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

本研究分野では、資源・エネルギーの有効利用や地球環境の保全において、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の高効率化と低環境負荷化を同時達成可能な新しい技術原理を探索する研究を行っている。特に高温反応が関与する製鉄プロセス（Fig.1）の原料自由度拡大や環境負荷物質の排出削減、廃熱の有効利用など、波及効果の大きいプロセスを主な対象として、基礎から実機レベルまでの幅広い研究テーマを設定している。加えて、繊維状および多孔質金属の形態制御や極限環境で利用可能な自己治癒セラミックス材料開発などの研究も行っ

Taichi MurakamiGroup Photo

Daisuke Maruoka

観察（Fig. 3）より、一部試料の溶融が FeO の活量低下や酸素拡散の抑制を引き起こしたものと考えられる。これらの結果を考慮し、低炭素焼結実現のための原料配合・造粒設計についての研究を継続してている。

いる。

We carried out studies searching for innovative technological principles leading to simultaneous achievements of higher efficiency and lower environmentalload in the processes of manufacturing and recycling base materials, which have a significant impact on our society. This included a wide range of studies
from fundamental to practical levels on the processes that have large ripple effects, such as increases in raw material flexibility and decreases in theenvironmental pollutant emissions of the ironmaking process (Fig.1). Further, we also performed research on the morphology control of fibrous and/orporous metals and self-healing ceramics, which can be used in extreme environments.

優れた高温耐酸化性を有する鉄基潜熱蓄熱材料の開発
化石燃料由来の CO2 排出量削減のため、鉄鋼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。

製鉄プロセスからの CO2 排出削減のための２次資源の高度利用技術
高炉製銑の主要鉄源は焼結鉱と呼ばれる人工鉱石であり、粉状の鉄鉱石と石灰石をコークスの燃焼熱によって塊成化することにより得られる。国内生産量は約 1 億トンであり、焼結工程からの CO2 排出量は日本全体の約 2％を占める。これを低減するため、ヘマタイト鉱代替し、それらの酸化熱を有効利用するための技術原理を検討している。例えばミルスケールは金属鉄や FeO を含有しており、その酸化熱量は無視できない。しかし、コークスと異なり鉄の低級酸化物は酸化反応後も残留するため、プロセスの生産性や成品の品質に大きな影響を与える。よって、これらの物質の酸化挙動を定量的に把握し、最れらの酸化挙動に与える影響について検討した。
スラッジ試料を N 2 -O2 系ガス中、1200℃で酸化すると、PO2 = 0.21
atm の方が PO2 = 10 -3 atm よりも重量増加速度が大きい（Fig. 2）。
ただし、いずれも完全酸化状態（図中点線）には至っていない。断面Fig.1 Methods of reducing CO2 emission fromironmaking process

40 Coexistence Activity Report 2017

Fig.2 Weight changing rate of sludge holding at 1200°C

Fig.3 Microstructure of sludge sample heated at 1200°C
under PO2 = 0.21 atm.

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可能性がある。そこで、AlCl3 ガスを使用した合金表面への Al 拡散浸透（アルミナイジング）処理の適用を検討している。
Fe-Mn-C 合 金試 料を 98mass%Al2O3 -1%NH3Cl-2%Al 混合 粉末とともにアルミナるつぼ内に密封し、不活性雰囲気中、900℃で 3h のアルミナイジング処理を行った。得られた試料の高温耐酸化性を1000℃の大気条件で測定したところ、Fig. 4 に示すように、処理なしの試料に比較して極めて良好な結果が得られた。試料断面観察（Fig.
5）では、200 µm 程度厚さの緻密な Al2O3 層が生成しており、これが酸素の拡散を抑制したものと考えられる。しかし、内部合金にも無視できない濃度の Al の固溶が確認された。アルミナナイジング処
理しない試料と比較すると、本試料の蓄熱量の減少が認められるため（Fig. 6）、Al の固溶を最小限に抑える必要がある。現在、アルミナイ
ジング処理条件の最適化を進め、蓄熱性と耐高温酸化性の両立を目指した合金系の開発を継続している。

Fig.4 TG profiles of as-received and aluminizedsamples in air.

In order to reduce CO2 emissions originating from fossil fuels, aninnovative process of carbonization/reformation of biomass utilizing
waste heat discharged by large-scale factories has been proposed, and its
elemental technologies are being examined.
Waste heat is recovered by heat exchange with metallic heat storage
material (HSM) balls. They are charged into a rotary furnace with biomass,and then simultaneous carbonization and pulverization of the biomass
proceeds. Fe-Mn-C is an alloy system that is promising as for use as anHSM because of its strength and heat storage properties, as utilization of
the latent heat of magnetic transformation can be expected. Since its
oxidation resistance is not sufficient, the effect of the addition of Al to thesurface of the alloy was examined. This year, an aluminizing method using
AlCl 3 gas was attempted.
Fe-Mn-C alloy samples were charged with a powder mixture of
98mass%Al 2O3 -1%NH 3Cl-2%Al into a sealed alumina crucible, and analuminizing treatment was performed in inert atmosphere at 900°C for 3h. The oxidation resistance of the sample in air at 1000°C had excellent
results compared to that of an untreated one, as shown in Fig.4. A crosssectional view of the sample (Fig.5) shows the formation of a dense Al 2O3layer 200 µm thick that suppresses the diffusion of oxygen. However, anon-negligible concentration of Al was also found in the bulk alloy, and it
led to a certain decrease in the heat storage amount (Fig.6). At present, weare continuing further optimization of aluminizing condition with the aimof improving both the heat storage and oxidation resistance properties ofthe HSM alloy.

Fig.5 Optical micrograph of aluminized sample after
oxidation at 1000°C for 50 h in air

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

適な使用方法を探索している。本年度は、雰囲気ガスの酸素分圧がこThe main iron source for blast furnace ironmaking is an artificial ore
called “sinter”. It is produced through the process of sintering fine ironores and limestone utilizing combustion heat from coke. Domestic annual
production of sinter is about 100 million tons, and the COe emissions fromthe process occupies about 2 % of the total emissions in Japan. To reduce
this emission, hematite ores as major iron sources is tried to partiallyreplaced by the secondary resources containing lower oxides of iron, suchas magnetite ores, mill-scale, and dusts formed in the steel industry, whichhave potential to give off heat during oxidation. For example, mill-scale
contains metallic iron and FeO, and their oxidation heats are not negligible.
Unlike coke, however, they remain even after the reaction, and this affects
the productivity and properties of the sinter product. Therefore, we
searched for a proper way to use secondary resources through a quantitative
analysis of their oxidation behavior. This year, the effect of the oxygen
potential of atmospheric gas on their oxidation behavior was examined.
In the case of the oxidation of sludge sample in N2 -O2 gas at 1200°C, themass increasing rate under PO2 = 0.21 atm was larger than that under PO2 =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

Development of Iron-based Heat Storage
Materials with Excellent Oxidation ResistanceProperties

先端環境創成学専攻

石をミルスケール、製鉄ダストなど鉄の低級酸化物を含む２次原料にAdvanced Technology for Effective
Utilization of Secondary Resources toward
the Reduction of CO2 Emissions from theIronmaking Process

10 -3 atm (Fig.2). Neither case reached a completely oxidized state, however.
A cross-sectional view of the sample (Fig.3) suggests that partial melt
formation led to a decrease in the activity of FeO and suppression ofoxygen diffusion. Considering the above results, further studies are being
carried out on the blending and granule design of raw materials to develop
a low-carbon sintering technology.

Fig.6 DSC profile of aluminized sample after oxidation
at 1000°C for 50 h in air.

Coexistence Activity Report 201741