2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of visualization technology for raw material softening behavior in high temperature process aiming for sustainable low carbon ironmaking
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15H04168
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
大野 光一郎 九州大学, 工学研究院, 准教授 (50432860)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
助永 壮平 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (20432859)
夏井 俊悟 北海道大学, 工学研究院, 助教 (70706879)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 金属生産工学 / シミュレーション工学 / 製造プロセス / 高温融体 / 可視化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
変わりゆく原料事情に対応しながらCO2排出量削減技術を実現するためには、化学反応のみならず物理現象の側面から見た高炉内現象の正しい理解が必要不可欠であると言える。本課題では、高炉融着帯生成挙動解析システムによる震災起因木質系バイオマスの製鉄利用最適化研究 (課題番号24686084)」において申請者が開発した「革新的軟化溶融シミュレーター」と、本申請課題で構築する「高温融体物性その場測定システム」を組み合わせ、それらの知見をフィードバックして作成する「粒子法による数値シミュレーションモデル」により、持続型低炭素製鉄を目指した高温プロセス内原料軟化融着挙動可視化技術を開発することを目的としている。
平成28年度は、各担当者により以下の点が明らかとなった．
九州大学の大野により、革新的軟化溶融シミュレーターとマイクロCT撮影を組み合わせた、窒素ガス流通条件下球状黒鉛充填層内における試薬スラグの溶融挙動を評価が行われ、ガス最大圧損を示す時点において形成される通気路の形状とガス圧力損失値についての相関関係が示唆された。東北大学の助永により，スラグの表面張力に及ぼすガス組成の影響についての評価手法の再検討を行なわれ、本課題では、粘度の高いスラグにも対応できる点でリング引き上げ法よりも静滴法または懸滴法が適当であることが明らかになった。また、既存のモデルを利用した試薬スラグの表面張力の推算を行い、酸化鉄を含まない高炉炉下部のスラグ組成においては、大気中で測定された実測値をおおよそ再現できることが確認された。北海道大学の夏井により、コークス等製鉄原料の持つ複雑な座標情報3Dデータを抽出され、DEMシミュレーションに供することで、高炉下部充填層の境界条件が得られた。さらに局所的な滞留液滴量と粒子形状との関係性を見出された。
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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
これまでに各担当者により以下の点が明らかとなった．
九州大学の大野により，H27年度に革新的軟化溶融シミュレーターとマイクロCT撮影を組み合わせた，窒素ガス流通条件下黒鉛粒充填層内における試薬スラグの溶融挙動を評価が行われ，スラグの表面張力が充填層内のガス圧力損失挙動に及ぼす影響についての相関関係が示唆された．H28年度には，ガス最大圧損を示す時点において形成される通気路の形状とガス圧力損失値についての相関関係が示唆された．
東北大学の助永により，H27年度に高炉系スラグの表面張力が大気中で測定され，表面張力の発現メカニズムを融体表面の構造モデルとともに提案された．また，酸化物融体の表面張力に関する文献調査が行われた結果，スラグの表面張力は気相組成に依存することが明らかにされた．H28年度には，スラグの表面張力に及ぼすガス組成の影響についての評価手法の再検討を行なわれ，本課題では，粘度の高いスラグにも対応できる点でリング引き上げ法よりも静滴法または懸滴法が適当であることが明らかになった．また，既存のモデルを利用した試薬スラグの表面張力の推算を行い，酸化鉄を含まない高炉炉下部のスラグ組成においては，大気中で測定された実測値をおおよそ再現できることが確認された．
北海道大学の夏井により，H27年度に粒子法による固液混相流解析手法として，任意形状の剛体運動を追跡可能な離散要素法(RB-DEM)と弱圧縮性を導入し数値的に安定化したWC-MPSおよびWC-SPHのカップリングが行われた．H28年度には，コークス等製鉄原料の持つ複雑な座標情報3Dデータを抽出し，DEMシミュレーションに供することで，高炉下部充填層の境界条件が得られた．さらに局所的な滞留液滴量と粒子形状との関係性を見出された．
さらにH28年度は国際会議をフィンランドにて共催しており，本課題は概ね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、各担当者が以下の検討を行う．
九州大学では実際の製鉄原料コークスを用いて、複雑な形状を有する炭材の充填状況を再現し，ガス圧力損失に直接関係するガス流通路の形状測定を行うことで、粒子法における数値シミュレーションへのフィードバックを試みる。また軟化溶融スラグの表面張力に及ぼす雰囲気の影響を調査することを目的として窒素ガス以外のガスを流通させた測定を試みる。さらにコークスに含有される灰分が軟化溶融スラグの炭材への濡れ挙動に及ぼす影響にも注目した整理を行う．
東北大学では融体物性測定として、雰囲気制御可能な表面張力測定システム(手法：静滴法、基板:黒鉛またはBN)の構築を試みる。高炉下部充填層で生成するスラグの表面張力測定に先立ち、構造が単純な２、３のモデルスラグ(CaO-Al2O3系やNa2O-SiO2)を対象として、酸化物融体の表面張力に及ぼすガス組成の影響について明らかにする。また、高炉下部充填層で生成するスラグの測定についても試みる予定である。
北海道大学では高炉下部充填層を対象として、ソリューションロス反応と表面磨耗等を考慮したコークスベッドの非定常構造解析を新規に試みる。原料劣質化による鉱石組成変化による融体物性への影響を鑑み、融体のトリクルフロー特性について調査を行う。具体的には、塩基度、Al2O3濃度などスラグ組成による影響について、流下速度、液滴分散、ホールドアップの観点から各物理量の関係性を見出すことを目的とした数値的ケーススタディを試みる。
さらに本年度までの研究成果を踏まえて，更なる発展研究を目指して研究計画最終年度前年度の応募申請を行うべく各担当者間で綿密な議論を行う．
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