(57)【要約】【課題】溶融金属中に生成されるスラグの挙動を精度よく模擬できる水モデル実験用トレーサーと、このトレーサーを用いた水モデル実験方法を提供する。【解決手段】比重が０．２〜０．７であり、積算値が５０％のときの粒子径であるＤ５０が４０μｍ以上、積算値が９０％のときの粒子径であるＤ９０が７０μｍ以上の粒度分布を有する中空の球状ガラス粒子の集合体である水モデル実験用トレーサーである。そして、この水モデル実験用トレーサーを用いて、スラグを模したトレーサーの挙動を観察する水モデル実験方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
比重が０．２〜０．７であり、積算値が５０％のときの粒子径であるＤ５０が４０μｍ以上、積算値が９０％のときの粒子径であるＤ９０が７０μｍ以上の粒度分布を有する中空の球状ガラス粒子の集合体であることを特徴とする水モデル実験用トレーサー。
【請求項２】
溶融金属を模した水に、スラグを模したトレーサーを混合して、前記トレーサーの挙動を観察する水モデル実験方法であり、前記トレーサーとして、比重が０．２〜０．７であり、積算値が５０％のときの粒子径であるＤ５０が４０μｍ以上、積算値が９０％のときの粒子径であるＤ９０が７０μｍ以上の粒度分布を有する中空の球状ガラス粒子の集合体を用いることを特徴とする水モデル実験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水モデル実験用トレーサーと、このトレーサーを用いた水モデル実験方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種の液体の流動性や、液体に混ざった物質の挙動等を視覚的に確認する手法として、水モデル実験が活用されている。水モデル実験とは、実際の環境下で生じている液体の流動性や、液体に混ざった物質の挙動を、実験レベルで模擬的に現出させる手法である。例えば、液体を模した水に、物質を模したトレーサー（追跡子）を混合して、このトレーサーの挙動を視覚的に観察することで、実際の液体に混ざった物質の挙動を模擬的に観察することができる。そして、上記のトレーサーを、水の性質と等価なものに調整すれば、実際の液体自身の流動性を模擬的に観察することができる。
【０００３】
冶金学の分野においては、各種の溶融金属の流動性や、この溶融金属中の非金属介在物といった不純物の挙動の解析に、上記の水モデル実験が用いられている。そして、この水モデル実験に使用するトレーサーとして、ポリスチレンやポリプロピレン、ステアリン酸の粒子の集合体や（特許文献１）、ナイロン粒子の集合体が提案されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平０４−１１６７５４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】大政光史、大中逸雄，「低圧鋳造における湯流れの水モデル実験と数値解析」，鋳物，日本鋳物協会，平成３年１１月，第６３巻，第１１号，ｐ．８８３−８８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１等で提案される水モデル実験用トレーサーは、溶融金属の挙動を模擬させるのに有効である。しかし、溶融金属中に生成される「スラグ」においては、その挙動を精度よく模擬させるのに課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、溶融金属中に生成されるスラグの挙動を精度よく模擬することが可能な水モデル実験用トレーサーと、このトレーサーを用いた水モデル実験方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、比重が０．２〜０．７であり、積算値が５０％のときの粒子径であるＤ５０が４０μｍ以上、積算値が９０％のときの粒子径であるＤ９０が７０μｍ以上の粒度分布を有する中空の球状ガラス粒子の集合体であることを特徴とする水モデル実験用トレーサーである。
【０００９】
また、本発明は、溶融金属を模した水に、スラグを模したトレーサーを混合して、このトレーサーの挙動を観察する水モデル実験方法であり、トレーサーとして、比重が０．２〜０．７であり、積算値が５０％のときの粒子径であるＤ５０が４０μｍ以上、積算値が９０％のときの粒子径であるＤ９０が７０μｍ以上の粒度分布を有する中空の球状ガラス粒子の集合体を用いることを特徴とする水モデル実験方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶融金属中に生成されるスラグの挙動を精度よく模擬した水モデル実験を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明例の水モデル実験用トレーサーの外観の一例を示す図面代用写真である。
【図２】比較例の水モデル実験用トレーサーの外観の一例を示す図面代用写真である。
【図３】比較例の水モデル実験用トレーサーの外観の一例を示す図面代用写真である。
【図４】本発明例の水モデル実験用トレーサーの粒度分布の一例を示す図である。
【図５】比較例の水モデル実験用トレーサーの粒度分布の一例を示す図である。
【図６】比較例の水モデル実験用トレーサーの粒度分布の一例を示す図である。
【図７】本発明例および比較例の水モデル実験用トレーサーの、水モデル実験中における浮上特性の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の各構成要件について説明する。
【００１３】
（１）本発明の水モデル実験用トレーサーは、比重が０．２〜０．７の中空の球状ガラス粒子の集合体である。
従来の、ポリスチレン、ポリプロピレン、ステアリン酸、ナイロン等の粒子の集合体であるトレーサーの場合、そのトレーサーを構成する個々の粒子（以下、「トレーサー粒子」という。）は、溶融金属自体の流動状況を模擬するのに有効である。しかし、溶鋼の精錬処理といった溶融金属の各種溶解処理中において、溶融金属に生成されるスラグについては、その挙動を精度よく模擬させる点で課題があった。つまり、従来のトレーサー粒子は、専ら溶融金属自身の流動状況を可視化することを想定していた。よって、従来のトレーサー粒子は、水モデル実験中において、溶融金属を模した「水」と同質化でき、水と同じように流動するように、水に近い密度（約１０００ｋｇ／ｍ３）に調整されていた。つまり、従来のトレーサー粒子の、水を基準とした比重は、１．０前後であった。
【００１４】
しかし、溶融金属の各種溶解処理中に生成されるスラグは、製鋼スラグに代表されるように、専ら、溶融金属中で生成されて、溶融金属の上面へ向かって浮上分離する挙動を示す。これは、スラグの主要成分が、一般的に、ＣａＯやＳｉＯ２等で構成されており、スラグの密度が、各種溶融金属のそれに対して著しく小さいことによる。そして、このようなスラグの密度を、水を基準とした比重で評価したとき、例えば、溶鋼の比重が８．０前後であるのに対して、溶融した製鋼スラグの比重は３．０前後であり、溶鋼の半分程度か、それ以下の値である。従って、この実際における「溶融金属」と「スラグ」との比重の関係を、水モデル実験における「水」と「トレーサー粒子」との比重の関係に置き換えたときに、比重が１．０に近い従来のトレーサー粒子では、水の流動に同化し易く、実際のスラグの浮上分離に係る挙動を精度よく模擬することが難しい。
【００１５】
そこで、実際の溶融金属に混じるスラグの実際の挙動を、水モデルによる模擬実験で精度よく模擬させるためには、スラグを模して混合するトレーサー粒子の比重を、溶融金属を模した水の比重「１．０」に対して、小さくする必要がある。そして、具体的には、トレーサー粒子の比重を、水の比重の半分程度である０．５前後か、それ以下の値に調整することが有効である。トレーサー粒子の比重が大きすぎると、例えば、溶融金属を鋳型や取鍋、タンディッシュ等に注いだときを想定した水モデル実験において、溶融金属よりも軽いスラグが、溶融金属の流れに反して浮上する要素を模擬し難い。また、トレーサー粒子の比重が小さすぎると、上記と同様の水モデル実験において、スラグが溶融金属の流れに依存して沈み込むような要素を模擬し難い。よって、本発明の水モデル実験用トレーサーは、それを構成する個々のトレーサー粒子の比重を０．２〜０．７とする。好ましくは０．５以下である。また好ましくは０．３以上である。
【００１６】
ここで、０．２〜０．７の比重を有した本発明に係るトレーサー粒子を、既存のトレーサー粒子の素材を用いて作製することを考えたときに、従来のトレーサー粒子は、比重が１．０前後の水に近い素材で作製されていた。このような素材を用いて、本発明のトレーサー粒子を作製するとなれば、それら素材を中空の粒子形状とすることで、比重を０．２〜０．７に近づけることが可能であるかも知れない。
しかし、従来の、ナイロン等でなるトレーサー粒子を評価すると、その表面は凹凸の状態であった（図３参照）。そして、従来のトレーサー粒子を用いて水モデル実験を行ったところ、その比重は約１．０であることから、水と同質化して流動する筈なのに、スラグを模したトレーサーが浮上するよりも早くかつ急激に浮上してしまうことを確認した（後述する実施例のトレーサーＣを参照）。これは、トレーサー粒子の表面にある上記の凹凸に起因して、水モデル実験中のトレーサー粒子どうしの界面に空気が溜まり、トレーサー粒子の集合体である「トレーサー」としての嵩密度が極度に小さくなって、早期かつ急激に浮上するものと考えられる。したがって、水モデル実験の精度を上げるためには、比重の小さい本発明に係るトレーサー粒子であっても、その表面は滑らかである必要がある。
【００１７】
そこで、本発明では、トレーサー粒子の素材を、従来のナイロン等ではなくて、ガラスとすることで、その表面を滑らかに成形することが容易である（図１参照）。そして、ガラスの比重は、一般的に約２．５であるところ、これを中空の粒子形状にして、様々な比重（例えば、０．２〜０．７）に調整された水モデル実験用トレーサーもまた、入手が可能である。よって、本発明の水モデル実験用トレーサーは、比重が０．２〜０．７の中空の球状ガラス粒子が集合したものである。
【００１８】
（２）本発明の水モデル実験用トレーサーは、積算値が５０％のときの粒子径であるＤ５０が４０μｍ以上、積算値が９０％のときの粒子径であるＤ９０が７０μｍ以上の粒度分布を有するトレーサー粒子の集合体である。
水モデル実験用トレーサーを、実際のスラグの挙動を高い精度で模擬できるものにするためには、その検討において、実際のスラグの、特に“浮上分離に係る要素”を取り入れることが重要である。実際のスラグの浮上分離に係る要素とは、例えば、溶融金属が鋳型や取鍋、タンディッシュ等に注がれてから、この溶融金属中のスラグが溶融金属の上面に浮上分離するまでの時間（浮上速度）のことである。そして、実際には、溶融金属中のスラグは、概ね２００〜５００秒の浮上時間を要して溶融金属中を適度に“緩やかに”浮上するところ、この浮上時間が短すぎると、前述の通り、実際のスラグの挙動を精度よく模擬できない。
【００１９】
そこで、本発明者が検討したところ、水モデル実験用トレーサーの浮上速度は、個々のトレーサー粒子の比重に加えて、さらに、このトレーサー粒子の集合体である“トレーサー全体としての”粒度分布を調整することで、調整できることを突きとめた。つまり、この粒度分布において、粒子径の小さなトレーサー粒子の分率が大きくなると、水モデル用トレーサーの浮上時間が長くなる傾向が認められた。これは、粒子径の小さなトレーサー粒子によって密集したトレーサー粒子間に、水が保持されて、トレーサー全体としての嵩密度が大きくなるからだと考えられる。そして、本発明の水モデル用トレーサーの場合、上記の粒度分布を累積分布で表して、その積算値が５０％のときの粒子径であるＤ５０（平均粒子径）を４０μｍ以上とし、同積算値が９０％のときの粒子径であるＤ９０を７０μｍ以上とすることで、粒子径の小さなトレーサー粒子の分率を適度に小さくして、浮上時間が２００〜５００秒程度の、適度かつ緩やかな浮上を模擬できるものとした。Ｄ９０がＤ５０より小さくなることはない。
なお、本発明に係るトレーサー粒子は、中空の球状ガラス粒子でなることから、その粒子径が大きくなると、破損などが懸念される。よって、好ましくは、Ｄ５０を１５０μｍ以下とする。また、好ましくは、Ｄ９０を２００μｍ以下とする。
【実施例】
【００２０】
市販の中空の球状ガラス粒子を分級して、水モデル実験用トレーサーＡ、Ｂを準備した。また、市販のナイロン粒子を分級して、水モデル実験用トレーサーＣを準備した。トレーサーＡ、Ｂ、Ｃの諸元を表１に示す。また、トレーサーＡ、Ｂ、Ｃの外観を撮影した走査型電子顕微鏡写真を、図１、２、３の順に示す。そして、粒度分布については、トレーサーＡ、Ｂ、Ｃの頻度分布も、図４、５、６の順で示しておく。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１のトレーサーＡ、Ｂ、Ｃを用いて、水モデル実験を実施した。水モデル実験は、スラグ精錬を終えた後の溶鋼を取鍋に注いだときの、溶鋼中のスラグ挙動を模擬したものであり、トレーサー１００ｍｌを９００ｍｌの水に混合した混合水を、円筒状プールに注ぎ込む形態である。そして、トレーサーを混合した混合水の、プールへの注ぎ込みが完了した時点より、３０秒毎に、水の上面に浮上分離したトレーサー層の厚さを測定した。結果を図７に示す。図７より、本発明例のトレーサーＡは、水中における浮上速度が適度に遅く、緩やかに浮上分離した。そして、プールへの注ぎ込み完了から３００秒が経過した時点で、飽和厚さ（約２０ｍｍ）に到達した。これは、実際の溶融金属中におけるスラグの挙動に合致したものである。
【００２３】
これに対して、比較例であるトレーサーＢは、中空の球状ガラス粒子の集合体であるものの、Ｄ９０が低く、プールへの注ぎ込み完了から６００秒が経過した時点でも、飽和厚さに達しなかった。そして、比較例であるナイロン製のトレーサーＣは、プールへの注ぎ込み後、直ぐに浮上分離して、１８０秒後には、早々に飽和厚さに到達した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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