太陽地球システム・エネルギー学講座

Solar and Terrestrial Systems and Energy Sciences

資源利用プロセス学分野 / 資源分離・処理プロセス学分野
Process Engineering for Advanced Resources Utilization/ Resource Processing and Recovery Engineering

資源の高度利用・環境保全のためのプロセス研究
Process Engineering Research for Advanced Resource Utilizationand Environmental Conservation

教授 葛西 栄輝

准教授 村上 太一

助教 丸岡 大佑

Professor

Associate Professor

Assistant Professor

Eiki Kasai

Taichi Murakami

Daisuke Maruoka

本研究室では、社会的インパクトが大きい基幹素材の製造やリサイクルプロセスに対して、高効率化と低環境負荷化を同時達成可能な革新的技術原理の探索を目的としている。特に高温反応が関与する製銑プロセス（Fig.1）において、基礎から実機レベルに至る幅広いテーマについて研究を相が金属鉄まで還元された割合に相当する。同じ針状組織において推進している。例えば、高炉製鉄に適した原料予備処理法の検討や、製銑プロセスからの CO2 排出削減、バイオマスの有効利用等の研究を行っも、1H-ACF は M-FCF より高い金属化率を示しており、1H-ACF はている。さらに、多孔質鉄粉の酸化還元反応や自己治癒セラミックス等に関する研究開発も行っている。

M-FCFより水素還元に適した鉱物相であるといえる。本研究において、水素利用製鉄に適した鉱物相を明らかにした。

The laboratory aims to develop innovative technological principles leading to simultaneous achievements of higher process efficiency and lower environmentalload in the manufacturing and recycling processes of base materials, which will give significant impacts on our future society. The laboratory investigates awide range of research from fundamental to practical levels of the ironmaking process (Fig.1), for example, the preparation of high-quality burdens of the blast
furnace, reduction of CO2 emissions, and utilization of biomass. Further, the research and development of the oxidation/reduction reaction of porous ironpowder and self-healing ceramics are performed.

金属鉄粒子の高温酸化反応を利用した自己治癒セラミックスの開発
構造用セラミックスは高い高温強度、耐摩耗性を有する材料であるが、材料表面のき裂の存在により強度信頼性が著しく低い。そこで、セラミックス基複合材料において、分散材の酸化によりき裂を消滅（治高水素条件に適した鉄鉱石塊成鉱の製造技術開発
製銑工程では、鉄鉱石から溶銑（溶融鉄 - 炭素合金）を製造する際に多量のコークスが使用されているため、二酸化炭素排出量の大幅な削減が求められている。それを可能とする技術の一つとして、鉄鉱石還元材としての水素利用が検討されている。水素は石炭乾留時に副次的に生成されるため、製鉄所内のエネルギーフローを調整することにより、還元材としての利用が可能である。一方、水素の総括還元反応高水素濃度において低温で高い被還元性を有する原料が求められる。
我が国では主に粉鉄鉱石を塊成化した原料 ( 焼結鉱 ) を高炉に装入している。焼結鉱中の主な鉱物相はヘマタイト、マグネタイト、スラグおよび人工鉱物であるカルシウムフェライト (CFs) からなる。CFs は形態や化学組成により針状及び柱状に大別され、さらに共存する組織によっても分類が可能であると考えられる。また水素による被還元性も結鉱の還元挙動と焼結鉱中の鉱物相の関係について検討した。
Fig.2 に焼結鉱の断面組織写真を示す。鉄鉱石の残留した 1 次ヘマタイト（1H）と共存する針状 CF（1H-ACF）やマグネタイト（M）と共存する M-FCF 相などが観察された。Fig.3 に 1000℃まで還元した焼結鉱中の各 CF の被還元性（金属化率）を示す。金属化率は各鉱物

Ni が提案されているが、1000℃、1 h 程度の大気中熱処理が必要である。そこで本研究では Fe 粒子に着目した。Fe は Ni より卑な金属であり、比較的容易に酸化される。より低温で自己治癒が発現可能であれば、自動車のディスクブレーキへの応用等が期待される。そこで本年は Fe 粒子を分散させたセラミック複合材料の強度回復挙動について検討した。
Fig.4 および Fig.5 に 900℃、1 h で大気中および Ar - 3 ％ H2 雰囲
気で熱処理した試料の表面 SEM 像を示す。破線部はき裂導入に用いたビッカース圧痕に相当する。大気中熱処理した試料のき裂は大部分が酸化物で覆われており、その酸化物は X 線回折の結果によりヘマタイト（Fe 2 O 3）であると考えられる。一方、還元性雰囲気である Ar- 3 % H 2 中で熱処理した試料は酸化物の生成は認められない。Fig.6に各試料の曲げ強度を示す。平滑材（As-polished）に対して、き裂を導入した予き裂材（As-cracked）は曲げ強度が低下している。
Ar-3 %H 2 雰囲気で熱処理した試料の曲げ強度は As-cracked とほとんど同じ値である。一方、大気中熱処理した試料は As-polishedの 78 % まで強度が回復している。結果として比較的低温の 900℃で強度回復が可能であることを明らかにした。

Fig.2 shows cross-sectional images of the sinters. In the right figure,primary hematite (1H), which means original iron ore, and acicular

Structural ceramics show significant high-temperature strength and wear
resistance. However, their strength reliability is quite low due to thepresence of surface cracks. Therefore, self-healing ceramics that heal
cracks through the oxidation of the dispersoids have been proposed inceramic-based composite materials. SiC and Ni have been proposed as
dispersoids, however heat treatment at 1000 °C for 1 h is required. This
study focused on utilization of Fe particles. Fe is more easily oxidized thanNi. If self-healing can occur at lower temperatures, it is expected to beapplied to automobile disc brakes. In this year, strength recovery will beinvestigated on a ceramic matrix composite dispersed with Fe particles.
Fig.4 and 5 show the SEM images of the sample surface heat-treated at900 °C for 1 h in the air and Ar-3% H 2 atmosphere. The broken line
corresponds with the Vickers indentation used for crack introduction.
Most of the cracks of the sample heat-treated in the air are covered withoxides, which is considered hematite (Fe2O3) through X-ray diffraction.
On the other hand, no oxide formation is observed in the case of Ar-3% H 2 ,which is a reducing atmosphere. Fig.6 shows the bending strength of eachsample. Compared to the smooth sample (As-polished), the pre-cracked
sample (As-cracked) has a lower bending strength. The strength of thesample heat-treated at an Ar-3% H 2 atmosphere is comparable to those of
the As-cracked ones. On the other hand, the strength of the sample heattreated in the air is recovered up to 78% of the As-polished ones. As aresult, it is clarified that the mechanical strength can be recovered at a
relatively low temperature of 900 °C.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

各鉱物相で異なると予想される。そこで本年は、高水素濃度下の焼Significant reduction of carbon dioxide emissions has been required of theiron and steel industry, as a large amount of coke made through thecarbonization of coal has been used to produce hot metal (liquid iron–carbon alloy) from iron ore in the ironmaking process. Use of hydrogen asa reducing agent is a promising way to decrease the amount of carbon
dioxide emissions. Hydrogen is available in the integrated steelmaking
plant because it is a by-product of the coke-making process. On the other
hand, it will lead to the decrease in temperature of raw materials because
the reduction of iron ores by hydrogen is an endothermic reaction.
Therefore, a higher reducibility of the iron ore burden at lower temperatureis required in a high hydrogen condition. The main iron burdens ofJapanese BF are iron ore agglomerates (iron ore sinter). It is known that themain mineral phases of sinter are hematite, magnetite, slag, and calcium
ferrites (CFs) which is an artificial mineral. CFs can be sorted as acicularand columnar by shape and chemical composition, and CFs can be further
classified by the coexisting structure. Moreover, the reducibility of CFs byhydrogen is considered different. In this study, the effects of mineralphases on the reduction behaviors of the sinter for high concentrationhydrogen reduction are being investigated.

癒）させる自己治癒セラミックスが提案されている。分散材は SiC や

Development of Self-healing Ceramics
utilizing High Temperature Oxidation of FeParticles

先端環境創成学専攻

は吸熱となるため、還元時の原料低温化が懸念される。したがって、Development of the Production Technologyof Iron Ore Agglomerates Suitable for High
Hydrogen Conditions

calcium ferrite (1H-ACF) are observed. In the left figure, magnetite (M)and fine calcium ferrite (M-FCF) are observed. Figure 3 shows thecomparison of reducibility (metallization degree) of CF phase in the sinterreduced up to 1000 °C. The metallization degree corresponds to the rate at
which each mineral phase is reduced to a metallic iron. 1H-ACF showshigher metallization degree than M-FCF, and it indicated that 1H-ACF is
the mineral phase more suitable for hydrogen reduction than M-FCF. In
this study, the mineral phase suitable for the hydrogen ironmaking process
was clarified.

Fig.2 Cross sectional images of the sinter.
Fig.1 Strategy to reduce CO2 emissions
from the ironmaking processes.

34 Coexistence Activity Report 2020

Fig.3 Metallization degree of calcium
ferrite phases reduced up to 1000°C.

Fig.4 SEM images of sample surface ofheat treated at 900°C for 1 h in air

Fig.5 SEM images of sample surface of heattreated at 900°C for 1 h in Ar-3%H2

Fig.6 Bending strength of each sample

Coexistence Activity Report 202035