of the heating furnace, the front door was opened again and the dried briquette was replaced with nitrogen gas. After rapidly cooling to 400 ° C. or lower, the front chamber door was opened and the dry briquette was taken out, and the reduced state (metallization rate) of the dry briquette was evaluated.
加熱後のブリケット中に含有する金属鉄分、全鉄分の質量％を化学形態分析により同定し、（還元鉄中の金属鉄分／還元鉄中の全鉄分）×１００で表される値（単位：％）から金属化率を評価した。 The metal iron content contained in the briquette after heating and the mass% of the total iron content are identified by chemical morphology analysis, and the value (unit:%) represented by (metal iron content in reduced iron / total iron content in reduced iron) × 100 ) To evaluate the metallization rate.
［実施例の条件１〜７］
マイクロ波の照射時間を２分間として、マイクロ波照射開始のブリケット温度Ｔ１（℃）を下記表２に示した条件で変更して、加熱後の乾燥ブリケットの還元率を評価した。（条件１〜７）
[Conditions 1-7 of Example]
The microwave irradiation time was set to 2 minutes, the briquette temperature T1 (° C.) at the start of microwave irradiation was changed under the conditions shown in Table 2 below, and the reduction rate of the dried briquettes after heating was evaluated. (Conditions 1-7)
［実施例の条件８〜１０］
２分間のマイクロ波照射により乾燥ブリケットの温度が加熱炉と同じ１３００℃になるようにマイクロ波の出力を変更した条件で、ブリケットの加熱を行った。
[Conditions 8 to 10 of Examples]
The briquette was heated under the condition that the microwave output was changed so that the temperature of the dried briquette was 1300 ° C., which was the same as that of the heating furnace, by microwave irradiation for 2 minutes.
ここで、実施例８〜１０のマイクロ波の照射条件は、下記式１５２に基づいて決定した。 Here, the microwave irradiation conditions of Examples 8 to 10 were determined based on Formula 152 below.
Ｐ×Ａ×ｔ２＝（Ｔｆ−Ｔ１）×Ｃｂ×Ｗｂ ・・・（式１５２） P × A × t2 = (Tf−T1) × Cb × Wb (Formula 152)
ここで、上記表２において、
乾燥ブリケットの加熱炉内の滞在時間：ｔ１＝１０分
Ｔ１（℃）：マイクロ波照射開始時のブリケットの内部温度（４個の平均温度）
Ｔ２（℃）：マイクロ波照射終了時のブリケットの内部温度（４個の平均温度）
Ｔ３（℃）；挿入して１０分後に加熱炉から前室に取り出した時の乾燥ブリケットの内部温度（４個の平均温度）
η（％）：加熱試験後に調べた乾燥ブリケットの金属化率（４個の平均値）
である。
Here, in Table 2 above,
Residence time of the dried briquette in the heating furnace: t1 = 10 minutes T1 (° C.): Internal temperature of the briquette at the start of microwave irradiation (average temperature of four)
T2 (° C.): Internal temperature of briquette at the end of microwave irradiation (average temperature of 4 pieces)
T3 (° C.): Internal temperature of the dried briquette when it is taken out from the heating furnace 10 minutes after insertion (average temperature of 4 pieces)
η (%): Metalization rate of dried briquettes examined after heating test (average value of 4 pieces)
It is.
表２から明らかなように、マイクロ波を照射することで、比較例（マイクロ波照射なし）に対してブリケットの金属化率η（％）が向上した。マイクロ波の照射が無い場合、ブリケットの温度は１２５０℃程度まで上昇するが、ｔ１＝１０分間での金属化率は６０％台後半にとどまっている。酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）の固体炭素（Ｃ）又はＣＯガスによる還元反応は、１０００℃程度になると開始するが、本比較例のように保持温度が低い、もしくは、当該温度以上で保持される時間が短い（比較例の場合は１０分間の加熱時間）場合には、還元反応の進行が不十分になることがわかる。 As is apparent from Table 2, the metallization ratio η (%) of the briquette was improved by irradiating the microwave with respect to the comparative example (without microwave irradiation). In the absence of microwave irradiation, the briquette temperature rises to about 1250 ° C., but the metallization rate at t1 = 10 minutes remains in the upper half of the 60% range. The reduction reaction of iron oxide (Fe 2 O 3 ) with solid carbon (C) or CO gas starts when the temperature reaches about 1000 ° C., but the holding temperature is low as in this comparative example, or is held at or above that temperature. It can be seen that the progress of the reduction reaction is insufficient when the heating time is short (in the case of the comparative example, the heating time is 10 minutes).
また、実施例１〜１１の結果から明らかなように、マイクロ波の照射を加えることで、同一加熱時間（ｔ１＝１０分）であっても、ブリケットの保持温度が高くなるため、還元の進行が促進される。その結果、表２に示したように、金属化率ηが向上する。 Further, as is clear from the results of Examples 1 to 11, since the holding temperature of the briquette becomes high by applying microwave irradiation even in the same heating time (t1 = 10 minutes), the reduction proceeds. Is promoted. As a result, as shown in Table 2, the metallization rate η is improved.
マイクロ波の照射時間（ｔ２＝２分）を固定した場合、実施例１〜４のようにマイクロ波を照射する時点の乾燥ブリケットの温度が低いと、２分間のマイクロ波照射によってもブリケットの温度が加熱炉雰囲気温度（１３００℃）まで到達しない。その結果、１０分間の加熱後のブリケットの金属化率は、９０％に届かない結果となった。また、実施例５〜１０のように、２分間のマイクロ波の照射後にブリケット温度が加熱炉雰囲気温度（１３００℃）程度以上に加熱される条件では、１０分間の加熱終了後のブリケットの金属化率ηが９０％以上に改善した。 When the microwave irradiation time (t2 = 2 minutes) is fixed and the temperature of the dried briquette at the time of microwave irradiation is low as in Examples 1 to 4, the temperature of the briquette is also affected by microwave irradiation for 2 minutes. Does not reach the furnace atmosphere temperature (1300 ° C.). As a result, the metallization rate of the briquette after heating for 10 minutes did not reach 90%. Further, as in Examples 5 to 10, under the condition that the briquette temperature is heated to about the heating furnace atmosphere temperature (1300 ° C.) or higher after the microwave irradiation for 2 minutes, the metalization of the briquette after the heating for 10 minutes is completed. The rate η was improved to 90% or more.
また、実施例８〜１０では、マイクロ波の照射をブリケット温度が低い時点から開始した。２分間のマイクロ波照射で、乾燥ブリケット温度が加熱炉温度１３００℃程度になるように照射マイクロ波の出力を増加させることで、金属化率ηは９０％以上に改善した。ただし、これらの実施例の場合、高い金属化率を得るには、より多くのマイクロ波出力を必要とするため、マイクロ波を駆動する電力代が増加することとなる。 In Examples 8 to 10, the microwave irradiation was started from the time when the briquette temperature was low. The metallization rate η was improved to 90% or more by increasing the output of the irradiation microwave so that the drying briquette temperature was about 1300 ° C. by the microwave irradiation for 2 minutes. However, in these embodiments, in order to obtain a high metallization rate, more microwave output is required, so that the power cost for driving the microwave increases.
実施例５のように、原料ブリケットの温度が炉温度１３００℃の８０％である１０４０℃以上に到達している条件でマイクロ波を照射すれば、少ないマイクロ波出力でも原料ブリケットの温度を炉温度以上にすることができ、金属化率ηが９０％以上の高い結果を得ることができる。 As in Example 5, if the microwave is irradiated under the condition that the temperature of the raw material briquette reaches 1040 ° C. which is 80% of the furnace temperature 1300 ° C., the temperature of the raw material briquette can be set to the furnace temperature even with a small microwave output. Thus, a high result with a metallization rate η of 90% or more can be obtained.
また、実施例４〜実施例１０では、マイクロ波照射終了時の原料ブリケットの温度が１２００℃以上（炉温度−１００℃以内）であり、かかる条件では金属化率がほぼ９０％以上に到達している。 Further, in Examples 4 to 10, the temperature of the raw material briquette at the end of microwave irradiation is 1200 ° C. or higher (furnace temperature −100 ° C. or lower), and the metallization rate reaches almost 90% or higher under these conditions. ing.
ここで、実施例７では、マイクロ波照射終了時の原料ブリケットの温度が１４４０℃以上と高温になっている。実施例７の原料ブリケットの金属化率は９０％以上と良好であるが、原料ブリケットは、半分程度溶融して形状が崩れていた。実際の固体還元炉（例えば、回転炉床炉）にて実施例７の条件を適用すると、原料ブリケットの溶融による炉床への付着物が多数発生し、操業を困難にすることが予想される結果となった。 Here, in Example 7, the temperature of the raw material briquette at the end of the microwave irradiation is as high as 1440 ° C. or higher. The metalization rate of the raw material briquette of Example 7 was as good as 90% or more, but the raw material briquette was melted by about half and its shape was broken. When the conditions of Example 7 are applied in an actual solid reduction furnace (for example, a rotary hearth furnace), many deposits on the hearth are generated due to melting of the raw material briquettes, which is expected to make the operation difficult. As a result.
以上の結果から、加熱炉中の原料ブリケットの温度Ｔｂ（℃）、加熱炉温度Ｔｆ（℃）、原料ブリケットの比熱Ｃｂ（Ｊ／ｇＫ）、原料の総質量Ｗｂ（ｇ）、原料ブリケットへのマイクロ波の照射時間ｔ２（分）、マイクロ波による原料の加熱効率Ａとして、マイクロ波の出力Ｐ（Ｗ）を上記式１０１に従って決定し、かかる出力を有するマイクロ波を照射することで、短時間の加熱で原料の金属化率ηを向上することができることが明らかとなった。
From the above results, the temperature Tb (° C.) of the raw material briquette in the heating furnace, the heating furnace temperature Tf (° C.), the specific heat Cb (J / gK) of the raw material briquette, the total mass Wb (g) of the raw material, As microwave irradiation time t2 (minutes) and microwave heating efficiency A, microwave output P (W) is determined according to the
＜実施例３＞
［ブリケットの加熱・還元−その２］
実施例１で用いた内容積６００ｍｍ×６００ｍｍ×６００ｍｍのステンレス製のチャンバーの中央部に、実施例１で製造した乾燥済みの原料ブリケット４個（約２００ｇ）をセラミック坩堝に入れて設置した。この際、坩堝の周囲は、断熱ウールで断熱した。原料ブリケットには、中央部に予め熱電対を埋め込み、内部の温度を計測できるようにした。
<Example 3>
[Heating / Reducing Briquettes-Part 2]
In the center of the stainless steel chamber having an internal volume of 600 mm × 600 mm × 600 mm used in Example 1, four dried raw material briquettes (about 200 g) manufactured in Example 1 were placed in a ceramic crucible and installed. At this time, the periphery of the crucible was insulated with heat insulating wool. The raw material briquette was previously embedded with a thermocouple in the center so that the internal temperature could be measured.
ここで、セラミック坩堝は、マイクロ波を吸収しないＭｇＯ製の坩堝を使用した。また、断熱ウールもＳｉＯ２製であり、マイクロ波を吸収しない。従って、チャンバー内部は、原料ブリケット以外にマイクロ波を吸収する物質を設置していない状況となっている。 Here, the crucible made from MgO which does not absorb a microwave was used for the ceramic crucible. Further, the heat insulating wool is also made of SiO 2 and does not absorb microwaves. Therefore, the inside of the chamber is in a state where no substance that absorbs microwaves is installed other than the raw material briquette.
原料ブリケットを設置後、チャンバー内部を窒素ガスで置換し、不活性雰囲気とした。チャンバー内部に周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、出力Ｐｉｎ＝１０００Ｗで照射した。マイクロ波発振器出口には、反射波を吸収するサーキュレータを設け、サーキュレータとチャンバーの間に、チャンバーへの入射マイクロ波出力、反射マイクロ波出力がそれぞれ計測できる出力計を取り付けた。チャンバー内のマイクロ波が均一となるように、チャンバー内にはスターラーを設け、内部のマイクロ波を攪拌しながら、原料ブリケットの加熱を行った。 After installing the raw material briquette, the inside of the chamber was replaced with nitrogen gas to create an inert atmosphere. The inside of the chamber was irradiated with microwaves having a frequency of 2.45 GHz with an output P in = 1000 W. A circulator that absorbs the reflected wave is provided at the outlet of the microwave oscillator, and an output meter that can measure the incident microwave output to the chamber and the reflected microwave output is attached between the circulator and the chamber. A stirrer was provided in the chamber so that the microwave in the chamber was uniform, and the raw material briquette was heated while stirring the internal microwave.
４個の原料ブリケットの平均温度が（１）１０００℃、（２）１１００℃、（３）１２００℃、（４）１３００℃、（５）１４００℃になった時点で、マイクロ波の照射を停止した。マイクロ波停止後直ちにチャンバーの扉を開け、坩堝から原料ブリケットを取り出し、予め用意しておいた液体窒素からの冷却窒素ガスを導入した容器に入れて原料ブリケットを急速冷却することで、マイクロ波加熱による還元状態を固定した。 When the average temperature of the four raw material briquettes reached (1) 1000 ° C, (2) 1100 ° C, (3) 1200 ° C, (4) 1300 ° C, (5) 1400 ° C, microwave irradiation was stopped did. Immediately after the microwave is stopped, the chamber door is opened, the raw material briquette is taken out from the crucible, and placed in a pre-prepared container into which cooling nitrogen gas from liquid nitrogen has been introduced. The reduction state due to was fixed.
冷却後の原料ブリケットのうち２個を樹脂に埋め込み、中央部にて切断し、断面観察により内部の還元状態の分布を目視観察した。残り２個の原料ブリケットについては、化学形態分析により、加熱後のブリケット中に含有する金属鉄分、全鉄分の質量％を同定し、（還元鉄中の金属鉄分／還元鉄中の全鉄分）×１００で表される値（単位：％）から金属化率を評価した。 Two of the raw material briquettes after cooling were embedded in the resin, cut at the center, and the distribution of the reduced state inside was visually observed by cross-sectional observation. For the remaining two raw material briquettes, the chemical form analysis identifies the metal iron content and the mass% of the total iron content in the heated briquette, (metal iron content in the reduced iron / total iron content in the reduced iron) × The metallization rate was evaluated from the value represented by 100 (unit:%).
比較例として、１３００℃に加熱した電気炉（内部は、窒素により不活性雰囲気に置換した。）に上記と同様の方法で原料ブリケット４個を挿入した。マイクロ波の照射は行わず、原料ブリケットの内部温度が１０００℃、１１００℃になった時点で同様に原料を取り出し、同じく予め用意しておいた液体窒素からの冷却窒素ガスを導入した容器に入れて原料を急速冷却することで、電気炉熱による還元状態を固定した。 As a comparative example, four raw material briquettes were inserted into an electric furnace heated to 1300 ° C. (the inside was replaced with an inert atmosphere by nitrogen) in the same manner as described above. No microwave irradiation was performed, and when the internal temperature of the raw material briquette reached 1000 ° C. and 1100 ° C., the raw material was taken out in the same manner, and put into a container into which cooling nitrogen gas from liquid nitrogen prepared in advance was introduced. By rapidly cooling the raw material, the reduction state due to the electric furnace heat was fixed.
冷却後の原料ブリケットのうち２個を樹脂に埋め込み、中央部にて切断し、断面観察により内部の還元状態の分布を目視観察した。残り２個の原料ブリケットについては、化学形態分析により、加熱後のブリケット中に含有する金属鉄分、全鉄分の質量％を同定し、（還元鉄中の金属鉄分／還元鉄中の全鉄分）×１００で表される値（単位：％）から金属化率を評価した。 Two of the raw material briquettes after cooling were embedded in the resin, cut at the center, and the distribution of the reduced state inside was visually observed by cross-sectional observation. For the remaining two raw material briquettes, the chemical form analysis identifies the metal iron content and the mass% of the total iron content in the heated briquette, (metal iron content in the reduced iron / total iron content in the reduced iron) × The metallization rate was evaluated from the value represented by 100 (unit:%).
得られた評価結果を、以下の表３に示す。なお、以下の表３において、金属化率η（％）は、２個のブリケットの還元率の平均値である。 The obtained evaluation results are shown in Table 3 below. In Table 3 below, the metallization rate η (%) is an average value of the reduction rates of two briquettes.
マイクロ波による原料ブリケットの加熱では、条件（１）、（２）、（３）のように加熱温度が低い条件においては、金属化率ηが低い値にとどまっていた。ただし、条件（１）〜（３）のように金属化率ηが低い条件であっても、断面観察の結果、原料断面内での還元ムラの発生は無く内部まで一様に金属化（還元）が進行しており、マイクロ波加熱においては、原料ブリケットの内部まで均等に金属化（還元）が進行することが確認された。これは、マイクロ波が式（１１）に従う浸透深さδを持つことで原料ブリケットが内部から加熱されるため、原料ブリケットの内部と外側とで還元反応の進行に差が無くなるためである。 In the heating of the raw material briquette by microwaves, the metallization rate η stays at a low value under the conditions where the heating temperature is low as in the conditions (1), (2) and (3). However, even under conditions where the metallization rate η is low as in the conditions (1) to (3), as a result of cross-sectional observation, there is no reduction unevenness in the raw material cross section, and the metallization is uniformly performed (reduction) In the microwave heating, it was confirmed that the metallization (reduction) proceeds evenly to the inside of the raw material briquette. This is because the raw material briquette is heated from the inside because the microwave has the penetration depth δ according to the equation (11), and therefore, there is no difference in the progress of the reduction reaction between the inside and the outside of the raw material briquette.
また、原料を外部から加熱する電気炉を用いた比較例（すなわち、マイクロ波を照射しなかった比較例）では、原料ブリケットの外周部で還元が進行しているものの、内部での還元進行があまり進んでおらず、還元ムラが観察された。 Moreover, in the comparative example using the electric furnace which heats the raw material from the outside (that is, the comparative example in which the microwave was not irradiated), although the reduction progresses on the outer periphery of the raw material briquette, the internal reduction progresses. Less progress was made, and uneven reduction was observed.
＜実施例４＞
［バーナー炉とマイクロ波の併用加熱によるブリケットの還元］
図８に示した内容積１ｍ×１ｍ×１ｍの実験炉（バーナー炉）を１３００℃に昇温した後、炉内に実施例１で製造した原料ブリケットを挿入した。バーナーは、加熱炉の床から７００ｍｍの上方に左右２基ずつ、合計４基設けた。バーナーの燃料には、ＬＮＧガスを用いた。
<Example 4>
[Reduction of briquette by combined heating of burner furnace and microwave]
After raising the temperature of the experimental furnace (burner furnace) having an internal volume of 1 m × 1 m × 1 m shown in FIG. 8 to 1300 ° C., the raw material briquette produced in Example 1 was inserted into the furnace. A total of four burners were provided, two on each side, 700 mm above the floor of the heating furnace. LNG gas was used as the fuel for the burner.
ＬＮＧガスの燃焼のため、２基のバーナーの間から、１２００℃に加熱した乾燥空気を未図示の乾燥空気供給手段により導入し、乾燥空気は、炉の上方に設けた煙突（図示せず。）から排気する仕組みとした。また、加熱炉の天井には、マイクロ波を照射するための導波管を設置した。導波管の出口には、断熱と防塵のために、マイクロ波を吸収しないセラミック板を取り付けた。 For combustion of LNG gas, dry air heated to 1200 ° C. is introduced from between two burners by means of dry air supply means (not shown), and the dry air is provided in a chimney (not shown) provided above the furnace. ). A waveguide for irradiating microwaves was installed on the ceiling of the heating furnace. A ceramic plate that does not absorb microwaves was attached to the outlet of the waveguide for heat insulation and dust prevention.
２００ｍｍ×２００ｍｍの正方形のセラミック容器の上に、上層及び下層に各々４×４＝１６個、合計３２個の原料ブリケットを配置した。また、図９に示したように、上下に４×４列で配置した原料ブリケットのうち、中央部付近に配置した原料ブリケット２個ずつ（上層、下層各２個の合計４個）には予め熱電対を差し込み、内部温度が計測できるようにした。 On the 200 mm × 200 mm square ceramic container, 4 × 4 = 16 pieces in each of the upper layer and the lower layer, a total of 32 raw material briquettes were arranged. Further, as shown in FIG. 9, among the raw material briquettes arranged in 4 × 4 rows in the vertical direction, two raw material briquettes arranged in the vicinity of the central portion (a total of four each of the upper layer and the lower layer) are preliminarily provided. A thermocouple was inserted so that the internal temperature could be measured.
加熱炉の扉を開けて、加熱炉中央部にセラミック容器ごと原料ブリケットを挿入した後に、加熱炉の扉を閉めた。原料ブリケットを加熱炉に挿入後５分が経過した時点で、加熱炉上方に設置したマイクロ波発振装置（周波数２．４５ＧＨｚ）から、出力５０００Ｗのマイクロ波を２．５分間照射した。チャンバーからの反射波出力は４７２Ｗであり、正味出力４５２８Ｗのマイクロ波が、加熱炉内の原料ブリケット３２個に照射された。かかるマイクロ波の照射条件は、上記式１０１を満足するものである。
After opening the door of the heating furnace and inserting the raw material briquette together with the ceramic container in the center of the heating furnace, the door of the heating furnace was closed. When 5 minutes passed after the raw material briquette was inserted into the heating furnace, a microwave with an output of 5000 W was irradiated for 2.5 minutes from a microwave oscillation device (frequency: 2.45 GHz) installed above the heating furnace. The reflected wave output from the chamber was 472 W, and microwaves with a net output of 4528 W were irradiated to 32 raw material briquettes in the heating furnace. Such microwave irradiation conditions satisfy the above-described
加熱炉に原料ブリケットを挿入してから、１２分後（マイクロ波の照射停止後からは、１２−５−２．５＝４．５分後）に加熱炉の扉を開けて、原料ブリケットを取り出し、予め用意しておいた液体窒素からの冷却窒素ガスを導入した容器に原料ブリケットを移して原料ブリケットを急速冷却することで、加熱による還元状態を固定した。 Open the heating furnace door 12 minutes after inserting the raw material briquette into the heating furnace (12-5.2.5 = 4.5 minutes after the microwave irradiation was stopped) and remove the raw material briquette. The reduced state due to heating was fixed by removing the raw material briquette by transferring it to a container introduced with cooling nitrogen gas from liquid nitrogen prepared in advance and rapidly cooling the raw material briquette.
原料ブリケットは、上層部においたもの、及び、下層部においたものを区別して回収して、化学形態分析により含有する金属鉄分及び全鉄分の質量％を同定し、（還元鉄中の金属鉄分／還元鉄中の全鉄分）×１００で表される値（単位：％）から金属化率を評価した。 The raw material briquette is recovered by distinguishing the material in the upper layer part and the material in the lower layer part, and identifies the metal iron content and the mass% of the total iron content by chemical morphological analysis, and (metal iron content in reduced iron / The metallization rate was evaluated from the value (unit:%) represented by x100 (total iron content in reduced iron).
また、比較例として、マイクロ波の照射を行わず、同じく加熱炉に１２分間保持した条件での原料ブリケットの還元率を評価した。加熱炉内での原料ブリケットの配列や、原料ブリケットを取り出してからの冷却方法は、マイクロ波を用いた場合と同様とした。 In addition, as a comparative example, the reduction rate of the raw material briquette was evaluated under the condition that the microwave irradiation was not performed and the heating furnace was held for 12 minutes. The arrangement of the raw material briquettes in the heating furnace and the cooling method after taking out the raw material briquettes were the same as in the case of using microwaves.
得られた結果を、以下の表４に示す。なお、表４において、ブリケットの温度は、炉から取り出す直前の温度である。 The results obtained are shown in Table 4 below. In Table 4, the briquette temperature is the temperature just before removal from the furnace.
比較例に示したように、マイクロ波照射の無いバーナー加熱のみの場合、上層部のブリケット温度は、１２分後（炉から取り出す直前）に炉内雰囲気温度と同じ１３００℃に到達していることがわかる。また、上層に配置したブリケット１６個の平均金属化率は、上記表４に示したように、９２％と高い還元率になった。他方、下層に配置した１６個の原料ブリケット温度は、炉内雰囲気温度よりも低い１２６４℃にとどまり、１６個の原料ブリケットの平均金属化率も、８４％と低い還元率にとどまった。 As shown in the comparative example, in the case of only burner heating without microwave irradiation, the briquette temperature of the upper layer part has reached 1300 ° C. which is the same as the furnace atmosphere temperature after 12 minutes (just before taking out from the furnace) I understand. Further, the average metallization rate of 16 briquettes arranged in the upper layer was as high as 92% as shown in Table 4 above. On the other hand, the temperature of the 16 raw material briquettes arranged in the lower layer remained at 1264 ° C., which was lower than the furnace atmosphere temperature, and the average metallization rate of the 16 raw material briquettes was as low as 84%.
また、５０００Ｗのマイクロ波の照射を２．５分加えた場合、上記表４に示したように、上層の原料ブリケット及び下層の原料ブリケットとも、炉内雰囲気温度よりも高い約１３２０℃程度の加熱状態となった。さらに、還元率については、上層及び下層に配置した原料ブリケットの双方とも、１６個の平均金属化率が９６％と、高い還元率に到達した。 When the microwave irradiation of 5000 W is applied for 2.5 minutes, as shown in Table 4 above, both the upper material briquette and the lower material briquette are heated to about 1320 ° C., which is higher than the furnace atmosphere temperature. It became a state. Further, regarding the reduction rate, both of the raw material briquettes arranged in the upper layer and the lower layer reached a high reduction rate of 16 average metalization rates of 96%.
すなわち、バーナーによる加熱炉中の原料ブリケット上方からマイクロ波を照射することで、バーナーによる輻射の影になる下層ブリケットについても加熱の度合いが向上し、その結果、下層にあるブリケットの金属化率が向上したといえる。このように、マイクロ波照射によって、バーナー輻射の陰になる下層の原料塊の還元についても、進行させることができた。 In other words, by irradiating microwaves from above the raw material briquette in the heating furnace by the burner, the degree of heating is also improved for the lower briquette that is the shadow of radiation by the burner, and as a result, the metalization rate of the lower briquette is increased. It can be said that it has improved. Thus, the reduction of the raw material lump in the lower layer, which is the shadow of the burner radiation, can be advanced by microwave irradiation.
このように、バーナー及び炉壁からの輻射熱による加熱に加え、マイクロ波による加熱をあわせて用いることによって、バーナーの輻射熱が直接作用しない下層側の塊成化物に対しても、効率よく加熱を行うことが可能となり、加熱ムラ（ひいては還元ムラ）の少ない還元鉄を製造することが可能となる。 In this way, in addition to heating by the radiant heat from the burner and the furnace wall, the heating by the microwave is used together, so that the agglomerate on the lower layer side where the radiant heat of the burner does not act directly is also efficiently heated. Therefore, it becomes possible to produce reduced iron with less heating unevenness (and hence reduction unevenness).
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。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.
１１ ホッパー
１３ 粉砕機
１５ 混練機
１７ 成型機
１９ 乾燥機
２１ 回転炉床炉
２３ 溶解炉
２５ 回転炉床
２７ 装入口
２９ 熱間レベラー
３１ バーナー
３３ ディスチャージャー
１０１ マイクロ波発振装置
１０３ 導波管
１０５ セラミック板
１０７ 仕切り板
Ｂ ブリケット
DESCRIPTION OF
Claims (4)
固体還元炉に装入された前記塊成化物を、固体還元炉に設けられたバーナー及び炉壁からの輻射熱により加熱する輻射熱加熱ステップと、
前記固体還元炉の炉内において前記塊成化物が所定の温度となった位置で、固体還元炉に設けられたマイクロ波発振装置により、以下の式１を満たすマイクロ波出力を有するマイクロ波を以下の式１を満たす照射時間で前記塊成化物に対して照射して、当該塊成化物を加熱するマイクロ波加熱ステップと、
を含むことを特徴とする、塊成化物の加熱方法。
Ｐ×Ａ×ｔ２＝（Ｔｆ−Ｘ−Ｔｂ）×Ｃｂ×Ｗｂ・・・（式１）
ここで、上記式１において、
Ｐ ：マイクロ波出力 ［Ｗ］
Ａ ：塊成化物のマイクロ波エネルギーの吸収効率
Ｔｆ：固体還元炉の炉内雰囲気温度 ［℃］
Ｘ ：塊成化物の温度の許容幅 ［℃］
Ｔｂ：マイクロ波照射前の塊成化物の温度 ［℃］
Ｃｂ：塊成化物の比熱 ［Ｊ／ｇ・Ｋ］
Ｗｂ：マイクロ波照射範囲内にある塊成化物の総質量 ［ｇ］
ｔ２：マイクロ波照射範囲内にある塊成化物へのマイクロ波の照射時間 ［ｓ］
である。
In a method of heating an agglomerate formed by mixing an iron oxide raw material and a reducing material in a solid reduction furnace,
A radiant heat heating step of heating the agglomerate charged in the solid reduction furnace by radiant heat from a burner and a furnace wall provided in the solid reduction furnace;
A microwave having a microwave output satisfying the following expression 1 is obtained by a microwave oscillation device provided in the solid reduction furnace at a position where the agglomerate has reached a predetermined temperature in the furnace of the solid reduction furnace. A microwave heating step of irradiating the agglomerate with an irradiation time satisfying Equation 1 and heating the agglomerate;
A method for heating an agglomerated product, comprising:
P × A × t2 = (Tf−X−Tb) × Cb × Wb (Formula 1)
Here, in Equation 1 above,
P: Microwave output [W]
A: Absorption efficiency of microwave energy of agglomerate Tf: Atmospheric temperature of solid reduction furnace [° C.]
X: Allowable width of agglomerate temperature [° C.]
Tb: temperature of agglomerated material before microwave irradiation [° C.]
Cb: specific heat of agglomerate [J / g · K]
Wb: total mass of agglomerates within microwave irradiation range [g]
t2: Microwave irradiation time for agglomerates within the microwave irradiation range [s]
It is.
δ ：マイクロ波の浸透深さ ［ｃｍ］
λ ：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。
The size of the agglomerated material corresponding to the outer diameter of the agglomerated material or the thickness of the substantially central portion of the agglomerated material, which is smaller, is represented by the microwave represented by the following formula 2. The method for heating an agglomerated product according to any one of claims 1 to 3, wherein the penetration depth is within 6 times the penetration depth δ.
δ: microwave penetration depth [cm]
λ: Microwave wavelength [cm]
ε ': relative permittivity of the substance (real part)
tan δ: the dielectric loss tangent of the substance.
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