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 MurakamiGroup Photo

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貢献できる、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行っている。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研究テーマを実施している。例えば、高炉に対する高品質な原料の検討や、製銑プロセスからの CO2 排出量削減、排熱の有効利用等の研究、さらに、繊維状おFig.3 に各焼結鉱試料の重量変化率から算出した還元率に対する圧力よび多孔質金属の形態制御、固相変態を利用した蓄熱体や自己治癒セラミックス等の研究開発も行っている。の影響を示す。3 気圧で実験した試料の還元率は大気圧に比べて大き

Our laboratory aims to develop innovative technological principles that will lead to the simultaneous achievements of higher efficiency and lower environmentalload in manufacturing and recycling processes related to base materials. This will give significant impacts on future societies. Our laboratory has conducted
a wide range of studies from fundamental to practical levels of the ironmaking process (Fig.1) including preparation of high-quality blast-furnace burdens,
reduction of CO2 emissions, and utilization of waste heat. Furthermore, this laboratory hosts research and development on controlling the morphology offibrous and/or porous metals, heat storage process using the solid-phase transformation, and self-healing ceramics.

果として、高水素雰囲気および高圧力条件によって還元が促進される

い一方で、5 気圧まで全圧を上昇させても顕著な差は見られない。結ものの、ある圧力でピークを示すことが明らかになった。

微量元素添加による繊維状多孔質鉄の形態制御
多孔質金属は軽量、高比表面積、高制振性などの特徴を有しているため、衝撃吸収材や電極材料などへ応用されている。鉄鋼系材料は水素利用製鉄に適した塊成鉱製造原理の創成
高炉では粗鉄（銑鉄）を製造するため、石炭を乾留して製造されるコークスを主な還元材および熱源として用いており、必然的に二酸化炭素（CO2）ガスが発生する。還元材を部分的に水素で代替することができれば生成ガスは水蒸気となり、その分 CO2 排出量の削減が可能になる。水素は石炭乾留時に副次的に生成されるため、製鉄所内で一貫した利用も可能である。現在、我が国では主に粉状鉄鉱石を成鉱の還元しやすさ（被還元性）や鉱物組成、気孔構造などに関する知見が蓄積され、高炉操業条件に合わせた塊成鉱製造が行われている。還元材に水素を用いた場合、総括還元反応は吸熱となるため、水素濃度増加による高炉内上層部の低温化が懸念される。そのため、水素還元に適した塊成鉱組織および気孔構造の検討が重要となる。
を調査し、水素還元に適した鉱物相や気孔構造などの特性を明らかにしてきた。本年は、高水素雰囲気および高圧力条件における各種塊成鉱の還元挙動について検討した。
Fig.2 に高水素雰囲気で還元した鉄鉱石焼結鉱試料の断面組織写真を示す。点線より右側は還元鉄が観察される領域であり、高圧力（3 気圧）で還元した試料（b）の領域は大気圧の場合（a）よりも大きい。

Fig.1 Strategy to reduce CO2 emissions from theironmaking processes.

36 Coexistence Activity Report 2018

The research group has also studied the reducibility of agglomerates atvarious hydrogen concentrations and have thus clarified which mineralpore structures are suitable for hydrogen reduction. This year, it also
investigated the reduction behaviors of agglomerates at high hydrogenlevels and high pressure.

Fig.2 Microstructures of iron ore sinter reduced withhigh hydrogen concentration under: a) atmosphericpressure and b) 3 atm.

Fig.3 Changes in reduction degree of the iron ore
sinter sample with total pressure under a high hydrogencondition.

では、特定条件下の還元過程における鉄鉱石ペレット等の異常膨張現象に着目し、酸化鉄の還元を利用することで、高い気孔率を持つ金属鉄材料の作製に成功している（Fig.4）。これまでに酸化カリウム（K 2O）や酸化ニッケル（NiO）などが酸化鉄と共存することで、繊維状鉄組織の形態が大きく異なることを明らかにしている。添加元素の影響を明らかにできれば多孔質鉄の形態制御に寄与するが、還元材を用いた実験では詳細な検討が困難であった。そこで本年は各元素を微量添加した酸化鉄を出発材料とし、それを部分的に還元させた試料（ウスタイト）をガスによって還元することで、繊維状鉄組織の形態に及ぼす添加元素の影響について調査した。
Fig.5 に NiO 添加試料における 3 min 還元後の SEM 写真を示す。
NiO 添加試料では、繊維状鉄の代わりにアスペクト比が約 1 の微細な粒状鉄組織が大量に存在している。一方、酸化チタン（TiO2）添加試料では金属鉄の生成が僅かに認められる程度だった。各試料の還元時間に対する重量減少量の変化をFig.6 に示す。添加した元素によって、単位時間当たりの重量減少量が異なる。傾きは酸化鉄の還元速度を示しており、添加材が大きな影響を及ぼすことが分かる。

Fig.4 Appearance of the composite fabricated bycarbonaceous material and iron oxide before and after
reduction and SEM image of the iron whisker.

Porous iron is lightweight, has a large specific surface area, and possesses
vibration-damping properties. Therefore, it has been widely applied (e.g.,in shock absorbers and electrodes). Porous iron materials are made from
inexpensive raw materials and possess good weld-bonding with steel.
However, no practical fabrication process has been developed. Our
research group has successfully produced high-porosity iron materials via
the reduction of iron oxides by applying the abnormal swelling of iron-ore
pellets during reduction (Fig.4). A small amount of potassium oxide, nickeloxide, or other substance changes the material’s morphology. This year,
the group studied the effect that additives have on the morphology of
reduced iron via studies of iron-oxide samples comprising wustite (FeO)and minor elements.
Figure 5 is a SEM image of the sample with added NiO after reduction for
3 minutes. The result is the presence of fine iron particles with an aspectratio of approximately 1 instead of fibrous iron. On the other hand, thesample with added TiO2 did have a few iron fibers. Figure 6 is a comparisonof the weight loss shown in the samples with various additives. The weightloss per unit time differed for each of the samples. The gradient shows therate of iron-oxide reduction; the minor elements seemed to have asignificant influence.

Fig.5 SEM image of wustite samples with NiO
addition after reduction for 3 minutes.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

本研究グループでは、水素濃度の異なる条件で塊成鉱の被還元性

Blast-furnace ironmaking mainly utilizes coke, which is produced throughthe carbonization of coal, as a reduction agent and heat source. Hence, thismethod inevitably emits a large amount of CO2 . Such emissions can be
reduced if coke can be replaced with hydrogen, however. This is becausehydrogen’s exhaust gas is water vapor. Hydrogen is available in an
integrated steelmaking plant, as it is a byproduct of the coke-making
process. The main iron burdens of Japanese blast furnaces are iron-ore
agglomerates. Researchers have conducted a number of studies on these
agglomerates’ reducibility and their mineral-pore structures, and theresulting accumulated knowledge has been applied to the production
processes of these agglomerates. When hydrogen is used in iron-orereduction, the overall reduction reaction becomes endothermic. This leads
to a decrease in temperature in the upper part of blast furnace. Thus, it isnecessary to further examine the mineral-pore structures of theagglomerates that are suitable for hydrogen ironmaking.

があるが、安価な製造プロセスは開発されていない。本研究グループ

Controlling the morphology of fibrous andporous iron through the addition of minorelements

先端環境創成学専攻

塊成化して高炉に装入している。これまで多くの研究者らによって塊

Principles from the production of iron-ore
agglomerates that are suitable for thehydrogen ironmaking process

原料が安価であり、鉄鋼系構造材料との接合性に優れるといった利点

Figure 2 shows a comparison of the microstructures of iron-ore sinter after
reduction with a high hydrogen concentration at (1) atmospheric pressureand (2) 3 atm. Reduced iron is shown on the right (dashed line). The areathat is reduced under high pressure (3 atm) is larger than that underatmospheric pressure. Figure 3 shows the changes in reduction at totalpressure and high hydrogen. The degree of reduction in the 3-atm sample
is larger than the one at atmospheric pressure. However, the degree ofreduction is not significantly different at 5 atm. Thus, increasing thehydrogen concentration and total pressure (reaching a peak at a certainpressure) promotes the reduction of iron-ore agglomerate.

Fig.6 Comparison of changes in weight loss ofsamples with different additives.

Coexistence Activity Report 201837