| 研究課題/領域番号 |
22KJ1689
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| 補助金の研究課題番号 |
21J21991 (2021-2022)
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 (2023)
補助金 (2021-2022) |
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| 応募区分 | 国内 |
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| 審査区分 |
小区分26060:金属生産および資源生産関連
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
齋藤 啓次郎 京都大学, エネルギー科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
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| キーワード | 精錬スラグ / 脱リン反応 / 活量 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
製鋼における脱リンプロセスでは、有害な不純物であるリンを酸化して銑鉄中からスラグ相へと分離除去している。省資源・省エネルギー化のためにはスラグ発生量の低減が求められる。ここで、脱リンスラグ中には液相に加えてCaO-SiO2系を主体とする固相が存在し、この固相が精錬反応に重要な役割を果たす。よって、効率的な脱リン条件を考察するためには不均一系スラグの熱力学的データが必要となる。本研究ではスラグ中の(Ca, Fe)2SiO4-(Ca, Fe)3P2O8固溶体に注目し、成分活量の測定、およびモデル構築による活量の予測を行う。得られた知見に基づいて固液不均一スラグの脱リン能力を定量的に評価する。
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| 研究実績の概要 |
鉄鋼などの素材精錬において、プロセスの効率化を考察する上で酸化物系の熱化学データが重要となる。本研究では製鋼における脱リンスラグの基本系であるFeO-CaO-SiO2-P2O5四元系に注目し、(Ca, Fe)2SiO4-(Ca, Fe)3P2O8固溶体中の①FeO活量と②P2O5活量を測定した。実験では、1573 Kで酸素ポテンシャルを制御した雰囲気の下で酸化物相とCu-Fe-P液体合金を平衡させた。高温保持後の合金試料を急冷し、化学分析に供して鉄濃度とリン濃度を測定することで成分活量を算出した。
テーマ①では、固溶体の組成が同一であっても共存する固相の種類（CaOまたはCaSiO3）によってFeO活量が大きく変化することを示した。本四元系では塩基度（CaO/SiO2比）が高い場合にFeO溶解度の小さい固溶体がFeO濃度の高い液相と共存し、塩基度が低い場合にはFeO溶解度の大きい固溶体がFeO濃度の低い液相と共存するという一見逆の傾向を示していた。本研究で行ったFeO活量の実測と熱力学的な考察により、塩基度の違いによる固溶体中FeO溶解度とFeO活量の関係の変化を整理でき、上記の相平衡関係を説明することができた。
テーマ②では、(Ca, Fe)2SiO4-(Ca, Fe)3P2O8固溶体+CaSiO3二相共存領域に注目し、P2O5活量に及ぼす固溶体中FeO濃度の影響を調査した。実験の結果、Ca2SiO4-Ca3P2O8固溶体へのFeO添加によってP2O5活量が減少する様子が確認された。P2O5活量の低下はスラグの精錬能向上には有利な性質であり、テーマ①と合わせてスラグ設計のための基礎データを収集できた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
FeO-CaO-SiO2-P2O5四元系の活量測定について、実験計画時は一つのガス分圧条件でFeO活量とP2O5活量を同時に測定する予定であったが、昨年度の検討によってそれぞれの活量に対して適した条件で別々に実験を行うべきだと判明した。そこで本年度はまずFeO活量の測定とそれに関連する相平衡関係の理解を中心に取り組んだ。本内容については研究成果欄に示した学会発表の他に学術振興会製鋼第19委員会で議論を行った。さらに論文誌ISIJ Internationalへ投稿し、4月号へ掲載された。
FeO活量の測定法を応用し、さらに(Ca,Fe)2SiO4-(Ca,Fe)3P2O8固溶体+CaSiO3二相共存領域中のP2O5活量の測定を行った。この時、FeO活量の測定値を用いることで計算によってCu-Fe-P合金中の平衡鉄濃度を予想できる。この平衡鉄濃度を持つCu-Fe合金を出発試料として用い、リン濃度のみが時間変化するように設計した。これにより比較的短時間で平衡到達を確認でき、迅速にデータを収集できるようになった。これまでに固溶体中のFeO濃度（Fe/Ca比）を変化させた4つの固溶体組成で実験を行い、P2O5活量に及ぼすFeO添加の影響を明らかにした。本内容については2023年度に発表予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
注目するFeO-CaO-SiO2-P2O5四元系において、これまでにFeO活量とP2O5活量の測定法を確立できた。次に平衡鉄濃度及び平衡リン濃度を与えたCu-Fe-P合金を出発試料として使用し、銅合金中に溶け込むケイ素の濃度を分析することでSiO2活量の測定を行う予定である。(Ca,Fe)2SiO4-(Ca,Fe)3P2O8固溶体の組成を広く変化させて活量測定を行い、固溶体中の成分間の相互作用を定量的に明らかにする。この時にはこれまでの検討結果に従い、各成分の活量に対してそれぞれ適したガス分圧で実験条件を設計する。
さらに、活量の実測値に基づいて(Ca,Fe)2SiO4-(Ca,Fe)3P2O8固溶体に対する溶体モデルを構築し、活量をモデル計算によって算出する。固溶体中では(SiO4)4-と(PO4)3-、及びCa2+とFe2+がそれぞれ置換し合うと考えられるため、この構造を考慮して固溶体中成分の相互作用を定量化することを計画している。作成したモデルを利用して精錬反応の解析を行い、脱リン反応が効率的に進行するスラグ組成・操業条件を熱力学的な視点から考察する。
また、2022年度までの研究成果についてもまとめ、論文投稿を行う予定である。
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