太陽地球システム・エネルギー学講座
資源利用プロセス学分野

Solar and Terrestrial Systems and Energy Sciences

Process Engineering for Advanced Resources Utilization

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 村上 太一

助教 丸岡 大佑

Professor

Assistant Professor

Taichi Murakami

当研究室では、鉄鋼をはじめとする波及効果の大きな基幹金属（鉄鋼や非鉄金属）素材を対象に、高温プロセスを用いた製錬のカーボンニュートラル化などに関する研究を推進している (Fig. 1)。例えば、水素製鉄用原料の炉内での劣化メカニズムの解明とその抑制手法の開発、製鉄プロセスの排出ガスを回収・改質し、固体炭素として再利用する炭素循環製鉄法の開発、高炉装入原料の塊成化手法である焼結プロセスにおける低炭素操業法の開発や品質改善などを実施している。また、ポーラス金属の製造技術などの材料プロセッシングに関する研究も行っている。
The laboratory has investigated the carbon neutralization of smelting using high-temperature processes for key metallic materials with large ripple
effects, such as iron and steel, and nonferrous metals (Fig. 1). For example, our lab examines the degradation mechanism of raw materials for hydrogenironmaking to develop a suppression method, develop the carbon recycling ironmaking process that recovers and reforms exhaust gas to solid carbon,
and develop low-carbon operation methods and improve quality in the sintering process, which agglomerate the raw materials for a blast furnace. Ourlab also focuses on material processing, such as production technology for porous metals.

biomass. These results show the cellulose in the biomass reduces ironoxide over 450°C and produces metallic iron at 800°C.

Daisuke Maruoka

The results of this research have provided important insights into thereduction behavior of iron ore by volatile substances in biomass.
石は 450℃付近で還元され始め、800℃で金属鉄までの還元を可能にすると考えられる。本研究成果により、バイオマス中の揮発性物質による鉄鉱石の還元挙動について重要な知見を得ることができた。

複合層焼結法で用いる予備造粒ペレットの強度に対する CaO 成分の影響
現在、日本の年間粗鋼生産量は約 0.9 億トン（世界第 3 位）であるが、原料である鉄鉱石資源の全量を海外に依存している。採掘される鉄鉱石中鉄濃度の低下が顕在化している。鉄鉱石中鉄濃度を高める手法として選鉱処理が知られているが微粉砕を伴う。微粉鉄鉱

未炭化木質バイオマスを用いて調製した炭材内装鉱の低温還元挙動の解明
製鉄工程から排出される二酸化炭素量を削減するために、カーボンニュートラルな特性を持つバイオマスの利用が検討されている。既往の研究では、木質バイオマスの主成分であるセルロースやリグニンが熱分解されて生成した CO や H2 が鉄鉱石の低温還元に寄与すると報告されている。本研究では、未炭化バイオマスを用いた炭材内比較し、バイオマス中の揮発性物質の影響を調査した。
炭材内装鉱の還元は、Fig. 1 に示す装置に試料を設置し、窒素雰囲気で 10℃ /min の速度で昇温することにより行った。炭材には未炭化および、400℃および 700℃で乾留した 2 種類の部分炭化バイオマスを準備した。昇温後、炭材内装鉱を粉砕して X 線回折 (XRD)による結晶相同定を行った。
ファイルを示す。セルロースが熱分解する 450℃以上に加熱した試料にはマグネタイト（Fe3O4）の生成が認められる。さらに 800℃まで昇温すると、一部の酸化鉄は金属鉄まで還元される。Fig. 3 に未炭化および部分炭化木質バイオマスを用いた炭材内装鉱を 800℃、50 min 還元した後の XRD プロファイルを示す。未炭化バイオマス
で認められた金属鉄の生成が、部分炭化バイオマスを用いた試料で44 Coexistence Activity Report 2023がる。そのため Fig. 5 のような、微粉原料を事前造粒し、原料充填層内に分散配置することで通気性確保を狙う複合層焼結（Mosaic

The utilization of biomass, which is regarded as a carbon-neutral fuel,has been suggested to reduce in the carbon dioxide emissions from theironmaking processes. It is reported that CO and H 2 , produced bypyrolysis of cellulose and lignin, the main components of woody biomass,contribute to the low-temperature reduction of iron ore. In this study, thelow-temperature reduction behaviors of the carbon-iron ore composite
using uncarbonized biomass was compared with those using partiallycarbonized ore. Furthermore, the effect of volatile matters in the biomasson the reduction of iron ores was examined.

EmBedding Iron Ore Sintering，MEBIOS）法が提案されていThe carbon-iron ore composite was set in an apparatus (Fig. 1) and heatedat 10°C/min within an N2 atmosphere. Three types of woody biomass:
uncarbonized and torrefied at 400°C and 700°C were used forcarbonaceous materials. After heating, the composite was pulverized andanalyzed by X-ray diffraction (XRD).

実機焼結操業を模擬した条件で焼成後、圧壊強度を測定した。

Fig. 2 shows the XRD profiles obtained for the composites using
uncarbonized biomass. Magnetite (F3O4) is observed in the composite
heated over 450°C at which cellulose is pyrolyzed. Moreover, iron oxides
are partially reduced to metallic iron heated at 800°C. Fig. 3 shows theXRD profiles obtained for the composites using uncarbonized andtorrefied biomass heated at 800°C for 50 min. Although metallic iron wasobtained by using uncarbonized biomass, it is not found by using torrefied

Fig. 2 Schematic diagram of anexperimental apparatus.

る。予備造粒ペレットは固相焼結され、充填層内で骨材的な役割を果たすため、ガス流路の維持と複合焼結鉱の強度および還元性状の確保が可能となる。そのためペレットは被還元性に加えて一定の強度が必要となる。本年は複合焼結鉱の要素技術の検討として、焼成後ペレットの圧壊強度に及ぼす CaO 成分の影響について調査した。
2 種類の微粉鉄鉱石（Ore A, Ore B）を用いた。各鉱石と石灰石および生石灰を混合し、水を加えてグリーンペレットを造粒した。
Fig. 6 に焼成後ペレットの圧壊強度に対する石灰石粒度の影響を示す。鉄鉱石における圧壊強度の違いは、鉱石中の SiO2 量に起因していると考えられる。添加石灰石粒径が 500 µm までは粒径増加に伴って圧壊強度は低下するが、添加石灰石粒径が 500-1000µm の場合は圧壊強度は上昇する。ペレットの断面組織から石灰石粒径に対応した粗大な気孔が認められており、添加石灰石粒径が 500-1000 µm の条件では粗大気孔が生成するため、き裂の進展が粗大気孔により抑制されたと考えられる。本研究成果により、
MEBIOS 法で用いる予備造粒ペレットの材料設計に重要な知見を得ることができた。

は認められなかった。バイオマス中のセルロースの熱分解により鉄鉱

Fig. 1 Strategy to reduce CO2 emissions
from the ironmaking processes.の低下を引き起こし、高炉装入原料である焼結鉱の生産性低下に繋Fig. 3 XRD profiles obtained for thecomposites using woody biomass heated
up to 400°C, 450°C and 800°C.

Fig. 4 XRD profiles obtained for thecomposites using woody and torrefied
biomass heated at 800°C for 50 min.

Two types of fine iron ores (Ore A and Ore B) were used. Each iron ore
was mixed with limestone and quicklime, and green pellets weregranulated by adding water. The pellets were sintered under conditions
simulating actual sintering operations, and their compression strength
was measured.
Fig. 6 shows the effect of limestone particle size on the compressionstrength of the sintered pellets. The difference in the compression
strength of iron ores is considered as the difference of SiO2 compositionin the ores. The compression strength decreases by increasing limestone
particle sizes up to 500 µm. However, the value increases by increasing
limestone particle sizes from 500 to 1,000 µm. The cross-sectional
microstructure of the sintered pellets shows coarse pores corresponding
to the limestone particle size, resulting in coarse pores generated by the500–1,000 µm limestone particle size conditions that suppress crack
propagation. The results of this study provide important insights into theraw material design of pre-granulated pellets in the MEBIOS process.

Fig. 5 Schematic diagram of the Mosaic EmBedding
Iron Ore Sintering (MEBIOS) process.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

Fig. 2 に未炭化木質バイオマスを用いた炭材内装鉱の XRD プロ

石の増加は、鉄鉱石塊成化過程である焼結プロセスにおいて通気性The annual crude steel production of Japan remains at approximately 90
million tons. However, the iron resources as raw material depends onimports from foreign countries. The rapid increase in world crude steel
production in recent years has led to degradation of iron concentration iniron ore. The beneficiation process is known to increase the ironconcentration. However, the process involves pulverization. Theincrease in fine iron ore decreases air permeability in the sintering bed
for the sintering process, which is one agglomeration method for ironore, leading to decrease in productivity of the sintered ore for blast
furnace. Therefore, the mosaic embedding iron ore sintering (MEBIOS)
process has been proposed (Fig. 5). The MEBIOS process aims tomaintain air permeability by pre-granulated fine ore (green pellet),dispersing the green pellet in the sintering bed. The green pellets aresolid-phase sintered and maintain their shape. As a result , gas flow
paths are maintained, and then the strength and reducibility of sinteredore are improved. Therefore, the pellets need to have certain strengthand reducibility. In this year, the effect of CaO composition on thecompression strength of sintered pellets was investigated as theelemental technology for the MEBIOS process.
先端環境創成学専攻

装鉱の低温還元挙動について、部分炭化バイオマスを用いた場合とLow-Temperature Reduction Mechanismof Carbon-Iron Ore Composite using Woody
Biomass

Effect of CaO Component on Strength ofPre-granulated Pellets in Mosaic EmBedding
Iron Ore Sintering

Fig. 6 Effect of limestone particle size on thecompression strength of sintered pellets.
Coexistence Activity Report 2023

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