資源循環プロセス学講座

Sustainable Recycle Process

高度資源利用プロセス学分野 Process Engineering for Advanced Resources Utilization

Process Engineering Research for Advanced Resource Utilization andEnvironmental Conservation

教授

葛西 栄輝

Professor

Eiki Kasai

概要
本研究分野では、資源・エネルギーのハンドリング量および環境インパクトが大きい基幹素材の製造・リサイクルプロセスの高准教授

村上 太一
Associate Professor

Taichi Murakami

水素利用製鉄のための原料性状評価
高炉では、鉄鉱石から粗鉄（銑鉄）を製造するため、石炭をれ、還元することにより微細な気孔を形成させることができた。
また、残留する酸化物成分が微細に分散する多孔質鉄系複を部分的に水素で代替することができれば、生成ガスはH2Oとな合材料となることが分かった。

り、その分CO2排出量が削減できる。一方、高炉上部の低温領域（温度 400 ～ 600℃）
では、鉄鉱石の還元進行に伴って、鉱物組織内に応力が生じ、粒子が破壊されて粉化する場合が必要である。一方、化石燃料由来のCO 2排出削減を達成すある。特に粉鉱石を予備塊成化した焼結鉱で顕著な現象であるためには、熱分解過程でH 2やCO、CH 4などの還元ガスを発る。これは、還元粉化と呼ばれ、様々な対策が行われている。

生する廃プラスチックやバイオマスなどの有効利用法の開発もしかし、従来、還元ガス中の水素濃度が増加した際の影響を詳重要である。

細に検討した例は少ない。これまで本研究室では，水素含有還元ガスにおける鉄鉱石焼結鉱の還元粉化挙動の定量的評を探索する基礎研究として、基幹金属製錬とリサイクル、有害廃鉄プロセスを実現するため、以下に示す研究テーマを実施した。

価を試みている。本年度は、Fig.3に示すように、600℃にお棄物処理など高温反応が関与するプロセスの効率化と環境負1. ‌100 気圧までの超高圧雰囲気下での鉱石－炭材コンいてヘマタイト以外にカルシウムフェライトも還元され、焼結鉱の拡大や燃料のグリーン化、廃熱利用などに主眼を置いた研究を進めている。さらに、ポーラス、繊維状金属製造など新しい材料プロセッシング法の開発に関する研究を行っている。

ポジットの還元反応挙動解明

還元粉化に影響を及ぼすことを明らかにした。

2. ‌炭材中揮発成分の効率利用による低温高速還元挙動解明
高速化・国際会議での発表

等速昇温加熱した後のコンポジット外観である。その際、a) は還元材として石炭のみを使い、脈石成分量の少ない鉱石を鉄源

CO 2 Emission by Innovating Ironmaking Technology”
Excellent Graduate Schools 2012 Annual Meeting in

鉛を使っている。 一方、c) は b) と同一の炭材を用いつつ、脈Conjunction with Japan-Russia Workshop 2013, Japan.

石成分量の多い鉱石を用いている。c) のみにコンポジット外側

K. Fujino, T. Murakami and E. Kasai: “Utilization ofる。このように、炭材の機能を分担させ、鉱石性状をコントロー
ルすることで還元後の浸炭を高速化できる可能性を示した。

Fig.3 Change in reduction degree of sinter calculated from weight change ofsinter before and after reduction and XRD peak value of hematite. Reducing
gases are a) N2-CO-CO2 and b) N2-CO-H2-CO2-H2O.

多孔質鉄複合材料の開発

Oxidation Heat of Metallic Iron for the Production of Iron
Ore Sinter” International Conference on Smart Carbon
Saving and Recycling for Ironmaking, Oct. 2013,
Kanagawa, Japan他3件・受賞

国内エネルギー使用量のおよそ15％を占める鉄鋼産業は、多孔質金属は、軽量、高衝撃エネルギー吸収能、優れた良質鉄鉱石資源の枯渇や原燃料価格の高騰に対応しながら防音・防振特性などユニークな特性を有しており、軽量構造

CO 2 の排出量削減を目指すという難しい問題に直面している。

材や衝撃吸収材として輸送機器等への適用が期待される。

目指した基礎研究」（March, 2013）

製鉄プロセスにおける重要な反応である酸化鉄還元反応や衝撃エネルギー吸収量は高気孔率もしくは高強度ほど大きい

武弓侑樹君（M1）：日本学術振興会製銑第 54 委員会研究発

炭材ガス化反応の低温化、および還元された鉄への浸炭・溶ため、鉄系材料の多孔質化が望まれているが、安価に大量表奨励賞（November, 2013）

融の高速化による問題解決を実現する具体的な方法として、生産が可能な溶湯法による高気孔率の多孔質鉄の製造は

武弓侑樹君（B4）：日本鉄鋼協会第 165 回春季講演大会学生

高炉への鉱石－炭材コンポジットの使用が注目されている。ま

困難である。そこで本研究では、製鋼プロセスにおいて抑制ポスターセッション努力賞（March, 2013）

た、世界的の鉄鋼生産量の飛躍的増加に伴い資源の劣質すべき現象であるスラグフォーミングと条件によって様々な形

佐々木菊康君（B4）：日本鉄鋼協会第 165 回春季講演大会学化が加速しており、鉄鉱石品位や粒度の低下を還元反応速態変化を示す酸化鉄の還元に着目し、酸化物を用いた溶湯

生ポスターセッション努力賞（March, 2013）

度向上などのために積極的に利用する斬新なプロセス開発が

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Q. Zhou, T. Murakami, and E. Kasai: “Suppression ofとしている。b) は a) と同一の鉱石を用い、炭材として石炭と黒に粒鉄が生成しており、鉄の溶融が加速されたことを示唆してい温室効果ガス排出量削減と劣質原料対応が可能な極限製鉄プロセスを可能にする原料研究

Fig.4 Macro- and microstructure of foamed slag with the system of FeO-Fe2O3Al2O3-CaO and reduced sample.

学生の活躍

3. ‌炭材機能分担および脈石成分最適化による浸炭・溶融
Fig.2は脈石成分の異なる鉱石を使用した際の1300℃まで

Fig.1 Methods of reducing CO2 emission from ironmaking process.

断面組織である。スラグフォーミングを用いて多孔質化が図ら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

本年度は、炭材内装鉱コンポジットを使用する低温・高速製荷低減に関する研究を行っている。温室効果ガス削減に関連還元性について調査した。 Fig.4 は発泡後および還元後のており、そのため必然的に大量のCO2ガスが発生する。還元材

効率化と低環境負荷化を同時達成するための新しい技術原理

しては、特に波及効果の大きい製鉄プロセスの原料自由度のよる高機能化を目的とし、酸化物の発泡挙動および発泡体のCoexistence Activity Report 2013

Sustainable Recycle Process

Base materials industry are now facing several difficult issues, e.g., demand to reduce CO2 emissions, anddegrading properties and price-fluctuation of the mineral and fuel resources. Our research group is carrying out
the studies to search for new process principles for base metal productions aiming at efficient utilization of lower
grade mineral and energy resources including recycle materials, and biomass and waste energies. A number ofunique ideas have been tried to apply such as high temperature and pressure, and optimum process combinations.
In addition, we are studying innovative material processing technologies, such as new porous and fibrous metal
production processes.

資源循環プロセス学講座

高度資源利用・環境保全のためのプロセス研究

Fig.2 Appearance of the composite heated up to 1300ºC. Experimental apparatus
for reduction of iron ore – carbon composite under high pressure.

村上太一准教授：日本鉄鋼協会西山記念賞「低温高速製鉄を法による多孔質体製造と酸化物多孔質体の還元プロセスにアクティビティレポート 201343