| 研究概要 |
ナノオーダーの金属鉄微粒子からなる高強度微細鋼を高純度の鉄鉱石から直接製造することを目的に、CH_4ガスによる酸化物微粒子の超高速還元を行い、反応速度解析および反応機構の特定を行った。
酸化物微粒子をキャリアガスと共に1100,1200,1300℃に保持した炉内へ導入した。キャリアガスとしてCH_4-N_2およびH_2-N_2を使用し、粒子表面の炭素被膜の有無が反応におよぼす影響を調査した。反応後、試料断面のEPMA観察を行った。
何れの反応温度においても、実験後の試料は原型を留めていた。また反応はトポケミカルに進行していた。1100℃においては、キャリアガスをH_2-N_2とした方が反応速度は大きな値を示した。しかし1200,1300℃においては、キャリアガスをCH_4-N_2とした方が反応速度は大きな値を示した。1300℃において、キャリアガスをCH_4-N_2とした場合の反応速度はH_2-N_2とした場合の約2.8倍であり、大きな還元速度の向上が達成された。1100℃において、キャリアガスをCH_4-N_2とした場合の反応速度が小さい原因は、CH_4の分解が十分に進んでおらず、試料表面に炭素被膜が十分に形成されていなかったためであると考えられる。
純鉄板をH_2-CH_4雰囲気下1000-1200℃に保持した。実験後、試料断面のEPMA解析を行い、内部の炭素濃度分布から、鉄中の炭素の拡散係数を求めた。この拡散係数を使用し、還元実験における炭素拡散の影響を調査した。その結果、炭素の拡散は律速にはならないことが判明した。したがって、CH_4ガスによる酸化物微粒子の還元反応の律速段階は、生成鉄中に浸炭した炭素と酸化鉄の化学反応であると推定される。
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