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高炉プロセスにおいて、安定で高効率な操業のためには高炉内ガス流れの制御が特に重要であり、ガス流れは炉内で積層された粒子挙動に大きく依存している。本研究では、高炉における相変化を伴う粒子挙動を解析するためのシミュレーションモデルの構築を目的とした。炉頂から挿入された粒子が積層により粉化し、加熱により軟化融着し、最終的に溶融する極めて複雑な粒子挙動を解析する手法を創成し、炉内ガス流れの解析と組み合わせることで高精度な高炉内通気性予測手法の開発を目指した。
粉化および軟化を伴う粒子挙動を解析する手法としてADEM(Advanced Discrete Element Method)を用い、溶融後の融液に関してはSPH(Snoothed Particle Hydrodynamics)を用いた。計算の妥当性を確認するため、単一の鉱石の溶融挙動を実験的に観察し、その挙動再現に成功した。昇温時における軟化現象の再現においては、ADEMの連結バネ定数を温度に応じて減少させることで再現できることがわかった。構築したシミュレーションモデルを用いて、より広範な条件が粒子挙動に及ぼす影響を明らかにするため、原料種類や粒子径、空隙構造などを変化させた数値解析を行った。粒子径分布が存在する系においては、軟化前の粒子充填構造では大粒子が構造を支え、大きな荷重がかかる一方で、軟化後の粒子充填構造では小粒子が空隙を埋めるように変形し、荷重に応じて空隙が減少していくことがわかった。得られた解析結果により、粒子充填層の高温荷重下における軟化変形および収縮挙動の予測が可能であることが示された。
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