吴凤技术学院专案研究计画申请书

吴凤技术学院专案研究计画申请书 吳鳳技術學院專案研究計畫申請書 附件一 一、基本資料 編號: 計畫歸屬單位 光機電暨材料研究所 ,學術研究機構委託研究計畫 ,民間機構委託研究計畫 計 畫 類 型 ,民間機構委託學生專題研究計畫 研 究 型 別 ,個別型 ?整合型 申請系所(單位) 光機電暨材料研究所 本計畫主持人姓 林正雄 職 稱 教 授 名 中 文 煉鋼集塵灰之利用研究 本 計 畫 A study for the utilization of steel furnace’s fly ash 英 文 名 稱 全程執行期限 自民國 97 年 8 月 1 日起至民國 100 年 7 月 31 日 研究學門 代 碼 名 稱(如為其他類,請自行填寫學門) (請參考國科會專 E8 金屬及陶瓷材料 題計畫之學門專長 代碼 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 填寫) 研 究 性 質 ,應用研究 ?技術發展 3 1. 1. 合作企業名稱 2. 2. 負責人姓名 (個別型僅限一家) 3. 3. 計畫連絡人 姓名,林正雄 電話,(公) (05)2267125轉72201 (行動電話)0958-867-777 通 訊 地 址 621 嘉義縣民雄鄉建國路二段117號 (郵遞區號) 吳鳳技術學院光電所 (05)2067334 E-MAIL chlin@mail.wfc.edu.tw 傳 真 號 碼 計畫主持人簽章,_林正雄 日期,96年11月7日 二、申請補助經費總表 附件一 1. 請將本計畫申請書之第七項、第八項、第九項、第十項、及第十一項所列費用個別加總後, 分別填入「研究人力費」、「研究設備費」、「赴國外或大陸地區差旅費」、「出席國際 學術會議費」及「其他研究有關費用」欄內。 2. 管理費為申請機關配合執行本計畫所需之費用。 合作企業配合款 向本校申 研究計畫經費 總經費合計 請補助款 計畫經費合計 400,000元 400,000元 研究人力費 0元 研究設備費 400,000元 4 其他研究 0元 有關費用 赴國外或大 0元 陸地區差旅費 出席國際 0元 學術會議 管理費 0元 5 附件一 六、主要研究人力,分為「主持人」、「共同主持人」及「協同研究人員」等類別。 如本計畫為整合型計畫,總計畫主持人至少必須擔任一項子計畫主持人。 工作 在本研究計畫內擔任之 服務機構 總,子計主要研究人 姓 名 職稱 具體工作性質、項目及畫一、二、月數 力之類別三… ,系所 範圍 36 總主持人主持人 林正雄 光機電暨材教授 計畫之籌畫與監督、資及子計畫料研究所 料之分析,報告之撰寫 八 36 子計畫一 共同主持人 劉彥君 化工系 助理教授 負責分解集塵灰子計畫 36 子計畫二 共同主持人 張宏德 化工系 副教授 負責電解鉛鋅錠子計畫 36 子計畫三 共同主持人 劉忠文 化工系 請師 負責顏料用氧化鐵子計 畫 36 子計畫四 共同主持人 葉玉莉 明新科技大教授 負責電解氫氧化鐵子計 學化工系 畫 36 子計畫五 共同主持人 傳彥培 東華大學材副教授 負責鐵氧磁體子計畫 料系 36 子計畫六 共同主持人 葉翳民 光機電暨材助理教授 負責鐵粉表面之絕緣處 料研究所 理子計畫 6 36 子計畫七 共同主持人 侯春看 雲科大機械教授 負責鐵粉之成型及燒結 系 子計畫 36 子計畫九 共同主持人 張耿魁 光機電暨材助理教授 負責磁阻馬達、控制器 料研究所 及驅動器之製作 主持人執行中之研究計畫。 補 助 或 申請(執行) 計畫內擔任計畫名稱 姓 名 起迄年月 ,本校補助者請註明, 工作 委託機構 情 形 95.8~97.7 林正雄 電漿法製作鐵粉及鐵芯主持人國科會執行中 96.5~97.4 林正雄 電解製作馬口鐵所產生陽主持人國科會小產學執行中 極泥之利用研究 96.7.15~97.從錫銀銅廢焊錫渣分離銀之林正雄 主持人 友鴻公司執行中 7.14 研究 96.7.15~97.林正雄 型沸石之研製主持人 聯鴻公司執行中 A 7.14 96.7.20~97.林正雄 由廢鋁箔包製作氮化鋁之主持人 瑞大鴻公司執行中 7.19 研究 96.8~97.7 林正雄 電子材料學程主持人 勞委會執行中 八、研究設備費, 附件一 1. 類別分為儀器、圖書、資訊軟硬體或其他等。 2. 設備名稱欄內請填寫儀器、資訊軟硬體或書籍雜誌期刊等之中文/英文名稱。 3. 說明欄內請詳細填寫設備之規格、製造廠商、型號及用途,以利審查,若為圖書設備,則於說明 7 欄內填寫作者姓名、出版社及出版日期。 4. 購置設備單價在新臺幣二十萬元以上者,須檢附估價單。 經費來源 設備名稱 類 別 說 明 數量 單 價 金 額 本校補助經廠商配合(中文/英文) 費需求 款金額 量測磁性材料的磁滯 1 400,000 400,000 400,000 儀器 磁滯曲線分析儀 無 曲線 400,000 400,000 合 計 8 附件一 十二、計畫中文摘要,請於五百字內就本計畫要點作一概述,並依本計畫性質自訂關鍵詞。 關鍵詞,集塵灰、濕法冶煉集塵灰、磁阻馬達 本計畫一共包含九個子計畫,擬以濕法冶煉煉鋼集塵灰,開發其用途。煉鋼集應灰是電弧爐煉鋼時集應袋所收集的粉末,台灣每年有十萬噸左右,全世界每年有數百萬噸。集應灰的主要成份為鐵、鋅、鉛、錳的複合氧化物,由於鋅及鉛是有毒成份,如不處理,對環境將產生很大的危害。目前各國所採用的方法是用火法冶煉,其處理方法為把集應灰放在旋窯中以還原氣氛煅燒,使鉛鋅蒸氣蒸發分離,此方法所得之產品為含有鉛鋅鐵之氧化物,只能當做鉛鋅礦冶煉,利用價值不高。本研究採用濕法冶煉,用濃硫酸把集塵灰分解,成為含鋅、鉛、鐵、錳離子的水溶液,此水溶液再經電解,得鋅錠、鉛錠、二氧化錳、及氫氧化鐵。氫氧化鐵將再製成鐵氧磁體鐵芯、顏料用氧化鐵及電解鐵粉。電解鐵粉將再予利用,做絕緣處理,再經成型及燒結,製成馬達及變壓器用的鐵芯,再繞以銅線,裝配成磁阻馬達及變壓器。磁阻馬達再裝上自行開發的控制器及馬動驅動器,變成可以使用的馬達。 本計畫的特點如下, (1) 採用濕法冶煉,充分利用集塵灰內的各成份,經濟價值較高, (2) 使用粉末冶金法以製造馬達及變壓器的鐵芯,有別於傳統的矽鋼片疊片法,較省鋼片 及銅線,也較省能源, (3) 本計畫擬開發磁阻馬達,此馬達結構簡單,是所有馬達中效率最高的,採用此馬達可 以節省能源。 9 10 十四、研究計畫之背景及目的, 附件一 請詳述本研究計畫之背景、目的、重要性以及國內外有關本計畫之研究情況及技術評估,計畫創新重點,含技術提升指標、效益、實務應用與潛力,,重要參考文獻之評述等。如本計畫為整合型計畫,請說明其產業之共通與迫切的需求,並附上產業公會或二家以上合作企業所提供之相關資料。 11 煉鋼集塵灰是電弧爐以廢鐵為原料,煉鋼時所產生的煙塵經收集袋收集而得。因廢鐵中常有鍍鋅,故煙塵中大約含鋅約(21%),其他主要元素有鐵(31%)、氧(30%)、錳(3%)、鉛(1.5%)的氧化物等,其餘為鉀鈉矽铝鈣鎂氯硫等少量元素。集塵灰內有大量的鋅及鉛,且體積鬆散,數量龐大,國內每年有十萬噸之多。集塵灰如隨意丟棄將到處飛揚,其鉛及鋅被雨水溶出後將污染地下水、河川及海洋,故集塵灰被列為有害的廢棄物。 集塵灰的處理在國內及國外都是困優多年的問題,早期國內的煉鋼煙塵採用掩埋處理,因掩埋後的煙塵,仍然會被雨水溶解,污染還是持續產生,故民國八十四年結合十二家煉鋼廠集資五億元,設立一年能處理量為七萬噸的集塵灰處理廠。此處理廠採用旋窯還原法,把氧化鋅還原成鋅蒸氣,以和其他成份分離,此鋅蒸氣隨後又被氧化,產生氧化鋅。此處理廠每年可產生二萬多噸的氧化鋅。由於所產生的氧化鋅內含有多量的鉛及鐵,故無法當商品級的氧化鋅販售,只能販售到國外,提供給煉鋅廠當原料使用,經濟價值不高。由於台灣鋼聯的處理量不足,目前中鋼及束和鋼鐵計畫成立一家子公司,專間處理其公司的集塵灰。 集塵灰除了用台灣鋼聯使用的火法外,國外有些廠家使用濕法冶煉,其方法為把集塵灰用硫酸溶解,所得硫酸鋅經純化後,再用電解法製得鋅錠。由於集塵灰內除了含有氧化鋅、氯化鐵外,尚含有大量的錳鋅系鐵氧磁體(MnZnFe:)。此鐵氧磁體非常穩定,不溶於,,,x24 稀硫酸,但可溶於濃硫酸,為避免鐵被溶出,濕法處理集塵灰時,都避免使用過濃的硫酸,但此也造成鋅溶解不完全,通常鋅的溶解率只有75%左右,剩下的鋅及全部的鉛仍在溶剩的殘渣內,當此殘渣掩埋時,仍然造成污染問題。 無論火法及濕法,占集塵灰最大成份的鐵都是丟棄,未予利用,造成二次污染。鐵為製造變壓器、馬達鐵芯、高頻電感器等電器用品不可缺少的材料。由於鐵的低電阻造成渦流損失,故馬達及奱壓用鐵芯採層層絕緣方式,並加入少量矽以滅少渦流損。高頻電感器則採用鐵粉芯,把鐵粉做表面絕緣然後壓成鐵芯,或改用電阻較高的鐵氧磁體材質。目前國內粉末冶金業者所需的鐵粉全部靠進口,每年有大約有十多萬噸,其大部份都用以製作機器零件,此鐵粉內含有碳,並不適宜做電氣用品的鐵粉使用。電磁零件用鐵粉以電解鐵粉的品質最佳,因此不含碳。電解鐵粉的製作分為酸法及鹼法二種,鹼法較困難,但成品品質較佳,可壓縮性良好,本計畫擬使用粉末冶金法製作鐡芯以取代矽鋼片。以粉末冶金法製作的鐡芯較省鋼材,也較省銅線。氧化鐵顏料也是製造油漆不可缺少的原料,鐵器塗上含有氧化鐵的油漆後,氧化鐵扮演保護鐵器的角色。氧化鐵分為黃色氧化鐵、紅色氧化鐵、及黑色氧化鐵三種,國內每年用量相當大,全數靠造口。 磁阻馬達是目前所知效率最高的馬達,其優點還有結構簡單,轉速可任意控制,缺點是需要一個馬達驅動器及控制器,如果所有馬達都採用磁阻馬達,將可關掉1/4的發電廠,這在能源危機,油價高漲,溫室效應日益嚴重的今天,應該更受重視。本計畫將以自製的鐵芯,配上自行開發的馬達驅動器及控制器,裝配成可以使用的磁阻馬達。 12 13 十五、研究方法、進行步驟及執行進度, 附件一 1.總,子計畫分別採用之研究方法與原因。 2.預計可能遭遇之困難及解決途徑。 3.如為須赴國外或大陸地區研究,請詳述其必要性以及預期成果等。 本計畫擬使用濕法提煉集塵灰,採用前人所未使用的濃硫酸法。此法使用較高濃度及較高溫度的硫酸,把集塵灰內的主要元素鐵、鋅、錳、鉛都做有效利用。整個冶煉過程如圖一所示,濃硫酸把所有鐵、鋅及錳全部溶出,鉛則變成不溶性的硫酸鉛,仍然留在殘渣內。溶出的溶液用氫氧化鈉中和,使鐵產生氫氧化鐵沉澱,分離除去,剩下的溶液經添加鋅粉純化,除去少量鈷、鎳等雜質後,加以電解,陰極得鋅錠,陽極得二氧化錳。沉澱 o的氫氧化鐵再用濃氫氧化鈉溶解,再以90C的溫度下做鹼性電解,製得電解鐵粉。所得鐵粉再予絕緣處理,壓成變壓器、馬達鐵芯、高頻電感器用鐵芯,最後繞銅線,組裝成馬達、變壓器及電感器。本總計畫也以子計畫的形式,把擬把溶解集塵灰所得的含鐵、鋅、錳溶液,使用化學共沉法,製成錳鋅系鐵氧磁體粉末,再製成鐵芯。本總計畫的另一子計畫擬以計畫所產生的氫氧化鐵,製成色料用氧化鐵。本計畫的另一子計畫是研發磁阻馬達,把其他子計畫所製作的鐵芯,加上子計畫自行開發的馬達控制器及驅動器及控制器,組裝成磁阻馬達。各子計畫間的關係如圖二所示。 14 15 集塵灰(ZnO, ZnCl, Zn(OH)•0.25HO, FeO, PbO, CrO, 附件一 22223223 MnZnFe:,CaCO, MgCO, AlO, SiO, NaCl) ,,,x2433232 NaOH HSO 濾渣(AlO, SiO, 濾渣 Ca(OH), AlO, 24232223 CrO, PbSO, CaSO) CrO, SiO 2344232溶解及過濾 溶解及過濾 濾液 濾液 (ZnSO, MnSO, Fe(SO) (NaPbO, NaSO) 44243 2324 Ca(OH)CaSO 2 4 NaOH 除硫酸根 中 和(pH=4) 鋅粉 濾液 過 濾 純 化 電 解 ZnSO, 4 濾渣 Fe(OH) ZnSO, MnSO, 344 NaOH 溶 解 電 解 鉛 錠 陰極 陽極 o 電解(90C) 鋅錠 二氧化錳 電解鐵粉 粉末絕緣處理 絕緣鐵粉 成 型 鐵芯胚體 燒 結 鐵芯 成型 控制及 裝 配 16 成型 驅動電路 馬達成品 圖一 集塵灰的冶煉過程 17 參、整合之必要性及整體分工合作架構 附件一 本計畫包含九個子計畫,分為原料製造、中間產品開發及終端產品開發三階段,分屬 化工、材料、機械、電機等領域,由總計畫主持人負責協調整合。 圖二 各子計畫間的關係 子計畫一,把集塵灰內子計畫二,把過濾的含子計畫六,把子計 的鐵、鋅、錳、鉛等元鋅鉛錳濾液分離及電畫五所得的絕緣 素釋放出來,經中和及解,製成鋅錠、二氧化鐵粉製成馬達及 過濾得濾渣氫氧化鐵 錳及鉛錠 變壓器鐵芯,並組子計畫五,把子計畫一所子計畫三,把子計子計畫四,把子計 成馬達及變壓器。 得的含鐵、鋅、錳離子溶畫一所得的氫氧化畫一所得的氫氧化 液利用化學共沉法製成錳鐵製成顏料用氧化鐵在強鹼中高溫電 鋅系鐵氧磁體鐵芯 鐵 解,製成電解鐵粉 子計畫六,把子計子計畫七,把子計 畫三所得的電解鐵畫五所得的絕緣 粉做絕緣處理 鐵粉製成高頻用 高感器,並繞以銅子計畫八,把子計畫子計畫七,把子計畫子計畫九,把子計畫六 線,製成電感器。 七所得的鐵芯,裝配六所得的絕緣鐵粉製所得的絕緣鐵粉製成高 成馬達,並開發馬達成馬達及變壓器鐵頻用高感器,並繞以銅 之控制器及驅動器。 芯。 線,製成電感器。 18 各參與計畫間分工情形 附件一 本計畫研究時間預定三年,每一子計畫每年所擬的研究內容如下表所示。 計所計畫內容 主 畫屬 持 項領第1年 第2年 第3年 人 目 域 劉使用濃硫酸與集塵灰反應,把集研究硫酸鋅溶液的純化子化 研究硫酸鋅溶液的純化計彥應灰內的鐵、鋅、錳、鉛等離子技術改變反應參數以提畫工 技術,並提高其效率 一 君 釋放出來, 高回收率 張以電解得鋅錠、鉛錠及以電解得鋅錠、及鉛錠及子化 以電解得鋅錠、鉛錠及二氧化計宏二氧化錳,研究如何提二氧化錳,研究如何提高畫工 錳。 二 德 高其純度 其效率 把子計畫一共沉所得的氫氧化由氫氧化鐵製造顏料用由氫氧化鐵製造顏料用子 劉鐵製成顏料用紅色氧化鐵、研究黃色氧化鐵研究溫度對黑色氧化鐵,研究溫度對計 化 忠溫度對氧化鐵粒徑及吸油率的氧化鐵粒徑及吸油率的氧化鐵粒徑及吸油率的畫 工 文 影響,添加劑對氧化鐵的色澤的影響,添加劑對氧化鐵影響,添加劑對氧化鐵的三 影響。 的色澤的影響。 色澤的影響。 子 葉把子計畫一共沉所得的氫氧化電解時研究添加劑的添計 化 研究電解鐵粉製程的改 玉鐵在高鹼性溶液中加熱電解,製加,製成含磷等對電氣特畫工 進 莉 得電解鐵粉。 性有益元素的鐵粉 四 子 傳 材 把子計畫一所得的含鐵鋅錳離調整共沉溶液的配方, 計研究鐵氧磁體粉末的燒 彥料 子溶液,利用化學共沉法製得錳以製得最佳磁性的鐵氧 畫結,以製得鐵氧磁體鐵芯 培 鋅系鐵氧磁體粉末。 磁體粉末。 五 子 葉把計畫二所得鐵芯做塗把計畫二所得鐵芯做塗計 材 把計畫四所得鐵粉做磷酸鹽表 翳佈氧化鋁表面絕緣處佈二氧化矽等表面絕緣畫料 面絕緣處理,製得絕緣粉末 民 理,製得絕緣粉末 處理,製得絕緣粉末 六 子把計畫五所得的鐵粉予把計畫五所得的鐵粉予 侯 計機 把計畫六所得的絕緣鐵粉做壓以成型及燒結,製成鐵以成型及燒結製成鐵 春 畫械 成馬達及變壓器用鐵芯 芯,並繞以銅線,製成芯,並繞以銅線,製成變 看 七 變壓器及馬達 壓器及馬達,測試其特 19 性。 把計畫五所得的絕緣鐵子把計畫五所得的絕緣鐵 林 粉壓成高頻用鐵芯,並予計把計畫七所得的絕緣鐵粉做壓粉壓成高頻用鐵芯,並 正電以燒結,並繞銅線,測試畫成高頻用鐵芯 予以燒結,並繞銅線, 雄 機 粉末粒徑和適用頻率的八 測試其特性。 關係。 子 把子計畫七所得的鐵芯裝配磁阻馬達,加上所開 張把子計畫七所得的鐵芯裝配成計電裝配成馬達,改進磁阻發的馬達控制器及驅動 耿馬達,開發磁阻馬達的控制器及 機 馬達的控制器及驅動器器,使成為一個可以使用畫魁 驅動器 的性能 的馬達 九 20 十六、預期完成之工作項目及具體成果, 附件一 1.執行期限內預期完成之工作項目。 2.對於產業界、國家發展及其他應用方面預期之貢獻。 3.對於參與之工作人員,預期可獲之訓練。 4.本計畫如為整合型計畫,請就以上各點,對總計畫與各子計畫之內容與子計畫相互間的關連性 提出說明。 本總計畫所要研究的範圍相當廣,從原料的開發到製成最終產品,項目繁多,分跨化工、材料、機械、電機等領域。故分成九個子計畫,分由不同專長的人士負責研發。由於國內每年所產生的煉鋼集塵灰有十萬噸之多,利用這些集應灰製成各種產品後每公斤以一百元計畫,每年所產生的價值有新台幣一百億元以上,產生很多新的就業機會。本計畫不僅有學術價值,而且有經濟價值,本計畫的施行,可以訓練很多人才。 項目 預期成果 本計畫擬從集塵灰中提煉鋅錠、鉛錠、二氧化錳、並擬從集塵灰的學術研究 含鐵成份製造馬達、變壓器的鐵芯、及高頻電感器鐵芯,方法新穎,如:學術專書、期刊論文 故能出版很多論期刊論文。每年可以有多篇論文在SCI或EI的期刊 發表(這是本研究團隊的每年的產出水準)。 本計畫能把每年十萬噸的集塵灰,從有害的廢棄物變成有用的資社會影響 源,不僅減少環境的污染,且產生新的經濟效益,對社會經濟有巨如:示範計畫、政策參考 大的貢獻 技術發展 本技術發展所產生的經濟效益,保守估計成品以一公斤一百元計如:技術規範、專利衍生 算,每年十多萬噸的集塵灰可以產生一百億元的經濟效益。 成果移轉 本技術發展因所產生的產品種類相當多,有很多家公司有興趣轉 21 (請列舉移轉對象,如政府移,例如台灣鋼聯公司、中鋼公司、鐵研公司、瑞大鴻公司、友鴻 部會、研究單位或產業界) 公司等。 22 23