炭酸ガス排出抑制型低温高酸素ポテンシャル高速新製銑法の開発

• 研究課題/領域番号: 15106011
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 金属生産工学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 永田 和宏 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (70114882)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2007
• 研究課題ステータス: 完了 (2007年度)
• 配分額: 109,460千円 (直接経費: 84,200千円、間接経費: 25,260千円); 2007年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円); 2006年度: 23,790千円 (直接経費: 18,300千円、間接経費: 5,490千円); 2005年度: 12,740千円 (直接経費: 9,800千円、間接経費: 2,940千円); 2004年度: 29,250千円 (直接経費: 22,500千円、間接経費: 6,750千円); 2003年度: 36,140千円 (直接経費: 27,800千円、間接経費: 8,340千円)
• キーワード: 鉄鉱石 / 還元 / 銑鉄 / マイクロ波加熱 / 低温製鉄 / 炭材内装ペレット / 還元速度 / マイクロ波 / マグネタイト / 石炭 / 粉体 / たたら製鉄

研究概要

たたら製鉄は6世紀の後半に我国に伝来した製鉄法で、箱型炉を用い砂鉄を原料に木炭を燃料にして主に銑鉄を製造した。たたら製鉄法は粉鉄鉱石を用いて銑鉄を生産する世界で唯一の製鉄法である。明治中頃に炉高3mで耐火煉瓦の「角炉」が発明されたが、炉高を高くした角炉は木炭燃焼による高温ガスエネルギーのため砂鉄が飛散し粉鉄鉱石利用炉の利点と矛盾した。ボールミルで粉砕混合した酸化鉄とグラファイトの混合粉末をHeガス中で加熱し、反応物と生成物の消滅・生成速度を測定した。ミリング時間が長くなると還元開始温度は30〜100℃低くなり、反応の活性化エネルギーは下がったが、FeOから鉄への還元反応は上昇した。Fe_<1-x>O単結晶表面のSTM装置観察では、乱れた壁開面が800℃15分加熱で<110>方向のステップが成長し、(001)表面に(1x1)とc(4x2)の表面構造と3nm角の規則的なメッシュ構造が観察された。1000℃15分加熱では全面メッシュ構造で覆われた。メッシュは結晶中のFe原子欠陥クラスターが表面に析出したと考えられる。この表面のH+イオン照射による初期還元では、メッシュを構成する酸素イオンが還元され、ステップ表面に2〜3nm大の鉄粒が分散しているのが観察された。マグネタイトの誘電率・透磁率は1〜2GHz近傍に最大値があり商用のマイクロ波発生装置で効率的な吸収が起ることが分った。約10gの炭材内装ペレットは3kW出力では5分で1370℃に達し溶融銑鉄を生成した。この速度は出力と重量に比例し、原料の粒径には依存しなかった。不純物濃度は高炉銑の10分の1程度であった。マグネタイト鉄鉱石とコークスの混合粉による連続溶融銑鉄製造では、断熱用耐火物のマイクロ波吸収防止と原料のエネルギー変換効率の上昇が課題であり、反応炉の規模拡大の指針を示した

研究成果

• [雑誌論文] Selectivity of microwave energy consumption in the reduction of Fe_3O_4 with carbon black in mixed powder (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Ishizaki and K. Nagata
  • 雑誌名: Iron and Steel Inst. Japan 47 ページ: 811-816
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
  • 査読あり
• [雑誌論文] Localized heating and reduction of magnetite ore with coal in composite pellets using microwave irradiation (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Ishizaki and K. Nagata
  • 雑誌名: Iron and Steel Inst. Japan 47 ページ: 817-822
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-situ observation of Fe_<0.94>O reduction at high temperature with the use of optical microscopy (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Yamashita, T. Nakada and K. Nagata
  • 雑誌名: Metallurgical and Materials Transactions B 38B ページ: 185-191
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
  • 査読あり
• [雑誌論文] Selectivity of microwave energy consumption in the reduction of Fe_<3>O_<4> with carbon black in mixed powder (2007)
  • 著者名/発表者名: K., Ishizaki, K., Nagata
  • 雑誌名: Iron and Steel Inst. Japan 47 ページ: 811-816
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Localized heating and reduction of magnetite are with coal in composite pellets using microwave irradiation (2007)
  • 著者名/発表者名: K., Ishizaki, K., Nagata
  • 雑誌名: Iron and Steel Inst. Japan 47 ページ: 817-822
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] In-situ observation of Fe_<0.94>O reduction at high temperature with the use of optical microscopy (2007)
  • 著者名/発表者名: T., Yamashita, T., Nakada, K., Nagata
  • 雑誌名: Metallurgical and Materials Transactions B 38B ページ: 185-191
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(19) たたら製鉄の物質収支と熱収支 (2007)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 77・1 ページ: 83-83
  • NAID: 40015228818
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(20) 村下の枝 (2007)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 77・2 ページ: 204-204
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(21) たたら製鉄復元への道 (2007)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 77・3 ページ: 328-328
  • NAID: 40015351522
• [雑誌論文] Effect of NaF Addition to Mold Flux on Cuspidine Primary Field (2006)
  • 著者名/発表者名: Hideko Nakada, Hiroyuki Fukuyama, Kazuhiro Nagata
  • 雑誌名: ISIJ International 46・11 ページ: 1660-1660
• [雑誌論文] Effect of Na20 on Crystallization of Mould Fluxes for Continuous Casting of Steel (2006)
  • 著者名/発表者名: Miyuki Hayashi, Takashi Watanabe, Hideko Nakada, Kazuhiro Nagata
  • 雑誌名: ISIJ International 46・12 ページ: 1805-1805
• [雑誌論文] Production of Pig Iron from Magnetite Ore-Coal Composite Pellets by Microwave Heating (2006)
  • 著者名/発表者名: Kotaro Ishizaki, Kazuhiro Nagata, Testuro Hayashi
  • 雑誌名: ISIJ International 46・10 ページ: 1403-1403
• [雑誌論文] Crystallization of Ca0-SiO2-TiO2 Slag as a Candidate for Fluorine Free Mold Flux (2006)
  • 著者名/発表者名: Hideko Nakada, Kazuhiro Nagata
  • 雑誌名: ISIJ International 46・3 ページ: 441-441
• [雑誌論文] Reduction Kinetics of Hematite Powder Mechanically Milled with Graphite (2006)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Seki, Kazuhiro Nagata
  • 雑誌名: ISIJ International 46・1 ページ: 1-1
• [雑誌論文] 日本刀の原料-玉鋼-を作るたたら -高炉製鉄を超える低温高速高純度鉄製造法- (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 未来材料 6・4 ページ: 2-2
• [雑誌論文] 現代に生きるたたら製鉄 (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: Harmony 36 ページ: 13-13
• [雑誌論文] 「たたら」とマイクロ波製鉄 (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 76・8 ページ: 870-870
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(10) 〓と鉄の生成機構(1) (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 76・4 ページ: 460-460
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(11) 〓と銃の生成機構(2) (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 76・5 ページ: 589-589
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(12) たたら製鉄の発展形態としての鉄精錬炉「角炉」の構造 (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 76・6 ページ: 711-711
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(13) 「角炉」の操業 (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 76・7 ページ: 835-835
  • NAID: 40007365412
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(14) 「角炉」の銑滓あるいは砂鉄を用いた製銑反応機構 (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 76・8 ページ: 953-953
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(15) 製鉄炉の炉高と炉内状態(その1) (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 76・9 ページ: 1061-1061
  • NAID: 40007444717
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(16) 製鉄炉の炉高と炉内状態(その2) (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 76・10 ページ: 1204-1204
  • NAID: 40015122124
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(17) 大鍛冶による脱炭機構 (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 76・11 ページ: 1225-1225
  • NAID: 40015147452
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(18) 風と炎 (2006)
  • 著者名/発表者名: 永田和宏
  • 雑誌名: 金属 76・12 ページ: 1343-1343
  • NAID: 40015186665
• [雑誌論文] Reduction Kinetics of Hematite Powder Mechanically Milled with Graphite (2006)
  • 著者名/発表者名: I.Seki, K.Nagata
  • 雑誌名: Iron and Steel Inst.Japan Intern. 46 ページ: 1-7
• [雑誌論文] Supersaturation of Carbon in Austenite during Carburization by CO Gas (2005)
  • 著者名/発表者名: I.Seki, K.Nagata
  • 雑誌名: Iron and Steel Inst.Japan Intern. 45 ページ: 1536-1542
• [雑誌論文] Lattice Constant of Iron and Austenite Including Its Supersaturation Phase of Carbon (2005)
  • 著者名/発表者名: I.Seki, K.Nagata
  • 雑誌名: Iron and Steel Inst.Japan Intern. 45 ページ: 1789-1794
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(1)たたら製鉄との出会い (2005)
  • 著者名/発表者名: 永田 和宏
  • 雑誌名: 金属 75 ページ: 711-719
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(2)たたら研究への道 (2005)
  • 著者名/発表者名: 永田 和宏
  • 雑誌名: 金属 75 ページ: 804-813
  • NAID: 40006854949
• [雑誌論文] たたら製鉄の技術論(3)日刀保たたら見聞録(その1) (2005)
  • 著者名/発表者名: 永田 和宏
  • 雑誌名: 金属 75 ページ: 940-944
• [雑誌論文] たたら製鉄の発展形態としての製鉄製錬炉「角炉」の構造 (2004)
  • 著者名/発表者名: 永田 和宏
  • 雑誌名: 鉄と鋼 90(4) ページ: 220-227
• [雑誌論文] 「角炉」の鉄滓あるいは砂鉄を用いた製銑反応機構 (2004)
  • 著者名/発表者名: 永田 和宏
  • 雑誌名: 鉄と鋼 90(4) ページ: 228-235
  • NAID: 110001457740
• [雑誌論文] Low Temperature Production of Pig Iron from Carbon-composite Pettets Heated by Microwave. (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Ishizaki, K.Nagata
  • 雑誌名: Proc.Intern.Meeting on Ironmaking, Espiroto Santo, Brazil 1 ページ: 617-625
• [雑誌論文] 非平衡状態を利用した革新的製鉄法と「たたら」 (2004)
  • 著者名/発表者名: 永田 和宏
  • 雑誌名: ふぇらむ 9(8) ページ: 549-553
  • NAID: 10013327699
• [雑誌論文] Coordination Environment in the CaO-SiO2-CaF2 Gkasses Bearing Na20 : A Solid-state 19F MAS MNR Study (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Hayashi, T.Watanabe, K.Nagata, S.Hayashi
  • 雑誌名: ISIJ Intern. 44(9) ページ: 1527-1533
• [雑誌論文] History of ModernTatara (2003)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro, Nagata Co-authors, ed. Minoru, Sasabe Mitsuru, Tate, Keiichi, Terashima
  • 雑誌名: Maruzen Planet Co. ページ: 201-234
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [学会発表] マイクロ波加熱連続製銑法の開発(I) (2008)
  • 著者名/発表者名: 原 恭輔、林幸、永田和宏、佐藤元泰
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会
  • 発表場所: 武蔵工業大学
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [学会発表] Continuous Process of Pig Iron Making by Microwave Heating (I)
  • 著者名/発表者名: Kyousuke, Hara, Muyuki, Hayashi, Kazuhiro, Nagata, Motoyasu, Soato
  • 学会等名: 155th ISIJ Meeting
  • 発表場所: Tokyo
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] 近世たたら製鉄の歴史(雀部、館、寺島編) (2004)
  • 著者名/発表者名: 永田 和宏(分担)
  • 総ページ数: 273
  • 出版者: 丸善
• [図書] 近世たたら製鉄の歴史 (2003)
  • 著者名/発表者名: 永田共著, 雀部実・館充・寺島慶一編者
  • 出版者: 丸善プラネット
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [備考] 「研究成果報告書概要(和文)」より
  • URL: http://www.cms.titech.ac.jp/seminar/function/func_02.html
• [産業財産権] 特許権 (2007)
  • 発明者名: 永田和宏、佐藤元泰
  • 権利者名: 永田和宏
  • 産業財産権番号: 2007-201388
  • 出願年月日: 2007-08-01
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 特許権 (2006)
  • 発明者名: 永田和宏、佐藤元泰、林哲郎
  • 権利者名: 永田和宏、自然科学研究機構、岐阜県
  • 産業財産権番号: 2006-025055
  • 出願年月日: 2006-02-01
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 溶鉱炉及びそれを用いた銑鉄の製造方法 (2006)
  • 発明者名: 永田 和宏
  • 権利者名: 永田 和宏
  • 産業財産権番号: 2006-025055
  • 出願年月日: 2006-02-24
• [文献書誌] 関一郎, 永田和宏: "酸化鉄還元直後の還元鉄格子面間隔の直接観察"材料とプロセス. 16. 934 (2003)
• [文献書誌] K.Nagata: "Rapid Ironmaking at low Temperature and High Oxygen Potential"Proc.3^<rd> Intern.Conf.on Science and Technology of Ironinaking. Dusseldorf. 556-562 (2003)
• [文献書誌] I.Seki, K.Nagata: "Insite-observation of reduction of iron-oxide mixed with graphite using high temperature X-ray diffractometry"Proc.3^<rd> Intern.Conf.on Science and Technology of Ironinaking. Dusseldorf. 68-73 (2003)