2021 Fiscal Year Research-status Report

Numerical simulation of the erosion and the destruction of the refractories used in high temperature processes.

Research Project

Project/Area Number	21K04741
Research Institution	Waseda University
Principal Investigator	伊藤公久早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10159866)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	耐火物 / 溶損現象 / 高温プロセス / 粒子法 / 乾燥破壊 / 溶解モデル
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，耐火物の長寿命化に資する基礎的研究として，耐火物の溶損と破壊現象について，精度の高い予測モデルの開発を目的とした以下の二つの研究を実施した。研究 Ⅰ：溶銑，溶鋼用の耐火物に関する，粒子法を用いた溶損シミュレーションプログラムの開発。研究 Ⅱ：キャスタブル（不定形）耐火物の乾燥破壊現象シミュレーションプログラムの開発。本年度は新たな高速ワークステーションを導入し，高速かつ大規模な計算が可能となった。主たる成果は以下の通りである。研究 Ⅰ：固体の液体への溶解モデルを作成し，シミュレーションモデルを開発した。検証実験として，アクリル製の水槽に純水を充填し，ショ糖を原料として作成した円柱状の飴を浸漬させ，様々な速度で回転させ，ビデオ観察及びサンプリングによって形状変化と溶解速度を測定した。その後，シミュレータとの対比を行い，物質移動モデルおよび拡散モデルの各パラメータを調整することによって，実験結果を再現することができた。また，今後の実験におけるパラメータチューニングに活用するために，静止液体中を落下する固体の溶解シミュレータを別途開発し，その作動に問題がないことを確認した。研究 Ⅱ：乾燥破壊現象の解析には粒子法を用いた。各粒子の応力を，粘性項，弾性項，塑性項のそれぞれに分割し，対応する支配方程式を連成して解を求め，降伏応力を超えた時点で破壊が生じると考え，数十万粒子のスケールで計算を行うことのできる解析プログラムを作成した。一方，炭酸カルシウム－水系をモデル物質として，10cm×10cmの正方形ガラス容器に保持し，亀裂の発生及び進展の状況をビデオカメラによって連続撮影し，画像解析による定量化を行った。乾燥速度は，試料の重量変化を連続的に測定することで決定した。得られた実験結果はシミュレーション精度を検証するためのデータとして用いることのできる形で保存した。
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Ⅱにおいて若干の遅れが生じているが，ほぼ計画通りに進捗している。研究Ⅰでは，当初計画になかった静止液体中を落下する固体の溶解シミュレータの開発を追加して行った。研究Ⅰ：ショ糖と水を原料として作成した直径66φの円柱型ショ糖を，直径120φの円筒容器内中の純水に80mmの深さまで浸漬した後，100rpmの速度で回転させることにより，溶解実験を実施した。2分毎にショ糖円柱の質量と画像データを撮影することで，溶解速度と形状変化を測定した。またシミュレーションでは，計算資源の都合上，シミュレーションのスケールを実験スケールの40%に設定した。固液境界，および壁と液体境界では，境界上に粒子を配置しその粒子の速度を0に定めることによって，Dirichlet境界条件を設定した。計算を実行した結果，溶解速度，形状変化ともに実際の実験結果を十分に再現できることを確認した。さらにパラメータ検証のために，50×50×100の水浴中に，水面の直上から一辺10mm の立方体のショ糖を投入し，溶解速度と形状変化を計算するプログラムを完成させ，その動作を確認した。研究Ⅱ：シミュレーションには粒子法を用いた。ペーストを粒子とみなして，各粒子の応力を，粘性項，弾性項，塑性項のそれぞれに分割し，対応する支配方程式を連成して解を求めた。シミュレーションによるペーストの応力分布において，降伏応力を超えた時点で破壊が生じると考えて亀裂パターンを表示させた。セルの中心部分の応力が最も大きく, 亀裂に近づくにつれて応力が段階的に小さくなることが確認できた。計算結果を水-CaCO3ペーストにおける実験で得られた亀裂パターンと比較した結果，定性的な類似は確認することができた。しかし，計算ステップの進行に伴って，不安定な応力変動を示す粒子が増加したため，定量的比較及び亀裂発生の時間発展の確認はできなかった。
Strategy for Future Research Activity	研究Ⅰ：耐火物のスラグへの溶解をシミュレートするため，るつぼ中に溶解したスラグに耐火物円柱を浸漬して回転させる実験を行う。溶損量や耐火物形状を測定し，昨年度開発した溶解シミュレータを用いて実験結果を再現し，各種パラメータを決定する。さらに，実際の溶損はスラグ－メタルの境界近傍で発生しやすいことが知られているので，スラグおよびメタルという2つの異なる流体が同時に耐火物に接触する場合のシミュレータを開発が必要である。昨年度に完成させた固体溶解モデルを2相流モデルに組み込み，耐火物-スラグ-メタル系の3次元シミュレーションモデルを構築し，3つの相を異なる粒子で表現してシミュレーションを行う。スラグ中への各種耐火物の溶解度データが十分得られているとは言えないので，必要に応じ，るつぼ実験によって溶解度データを得る。当該耐火物性のるつぼ内にスラグを保持し，所定時間保持後に界面を分析し，溶解度を決定して計算用のデータとする。また，物質移動モデルの正当性を評価し，パラメータを検証するために，昨年度開発した静止液体中を落下する固体の溶解シミュレータを活用するために，水モデルを用いた検証実験を実施する。研究Ⅱ：昨年度開発したシミュレータの問題点である応力計算の不安定性を，Jaumann応力速度を用いた数理モデルの導入によって解決し，昨年度得られた実験結果と対比することによって，モデルの信頼性を検証する。その後，不定形耐火物の計算に適用するために，計算粒子数の増大を試みる。不定形耐火物の乾燥破壊現象の検証実験では，実際の不定形耐火物を用いてペーストを作成し，ペーストを小型の試料用平板に塗布して乾燥を行い，炭酸カルシウムペーストの場合と同様に破壊現象を観察して，計算結果との比較・検討を行うためのデータを収集する。