博 士 （ 工 学 ） 酒 井 祐 介
学 位 論 文 題 名
濡れ性の悪い固体壁における気液界面の動的挙動に関する研究
(Study on dynamic behavior of gas‑liquid interface on poorly‑wetted solid wall)
学位論文内容 の要旨
西 山ら （統 計 データからみる地 球環境・資源工ネ ルギー論）によると ，2007年度に我が 国から排出 さ れ た 温 室 効 果 ガ ス の 約95パ ー セン ト を占 める 二 酸化 炭素 排 出量 は全 体 で13億tと をっ て おり ・ 排 出 量の 内訳 を 列挙すると，産業 部門から42.5パー セント，運輸部門か ら19．1)くーセン ト，業務そ の 他 から18.1パ ーセ ント ， 家庭 から13.8パ ーセ ン トが 排出 されており ，産業部門からの 排出量が最 も 大 きい ，さ ら に産 業部 門 での 業種 別の内 訳を見てみると， 最も排出量の多い のは，鉄鋼業(32パー セ ント）で，続いて化 学(11パ ーセント），機械（7パーセント），窯業土石(6.5パーセント）となってい る ． この 数字 か ら分 かる よ うに ，鉄 鋼 業は 日本 全 体の 二酸 化炭素排出 量の13.6パーセン トも占めて い る．鉄鋼業の中でも ，上工程に位置す る製銑，製鋼プロ セス分野による二酸化炭素排出量が大きく，
逼 迫 した 地球 環 境を顧みると，上 工程における二酸 化炭素排出量の削減 は喫緊の課題とな っている．
二 酸化 炭素 排 出量の削減には， プロセスの高効率 化が必要不可欠であ る．そのためには ，反応容器 内 の 化学 反応 お よび流動などの正 確を把握が必須と をるが，溶銑，溶鋼 は非常に高温であ り，実際の 反 応 容器 内を 直 接観察することは 困難である，そこ で、水を用いた水モ デル実験に基づく 研究が世界 的 に 活発 に行 わ れてきた．製鋼分 野を対象とした水 モデル実験では．反 応容器内の溶鋼や 吹き込まれ た ガ スの 流動 特 性を らび に 均一 混合 時 間を どに つ いて 様々 を有用を知 見が得られている ．しかし教 が ら ，そ れら は 主として，反応容 器内部の流れ場を 対象としており，容 器壁近傍を対象と した研究は 限 ら れて いる ． 容器壁近傍を対象 とする場合には， 溶鋼と耐火物の濡れ 性は悪いことから ，溶器壁の 濡 れ 性を 考慮 し をけれぱをらをい ，そこで，本研究 では今まであまり考 慮されてこなかっ た製鋼プロ セ ス に関 わる 濡 れ性に着目し，濡 れ性が影響すると 予想できる箇所，例 えば，気泡が耐火 物近傍を上 昇 す るRH脱ガ ス 装置 ，ス ピ ッテ ィン グ によ って 生 じた 溶鋼 滴が耐火物 に衝突する転炉， さらには脱 硫 剤 が溶 鋼に 侵 入す る溶 銑 予備 処理 装 置を どに 焦 点を あて ，可視化実 験および数値計算 によって固 体 壁近傍における気液 界面の動的挙動に ついて検討した．
本論文の構成を以下 に示す．
第 一章 では ， 我が国の鉄鋼業に おける二酸化炭素 排出量と今後の対策 ，それに関わるプ ロセスの高 効 率 化を 目的 と した 既存 の 水モ デル 実 験と 濡れ 性 につ いて 記述し，本 研究の意義と内容 について述 べ た，
第 二章 は， 鉛 直に設置した濡れ 性の悪い平板に沿 って上昇する気泡群 の動的挙動につい て，可視化 実 験 によ って 検 討したものである ．気泡の上昇速度 ，気泡の長軸長さと 短軸長さ，気泡噴 流の広がり と 厚 みを 測定 し ，平板の濡れ性の 違いによる比較を するとともに，ノズ ルからの高さによ ってこれら 気 泡 の動 的挙 動 がどのように変化 するのかについて 調査した．気泡が上 昇するにっれて． 濡れ性の影 響 は小さくをることが 分かった．
第 三章 は， 濡 れ性 の悪 い 固体 壁に 衝 突す る単 一 気泡 の動 的挙動につ いて可視化実験に よって検討 し た もの であ る ，す教わち，気泡 体積と平板（固体 壁）の傾斜角が気泡 の上昇速度および 水平方向ヘ
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の気 泡長 さ に与 える 影 響に つい て調査した ，気泡体積が小さい 場合には，濡れ性 が気泡の動的挙動 に 及ば す影 響 は大 きい が ，平 板の 傾斜角の影 響は小さかった．気 泡体積が大きい場 合には．平板の傾 斜 角が大きくをるにっ れて濡れ性の影響 は小さく誼ること が分かった．
第 四章 で は， 傾斜 し た濡 れ性 の 悪い 固体 壁 に沿 って 降 下す る液 滴 の動 的挙動 について実験的に 検 討した．液滴には， イオン交換水，水 銀，炭酸カルシウ ム含有液を用いた． 濡れ性の悪い固体壁に沿っ て降 下す る 粘度 の小 さ い液 滴に は 壁面 の摩 擦 の影 響は 少 をく ．そ の 加速 度は重 力加速度の傾斜平 板 成分 とほ ば 等し いこ と が分 かっ た．液滴の 粘度が大きくをると ，粘性によるエネ ルギ散逸により， 降 下加 速度 は 小さ くな っ た． 液滴 の 降下 加速 度 と固 体球 の 降下 加速 度 との 比とし て定義される降下 加 速 度 比 を 導 入 し ， 降 下 加 速 度 比 に 対 す る 実 験 式 を モ ル ト ン 数 の 関 数 と し て 導 出 し た ． 第 五章 で は， 濡れ 性 の悪 い固 体 壁に 衝突 す る液 滴の 動 的挙 動に つ いて 可視化 実験および数値計 算 によ って 検討し た，液滴にはイオン 交換水，水銀を用 いた，平板の傾斜 角は0度，15度である．濡れ 性 の悪 い固 体 壁に 液滴 が 衝突 する と バウ ンド す る様 子が 観 察さ れた ． この 現象は 数値計算でも確認 さ れた．液滴の扁平率 と反発係数に関す る実験式を提案し た．
第 六章 で は， 水面 に 衝突 する 濡 れ性 の悪 い 固体 球の 動 的挙 動に つ いて 実験的 に検討した．水よ り も密 度の 大 きい 球だ け で橡 く， 密度の小さ い球も用いた．単一 球，水平方向に設 置した複数の球， 鉛 直方向に設置した複 数の球で実験を行 い，最大気柱深さ ，気柱破断時間，最 大到達距離をどを測定し，
実験式を提案した．
第 七章 は ，撥 水平 板 上に ある 薄 い水 膜の 上 に水 滴を 滴 下し たと き 水膜 が破れ て後退していく挙 動 を， 高速 度 カメ ラを 用 いた 可視 化実験によ って検討した．水面 に水滴が衝突した ことを契機として ， 水膜 が後 退 して いく 過 程は ，三 つの段階を 経ることが分かった ，後退していく水 膜の速度に対する 実 験式を水膜厚さの関 数として導出した ．
第 八章 で は， 第二 章 から 第七 章までの成 果を要約するととも に，実用化に向け ての課題と今後の 展 望について述べた．
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学位論文審査の要旨 主査 特任教授 井口 学 副 査 教 授 岩 井 一 彦 副査 准教授 大参達也
学 位 論 文 題 名
濡れ性の悪い固体壁における気液界面の動的挙動に関する研究
(Study on dynamic behavior of gas‑liquid interface on poorly‑wetted solid wall)
2007年 度 に 我 が 国 か ら 排 出 さ れ た 温 室 効 果 ガ ス の 約95パ ー セ ン ト を 占 め る 二 酸 化 炭 素 排 出 量 は 全 体 で13億tと 教 っ て お り 。 そ の う ち 鉄 鋼 業 は13.6パ ー セン ト も占 めて い る． 鉄鋼 業 の中 でも ， 製 銑・ 製鋼 プ ロセ ス分 野 によ る二 酸 化炭 素排 出 量が 大き く ，逼 迫し た 地球 環境 を 顧み ると ，この分野 に おけ る二 酸 化炭 素排 出 量の 削減 は 喫緊 の課 題 とを って い る，
二酸 化炭 素 排出 量の 削 減に は， プ ロセ スの 高 効率 化が 必 要不 可欠 で ある ．そ の ため には ，反応容器 内 の化 学反 応 およ び流 動 をど の正 確 を把 握が 必 須と なる が ，溶 銑， 溶 鋼は 非常 に 高温 であ り，実際の 反 応容 器内 を 直接 観察 す るこ とは 困 難で ある ． そこ で， 水 を用 いた 水 モデ ル実 験 に基 づく 研究が行わ れ てき た． 製 鋼分 野を 対 象と した 水 モデ ル実 験 では ，反 応 容器 内の 溶 鋼や 吹き 込 まれ たガ スの流動特 性 なら びに 均 一混 合時 間 をど につ い て様 々を 有 用を 知見 が 得ら れて い る， しか し をが ら， それらは主 と して ，反 応 容器 内部 の 流れ 場を 対 象と して お り， 容器 壁 近傍 を対 象 とし た研 究 は限 られ ている．容 器 壁近 傍を 対 象と する 場 合に は． 溶 鋼と 耐火 物 の濡 れ性 は 悪い こと か ら， 溶器 壁 の濡 れ性 を考慮し教 け れば なら を い． そこ で ，本 研究 で は今 まで あ まり 考慮 さ れて こな か った 製鋼 プ ロセ スに 関わる濡れ 性 に 着 目 し ， 可 視 化 実 験 お よ び 数 値 計算 に よっ て固 体 壁近 傍に お ける 気液 界 面の 動的 挙 動に つい て 検 討し た．
本学 位論 文 は次 の8つ の章 か ら構 成さ れ てい る．
第一 章で は ，我 が国 の 鉄鋼 業に お ける 二酸 化 炭素 排出 量 と今 後の 対 策， それ に 関わ るプ ロセスの高 効 率 化 を 目 的 と し た 既 存 の 水 モ デ ル 実験 と 濡れ 性に つ いて 記述 し ，本 研究 の 意義 と内 容 につ いて 述 べ た，
第 二 章 は ， 鉛 直 に 設 置 し た 濡 れ 性 の悪 い 平板 に沿 っ て上 昇す る 気泡 群の 動 的挙 動に つ いて 検討 し た もの であ る ．気 泡の 上 昇速 度， 長 軸長 さと 短軸長 さ，気泡噴流の広が りと厚みを測定し ，平板の濡れ 性 の 違 い に よ る 比 較 を す る と と も に ，ノ ズ ルか らの 高 さと とも に 気泡 の動 的 挙動 がど の よう に変 化 す るの かに つ いて 調査 し た． 気泡 が 上昇 する に っれ て， 濡 れ性 の影 響 は小 さく を るこ とが 分かった，
第三 章は ， 濡れ 性の 悪 い固 体壁 に 衝突 する 単 一気 泡の 動 的挙 動に つ いて 検討 し たも ので ある．すを わ ち， 気泡 体 積と 平板 （ 固体 壁） の 傾斜 角が 気 泡の 上昇 速 度お よぴ 水 平方 向へ の 気泡 長さ に与える影 響 に つ い て 調 査 し た ． 気 泡 体 積 が 小 さい 場 合に は， 濡 れ性 が気 泡 の動 的挙 動 に及 ぼす 影 響は 大き い が ，平 板の 傾 斜角 の影 響 は小 さか っ た， 気泡 体 積が 大き い 場合 には ， 傾斜 角が 大 きく なる につれて濡 れ 性の 影響 は 小さ くを る こと が分 か った ，
第四 章で は ，傾 斜し た 濡れ 性の 悪 い固 体壁 に 沿っ て降 下 する 液滴 の 動的 挙動 に つい て検 討した．濡
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れ性 の 悪 い 固 体壁 に 沿 っ て 降下 す る 粘 度 の 小さ い 液 滴 に は壁 面 の 摩 擦 の影 響 は 少 哲 く． そ の加 速度 は重 力 加 速 度 の傾 斜 平 板 方 向成 分 と ほ ば 等 しい ことが 分か った． 液滴の 粘度が 大きく をる と，粘 性に よる エ ネ ル ギ 散逸 に よ り ， 降下 加 速 度 は 小 さく をった ，液 滴の降 下加速 度と固 体球の 降下 加速度 との 比と し て 定 義 され る 降 下 加 速度 比 を 導 入 し ．降 下 加 速 度 比に 対 す る 実 験式 を モ ル ト ン数 の 関数 とし て導 出 し た ．
第 五 章 で は， 濡 れ 性 の 悪い 固 体 壁 に 衝突 す る 液 滴 の動 的 挙 動 に つ いて 可 視 化 実 験お よ び 数値計 算 によ っ て 検 討 した ． 濡 れ 性 の悪 い 固 体 壁 に 液滴 が衝突 する とバウ ンドす る様子 が観察 され た．こ の現 象 は 数 値 計 算 で も 確 認 さ れ た ． 液 滴 の 扁 平 率 と 反 発 係 数 に 関 す る 実 験 式 を 提 案 し た ． 第 六 章 で は， 水 面 に 衝 突す る 濡 れ 性 の悪 い 固 体 球 の動 的 挙 動 に つ いて 実 験 的 に 検討 し た ．水よ り も密 度 の 大 き い球 だ け で を く， 密 度 の 小 さ い球 も用い た． 単一球 ，水平 方向に 設置し た複 数の球 ，鉛 直方 向に設 置した 複数の 球で実 験を 行い， 最大気 柱深さ ，気 柱破断 時間， 最大到 達距離 をど を測定 し，
実験 式 を 提 案 した ，
第 七 章 は ，撥 水 平 板 上 にあ る 薄 い 水 膜の 上 に 水 滴 を滴 下 し た と き 水膜 が 破 れ て 後退 し て いく挙 動 を， 高 速 度 カ メラ を 用 い て 検討 し た ， 水 面 に水 滴が衝 突し たこと を契機 として ，水膜 が後 退して いく 過程 は ， 三 つ の段 階 を 経 る こと が 分 か っ た ．後 退して いく 水膜の 速度に 対する 実験式 を水 膜厚さ の関 数と し て 導 出 した ．
第 八 章 で は， 第 二 章 か ら第 七 章 ま で の成 果 を要 約す るとと もに， 実用化 に向 けての 課題と 今後の 展 望に つ い て 述 べた ．
こ れ を 要 する に ， 著 者 は， 鉄 鋼 プ ロ セス 反 応容 器内 の流動 現象の 中でも ，従 来あま り研究 されて い をか っ た 反 応 容器 内 の 固 体 ー液 体 ー 気 体 か らを る 界 面 近 傍の 流 動 現 象 に着 目 し ， 特 に固 体 表面 と溶 銑や 溶 鋼 と の 濡れ 性 が 流 動 現象 及 ば す 影 響 につ い て モ デ ル実 験 と 数 値 計算 を 行 い 多 くの 有 用な 知見 を得 た ， こ れ らの 知 見 は 既 存の 鉄 鋼 プ ロ セ スの 効率改 善や 新しい プロセ スの開 発はも とよ りのこ と、
材料 工 学 の 発 展に 寄 与 す る こと 大 を る も の があ る 。 よ っ て著 者 は 、 北 海道 大 学 博 士 （工 学 ）の 学位 を授 与 さ れ る 資格 が あ る も のと 認 め る ．
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