2018 Fiscal Year Annual Research Report
溶鉄‐溶融スラグ間の化学反応による界面張力変化の機構解明と定量的推算モデルの構築
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17H03437
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
田中 敏宏 大阪大学, 工学研究科, 教授 (10179773)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 賢紀 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (20610728)
中本 将嗣 大阪大学, 低温センター, 助教 (80467539)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 金属生産工学 / 界面自由エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
溶鋼‐溶融スラグ間において化学反応が生じる際の界面張力の低下に及ぼす酸素の界面への過剰吸着・脱離の影響を解明するための研究を進めている。具体的には、溶融スラグ中のSiO2等の各種成分の還元、溶鋼中に移行した酸素と溶鋼中のAlの反応に焦点を当て、溶融フラックス中のSiO2等の各種成分の活量を変化させた物質系を利用して、溶鋼表面上に、溶融スラグ液滴を滴下させた後の、両者の接触角の変化から、界面張力の動的変化に関する情報を実験的に求め、界面張力の動的変化に及ぼす化学反応の影響に関する実験結果を系統的に蓄積した。特に、界面への酸素の過剰吸着・脱着に影響を及ぼすと考えられる溶融スラグ中の硫黄の影響を調べるために、系統的に溶融スラグ中の硫黄濃度を変化させ、界面への吸着性元素の影響を系統的に調べ、溶鋼‐溶融スラグ間の界面張力の低下に及ぼす化学反応の影響が、界面への吸着元素に起因することを解明するための実験を行った。また、高温反応下における界面の動的変化の様子をレーザー光と高速カメラを利用して直接観察できる実験環境を整えた。さらに上記で得られた情報などを基にして、溶鋼‐溶融スラグ間の界面張力の低下に及ぼす化学反応の影響が酸素の界面への吸着・脱離によることを明確にするための定量化モデルの導出、ならびに計算プログラムの作成を行った。具体的には、溶融スラグ中の主としてSiO2が解離して、SiとOが溶鋼‐溶融スラグ界面を溶融スラグから溶鋼に向けて移行する際に、Oだけは界面に一時的に吸着停滞した後、徐々に脱離、または溶鋼中のAlと反応して酸素の界面濃度が低下し、化学反応が生じている際の一時的な界面張力の低下現象を定量的に説明できるモデルを導出した。比較的単純な溶鋼・溶融スラグ組成から始め、さらに多成分系に拡張し、実用鋼・溶融スラグにも適用できる計算プログラムを作成した。
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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
溶鋼‐溶融スラグ間の界面張力の低下に及ぼす酸素の界面への吸着・脱離の影響を解明するために、溶鋼表面上に、溶融スラグ滴を滴下させた後の、両者の接触角の変化から、界面張力の動的変化に関する情報を実験的に求め、界面張力の動的変化に及ぼす化学反応の影響に関する実験結果を系統的に蓄積した。特に、溶融スラグ中のSiO2濃度を変化させて、塩基度ならびにそれに伴う粘度を変化させ、化学反応中に溶鋼‐溶融スラグ間の界面張力が動的に変化する様子を精度よく計測した。さらに、界面への酸素の吸着・脱着に影響を及ぼすと考えられる溶融スラグ中の硫黄の影響を調べるために、系統的に溶融スラグ中の硫黄濃度を変化させ、界面への吸着性元素の影響を系統的に調べ、溶鋼‐溶融スラグ間の界面張力の低下に及ぼす化学反応の影響が、主として界面への吸着元素に起因することを明確にする実験を行った。その結果、溶融スラグ中の硫黄は界面張力の低下に寄与し、さらに、溶融スラグ中の硫黄濃度が増加すると、界面における硫黄濃度が不均一であるために、局所的に界面張力が大きな部分と小さな部分が生じ、その結果マランゴニ流動が誘発されて、界面が非常に乱れることが明らかとなった。言い換えると溶融スラグ中に硫黄が含まれる場合には、溶鋼‐溶融スラグの界面を平滑に保つことが難しくなり、溶融スラグの溶鋼への巻き込みの原因になりうることを明らかにした。
さらに上記で得られた情報などを基にして、溶融スラグ中の主としてSiO2が解離して、SiとOが溶鋼‐溶融スラグ界面を溶融スラグ側から溶鋼側に向けて移行する際に、Oだけは界面に一時的に吸着停滞し、界面濃度の増加と共に界面張力が低下し、その後、徐々に脱離、または溶鋼中のAlと反応して、酸素の界面濃度が低下し、化学反応が生じている際の一時的な界面張力の低下現象を定量的に説明できるモデルを導出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
溶鋼‐溶融スラグ間の界面張力の低下に及ぼす酸素の界面への吸着・脱離の影響を解明するために、溶融スラグ中のSiO2、B2O3ならびに硫黄成分の還元、溶鋼中に移行した酸素と溶鋼中のAlとの反応に焦点を当て、溶融スラグ中のSiO2、B2O3ならびに硫黄成分および溶鋼中のAlの活量を互いに変化させた物質系を利用して、溶鋼表面上に、溶融スラグ滴を滴下させた後の、両者の接触角の変化から、界面張力の動的変化に及ぼす化学反応の影響に関する実験結果を系統的に蓄積する。特に、界面への酸素の吸着・脱着に影響を及ぼすと考えられる溶融スラグ中のボロンの影響を調べるために、系統的に溶融スラグ中のB2O3の濃度を変化させ、界面への吸着性元素の影響を系統的に調べ、溶鋼‐溶融スラグ間の界面張力の低下に及ぼす化学反応の影響が、主として界面への吸着元素に起因することを明確にする実験を行う計画である。さらに溶融スラグ中の主としてSiO2とB2O3が解離して、Si、BとOが溶鋼‐溶融スラグ界面を溶融スラグ側から溶鋼側に向けて移行する際に、Oだけは界面に一時的に吸着停滞し、その後、徐々に脱離、または溶鋼中のSiよりも酸化性の強いAlやTiと反応して、酸素の界面濃度が低下し、化学反応が生じている際の一時的な界面張力の低下現象を定量的に説明できるモデルを導出する計画である。その後、多成分系溶融鉄合金ならびに多成分系溶融スラグ系への本モデルの拡張を進めるために熱力学データベースとの連結を試みる計画である。具体的には、世界的規模で活用されている熱力学データベースとリンクできるインターフェースを作成し、上記で作成した計算プログラムと連結させ、溶鋼‐溶融スラグが反応する際の両相中の成分変化を計算するとともに、その際の界面張力の動的変化も同時に推算できるシステムの作成を試みる計画である。
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