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

Professor

Associate Professor

Eiki Kasai

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およびゼロカーボン化に関する研究を行っている。さらに、多孔質鉄材料の酸化還元反応を用いた水素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
environmental load in the manufacturing and recycling processes of base materials, which will have a significant influence on our future society. The
laboratory investigates a wide range of research from fundamental to practical levels of the ironmaking process (Fig.1), such as efficient utilization of
low-grade iron ore resources and carbon-neutral and zero-carbon ironmaking technologies. Further, the laboratory performed research and development
related to self-healing ceramics and the fabrication of hydrogen by redox reaction using porous iron materials.

Taichi Murakami

助教 丸岡 大佑Assistant Professor

Daisuke Maruoka

パックセメンテーション法を用いたアルミナイジン
グによる耐高温酸化性鉄基蓄熱体の開発
化石燃料由来の CO2 排出量削減のため、一貫製鉄所などの大規模工場から排出される未利用排熱を利用した新規バイオマス炭化改質プロセスを提案し、要素技術について検討を行っている。
排熱は金属球蓄熱体との熱交換により回収し、バイオマスと共に金属球を回転炉に装入することにより、炭化と粉砕が同時に進行する。蓄熱体としては、蓄熱容量、強度および耐熱性などから、磁気変態点での潜熱利用が期待できる Fe-Mn-C 系合金が有望である
が、耐酸化性は十分とは言えない。Al 添加はこの合金系の耐酸化

次世代水素富化高炉におけるペレットの低温還元粉化挙動の解明
鉄鋼業は日本全体の CO2 排出量の約14% を占める。なかでも高炉は CO2 排出量が最も多く、その削減が与える影響は大きい。そのため、水素ガスを還元材として利用する革新的な技術開発が進められている。水素濃度の上昇による高炉操業上の懸念の一つとして、低温還元粉化現象の助長が考えられる。低温還元粉化は、400 ～衝撃や荷重により粉化する現象である。本年は、ペレットの還元粉化挙動に及ぼすガス組成の影響を調査し、粉化機構を明らかにすることを目的とした。
ペレットの還元は、Fig.2 に示す装置内に設置し、500℃ , 60 minの条件で行った。還元ガス組成は N2 -20％ CO-20% CO2 ( 0%H 2)
および N 2 -12% CO-8% H2 -17.7% CO2 -2.3% H 2O (8%H 2) の2 条
ことにより、粒度分布を求めた。
Fig.3 に実験試料の粒度分布を示す。両条件ともに 8.0 mm 以上の粗粒と 0.5 mm 以下の微粉の割合が 高いが、8%H 2 条 件が0% H 2 よりも還元粉化が進行することが分かる。前者の条件で還元したペレットの表面付近には、多くの微細き裂の発生が認められ、このことが還元粉化進行の要因になったものと考えられる。

Fig.1 Strategy to reduce CO2 emissions
from the ironmaking processes.

38 Coexistence Activity Report 2022

Pellet samples were put in the experimental apparatus shown in Fig.2,
and reduced at 500 °C for 60 min. The gas composition is N2 -20%CO20%CO2 (0%H 2) or N2 -12%CO-8%H 2 -17.7%CO2 -2.3%H 2O (8%H 2).
Disintegration test was conducted for the reduced samples by using
tumbling drum for 30 min, and then the samples were sieved to obtain
their particle size distribution.

可能性がある。そこで Fig.4 に示すようなパックセメンテーション法により、AlCl3 ガスを使用して合金表面へ Al を拡散浸透（アルミナイジング）させる手法を検討している。本年は Fe-Mn-C 合金のアルミナイジングによる高温耐酸化性に対するアルミナイジング条件の影響について検討した。
Fe-Mn-C 合 金 試 料 を 98mass%Al2O3 -1%NH3Cl-1%Al 混 合粉末とともにアルミナるつぼ内に密封し、還 元性雰囲気中、700900℃、3-12 h のアルミナイジング処理を行った。その後、得られた試料を 1000℃、大気条件で熱処理した。Fig.5 に示すように、800 及び 900℃のアルミナイジングにより極めて良好な耐高温酸化性が得られた。アルミナイジング処理後の試料断面観察（Fig.6）において、700℃, 12h では観察されないが、900℃ , 6 h の条件ではFeAl2 層が認められる。900℃, 6 h の条件でアルミナイジング処理した試料において、1000℃の熱処理後に厚さ 200 µm 程度の緻密な Al2O3 層が観察され、これが酸素の拡散を抑制したものと考えられる。現在は、蓄熱性と耐高温酸化性の両立を目指した合金の開発を進めている。

Fig.3 shows particle size distribution of the samples after thedisintegration test. In both conditions, the weight ratios of coarse grains
larger than 8.0 mm and fine grains smaller than 0.5 mm are high,Fig.2 Schematic diagram forreduction experiment apparatus.

Fig.3 Particle size distribution of the pellet
sample after reduction disintegration test.

Fig.4 Schematic illustration of aluminizing
applying pack cementation method.

To reduce CO2 emissions from fossil fuels, an innovative carbonization/
reformation process of utilizing biomass waste heat discharged by largescale factories has been proposed and its elemental technologies wereexamined.
Waste heat is recovered by heat exchange using metallic balls of heatstorage material (HSM). They are charged into a rotary furnace withbiomass and then simultaneous carbonization and pulverization ofbiomass proceeds. Fe-Mn-C is a promising alloy system as HSM,
considering its strength and heat storage properties, because utilizationof the latent heat of magnetic transformation can be expected. However,its oxidation resistance is not sufficient. Therefore, the treatment ofdiffusion penetration (aluminizing) of Al into the alloy surface using
AlCl 3 gas by a pack cementation method as shown in Fig.4 is proposed.
In this year, the effect of aluminizing conditions on the high-temperatureoxidation resistance of Fe-Mn-C alloys has been examined.
Fe-Mn-C alloy samples were charged with powder mixture of
98mass%Al 2O3-1%NH4Cl-1%Al into a sealed alumina crucible, andaluminizing treatment was performed in a reducing atmosphere ranging
from 700 to 900°C for 3-12 h. Obtained samples were heat-treated at1000°C in air. Extremely good high-temperature oxidation resistance isobtained by samples aluminized at 800 and 900°C as shown in Fig.5. In
the cross-sectional observation of the sample after aluminizing treatment,
as shown in Fig. 6, the FeAl 2 layer is observed at 900°C for 6 h, whereas
it is not observed at 700°C for 12 h. In the sample aluminized at 900°C for
6 h, the formation of a dense Al 2O3 layer 200-µm thick is observed after
heat treatment at 1000°C and the dense Al 2O3 layer suppresses thediffusion of oxygen. Currently, we continue to develop the alloys thatcombine both high heat storage property and high-temperature oxidation
resistance.

Fig.5 TG profiles of samples after
aluminizing under different conditions.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

件とした。還元試料は転動ドラム内で 30 min 回転した後、篩分する

The iron and steel industry accounts for about 14% of the total CO2emissions of Japan. The emissions from blast furnaces are especiallylarge, and therefore, reducing emissions is an urgent issue. Therefore,innovative technologies utilizing hydrogen gas as a major reductant are
being developed. One of the concerns regarding blast furnace operations
caused by the increase in hydrogen concentration is that “low-temperaturereduction disintegration” phenomena become remarkable. Lowtemperature reduction disintegration occurs between 400 and 700°C bycrack formation due to reduction of hematite to magnetite, and fineparticles are generated by the impact and load in the blast furnace. In thisyear, we have examined the behaviors of iron ore pellet under simulated
blast furnace conditions with high hydrogen gas concentration.

性向上に有効であるが、合金組成の変化は潜熱量の減少をもたらす

Development of High-Temperature, OxidationResistant, Iron-Based Heat Storage Materials by
Aluminizing Using the Pack Cementation Method

先端環境創成学専攻

700℃の低温領域において鉱石の還元によりき裂が生じ、高炉内のInvestigation of Low Temperature Reduction
Disintegration Behaviors of Iron Ore Pellet in a
Next-generation High-hydrogen Blast Furnace

although the reduction disintegration proceeded further under thecondition of 8%H 2 than it did under that of 0%H 2 . Formation of manyfine cracks was observed at the vicinity of the surface to be reduced
under the former condition, and it seems to cause its significant reduction
disintegration.

Fig.6 Cross sectional SEM images ofsamples after aluminizing at (a) 700°C
for 12 h and (b) 900°C for 6 h.
Coexistence Activity Report 202239