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推進している。例えば、低品位化、劣質化する製鉄原料への対応技術や、製鉄プロセスのカーボンニュートラル化、微小粒子状物質（PM2.5）
排出削減等に関する研究を行っている。さらに、多孔質鉄材料の製造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。
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 have significant effects on our future society. The laboratory investigates awide range of research from fundamental to practical levels of the ironmaking process (Fig.1), such as efficient utilization of low-grade iron ore resources,carbon-neutral ironmaking technologies, and reduction of PM2.5 emissions. Further, the research and development relating the fabrication of porous ironmaterials and self-healing ceramics are performed.

対して浸炭が進行し、特に SiO2 および Al2O3 相の割合に相関がある
ことを明らかにした。

鉄系凝結材の利用による鉄鉱石塊成化プロセスの二酸化炭素排出削減
高炉装入原料である焼結鉱を製造する焼結プロセスでは、凝結材である粉コークスの燃焼に由来する二酸化炭素が大量に排出される。
そこで、鉄スクラップをはじめとするリサイクル原料の酸化熱を用いて鉄鉱石を塊成化する手法が提案されている。これらのリサイクル原料は鉄系凝結材と呼ばれているが、使用時の課題として、焼結時の通気高炉内融着帯における金属鉄への浸炭促進技術
二酸化炭素排出量抑制への社会的要求を背景に、鉄鋼業における炭素系エネルギー資源の高効率利用が求められている。高炉製銑法
においては、コークスや微粉炭などの炭材は、熱源や還元材としてだけではなく還元で生成した鉄の浸炭のための炭素源としても用いられる。浸炭は鉄の融点を下げスラグと分離させるため、高炉内で重要な現象である。鉄の浸炭では、固体炭素の直接接触による浸炭の方がに、鉄と浸炭材の直接接触にはスラグの存在が重要とされる。本年は、鉄への浸炭に対する鉄鉱石種および共存するスラグの影響について調査した。
Fig.2 に 異 なる鉄 鉱 石 を 用いた 試 料 の 浸 炭 実 験 後 の 外 観 写 真を示す。脈石が比 較 的多く含まれている鉱 石を用いた試 料（Highgangue）では、液相となった金属鉄が凝固して生成した粒状金属鉄している。High gangue 試料断面の光学顕微鏡観察より、金属鉄と炭材との直接接触が多く見られた。Fig.3 に各スラグ組成を有する試料の浸炭実験後の外観写真を示す。H 0 から H15 の数字はスラグ相の割合を示し、スラグ相割合の多い試料の方が粒状金属鉄を多く生成する。また Fig.4 に示す結果から、鉄中の炭素濃度はスラグの SiO2および Al2O3 相の割合に比例している。したがって、スラグの割合にFig.1 Strategy to reduce CO2 emissions fromthe ironmaking processes.

34 Coexistence Activity Report 2021

Fig.2 shows the appearance of samples made from different iron ores after
carburization experiments. The metallic iron in the liquid phase solidifies toform spherical metallic iron particles in high-gangue sample. Carburization
proceeds in the sample using iron ores containing relatively high-gangueminerals (high gangue) than in the sample that with low-gangue minerals(low gangue). From the cross-sectional observation of the high-gangue
sample using an optical microscope, a high degree of direct contact between
the metallic iron and the carbon materials was observed. Fig.3 shows theappearance of the samples with various slag phase contents after thecarburization experiment, where the numbers H0 to H15 indicate the slag

Fig.2 Appearances of the composite using Highgangue and low gangue iron ores after carburizing
experiment.

Fig.3 Appearances of the composite(H0, H5, H10 and H15) after carburizing
experiment.

応後も残存し、さらに体積膨張するため通気性悪化を促進させる。加えて、コークスの燃焼により、焼結層中の酸素濃度（酸素分圧）は大気中よりも低くなることが予想され、鉄系凝結材の酸化挙動に影響を与える。そのため金属鉄の酸化挙動に対する雰囲気の影響を把握することが重要である。そこで本年は、金属鉄の酸化反応に対する酸素分圧の影響について検討した。
Fig.5 に 1200℃において各雰囲気で酸化させた金属鉄試料の酸化率を示す。大気中雰囲気（21% O2 - N 2）で酸化させた試料の酸化率は放物線的に増加する。一方、低酸素雰囲気（0.01%O2 - N 2）では酸化率は直線的に増加しており、金属鉄表面への酸素の供給が律速していることを示唆する。また N 2 ガスを二酸化炭素に置き換えた雰囲気（0.01% O2 - CO2）では、0.01%O2 - N 2 より酸化が促進される。これは CO2 の分解反応に伴う酸化物 / ガス界面における酸素供給量の増加によるものと考えられる。Fig.6 に 1200℃で酸化中の試料表面のその場観察画像を示す。大気中雰囲気で酸化した試料では、試料表面全体に均一な酸化物層が形成される。一方、低酸素雰囲気で酸化した試料では一部酸化の進行が遅い領域が残存し、凹凸状の酸化層が形成されている。
以上のことから、鉄系凝結材の使用に際して基礎的な知見を得ることができた。

Fig.4 Relation between carbon concentration inmetallic iron of the composite after carburizing
experiment and gangue content ratio.

In the sintering process to produce sintered ore, a large amount of carbon
dioxide is emitted by the combustion of coke. Therefore, a method toagglomerate iron ore that uses the oxidation heat of iron-bearing materials
such as iron scrap has been proposed. One of the issues in their usage is thedegradation of air permeability during sintering. Unlike coke, the ironbearing materials remain after the oxidation reaction and they expand,which accelerates the degradation of air permeability. In addition, theoxygen concentration (oxygen partial pressure) in the sintering bed isexpected to be lower than that in the air due to the combustion of coke, which
affects the oxidation behavior of the iron-bearing materials. Therefore, it isimportant to understand the effect of atmosphere on the oxidation behaviorof metallic iron. In 2021, the effect of partial oxygen pressure on theoxidation of metallic iron was investigated.
Fig.5 shows the oxidation rates of metallic iron samples oxidized at 1200°C
in various atmospheres. The oxidation rate of the samples oxidized in the airatmosphere (21%O2 -N2) increases parabolically. On the other hand, theoxidation rate linearly increases in a low-oxygen atmosphere (0.01% O2 -N2),
suggesting the supply of oxygen to the metallic iron surface controls the rate.
The oxidation rate of the sample oxidized in the low-oxygen with carbon
dioxide condition (0.01% O2-CO2) is more accelerated than it is at 0.01% O2-N2.
This result indicates that oxygen supply is increased in the oxide/gas
interface by the CO2 decomposition reaction. Figure 6 shows in situ imagesof the sample surface during oxidation with different partial oxygen pressure
at 1200°C. The oxide layer is uniformly formed on the sample surface
oxidized in air. On the other hand, oxidation progress is slow in a part of thesample oxidized in a low-oxygen atmosphere, resulting in the formation ofan uneven oxide layer.
Finally, basic knowledge on the utilization of iron-bearing materials isobtained.

Fig.5 Changes in oxidation ratio of samples
with time oxidized at 1200°C.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environmentが認められ、低脈石成分の試料（Low gangue）よりも浸炭が進行

Because reduction of carbon dioxide emissions has been required against
the current social background, efficient utilization of carbon-based energy
resources is needed in the steel industry. In the blast furnaces ironmaking,carbon materials such as coke and pulverized coal are used not only as aheat source and reducing agent, but also as a carbon source for carburizing
the reduced iron. Carburizing is an important phenomenon in the blast
furnace ironmaking, because it decreases the melting point of reduced ironand separates it from the slag. It was reported that carburization throughdirect contact with solid carbon is more preferential than that with CO gas.
Furthermore, the presence of slag is important for the direct contact
between reduced iron and carburizing material. In 2021, the effects of ironore type and coexistence of slag on carburization behavior were investigated.

性悪化が挙げられる。粉コークスと異なり、鉄系凝結材では酸化反Reduction of carbon dioxide emission for ironore agglomeration process by usingiron-bearing materials

先端環境創成学専攻

COガスによる浸炭よりも浸炭速度が大きいことが知られている。さらTechnology to promote carburization of
metallic iron in cohesive zone in blast
furnacephase content. The sample with a higher slag phase ratio produces metallic
iron particles that are more spherical. Furthermore, the carbon concentrationin the iron is proportional to the SiO2 and Al2O3 phase contents as shown in
Fig.4. Therefore, it is clear that the carburization progresses faster relative tothe percentage of slag, especially SiO2 and Al2O3 phases.

Fig.6 Sample surfaces oxidized under a)
21%O2-N2 and b) 0.01%O2-N2 at 1200°C.
Coexistence Activity Report 2021

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