成果報告書詳細
管理番号20160000000843
タイトル平成27年度成果報告書 新規希少金属プロジェクトのための事前検討(平成27年度) 鉄鋼精錬プロセスにおける軽希土類金属利用の検討
公開日2017/1/20
報告書年度2015 - 2015
委託先名国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P08023
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 開発項目「新規希少金属プロジェクトのための事前検討(平成27年度)/鉄鋼精錬プロセスにおける軽希土類金属利用の検討」

 余剰気味の軽希土類金属の新たな用途開発を目的とし、我が国におけるミッシュメタルの動向を調査するとともに、Ceの鋼の精錬剤としてのポテンシャルを、脱硫、脱リンの2項目について、物理化学的側面から明らかにし、鋼の二次精錬プロセスにおけるミッシュメタルの有効活用実現の可能性を示した。
(1) 我が国におけるミッシュメタルの動向
 ミッシュメタルの組成・価格動向、国内需要量、用途について、各レアアースの動向とともに調査を行った。
(2) Ceを用いた溶鋼の脱硫
 溶鋼中へのCe添加のみでは、脱硫効果は見られなかったが、SEM観察により溶鋼中でCe-S-O化合物が形成され溶鋼中に残存し分離されなかったことが明らかになった。Ceの添加によりCeがS捕捉剤として働き脱硫は進行するものの、生成物が溶鋼中に残存し分離されず、それらを取り込むあるいはそれ自身の作用による脱硫反応を促進する目的でスラグを共存させる必要性が示された。
 CaO-AlO1.5-CeO1.5系スラグ共存下でCe添加による脱硫を試みたところ、Ceは反応に消費され鋼中に残存しなかったが、Ce添加量の増加に伴いAl濃度の増加が見られた。このことから、非常に還元力の強いCeはスラグ中AlO1.5を還元し、スラグ/メタル界面の酸素ポテンシャルを下げていることが推察される。それに伴い、脱硫効果が顕著に見られ、溶鋼中初期濃度は300ppmから10ppm未満にまで低下した。また、硫黄のスラグ/メタル分配比Lsも100以上にまで上昇した。溶鋼中Al濃度およびCaO-AlO1.5-CeO1.5中のAlO1.5の活量から見積もったスラグ/メタル界面の酸素分圧を用いて、これまで報告のないCaO-AlO1.5-CeO1.5系スラグの脱硫能も併せて評価した。平衡に到達していないと判断できる結果ではあったが、CeO1.5濃度の上昇が脱硫能を向上させることが明らかになった。
(3) Ceを用いた溶鋼の脱リン
 脱リン効果についても同様の実験を行った結果、Ceのみ溶鋼に添加を行った場合、時間とともにCeの歩留まりは低下したが、凝固後の鋼の結晶粒にリンがCeとともに濃化することは確認された。P濃度の高いものでは、モル比がほぼ1:1のCeP化合物と考えられる組成領域が認められたものの、分離可能な介在物としての存在は確認されなかった。また、同様にCaO-AlO1.5-CeO1.5系スラグを共存させた場合でもスラグ中への脱リンは全く見られないことが判明し、当初想定した還元脱リン反応によるリン化物イオンのスラグ中への吸収能力は評価できなかった。このことから、ミッシュメタルによる溶鋼段階の脱リンは困難であることが示唆された。
(4) 鋼の二次精錬プロセスへのミッシュメタル活用の可能性の検討
 以上、Ce添加は溶鋼の脱硫に大きく効果があることが確認された基礎知見をもとに、パイロットスケールでの確認を行うため、15kg溶鋼に0.33kgのCaO-AlO1.5系フラックスとともにミッシュメタルの添加を行い、精錬効果の評価を行った。初期酸素濃度が高い場合には、ミッシュメタルは脱酸に消耗されてしまい不純物除去効果は見られなかったが、十分にAlで初期酸素濃度を低下させた溶鋼では、非常に大きな脱硫効果が見られ、100ppmから3ppm以下にまで低下した。一方、そのような状況下でも溶鋼中リン濃度には変化が見られず、ミッシュメタルによる溶鋼の還元脱リンは事実上困難であるこが明なになった。
 以上の結果から、十分脱酸した溶鋼の脱硫にはミッシュメタル添加は非常に効果があり、特殊な用途のための極低硫鋼の溶製に適したプロセスであることが示された。なお、本研究のミッシュメタル原単位では、動向調査で得た価格から、鋼1トンあたり数千円のコストがかかることとなり、精錬剤使用量削減によるプロセスの最適化が課題として残されている。
英文要約Title: Preliminary Investigation on the Novel Project for Rare Metals (FY2015) / Feasibility Study on the Utilization of Light Rare Earth Metals in Steel Refining Processes (FY2015) Final Report

In order to develop the new utilization way of oversupplied light rare-earth metals, the followings were performed through this research project. Followed by investigation on the trend of misch metals in Japan, the potential of Ce as a refining agent, such as desulfurizer and dephosphorizer, was thermodynamically clarified. Finally, possibility of utilization of misch metal in the secondary refining of molten steel was assessed.
(1) Trend of misch metals in Japan
 Misch metal composition and trend of the price, amount of domestic demand and way of its use were investigated together with the trend of each rare-earth element.
(2) Desulfurization of molten steel by Ce
 Although desulfurization of molten steel was not observed just by Ce addition, SEM observation clarified that Ce-S-O compound was formed but stayed in the steel. Hence, in order to absorb such inclusions and to enhance the desulfurization it was indicated that existence of slags was considered to be desirable.
 When desulfurization of molten steel was performed by the addition of Ce together with CaO-AlO1.5-CeO1.5 slag, Ce was mostly consumed but Al content was increased due to the exchange reaction of Ce and AlO1.5, which indicated that oxygen potential at slag/metal interface was considerably lowered. Also, desulfurization was observed and initial content of 300ppm was decreased to lower than 10ppm. As for the sulfur distribution between slag and metal was increased to more than 100. Using the oxygen partial pressure at slag/metal interface estimated from the Al content of the steel and activity data of AlO1.5 in the CaO-AlO1.5-CeO1.5 slag system, sulfide capacity of the slag was derived. Although it seems that equilibrium has not been attained, increase in CeO1.5 content was found to increase the sulfide capacity.
(3) Dephosphorization of molten steel by Ce
Effect of Ce addition on the dephosphorization of molten steel was similarly investigated. When only Ce was added to the molten steel, Ce yield decreased with time and P was found to segregate with Ce at the grain boundary of solidified steel. Some region was considered to be CeP where the molar ratio of Ce to P was unity, but the material with such composition could not be separated from the steel. Furthermore, dephosphorization was not observed even with coexistence of the CaO-AlO1.5-CeO1.5 slag, hence its phosphide capacity could not be determined through the experiment. The present result clarified that dephosphorization of molten steel with misch metal addition was not applicable.
(4) Investigation on the possibility of utilization of misch metals in secondary refining of steel
 Based on the results above, in order to verify the scaling up to pilot scale, 15kg of molten steel was treated with 0.33kg of the CaO-AlO1.5 flux system. When initial oxygen content is rather high, most of the misch metals were consumed and refining effect was not observed. On the other hand, considerable desulfurization from 100ppm to lower than 3ppm was observed when the steel was fully deoxidized by Al addition. However, dephosphorization of molten steel was not observed at all, showing that dephosphorization by misch metal addition was practically difficult.
Finally, the addition of misch metal to well deoxidized steel was found to be very effective and suitable process for the ultra-low sulfur steel for special use. Seeing that the process cost increase by the present treatment will amount to several thousand yen per 1 ton of crude steel, process optimization of the process by reduction of refining agent would be the problem to be solved.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る