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

高度資源利用・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 Murakami

Daisuke Maruoka

Base materials industry are now facing several difficult issues, e.g., increasing demand to reduce CO2 emissions, and property-degradations
and price-fluctuations of the mineral and fuel resources. Our research group is mainly carrying out the studies to search for new process

低温でも高い被還元性を有する原料（塊成鉱）の製造が望まれる。

principles for base metal/material productions aiming at efficient utilization of lower grade mineral and energy resources also considering

本研究では、各種塊成鉱の被還元性を水素濃度の異なる高炉ガス条

utilization of low-grade energies and recovery of waste energies. A number of unique ideas have been so far tried to apply such as high

件において調査し、高水素濃度下で還元性状の良い塊成鉱が具備すべ

temperature and pressure conditions, and optimum process combinations. In addition, we are studying innovative researches, such as theproduction process of a new porous and fibrous metals, and development of unique self-healing ceramics applicable to extreme conditions.

き鉱物相や気孔構造などの特性を調査している。得られた結果を用いて、高い被還元性を有する塊成鉱製造指針を提案するだけでなく、提案方法により試験製造した塊成鉱の被還元性の評価を行う。
本年は、様々なガス組成・圧力に制御可能な還元装置を用い、数多く研究概要の焼結鉱について還元実験を行い、高水素条件および高雰囲気圧力条子に微粉鉄鉱石を造粒し、短時間焼成した炭材核ペレット (CCP) に

本研究分野では、資源・エネルギーの社会的および環境的インパク着目した。Fig.2 に CCP の X 線 CT 画像を示す。Fig.2 の赤色で示トが大きい基幹素材の製造・リサイクルプロセスに関して、その高効率されている領域がコークス核粒子であり、黄色の部分はペレット内の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を探索する研空隙に相当する。この CCP は直径約 4mm のコークス粒子を有する究を行っている。特に高温反応が関与するプロセスの効率化と環境負直径約 15mm の球形酸化鉄ペレットであることがわかる。

件における還元促進を達成するために有効な鉱物相を明らかにした。

極限環境におけるセラミック複合材料の自己治癒挙動
構造用セラミックスの強度信頼性を大幅に向上できる自己治癒セラミックスが開発され、ジェットエンジン用タービン翼部材への応用が検討されている。自己治癒セラミックスは、マトリックスに分散している非酸化物微粒子の酸化に伴い、き裂が消滅することにより、自発的に機械的強度が回復する機能を有する。自己治癒後、き裂の発生などにより強度が再度低下しても、非酸化物微粒子が存在すれば自己治癒は繰り返し発現するが，実際の環境では溶融塩による非酸化物微粒多孔質鉄材料の比表面積、細孔分布等に対する作製条件の影響

子及びマトリックスの高温腐食が起こりうる。そのため高温腐食環境にある自己治癒挙動について詳細に調査する必要がある。本年は Ni/
Al2O3 セラミックスの自己治癒挙動における Na2SO4 溶融塩の影響に荷低減に関するテーマに主眼を置き、波及効果の大きい製鉄プロセス

本年は、CCP の還元挙動について、コークス粒子のない通常のペレッの原料自由度の拡大や燃料のグリーン化、廃熱利用など、基礎から実トとの比較検討を行った。900-1100℃の保持温度で CO-CO2 ガス機を想定した研究まで幅広くテーマを設定している。加えて、繊維状多孔質金属は軽量、高比表面積、高制振性などの特徴を有している中の還元実験を行ったところ、いずれの保持温度においても CCP がFig.4 (a) に熱処理前、(b) に 1000℃、48h、溶融塩中熱処理後金属の形態制御に関する研究や極限環境で利用可能な自己治癒セラため、衝撃吸収材や電極材料などへ応用されている。鉄鋼系材料は原通常のペレットより高い還元率を示すことを明らかにした。これは、中試料のき裂部の走査型電子顕微鏡像を示す。Fig4 (b) の矢印部が示すミックス材料の開発を行っている。

料が安価であり、鉄鋼系構造材料との接合性に優れる点から、多孔質心部のコークス粒子が被還元物でないこと、CO2 ガスがペレット内のように、き裂は熱処理後に消滅している。したがって、Na2SO4 溶融金属素材としての潜在能力は高い。しかし、発泡剤のコスト高や複雑気孔を通じてコークス粒子表面まで到達するとコークスのガス化反応に塩が存在する高温腐食環境においても、Ni/Al2O3 の自己治癒効果はな製造プロセスを要する為に、高気孔率な多孔質鉄材料の安価な製より還元ガスである CO ガスが発生することが理由として考えられる。

機能することが明らかになった。

造プロセスは開発されていない。そこで本研究グループでは、特定条

我が国の鉄鋼産業は国内エネルギー使用量のおよそ 15％を占めるため、CO2 排出量削減が求められている。さらに、良質鉄鉱石資源件下での還元過程で認められる鉄鉱石ペレット等の異常膨張時に形成水素利用製鉄に適した製鉄塊成原料製造原理の創成
高炉では鉄鉱石から粗鉄（銑鉄）を製造するため、石炭を乾留してスにおける重要な反応である酸化鉄還元反応や炭材ガス化反応の低温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、そのた化、および還元された鉄への浸炭・溶融の高速化による問題解決を実め大量の 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現する具体的な方法として、高い反応性を有することが知られているができれば生成ガスは H2O となり、その分 CO2 排出量が削減できる。

鉱石－炭材コンポジット（炭材内装鉱）の使用が注目されている。し水素は石炭乾留時に副次的に生成されるため、原料を一貫して製鐵所かし、これは高炉装入に耐える強度を有するためにセメント添加等の内で利用することができ、安全面、輸送面からも有効である。一方で、対応が必要であり、コスト増加および高炉スラグ成分設計における制CO による還元は発熱反応であるが、水素の場合吸熱となるため、水約などの課題がある。そこで我々の研究グループでは、コークス核粒素濃度増加による高炉内シャフト部の低温化が懸念される。そのため、Fig.1 Methods of reducing CO2 emission from ironmaking process.

40 Coexistence Activity Report 2016

Fig.2 3D image of CCP obtained by the X-ray CT.

持つ金属鉄材料を作製した。本年は試料充填密度、還元温度や還元時間等の条件が、繊維状金属鉄組織や得られた多孔質体の比表面積、細孔分布等の性状に及ぼす影響について調査した。
Fig.3 に試料充填密度の異なる試料の還元後組織写真を示す。両試料とも直径約 1.5 µm の繊維状金属鉄の生成が確認できる。一方で繊維状金属鉄の長さや太さが異なり、繊維状鉄同士が集合、結合したような組織が観察された。この差は、還元前の試料充填密度の違いによる粒子間距離の差が、還元反応速度、生成した金属鉄の焼結速度等に影響を与えた結果であると考えられる。

Fig.3 SEM images of iron whisker held at 900oC for 1h. Bulk density
are 0.59 and 1.5g/cm3 respectively.

特筆すべき業績
Several research papers and conference proceedings, e.g., [C. Funada et al., ISIJ Int. 56(2016) 233-238] and [D. Maruoka et al., Tetsu-to-Hagane, 102 (2016), 70-75] have been
published. ISIJ International and Tetsu-to-Hagane are a top-journal in the research
field of iron and steel, especially ironmaking process. Further, the students of thelaboratory have presented over ten papers in oral and poster sessions of conferences,e.g., the meetings of the Iron and Steel Institute of Japan (Tokyo) and the Japan Instituteof Metals (Osaka). On the other hand, we have organized annual workshop on theresources and processes for ironmaking and more than 30 researchers and engineers
attended it held on 25-26th Jan. 2016. The laboratory also forward collaborative
researches, such as the national project of “COURSE 50” and individual projects withseveral steel and relating companies.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environmentの枯渇や原燃料価格の高騰にも対応しなければならない。製鉄プロセされる繊維状金属鉄組織に着目し、酸化鉄の還元により高い気孔率を先端環境創成学専攻

温室効果ガス排出量削減に資する
画期的製鉄プロセスにおける原料研究

ついて検討した。

Fig.4 SEM images of samples (a) before and (b) after heat treatment
with Na2SO4 molten salt at 1000oC for 48h in air

Coexistence Activity Report 201641