成果報告書詳細
管理番号20160000000714
タイトル平成27年度成果報告書 革新的新構造材料等研究開発 電子・材料・ナノテクノロジー部実施事業の周辺技術・関連課題における小規模研究開発の実施 超省エネ型マイクロ波マグネシウム製錬技術の研究開発
公開日2016/9/28
報告書年度2015 - 2015
委託先名オリコン・エナジー株式会社 国立大学法人東京工業大学
プロジェクト番号P14014
部署名材料・ナノテクノロジー部
和文要約件名:平成27年度成果報告書 革新的新構造材料等研究開発/電子・材料・ナノテクノロジー部実施事業の周辺技術・関連課題における小規模研究開発の実施/超省エネ型マイクロ波マグネシウム製錬技術の研究開発

 金属Mg製造の事業化を目指し、ドロマイト(CaO・MgO)をフェロシリコン(Fe-75 wt%Si)によって高温条件下で、還元し金属マグネシウムを製造する技術、即ちピジョン法をマイクロ波照射下で行う新規技術の「マイクロ波ピジョン法」の研究開発を行った。研究体制としてオリコン・エナジーが東京工業大学に設置した共同研究講座にて、オリコン・エナジー、東工大一体の共同研究体制により遂行した。以下の4つの技術開発項目について研究開発の実績を報告する。 (1)高Mg収率を目指すMW反応炉の開発  小型実験炉を用いて電磁界分布の均一化と原料団鉱の配置の最適化を達成するため、シミュレーションおよび実験にて反応条件の最適化検討を行った。その結果、反応温度1000℃にて金属マグネシウムを最高反応収率:71.4%(1000℃達成後反応時間75分)、生成量:1.72 gの製錬に成功した。Mgの生成量は少量であるが、従来のピジョン法と比較して200℃程度低い反応温度で製錬を達成し、劇的に短時間の加熱・反応プロセスにより高収率のMg製錬プロセスを実現しており、革新的省エネルギープロセスを実証した。 (2)高効率金属Mg回収構造の開発 金属マグネシウムの回収部条件検討において、金属マグネシウムを電気炉で蒸気化し、回収部温度をパラメータとして金属マグネシウムの蒸気拡散特性の解析と回収効率を算出し、回収部温度を200℃以下に制御することでマグネシウム蒸気を175 mm以内にて全量をトラップできることを確認した。この結果を基に、実証サイズの金属Mg回収部を設計・製作し、マイクロ波小型実証炉に設置し、実証レベルの検討を開始した。 (3)高効率マイクロ波吸収を可能とする団鉱構造検討  団鉱材料の粒子径、形状因子、マイクロ波吸収特性、基礎物性などの多くのデータを収集し、加熱実験とシミュレーションを実施した。その結果、フェロシリコンを団鉱中に偏在させ、団鉱をマイクロ波共振構造とすることで、マイクロ波吸収能を飛躍的に向上させ、マイクロ波照射の均一化や温度分布を大きく改善できる団鉱構造を確立した。現状最適な団鉱は単体としてマイクロ波吸収効率30%以上を達成しており、形状因子を最適化することで、さらに吸収効率を50%程度まで向上可能であることがシミュレーションから示されている。 (4)トンスケールの生産を目指すスケーラビリティの検討  小型実証炉における炉内の電磁場・熱解析をマルチフィジックスシミュレーションにより実施し、高い反応温度を達成する形状を炉内構造に導入した。さらに回収部においては、(2)の結果を反映させた構造を設計・製作し導入した。投入原料は、現状240 gと少ないものの、1000℃までの加熱と少量であるものの金属Mgの製錬に成功し、実証炉による大型バッチでの製錬の可能性を示した。これら個々の結果からスケールアッププロセスの課題について抽出した。以上の研究成果について、特許出願2件、学会発表2件、論文発表2件を予定しており、事業化へ向けた基盤を整備しつつある。
英文要約Title: Innovative Structural Materials Project. R&D project on Energy-saving Microwave Furnace for manufacturing Magnesium, the most light-weight metal material (FY2015) Final Report

Oricon Energy Inc. and the Tokyo Institute of Technology have collaborated on the development of a “Microwave Pidgeon Method” for reducing dolomite using ferrosilicon at high temperatures, consuming less energy than the traditional Pidgeon method. The findings of the four parts of this research are described below. (1) Microwave Reduction Furnace for high Mg yield : The structure of the microwave reduction furnace for a homogenized electromagnetic field and the placement of material briquettes for high-microwave-energy use were optimized based on simulation and experiments. Using a small apparatus, the best Mg yield of 71.4% was achieved at 1000 deg after 75 min. Although the amount of reduced Mg produced is small, the reaction temperature (200 deg lower) and time are lowered drastically compared to the traditional Pidgeon Method, confirming the merits of this innovative energy-saving technology. (2) Highly effective Mg Condensing Unit : The flowing distance and condensing yield of Mg vapor, generated by heating metallic Mg using the electric furnace, were determined at the assigned temperature. All the Mg vapor was condensed within 175 mm of the vaporization point on keeping the surface temperature of the Mg condensing apparatus below 200 deg. Based on this finding, a Mg condensing unit for a medium-sized verifying furnace was designed, produced, and installed, and substantiative experiments are ongoing. (3) Material Briquettes' Structure enabling efficient microwave energy use Microwave irradiation and simulations were conducted by considering the material parameters: the size and shape of the combined materials' particles; the shape and dimensions of the material briquettes and the electromagnetic properties of the combined materials. We found that by positioning ferrosilicon at the center of each briquette to induce in it a resonance structure, the material briquettes could efficiently absorb microwave energy, resulting in high performance, a homogenized electromagnetic spectrum, and significantly improved temperature homogenization. A microwave energy absorption efficiency of over 30% was recorded with the currently best-optimized briquette, but could exceed 50% on improving its shape. (4) Scalability Study for ton-scale production : The medium-sized verifying apparatus was designed, based on multi-physics simulation of electromagnetic field intensity and heat transfer, to be an energy-efficient applicator. Additionally, a Mg condensing unit reflecting the findings in (2) was introduced. Using these instruments, the “Microwave Pidgeon Method” succeeded under 240 g load and 1000 deg material temperature. Although the amount of material briquettes loaded is small, the success shows that large-scale Mg smelting is possible with this unique method.
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