| 研究課題/領域番号 |
22K04792
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26060:金属生産および資源生産関連
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| 研究機関 | 八戸工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
新井 宏忠 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (70770965)
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| 研究分担者 |
森 大祐 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (50451539)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2025年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | 介在物 / 界面捕捉 / 液液界面 / 速度定数 / 金属素材清浄化 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
金属素材中の非金属外材物は最終製品品質に悪影響を及ぼすため、溶融金属中から除去するための技術が開発されている。そのためには介在物の動力学的挙動の理解が必須であり、これらをモデル化してプロセスシミュレーションに適用し、新プロセスの開発や操業条件の最適化が図られている。しかしながら、非金属介在物の異相界面（溶融金属／スラグ、溶融金属／耐火物界面など）における速度論的介在物挙動はほとんど進んでおらず、フィッティングパラメータとして扱われているのが現状である。そこで本研究は、介在物の異相界面における介在物捕捉に関する速度論的挙動を解明し、プロセスシミュレータの高度化に資する理論モデル構築を目指す。
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| 研究実績の概要 |
非金属介在物が最終製品中に残留することで、鋼材の強度や加工性などに悪影響を及ぼすことはよく知られている。そのため、溶鋼中から可能な限り介在物を除去し、清浄度を高める処理は必須である。最も基本的な除去は密度差による浮上分離である。この過程において、浮上した介在物は溶鋼スラグ界面で捕捉、吸収されると考えられているが、速度論的に扱った研究は乏しい。そこで本研究では、水モデル実験により介在物の界面捕捉挙動を速度論的に調査し、界面捕捉モデルとの比較、検証を行った。
界面捕捉モデルにより、界面捕捉速度定数に関する新たなモデル式を導出した。実験と比較した結果、粒子径や乱流エネルギー消散速度の依存性はモデル計算値と良好な一致を示した。従来は、粒子自身の浮上速度でもって液液界面に捕捉されると考えられてきたが、この仮定では実験値を表すことができなかった。新モデルでは、界面への乱流拡散も加味しており、粒子の浮上および乱流拡散の重畳によって界面に捕捉されるとしている。この考えに基づくモデルでは、実験値とよく一致した。これは界面捕捉は単なる粒子の浮上速度では決まらず、乱流拡散の影響も無視し得ないことを示している。実操業では比較的強い乱流状態であるため、これまでの仮定およびその評価では精度が保証されていなかった可能性がある。
また、新たに判明したこととして、粘性や界面張力、粒子の濡れ性の関係で界面捕捉速度が変化することが見出された。これは昨年度までのモデルではすべて説明できず、モデルの改良が必要であることを示唆している。
なお、上記の界面捕捉モデルは液液界面を対象にしたが、さらに固体界面における新モデル式も合わせて導出した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
固体界面に対する検証実験に遅れが生じている。
界面捕捉速度が非常に小さいため、実験ではその変化を検出できないためである。よって、純理論的に検討するにとどめ、液液界面の界面捕捉挙動に注力する。
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| 今後の研究の推進方策 |
液液界面のみでも当初想定していなかった現象が確認されている。液液界面での界面捕捉挙動の界面およびそのモデル化でも十分な成果が得られると判断し、液液界面のモデルおよびその検証実験に注力する。
今年度は溶融金属系の実験を予定しており、水モデル系、溶融金属系の実験データと合わせてモデルの検証を実施する。また、必要があればモデルの精緻化を図る。
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