| Project/Area Number |
23K17810
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
夏井 俊悟 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (70706879)
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| Project Period (FY) |
2023-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
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| Keywords | 鉱石 / 高温変形 / 3D-CTスキャン / Shape Matching Dynamics / 反応性流体 |
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| Outline of Research at the Start |
金属鉱石を溶融・還元して純金属を獲得するプロセスは、急速な資源劣質化とCO2排出実質ゼロ社会実現のため転換点にあります。本研究では、マイクロフォーカスX線CTおよび3D再構成技術により鉱石の高温での反応と変形を含む挙動を高精細に計測し、現実の鉱石の複雑な情報を数理シミュレーションに組み込んで、近年の急速な鉱石資源トレンド変化において迅速に対応できる数理モデル技術構築を目指します。具体的には、鉄焼結鉱を主なターゲットとして、その内部の不均一性を高精細に3次元データ化した上で、形状制約に基づく変形追跡を行うShape Matching Dynamicsの適用可能性を模索します。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、金属資源の高温挙動の統合的理解を深化することを目的に、観測データと数理モデルをつきあわせモデルの確からしさを向上させる試みである。本年度は、複雑な気孔と高温還元挙動を示す鉄鉱石の焼結鉱およびペレットを対象に、種々の予備還元焼結鉱の荷重下での融着現象を対象とした変形試験を実施した。得られた試料に対して、マイクロフォーカスX線CTによる3D再構成技術を適用して還元・変形を含む金属鉱石高温挙動を高精細に計測した。特にペレット粒子群の高温挙動については、本年度長期滞在したオランダ・デルフト工科大学において大規模実験を実施したのち、産業用高エネルギーX線CT撮像を実施した。鉱石内部の不均一性を密度分布として高精細に3次元データ化したのち、融着現象を非Newton流体の運動方程式で表現し、これを平滑化粒子流体力学(SPH)法を用いて解き、還元生成した鉄シェルについては形状制約に基づく線形補間で連続体変形を追跡するShape Matching (SM) Dynamicsを適用して高温での挙動を解析したところ、以前の手法よりも高い再現精度を示した。初期・境界条件としての任意形状の焼結鉱粒子内コア・シェル構造を決定する必要があり、現在は、反応拡散方程式をモデル解析することでこれを推定している。CT値分布から焼結鉱粒子内部の比較的粗大な気孔形状を測定することはできるが、化学組成分布を得るには至らない。これは内部の広い気孔サイズの分布が影響している。フランス・INSA LyonにおいてX-CT条件の最適化を行っており、本法における印可電圧最適化を検討中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画調書にしたがって研究を進展させることができ、初年度としては十分な成果を上げたと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
塊成化した鉄鉱石を対象として、これを高温還元したときの化学組成分布の複雑な変化や、溶融(相変化)を伴った界面移動の実物融合シミュレーションに対する一つのアプローチを提言できた。一方、現在の課題として、鉄鉱石粒子間の相互作用を明示的に解くことが出来ないことが浮き彫りとなった。特に還元生成した鉄シェルが互いに接触したときの界面を電子プローブアナライザ(EPMA)で観察したところ、還元された鉄の網目構造が溶融スラグを介して合体し、境界が曖昧となることを物理モデル化できていない。計画調書段階ではこの現象については対象にしていなかったが、2024年度は再度デルフト工科大学に長期滞在して昨年と同様にサンプルを取得し、詳細なデータを可能な限り多く収集する。また、INSA Lyonにおける単一鉱石のX-CT分析における出力最適化も、現地技術者のサポートを得ながら継続して取り組む。数値シミュレーションについては、SM-SPHの枠組み以外にも高精度に複雑な固液共存系の高温挙動を解く手法が提案されており、その検討を行う。還元剤としてCOガスのほか、近年の環境問題への取り組みとして注目されるH2ガスの影響を調べる。本アプローチの応用拡大として、銅鉱石は粉体のまま還元プロセスに供給されるが、燃焼を伴う銅鉱石粉体の高速な変形過程についても検討を深める。
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