2015 Fiscal Year Research-status Report
精錬スラグはどこまで低塩基度化できるか？ -脱リン限界能の評価と反応パスの解析-
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15K06524
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
長谷川 将克 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (40335203)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 低塩基度スラグ / 状態図 / 活量 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、石灰石CaOを用いて溶鉄中の不純物であるリンを除去するプロセスにおいて、固体CaOの有効利用とスラグ発生量の低減を目標とし、CaO濃度が低い低塩基度スラグの熱力学的性質を明らかにする。充分な脱リン能を維持しながら精錬スラグをどこまで低塩基度化できるかを検討するため、テーマ1「脱リンスラグの低塩基度域における相平衡関係の解明」、テーマ2「スラグ中のP2O5活量とFeO活量の測定と脱リン性能の熱力学的評価」、テーマ3「固体CaOの有効利用に向けた最適な脱リン反応パスの検討」について、実験を行う。
テーマ1について、CaO-SiO2-P2O5三元系の低塩基度域において相平衡関係を調べた。温度1573K、大気雰囲気下で試料を一定時間保持した後、急冷した。最も塩基度が低い組成域ではSiO2、CaSiO3、Ca3P2O8の3つの固相が共存することが明らかになった。脱リン生成物P2O5が固体化されるCa2SiO4-Ca3P2O8固溶体に注目し、この固溶体がCaSiO3と共存できる組成範囲を定めた。また、CaO-SiO2-P2O5-FeO四元系においてCa2SiO4-Ca3P2O8固溶体、CaSiO3と共存可能な液相組成を調べた。FeOを含む試料を金属鉄るつぼに納めて温度1573Kに加熱し、液体窒素を用いて急冷した。Ca2SiO4-Ca3P2O8固溶体の組成が変化しても液相の組成はほとんど変化しないが、低塩基度化により液相中のP2O5濃度が増加することが明らかになった。
テーマ2について、先のテーマ1で得られたCa2SiO4-Ca3P2O8固溶体、化合物CaSiO3、液相の三相共存領域におけるFeO活量、P2O5活量の同時測定を行った。三相共存スラグをCu-Fe-P合金と平衡させ、酸素センサーにより平衡酸素分圧を測定した。脱リンスラグの低塩基度化により、固液共存不均一領域でのFeO活量は低下、P2O5活量は上昇して、脱リンには不利な条件となったが、測定した活量から見積もった平衡リン濃度は工業的要請を満たすものであることが判明した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「脱リンスラグの低塩基度組成域における相平衡関係の解明」と「スラグ中のP2O5活量とFeO活量の測定と脱リン性能の熱力学的評価」について、平成27年度はほぼ計画通りに研究が進んだ。得られた研究成果は学会発表を行い、特に実験を実施した学生によるポスター発表は優秀発表賞を受賞した。
「相平衡関係の解明」について、申請時には平成27年度にCaO-SiO2-P2O5三元系、平成28年度以降にCaO-SiO2-P2O5-FeO四元系を予定していたが、CaO-SiO2-P2O5-FeO系で注目されるCa2SiO4-Ca3P2O8固溶体を含んだ組成域において、計画を前倒しにして研究を進めることができた。
また「活量測定」について、申請時には平成27年度にP2O5活量、平成28年度以降にFeO活量とP2O5活量の測定を予定していたが、CaO-SiO2-P2O5-FeO四元系でのCa2SiO4-Ca3P2O8固溶体、化合物CaSiO3、液相の三相共存領域におけるFeO活量、P2O5活量の同時測定を先行して実施した。脱リンスラグの低塩基度化によって脱リンには不利な条件となるものの、Ca2SiO4-Ca3P2O8固溶体を含むような領域にスラグ組成を制御すれば、測定した活量から見積もった平衡リン濃度は工業的要請を満たすことが判明したことは大きな成果であると言える。平成28年度以降は、実操業に近い組成域に測定対象を拡張する計画である。なおP2O5活量の測定に関しては、実験上改善すべき課題が見つかったため、平成28年度以降に取り組んでいきたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
テーマ1「脱リンスラグの低塩基度域における相平衡関係の解明」については、CaO-SiO2-P2O5-FeO四元系の低塩基度域での相平衡関係を調べる。特に、実操業に近い組成域に対象を拡張する。なお、本研究課題の成果を実操業の解析に活かすことを考えた場合、四元系の相平衡関係を図示する必要があるが、一般的に一定温度での四元系状態図は四面体空間となってしまい、実用には適さない。そこで、研究代表者はスラグ中のイオン形態を考慮した二次元平面への投影方法を考案中であり、平成28年度以降に成果として発表できるように進めていきたい。
テーマ2「スラグ中のP2O5活量とFeO活量の測定と脱リン性能の熱力学的評価」については、FeO活量、P2O5活量の同時測定を先行して実施中である。これは、実用上の重要性と実験的な取り組み易さを考慮した結果である。しかし、低塩基度スラグに関する理論的な解析を進めるためには、CaO-SiO2-P2O5三元系でのP2O5活量の測定が不可欠である。これには極低H2O分圧の制御が必要であり、平成27年度に信頼できる実験結果を得ることはできなかった。ただし、実験ガス経路についての改善箇所が判明したため、平成28年度以降に取り組んでいきたい。
本研究課題の最終年度に、テーマ3「固体CaOの有効利用に向けた最適な脱リン反応パスの検討」を実施する計画である。
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| Causes of Carryover |
「スラグ中のP2O5活量とFeO活量の測定と脱リン性能の熱力学的評価」において、実験の実施順の計画変更を行ったため、次年度使用額が生じた。具体的には、平成27年度に起電力法によるFeO活量、P2O5活量の同時測定を先行して実施し、ガスースラグ平衡法によるP2O5活量の測定を平成28年度以降に計画変更した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
ガス-スラグ平衡法によるP2O5活量の測定では極低H2O分圧の制御が必要であり、実験ガス流路の改善が必要であることが判明した。生じた次年度使用額により、この改善に必要な物品を購入する予定である。その他、平成28年度以降の分として請求した助成金については、使用計画に変更はない。
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