2014 Fiscal Year Research-status Report
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26420754
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小林 能直 東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (20354269)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 鉄鋼精錬 / 脱酸 / 固体電解質 / 酸素ポンプ / 酸素センサー / 溶銅 / 白金 / モリブデン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、鋼から酸素を効率よくかつ清浄に除去するために、溶鋼と外部の雰囲気の間に容器を挟んで高電圧をかけ、電気的に脱酸を行うための指導原理を確立することにある。脱酸すべき溶鋼と雰囲気の間に固体電解質酸化物を挟んで高電圧をかけるための実験装置を作成し、電解脱酸の原理どおりに脱酸することが可能かどうかのチェックを行うのだが、溶鋼に直接電極を浸漬することはできないため、溶鋼との相互溶解度がほとんどない銀を介在させ、溶鋼側は溶融銀、急な温度勾配を細い経路につけて、電極側は固体銀、というセットアップでの実証実験を、当初検討した。
しかし、この方法では、強い温度勾配の影響が無視できない可能性があるため、まずは酸素ポンプの健全性の確認も兼ねて、溶鉄よりは温度の低い溶銅を用いて、モリブデン線・溶銅・カルシア安定化ジルコニア・白金線という回路を組み、電圧を印加して、脱酸が初期の予測通り実施できるかどうかのチェックを試みた。一端封じのカルシア安定化ジルコニア管の内側にあらかじめ酸素を添加した銅を入れ、溶銅に不溶な金属のモリブデン線を管内に装入する。上部はガラス管につなぎモリブデン線を覆う形で密封する。ジルコニア管の外側には白金ペーストを介して白金線を取り付け電極とする。モリブデン線と白金線間に電位差を生じさせることにより、脱酸実験を行った。
その結果、1444 Kにおいて、カルシア安定化ジルコニアを用いた脱酸では7.16 gの溶融銅の酸素濃度を0.491mass%から0.0282mass%へと減少させることができることがわかり、またその律速段階はジルコニア内の酸素の輸送から、脱酸が進行するにつれ、溶銅内の酸素の移動へと変化することがわかった。
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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
当初、初年度は脱酸の指導原理の確立を目指すことを計画していたが、溶銅においてそれが実証できたため、当面の目的は達成し、順調に進捗していると考えている。最終的には溶鋼脱酸を目指すが、ジルコニア材質の固体電解質を用い、金属電極を介して電圧を印加することで、初期の脱酸が図れることがわかったことにより、原理的には溶鋼でも実行可能性が高いことが明らかとなった。
本年度の実験では、通電時間に対する酸素ポンプの両極間の電位差の経時変化を測定し、時間の経過とともに電位差が約1.4Vまで増加していくことがわかった。すなわち、脱酸が進むにつれて、ジルコニアの内側の酸素ポテンシャルが低下していき、脱酸が進行している様子がモニターできたことになる。また、実験は20~40mAの定電流で行っているため、実輸送酸素量を見積もることでき、見積もりにより得られた値と、実験後の銅中酸素濃度をLECO社製酸素窒素同時分析装置で定量した値とはほぼ一致した。
また今回の実験では、溶融メタルを用いた脱酸の律速段階として、固体電解質壁付近における酸素濃度境膜中酸素の輸送律速を仮定し、これを促進するために直接電気ポンプに物理的振動を与えて脱酸挙動の変化を見たが、結局変化がなかったことがわかり、固体電解質内酸素移動が律速していることを明らかにした。また、固体電解質の厚さを変えた実験もあわせて行い、その厚さの逆数に比例した輸送係数が得られたことから、上記の律速段階に関する仮定が正しいことが裏付けられた。ここまで精緻に速度論的考察が行えたのは、実験のセットアップが非常にうまくいっていたためであると考えられ、今後の進捗にも大きな期待が持てるものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度で、モリブデン線・溶銅・カルシア安定化ジルコニア・白金線というセットアップの酸素ポンプで電気脱酸が可能であることを明確にした。2年目はそれを受け、まず酸素輸送係数の温度依存性を求め、さらに固体電解質の管厚の最適化を行い、脱酸により有利な条件を導くことを初期の目標とする。また、脱酸が十分に進行して溶銅内酸素移動律速となった場合のさらなる促進法の検討も行う。
次に、より高温での脱酸プロセスの実現、あるいは考察のためのステップとして、銅より融点の高いステンレス鋼あるいはニッケルを用いた脱酸実験を行う。固体電解質ジルコニアは高温では不安定となるため、まず1500℃までの温度範囲での使用可能性を検討する。それでも現在の実験温度より300℃以上高いため、酸素の輸送は非常に促進され、溶銅の時よりも大きな輸送係数が期待される。ここで考慮すべきポイントはメタル側の電極である。ステンレス鋼またはニッケルに不溶の固体金属を検討することが最大の課題となり、もし固体で不溶の金属が適用できなければ、当初考案したように溶融銀を介するセットアップを考えることになるが、必要に応じてあわせて検討していく。
最終的には、溶鋼の電気脱酸を実施できる酸素ポンプの構築を検討する。温度の問題に加え、溶鉄は溶銅より酸素を吸収しやすいため、十分な脱酸には大きな電位差が必要となる。そこで、適用な可能な固体電解質の種類、形状を検討した上で、種々の水準の電位差を印加して保持し、溶鉄中酸素濃度の経時変化を調べる実験を行う。総括脱酸反応速度定数を求め、実プロセスにおける溶鋼の電気脱酸の実現可能性を評価する。温度を変えた実験を行い、反応速度定数の温度依存性を求める。これらにより律速段階・反応のメカニズムを明らかにし、電気脱酸実施における問題点や注力すべき点などを明らかにし、最適な実施条件を提案する。
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| Causes of Carryover |
平成26年度は、電気脱酸のための酸素ポンプ用の炉の構築が必要であり、主たる大型備品の使途としては予定どおり実施したが、当初予定していた炉内に急な温度勾配をつけての実験は、鋼中にも大きな温度勾配がつくことが懸念され、まずは均熱部で一定温度の下で実施できる小型酸素ポンプの開発を行うこととなった。そのため、備品の仕様が簡素化の方向で変更になった。一方で、小型とはあるが固体電解質ジルコニア菅は単価が非常に高く、実験方法を確立するまで何本も使用することとなったため、それにより備品が低価格になった分がかなり相殺された。結果的に10万円余りを今回の残額として、平成27年度の使用額とさせていただくこととなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
2年目以降は、実験炉の構築は終了し、あとは実験条件を変えるだけの段階に入る予定であったが、今後溶銅から、溶融ステンレス、あるいは溶融ニッケルに実験を展開し、さらに溶鋼を目指していくにあたり、新たな電極材の検討または溶融銀を介した実験セットアップを考案していかねばならない。その新電極材の購入費、あるいは実験セットアップ改善のための余裕費として、平成26年度残額を充てさせていただきたいと考えている。消耗品としての固体電解質材料が高価であるため、実験条件に関してはよく検討を重ね、効率の良い実験を実施できるよう留意していく。
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Research Products
(3 results)
