| 研究課題/領域番号 |
26289278
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
北村 信也 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80400422)
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| 研究分担者 |
金 宣中 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40724430)
高 旭 東北大学, 多元物質科学研究所, その他 (80707670)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 金属生産工学 / 廃棄物再資源化 / 反応・分離工学 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、製鋼スラグからマンガンやクロムを燐と分離・抽出し高純度のフェロアロイとすることを目的としている。
平成26年度は乾式工程での製鋼スラグを硫化してMnS-FeS系マットを製造する条件と、MnS-FeS系マットを酸化させMn/Feの高い酸化スラグを製造する条件を確立させる課題に取り組んだ。製鋼スラグの硫化実験では、製鋼スラグ組成の酸化物とCaS-FeS系マットを1450℃で保持し反応速度を求めた。その結果、製鋼スラグ中のMnOは約10分で完全にマットに移行したがマット中のMnSは約5mass%であった。一方、MnS-FeS系マットの酸化実験では、製鋼スラグの硫化実験で得られた硫化物とFeO-MnO-SiO2系酸化スラグを1350℃で保持し反応速度を求めた。その結果、マット中のMnSは約10分でほぼ完全に酸化スラグに移行したがMnO/FeOは0.4程度までしか上がらなかった。これらの結果は、平衡実験からの予測より劣っていた。これを改善するには、界面PS2/PO2制御が必要であるため反応モデルを構築した。モデルは2重境膜説を基礎とし界面平衡を仮定する事で両相の組成変化を計算した。その結果、実験結果との良い一致を得、界面PS2/PO2を制御した実験条件を検討できるようになった。一方、湿式処理工程では、実際の製鋼スラグを用いた試験を行った。実験は、pHを3に制御した水溶液に製鋼スラグを粉砕した試料を添加し、水溶液中の各成分濃度を分析し溶出率を測定した。しかし、試薬を合成して行った場合に比べてPの溶出量が非常に低かった。これは、実際の製鋼スラグ中には水溶性のfree CaOが含まれるため、水溶液中のCa濃度が急激に上昇するためである。従って、このCaを分離する事前処理が必要な事がわかった。
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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
乾式工程は、当初計画では、まず、CaS-FeS系素マットを石膏と鉄鉱石から製造する条件を進める予定であったが、実験方法が確立できなかったため、先に製鋼スラグを硫化してMnS-FeS系マットを製造する条件と、MnS-FeS系マットを酸化させMn/Feの高い酸化スラグを製造する条件を確立させる課題に取り組んだ。その結果、実験方法を確立し反応速度を測定する事を可能にした。さらに、実験結果に基づきマットとスラグ間の反応速度をシミュレートするモデルプログラムを作成した。このモデルにより、各反応の律速過程や界面PS2/PO2を制御する方法が明らかになった。実験で得られた、製鋼スラグ硫化時のMnS濃度や、MnS-FeS系マットの酸化時のMnO/FeOは平衡実験での予想より低いものでしかなかったが、上記のモデル計算により、その改善方向は明確になった。
湿式工程は当初計画では、低pHでスラグから固溶体を浸出させる浸出槽と、pHを上げて溶出液から燐を沈殿除去させる沈殿槽の２槽実験装置の設計を行い、実験は平成27年度から開始する予定だった。しかし、これまでは試薬により製鋼スラグ組成相当の酸化物を合成して実験に供していたため、実際の工業的に得られる製鋼スラグで予備的な実験を行った。その結果、Pの溶出量が非常に低く、free CaOから溶出するCaを分離する必要がある事がわかった。これは想定していなかった現象だったが、Caの分離方法は確立できたので、実際の製鋼スラグを取り扱う方法を構築する事ができた。
以上のように、当初計画に対する変更点は多々あったが、全体としては順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成27年度は、乾式工程での製鋼スラグを硫化してMnS-FeS系マットを製造する条件と、MnS-FeS系マットを酸化させMn/Feの高い酸化スラグを製造する条件を確立させる。前年度に構築したモデルを用いて界面PS2/PO2を制御しマット中のMnS濃度を上げ（マットとスラグ間のMn分配が20程度）、かつ、酸化スラグ中のMnO/FeOを4.0以上に上げる条件を見出す。界面PS2/PO2に影響を及ぼす要因はスラグとマットの組成、混合比、温度であるが、モデル計算により改善の方向性を導き出し、前年度と同様の縦型炉実験を行い検証する。また、CaS-FeS系素マットの製造実験を再開する。熱力学検討によれば、石膏(CaSO4)と鉄鉱石(Fe2O3)の混合物を、低PO2、高PS2条件で溶解すればCaS-FeSマット（素マット）を生成する可能性がある。この場合も、作成したモデルでの粗検討が可能であるため、混合比や温度を変化させて計算を行い、実験条件を絞った上で縦型炉での実験を行う。
一方、湿式工程では、実際の製鋼スラグを用いた浸出試験を継続する。前年度に事前処理の必要性がわかったので、中性水溶液でfree CaOを除去した後に水を入れ替え、水溶液のpHを3~5に変化させてPの溶出挙動を調べる。実際の製鋼スラグ組成は作業所により異なるので、様々な種類でPの溶出率を求め、最適な製鋼スラグの組成や冷却条件を把握する。また、水溶液に溶出したPを、pHを変化させて沈殿・回収する実験にも着手する。さらに、提案している、低pHでスラグから固溶体を浸出させる浸出槽と、pHを上げて溶出液から燐を沈殿除去させる沈殿槽の２槽方式を制作する。
平成28年度は、実際の製鋼プロセスで生成されたスラグを原料とした乾式工程と湿式工程の一貫プロセス試験を行い、高純度フェロマンガンや高純度フェロクロムの製造可能性を判断する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初はCaS-FeS系素マットの製造とFeS-MnS系マットの製造に関する実験を平成26年度に実施し、それらを受けて競合反応モデルを適用した新しい反応速度モデルを構築する予定であったが、CaS-FeS系素マットを石膏、鉄鉱石から製造するための実験方法が確立できなかった。そこで、FeS-MnS系マットの製造や酸化スラグへのMn濃化に関する必要最小限の実験を行い、それに基づく反応速度モデルの構築へ研究の主体を変更した。また、湿式工程では実際の製鋼スラグを用いた実験を優先したため、酸化物でスラグを合成する実験の回数が少なかった。その結果、予定よりも実験回数が減り、物品費や人件費の支出が予算よりも大幅に少なくなった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
平成27年度以降は、モデルでの予測に基づいた乾式工程の要素試験や、最適な組成や冷却条件で合成した酸化物を用いた湿式試験を数多く行い、乾式、湿式のいずれにおいても最適条件を明らかにするため、平成26年度に未使用分も含めた物品費や人件費の支出を予定している。また、成果発表と研究動向調査のために外国出張も予定している。
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