■2006.3

財団法人 金属系材料研究開発センター

No.233TODAY

持続可能な社会の構築に向けて鉄鋼業の課題
害物質の採用）６条：排ガス・蒸気・熱回収など省エネ技術（環境と経費への低負荷化、省エネ化）
７条：鉄スクラップ使用量の増加（原料を枯渇性資源から再生可能資源へ変換）
こうした取り組みの結果、日本鉄鋼業は世界で最も効率的・省エネ型の生産方法を採り入れ、例
えば、エネルギー原単位で、中国は日本の1.5倍、米国は1.25倍、EUは1.1倍と高い。さらに、これらの技術はグリーンエイドプランやCDMの形で他国の環境保全にも役立っている。
３．日本鉄鋼業の技術的優位性の持続
現在、日本自動車産業は国際競争で圧倒的優位にあるが、この優位性は1970年のマスキー法に端を発する。日本自動車メーカーは、極めて厳しいこの排ガス規制値をクリアし、これがその後の日本車の低燃費、信頼性向上と競争力の向上につながった。
鉄鋼業の環境対応技術も将来の国際競争力の源泉となり得る。このためには、この技術を経済合理性のもとに正当に評価する仕組みを構築することが必要と考える。
例えば、鉄は資源枯渇指標においても優れており環境負荷も極めて小さく持続型社会への適応度が高い。また、名古屋大学の武田邦彦教授が提唱するように、リサイクルエネルギー負荷の大きいペットボトルよりもリサイクル性の点で経済合理性が高い。例えば、容器材としてスチール缶利用促進のインセンティブの付与の仕組みが考えられる。
また、省エネ値、低CO2排出値が価格に反映されれば、非効率で使用エネルギー過多の製鉄設備は国際的に淘汰されていくであろう。
最後に、10年後、20年後の日本の外貨獲得産業として鉄鋼技術を維持・振興していくためにも、大学には鉄鋼分野においても将来を担える人材の持続的育成をお願いしたい。

JFEスチール㈱常務執行役員 スチール研究所副所長

小松原 道 郎１．国際社会の抱える喫緊の課題
欧米なみの生活水準を目指し高度成長を遂げた
日本は、多くの資源とエネルギーを消費し大量の廃棄物を排出してきた。また、現在BRICｓ諸国が後を追っている。従って、資源・エネルギー枯渇や生産物・廃棄物の環境負荷への増大がますます深刻な問題となり、われわれや次世代の豊かさを維持するためには、これらの解決が喫緊の課題となっている。
２．日本鉄鋼業の課題
日本鉄鋼業は、従来からこの分野においても多くの対策を講じて、高生産性と環境対応技術で世（社）日本鉄鋼連盟界をリードしてきたが、1996年、は「鉄鋼業の環境保全に関する自主行動計画」を策定し本格的に環境保全問題に取り組んでいる。
P.T.アナスタスはグリーンケミストリー12か条
として製造業の環境負荷低減手法をまとめたが、鉄鋼業はほぼ全項目について取り組んでいる。次の6項目は喫緊の課題として特に力点がおかれているものである。
１条：高炉スラグセメントなど副生物の価値化技術（廃棄物をださない）
３条：蛍石不使用精錬などの技術開発（人体と環境に害の少ない反応物・生成物の利用）
４条：クロメートフリー化など代替商品開発（機能同等の場合、低毒性物質を採用）
５条：CO2削減技術の開発（補助物質の低減、無1

JRCM REPORT「変圧器の電力損失削減のための革新的磁性材料の開発」成果報告
成果報告「変圧器の電力損失削減のための革新的磁性材料の開発」
鉄鋼材料研究部板垣省三

1 はじめに蒸着）技術を応用し、方向性電磁鋼板（2）パイロット規模の小型試験コイルをに大きな張力を付加し得るサブミクロ用いた高速・連続成膜技術の開発

本開発は、変圧器の磁性材料の磁気ン厚さの薄層膜を表面にコーティング（1）の技術を用いたパイロット規模的損失を大幅に改善した革新的磁性材することによって、磁区幅の画期的なの電磁鋼板処理装置を開発し、小型試料を開発することを目的に、地球温暖細分化を達成し、方向性電磁鋼板の磁験コイルを用いて高速・連続成膜実験化防止新技術プログラムの一環として気的損失を大幅に低減する技術の実用を行い、材質特性目標を達成可能な成平成14年度は経済産業省、15、16年度化を図ると同時に、この開発材料の材膜処理プロセスの最適な操業条件を探はNEDO技術開発機構から委託を受料特性を最大限に利用して送配電用変索し、高速・連続成膜技術を確立する。

け、3か年の計画で実施された。

圧器の電力変換効率を格段に高めるこまた、同時に経済性のある技術であるとを目指すものである。

ことを確認する。

電力の送配電時には、発電所での昇圧変圧器、変電所での変電用変圧器、具体的な研究開発課題と最終目標（3）
高性能変圧器の設計・製作と性能評価

工場や大型ビル等での高圧受電変圧は、次のとおりである。

（2）のパイロット規模の高速・連続器、電信柱上の柱上変圧器等、多様な（1）
鉄損低減に最も効果的な薄膜物質成膜試験装置で作製した開発材料を用型式の変圧器が使用され、変圧器によの探索とその高速成膜技術の開発いて実用規模の数種の変圧器を試作る損失は、総発電量の2.24％を占める。

変圧器用最高級電磁鋼板の鉄損値し、現行材を使用した同型の変圧器とこの損失のうち、約50%が磁性材料に（Ｗ17/50）
を現状の0.75W/kgから0.60W/の性能比較及び信頼性評価試験を行起因するため、2010年に予想されていkg以下に20％以上低減する膜物質をい、変圧器の電力損失（鉄損分）を20％る総発電需要量に対して、変圧器によ開発する。
また、最適膜物質を最も経済的以上低減できることを確認する。

る電力損失は272億kWh、変圧器の磁に成膜し得る乾式成膜技術（PVD、CVD）

本技術開発は、JRCM、JFEスチール性材料による損失は136億kWhに達すの開発を行い、電磁鋼板コイルの高速（株）、アルバック（株）（平成15年度以降ると予測されている。変圧器の磁性材成膜技術（2000Å/分以上）を確立する。

中止）の3社が参画して推進された。

図−1 各種膜物質のヤング率と熱膨張係数の関係

図−2 TiN成膜厚みと磁気特性の関係料として使用される方向性電磁鋼板の品質特性は、日本製品が最高水準であり、磁束密度の極限までの向上、鋼板の板厚の低減、磁区を担う磁区の細分化技術等の開発により年々その鉄損が低減されているが、ここ数年は技術的に飽和状況になっている。このため、送配電変圧器の電力変換効率に直接かかわる磁性材料として大幅に磁気的損失を改善した革新的な磁性材料（電磁鋼板）の開発が望まれている。

2 研究開発の背景と目的変電所等送配電経路で使用されている変圧器での電力損失の低減を目指して、変圧器の電力変換効率に直接かかわる磁性材料として、既存の材料と比較し大幅に磁気的損失を改善した革新的磁性材料を開発、実用化することにより、変圧器の性能を格段に高め、高効率送配電システムを構築し、省エネルギーとCO2排出量の削減へ貢献することを目的としている。
本開発は、半導体の製造等で用いられているPVD（物理蒸着）、CVD（化学JRCM NEWS No.233

図−3 パイロット規模CVD試験装置の構成と仕様

2

3 研究開発成果の概要
磁性材料（電磁鋼板）の鉄損低減に効果的な薄膜物質の探索等に関して、基礎的な検討から開始し、工業化に必須である高速成膜技術のラボ試験検討を実施した。
さらに、これらの成果を適用して、パイロット規模の電磁鋼板処理装置を設計・製作、薄層皮膜電磁鋼板コイルを得て、変圧器を製作し性能評

図−4 TiN成膜前後の磁区構造と鉄損価を実施した。これらの研究開発によって次のような研究成果が得られ、当要な鋼板へのTiN薄膜の膜厚は、絶縁パイロット試験装置を用いて、板厚初の開発目標が達成された。

被膜塗布焼き付け後、歪取り焼鈍後の0.23mm、板幅350mmの方向性電磁鋼（1）鉄損低減に最も効果的な薄膜物質

密着性等を考慮して0.7μm以上とし板小型コイルにTiN成膜処理を行い、の探索とその高速成膜技術の開発た。TiN成膜の厚みと磁気特性の関係

2000Å/分以上の成膜速度で0.7μmの張力付加による磁区細分化効果の観を図−2に示す。

高張力のTiNを成膜することが可能で点から、鋼板への張力を最大化して鉄（2）パイロット規模の小型試験コイルをあることを確認した。TiN成膜電磁鋼損の低減を達成できる膜物質として、用いた高速・連続成膜技術の開発

板は磁区細分化が効果的に行われ、鉄膜物質の弾性係数、熱膨張係数、成膜パイロット試験装置の電磁鋼への高損値（W17/50）が0.79W/kgから0.63W/kg

温度及び膜厚が大きく影響することを速・連続成膜法として、膜構造の単純へ約20%低減されることを確認した。

ラボ試験で確認した。薄膜物質として性、大量生産性及び技術的発展性の観

TiN成膜前後の磁区構造と鉄損値をは電磁鋼板と薄膜物質との熱膨張率の点から、CVD技術を採用した。パイ

図−4に示す。また、歪取り焼鈍後の被差を利用して鋼板に張力を発生させる

ロット試験装置の構成及び主要な装置

膜密着性も良好であった。

ことから、ヤング率が高く、かつ熱膨仕様を図−3に示す。装置は性能確認（3）高性能変圧器の設計・製作と性能評価

張係数が小さい、チタン及びけい素ののための最低限の仕様として、小コイパイロット規模の電磁鋼板処理装置

炭化物や窒化物、具体的にはTiN、TiC、ル幅350mm（MAX）、通板速度1mpm

により作製したTiN成膜電磁鋼板コイ

Si3N4、SiC等の化合物が有効であるこ（MAX）とした。成膜炉は加熱帯・反ルを用いて、実機変圧器を試作し、変とを明確化した。各種膜物質のヤング応帯・冷却帯（徐冷・急冷）の3ゾーン

圧器の電力損失等を調査した。試作し率と熱膨張係数の関係を図−1に示により構成され、各ゾーン間には、炉た変圧器は単相巻30kVA、単相巻す。また、高速成膜技術では、ラボ試

圧制御用のシール装置が設けられてい100kVA、3相積1000kVAの3種で、比験装置を用いてPVD法、CVD法の両る。成膜は電気ヒータで1100℃程度に較のため従来材（23JGSD）を鉄心材料法において2000Å・ｍ／分以上の成膜加熱された反応帯において、ノズルかに用いた変圧器も併せて試作した。開速度の条件で0.60W/kg以下の磁気特ら鋼板表面に向けて四塩化チタン発材は、従来材と同様に問題なく切断性を達成できることを確認した。

（TiCl4）ガスをキャリアガスとともに加工が可能であった。

次に、成膜技術としてPVD法と吹き付けることにより行われる。成膜

TiN成膜処理後の電磁鋼板コイルとCVD法の品質（磁気的特性・被膜密着終了後のガスは、排ガス処理装置によ試作した変圧器の外観写真を図−5に性）及び経済性（成膜速度・製造コスト）って中和処理し、多量の大気と混合し示す。開発材を用いて試作した変圧器の評価を行い、今後の技術の発展性等て水素濃度を爆発限界未満に希釈したの鉄損（無負荷損失）は、従来材の最総合的に勘案し、パイロット規模の電後、水で洗浄して屋外に放出される。

高級グレードの方向性電磁鋼板に対し

図−5 TiN成膜コイルと試作変圧器の外観

図−6 変圧器無負荷損失の比較（30kVA巻変圧器）

磁鋼板処理装置による高速成膜技術の開発に関しては、CVD技術を採用することとし、最適な膜物質及び膜厚等の基礎検討をラボ試験にて実施した。
CVD技術における膜物質は、鋼板の実用化時に不可避的に行われる絶縁被膜の焼き付けと歪取り焼鈍における被膜密着性の不良、析出物形成による履歴損劣化等が問題になるため、窒化物であるTiN薄膜を選択した。さらに、磁気特性の目標値を達成するために必3

JRCM NEWS No.233

最大23%改善し、騒音特性も優れてい電磁鋼板へTiN成膜処理を行うことにのために極めて有望な技術であり、今（図−6）ることを確認した。

より鉄損値（Ｗ17/50）
を現状の最高級後も早期の実用化に向けてさらなる技4 おわりに電磁鋼板に比較して大幅に低減可能な術開発を推進させていく予定である。

変圧器の磁性材料の磁気的損失を改圧器を試作し、鉄損低減効果を明確化善するために、世界で初めてCVD技して実用化の可能性が高いことを確認

磁性材料の開発」平成14〜16年度成果

術を適用した高速成膜技術を確立し、した。
本技術は、変圧器の電力損失削減報告書（2005年5月）

膜物質を開発した。
また、実用規模の変引用文献
１）「変圧器の電力損失削減のための革新的●セミナーのお知らせ
ナノメタル鉄系研究成果公開シンポジウム

測計算等に興味をもたれている関係者の多数のご参加を期待しています。

「ナノCu析出を活用した鋼材特性の向上」

参加費：無 料主催：（社）日本鉄鋼協会「材料の組織と参加申込：事前申込不要
問い合わせ先：JRCM鉄鋼材料研究部特性部会」
・JRCM 共催

櫻谷

日時： 3月23日（木）
9：00〜12：10

TEL 03-3592-1283

場所：早稲田大学 大久保キャンパス

FAX 03-3592-1285（社）日本鉄鋼協会第151回春季講

E-mail：tsakuraya@jrcm.jp

演大会第17会場
NEDOプロジェクト「ナノメタル」

異業種交流セミナー

ラップ問題と析出強化型鋼の強度・延「エネルギー資源・その高効率利用技術とそれらを支える材料技術の開発最前線」

性バランスの向上における軟質粒子の日時：4月21日（金）

活用という観点から、ナノサイズのCu

場所：東京電機大学 神田キャンパスの鉄系研究体では、将来にわたるスク粒子析出を利用したCu添加鋼に注目

11号館17階大会議室

し、フェライト系でのCu析出の基礎的（社）日本鉄鋼協会
主催：研究から実用化を睨んだマルテンサイ

定員：100名

ト系実験鋼の試作まで幅広く行ってき

参加費：一般6,000円、学生3,000円ました。本シンポジウムは、鉄鋼関係（資料代含む）者に5年間のプロジェクトの成果を公（社）日本鉄鋼協会
問い合わせ先：開し、次なる研究分野の発展につなぐ総務グループ 亀井ことを目的として開催します。析出強TEL 03-5209-7011

化メカニズム、強度・延性バランスのFAX 03-3257-1110

向上、微細析出物の評価方法や析出予

E-mail somu@isij.or.jp

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS／第233号

発 行 2006年 3 月 1 日
発行人 小島 彰
発行所 財団法人 金属系材料研究開発センター〒105-0003 東京都港区西新橋一丁目5番11号 第11東洋海事ビル6階

内容に関するご意見、ご質問は JRCM 総務企画部までお寄せください。
本誌は地球環境保全を考慮し再生紙を使用しています。
本書の内容を無断で複写・複製・転載することを禁じます。

4T E L （03）3592-1282（代）／F A X（03）3592-1285
ホームページURL http://www.jrcm.or.jp/
E-mail jrcm@oak.ocn.ne.jp