第 5 章 異種鉱物相から成る塊成鉱のガス還元速度推定モデルの開発
5.4 結言
異種鉱物相から成る塊成鉱のガス還元速度の解析のため、推定モデルとして二界面未反 応核モデルを新たに開発し、第4章において得られた異種鉱物相から成る塊成鉱のガス還 元実験結果を基にその還元速度の解析を行った。
各鉱物の単鉱物試料の一界面未反応核モデル解析で得られた化学反応速度定数を用いて、
二界面未反応核モデルによる解析を行い、外殻層有効拡散係数Deoutと内殻層有効拡散係数 Deinを求めたところ、両者ともArrhenius型の温度依存性を示し、その温度依存式として次 式が得られた。
sample 1: De
out = exp (5.152 – 53.54×103/RT) De
in = exp (1.339 – 73.63×103/RT) sample 2: De
out = exp (2.772 – 34.95×103/RT) Dein = exp (0.4358 – 68.45×103/RT) sample 3: De
out = exp (2.704 – 40.97×103/RT) Dein = exp (-0.2034 – 66.79×103/RT)
1000°C以上では実測値と計算値がほぼ一致したが、900°C以下では還元後期に計算値と実 測値にずれが見られた。したがって、各鉱物の単鉱物試料の一界面未反応核モデル解析で 得られた化学反応速度定数を用いることで、二種鉱物混合試料の1000°C以上での還元速度 は二界面未反応核モデルで解析可能であることを明らかにした。
Fig. 5-1. Schematic view of unreacted core model with two reaction interfaces.
AO+BO
A+BO A+B gas film
( A BO )
X i +
( A B )
X i +
r 0
AO
k c k BO c
in
D e D out e
CO
R
F,R
outS,COin CO
R
S,R
inI inS,COR
2out CO S, 2
R R
F,CO2Fig. 5-3. Reduction curves of wustite to Fe with CO gas using sample 1.
600 1200 1800
0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
Time (s)
F rac ti onal r e duc tion (- )
sample 1 (H:Cf=80:20)
1100 ° C 1000 ° C 900 ° C 800 ° C calc.
exp.
Fig. 5-4. Reduction curves of wustite to Fe with CO gas using sample 2.
600 1200 1800
0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
Time (s)
F rac ti onal r e duc tion (- )
sample 2 (H:Cf=60:40)
1100 ° C 1000 ° C 900 ° C 800 ° C
calc.
exp.
Fig. 5-5. Reduction curves of wustite to Fe with CO gas using sample 3.
600 1200 1800
0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
Time (s)
F rac ti onal r e duc tion (- )
sample 3 (H:Cf=40:60)
1100 ° C 1000 ° C 900 ° C 800 ° C
calc.
exp.
Fig. 5-6. Temperature dependency of effective diffusivities De out.
0.7 0.8 0.9 1
0.1 0.5 1 5 10
D e out ( cm 2 /s)
1/T (10 -3 /K)
sample 1(H:Cf=80:20) sample 2(H:Cf=60:40) sample 3(H:Cf=40:60) Hematite
Calcium ferrite
Fig. 5-7. Temperature dependency of effective diffusivities De in.
0.7 0.8 0.9 1
10
-410
-310
-2D e in ( cm 2 /s)
1/T (10 -3 /K)
sample 1(H:Cf=80:20)
sample 2(H:Cf=60:40)
sample 3(H:Cf=40:60)
第6章 総括
本研究では焼結鉱のガス還元速度解析の基礎的研究の一環として、単鉱物相および異種 鉱物相から成る塊成鉱のガス還元実験を行い、種々の影響因子が塊成鉱の還元速度に及ぼ す影響についての検討を行った。また、異種鉱物相から成る塊成鉱のガス還元速度の推定 モデルを新たに開発し、その推定モデルの有用性について考察した。
第1章は緒論である。まず本研究の背景として、鉄鋼業の重要課題である輸入鉱石の低 品位化および世界的気候変動抑制のためのCO2
第2章では、塊成鉱中の鉱物相粒度と塊成鉱の還元速度の関係を明らかにすることを目 的として、種々の粒度の酸化鉄と合成カルシウムフェライトを用いて還元実験を行った。
その結果、以下の結論が得られた。
排出量削減を踏まえて、それらの対策とし ての塊成鉱の被還元性強化の重要性を示した。次に塊成鉱の還元速度に関する研究の現状 として、酸化鉄ペレットと焼結鉱の還元速度に関する研究をまとめた。そして現在用いら れる速度解析モデルについて、特性と問題点をまとめ、酸化鉄に加えてカルシウムフェラ イトの還元反応を考慮したモデルを開発する必要があることを述べた。最後に本研究の目 的と本論文の構成について述べた。
(1) ヘマタイトからウスタイト、ウスタイトから鉄の両還元段階において、250 µm以下 の鉱物相粒度と還元速度には、ほとんど相関関係は見られない。
(2) 1100°C以上では、ウスタイトへの還元後にAl2O3-CaO-FeO-SiO2
第3章では、酸化鉄とカルシウムフェライトの還元速度と還元ガスのCO-CO
4成分系融液が生成 するために、還元速度が低下する。
2混合ガス組 成の関係を明らかにすることを目的として、それぞれの単鉱物試料である酸化鉄試料とカ
(3) 生成物層内有効拡散係数は、酸化鉄試料に温度および還元ガス組成依存性が見られ、
カルシウムフェライト試料には明確な依存性が見られず、ほぼ一定の値を示した。
第4章では、塊成鉱の鉱物相割合と還元速度の関係を明らかにすることを目的として、
種々の配合割合の酸化鉄-カルシイウムフェライト混合試料の還元実験を行った。その結果、
以下の結論が得られた。
1000°C以上の高温では鉱物相割合による影響は小さく、いずれもほぼ同程度の還元速度
となる。900°C以下の低温ではCf相割合の多いものほど還元後期における還元速度が速く
なる。この原因は、ヘマタイト由来の粒子の還元において、粒子表面に生成される緻密な 還元鉄層が粒子内部の還元を阻害するためと考えられる。
第5章では、異種鉱物相から成る塊成鉱のガス還元速度の解析のため、推定モデルとし て二界面未反応核モデルを新たに開発し、第4章において得られた異種鉱物相から成る塊 成鉱のガス還元実験結果を基にその還元速度の解析を行った。その結果、以下の結論が得 られた。
二界面未反応核モデルによる解析を行い、外殻層有効拡散係数と内殻層有効拡散係数の 温度依存式を得た。また、各鉱物の単鉱物試料の一界面未反応核モデル解析で得られた化 学反応速度定数を用いることで、二種鉱物混合試料の 1000°C 以上での還元速度は二界面 未反応核モデルで解析可能であることを明らかにした。
前述のように焼結鉱の還元速度の把握は、効率的な還元反応による還元ガスの有効利用 に通じるため、非常に重要視されている。本論文において、異種鉱物からなる塊成鉱の還 元速度解析するにあたって利用できるガス還元速度推定モデルを開発し、その実用性を示 すことができた。また、それに伴っていくつかの影響因子について還元速度との関係を明 らかにした。しかしながら、本論文において明らかとなった種々の因子と還元速度との関 係は、焼結鉱のガス還元速度解析の一部に過ぎず、今後もガス還元速度解析の基礎的研究
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