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

2022 Fiscal Year Research-status Report

• 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。本年度はプログラムの大幅改良と新たなコールドモデル実験を行った。主たる成果は以下の通りである。
研究 Ⅰ：昨年度実施した，固体の液体への溶解モデルの精度をさらに向上させるために，新たな検証実験を行った。作年度までは，検証実験のスケールが大きすぎたため，実験と計算のスケールが異なっていた。この問題を解決するため，現有の計算能力で扱える範囲の大きさのコールドモデルを再度設計し，純水中でショ糖および食塩円柱を浸漬回転させ，形状撮影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。溶解速度は，連続的に求めることができるよう改良を加えた。また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ための実験装置を作成した。
研究 Ⅱ：乾燥破壊現象の検証実験では，炭酸カルシウムペーストを用いて乾燥破壊現象の観察と，層厚の変化に伴う亀裂現象の違いを観察した。その中で，炭酸カルシウムペーストの層厚の増加に伴い亀裂の平均的なセル面積が大きくなることが確認できた。また時間経過とともに亀裂が進展していくことが確認できた。薄い層の亀裂進展をシミュレートするために昨年度開発した解析プログラムでは，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するという問題が生じた。これを解決するため，計算プログラムの大幅な改善を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究室でのコロナ罹患が多発したため，進捗に遅れが生じている。このため，研究項目を絞り込んで，研究を進めている。
研究 Ⅰ：コールドモデル実験のショ糖と水を原料として作成した直径38φ（昨年度は66φ）の円柱型ショ糖および食塩を，直径90φ（120φ）の円筒容器内中の純水に浸漬した後，様々な速度で回転させることにより，溶解実験を実施した。ショ糖または食塩円柱の質量を連続測定し，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。実験スケールとシミュレーションのスケールを同じにして計算を実行した結果，ショ糖円柱については溶解速度，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。食塩円柱については，実験を継続中である。また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ための実験装置を作成した。
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することを試みた。その結果，検証実験と同様に時間経過とともに亀裂が進展していくことが観察でき，時間発展に関する問題は解決された。しかし，一次亀裂が形成され，その後に一次亀裂で形成されたセルが更に分解され二次亀裂が形成され，その後に三次亀裂が形成されるという亀裂の張力変化の再現ができなかった。

Strategy for Future Research Activity

研究Ⅰ：食塩円柱の溶解速度の測定を継続し，実スケールのシミュレーションによって，溶解度の大きなショ糖と，比較的小さい食塩に対して溶解モデルの確立と，溶解パラメータの決定を行う。耐火物の溶解速度を測定するため，直径約10mmの酸化物（SiO2，CaO，MgO）円柱を内径30mmの鉄るつぼ中に溶解したCaO-SiO2-FeO系スラグに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，実スケールでの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する。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。
研究Ⅱ：課題であった時間発展に関する問題は解決されたが，亀裂の張力変化の再現が十分にはできなかった。亀裂の判定に用いたミューゼス応力がスカラーを用いた式であるために，応力が正しく反映されていない可能性が考えられる。このため，応力計算にテンソルを用いて亀裂判定を行うことのできるプログラムを開発する。最終目的である不定形耐火物を用いた乾燥破壊現象の検証実験とシミュレーションを行う。実験ではセメントの薄いペーストを作り、破壊現象を観察する。コンピューターシミュレーションでは、厚みのある不定形耐火物ペーストに対応するため、粒子数を一万から数百万規模に増加させシミュレーションが可能なように改良を加える。さらに、シミュレーションプログラムに熱伝導方程式を連成し，蒸発速度を逐次求めながら応力計算を行って、加熱乾燥時の亀裂発生と時間発展をシミュレーションする。