桑原最終講義, Feb. 29, 2008

材料反応工学の道４０年
My 40 Year Steps on a Road ofMaterials Reaction Engineering

桑原 守 (Mamoru Kuwabara)
名古屋大学大学院マテリアル理工学専攻
材料プロセス創成工学講座

名古屋大学工学部鉄鋼工学科とその役割
昭和33年9月 東海製鉄㈱設立（出資率：富士製鉄51.7％、地元48.3％）
昭和37年4月 鉄鋼工学科第1期生入学（浅井、野村、松井名誉教授ら）
昭和38年4月
同上
第2期生入学（桑原、藤井前JFE研究所長ら)
昭和42年8月 富士製鉄と合併、名古屋製鉄所として発足
昭和45年3月 富士･八幡製鉄合併、新日本製鉄名古屋製鉄所として発足

大阪圏
30.0 %
東京圏
23.5 %

名古屋は鉄鋼、車、セ
ラミックス等、世界有数のものづくりの地
名古屋圏
46.5 %

ものづくりの技術、学
理の構築

数学が専門科目と大学院
３大都市圏の製造業比率（平成15年） 入試に（全国材料系初）

資源と素材製造 : 物理的、化学的原理による分離と精製
Table. Periodic table.
遷移元素

元素の殆んどが金属，数少ない非金属元素は気体が多く，両者の境目には両性の半金属、半導体がある。自然界に存在するのは90種類だけで，そのうち，金属元
素は3/4を占め，残りが非金属元素。逆に，地殻中元素の質量分率では，種類の少い非金属元素が3/4を占め，多種類の金属元素と化合して多彩な物質世界を形成。

クラーク数1)（地殻表層部中元素の質量存在率％）
非金属元素
１位
２位

９位

酸素
ケイ素

水素

11位 塩素（計 76.17 ％）金属元素（計 23.07 ％）49.50 ％
25.80 ％
３位
４位
５位

アルミニウム鉄カルシウム

7.56 ％
4.70 ％
3.39 ％

６位
７位
８位

ナトリウム
カリウム
マグネシウム2.63 ％
2.40 ％
1.93 ％

10位

チタン

0.46 ％

12位

マンガン0.09 ％

0.87 ％
0.19 ％(13位 P = 0.08, 14位 C = 0.08, 15位 S = 0.06, 16位 N = 0.03, 17位 F = 0.03・・・)
10位までで約 99.24 ％ となる。
地殻内部まで含めれば鉄が一番多い！

反応工学的研究の研究手法•熱力学•反応速度論•移動現象論•数学•反応器解析
•数値解析法
•確認実験

経歴の変遷
４年（鞭研：反応器解析）修士（坂尾研：熱力学）
助手（鞭研）
その後助教授（佐野研：反応速度）
教授（反応工学全般）

Ellingham Diagram2)
aMe+O2=bMe(a/b)O(2/b)
ΔG = ΔG o + RT ln K d
ΔG o = RT ln PO2= Δ H o − TΔ S o
直線が下位の元素 Me1は上位の元素Me2 の酸化物を還元し、単体のMe2 とMe1の酸化物を生成する。
また、そのときの反応熱は(ΔH2 。 -ΔH1 。) >0.
→
CやCOは酸化鉄FexOyの
安価な還元剤, Alも良好な還元剤として利用できる（例）テルミット反応:
2Al + Fe2O3 → 2Fe + Al2O3+ 856 kJ/mol (273K):酸化/還元の熱力学的原理製銑プロセスの反応工学的研究•多くの充填層型反応器が関与：反応器の様式:
固定層 (Fixed bed)
移動層 (Moving bed)
流動層 (Fluidized bed)
回転炉（Rotary kiln）

・熱, 物質, 運動量の移動現象が深く関与

鉄‐炭素系状態図上での高炉-転炉法と反応工学

第3元素の影響でここでC飽和

In BF

•
•
•

Iron ore reduction withminimum consumptions of
natural resources and energy
Slag formation
Carburization

In LD

•
•
•
•

Refining
Heating of melt
2nd refining
Solidification
Fig．Phase diagram in Fe-C system.

高炉モデル（Blast furnace modeling）
過去40年に亘り、名古屋大学で開発してきた高炉モデルの歴史とコンセプト
1. One-dimensional steady-state model

called Muchi’s model (1966-1970)

2. Layered structure model (1975)
3. Detailed formulation of transport andrate processes (1975-1988)

鞭巌先生

4. Two-dimensional model (1980-1991)
5. Divided region model for the lower partof blast furnace (2000)

鉱石とコークスの混合装入を仮定した１次元モデル

Fig. One-dimensional steady-state mathematical model of
blast furnace (田村, 八木、鞭 (1966)) 3,4).

Cyclic steady state forheat transfer in i-th cell
during residence time :Θ = Δi / u s ,iTransient &t 2 , i −1
overallt 1, i − 1balancessolid
t 1, i

Cylic steady-state due todescent of layered burdens5)

t 2,i

T2,i
T1,i gas

T2,i +1

Radially distributed burdensand gas flow 6)

Fig. 層状装入の高炉操業の数学的モデル (桑原、鞭, 1975) 5,6) .

BF(DII) t (℃)(a) longitudinal distribution ofprocess variables 5)

BF(DII) fo(-)(b) isotherms 6) (c) equi-fractional
reduction 6)

Theoretical bases to understand mixed burden model and nonuniform inner features of blast furnaces dissected in 1970s

Fig. Typical computed results by the layered structure modelof blast furnace (Kuwabara and Muchi, 1975) 5,6) .
日本鉄鋼協会俵論文賞：理論だけで受賞した最初の研究

1970年代
当時はまだ
電算機の
（数値解析
モデルの）
黎明期！

第2次大戦中、大砲の弾道計算用に開発18800 本の真空管を利用:6分に1本を故障で交換
世界初の真空管式電子計算機 ENIAC(1946) 7)

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)
1946 ENIMAC
1952 世界最初のプログラム内蔵式実用計算機 EDVAC
1958 集積回路の発明
1964 集積回路を搭載した計算機 IBM 360
1971 最初の4ビットマイクロプロセッサ Intel4004
1972 8ビットマイクロプロセッサ
1979 16ビットマイクロプロセッサ1971 名大大型計算機センター設置（センターﾆｭｰｽ第1号の巻頭言は鞭教授）

充填層内ガス流れ （Fluid Flow through Packed Bed）
－偏微分方程式の数値解析に着手－

連続の式（質量保存式）

r
1 ⎧ ∂ (rGgr ) ∂ (rG gz )⎫∇ • Gg = ⎨+⎬ = 0 （非反応系）
r ⎩ ∂r∂z ⎭運動方程式（運動量保存式）
r r∇P = − f1 + f 2 Gg Gg : Ergun equationrr : 質量速度 (mass velocity) [kg/m2s]
Gg = ρ g u g2
2 3
f1 = 150(1 − ε ) μ g / ρ g (φ d p ) ε , d p : 粒子径, ε : 空間率, μ g 粘性係数()

f 2 = 1.75(1 − ε ) / ρ g (φ d p )ε 3

ρ g : 密度,φ :形状係数2f 1o ⎛⎜ d pc ⎞⎟f 2o d pc≈
Ore : d po ≈ 2 cm , ε o ≈ 0.45, Coke : d pc ≈ 5 cm , ε c ≈ 0.45
≈ 6.25,≈≈ 2.5
f 1c ⎜⎝ d po ⎟⎠f 2c d po

炉下部羽口先ガス流れ
吹き込みの位置、方向に
よってガスは偏流する 。

(a) Visualized streamlines(b) Predicted streamlines
and isobars

Fig. Comparison of gas-streamline around the raceway visualized in a
two-dimensional bed packed with silica-gel particles with thatnumerically predicted (Kuwabara et al., 1976, 1981) 8) .

層頂部ガス流れ層頂での堆積形状によっても偏流Fig. Gas-streamlines in a two-dimensional bed having theinclined top structure of silica-gel particles(Kuwabara et al., 1988)9) .

層状装入物層内ガス流れ
鉱石、コークス層の粒径、空間率、堆積角、層厚比によっても偏流(a) Visualized streamlines(b) Comparison between observed
and predicted streamlines

Fig. Gas-streamlines in a two-dimensional bed having layered
structure of silica-gel particles (Kuwabara et al., 1988) 10) .

層状装入物相内不均一ガス流れの近似解析(Approximate Analysis of Non-uniform Gas Flow)

A streamline along
a contour of stream function ϕ which
satisfies thecontinuity eqation

may correspond toa wall of streamtube

Non-uniform flow
stems from theprinciple that gas
flows so as tominimize its
pressure loss
through a tube.

(a) Numerical analyses (b) Schematic concept of approximate analysis

Fig. Numerical and analytical investigation of gas flow throughlayered burdens (M. Kuwabara et al., 1976, 1988) 10) .

世界最初の高炉の流体力学シンポジ
ウム(1975)11)

自身初の国際学会
出席（30才）・世界的な研究の潮流の先端をきることができた。
・著名な研究者との交流機会を得た。

当時世界的に著名であったロシアの Prof. Kitaev からの献本12) （1981）

Prof. Kitaev の著書に紹介された当方らの研究12)
鉱石とコークスの層状装入物内ガス流れを考慮した高炉の理論解析

M. Kuwabara and I. Muchiドライアイスで模擬した高炉内装入物運動とその定式化

Experiment I(羽口先コークス燃焼を駆動力とする運動)

Newly revised experimental methods for
simulating burden flows in BF without
any mechanical discharging system

Experiment II(鉱石溶融を駆動力とする運動)

Fig. Solid flow experiments in cold models packed with Dry ice( Kuwabara et al., 1988) 13) .

Dry icefor coke
(タイム
ラインは
着色ドラ
イアイス）

Burden flow in Experiment I.

Formulation of deadman shape

G.B.
for cokeDry icefor oreBurden flow in Experiment II.

Formulation of flow patternFig. Solid flow patterns and their mathematical formulations(1988)13) .

up

固体流れが移動層内温度場に及ぼす影響 down
Plug flow zone
Shear zone

Shear zone formed near peripheral wall (in glass bead bed)

Prof. He

Fig. Effects of thickness of shear zone on gas isotherm in countercurrent moving bed (Jicheng He, M.Kuwabara, I.Muchi, 1986)14) .

羽口先でのコークスおよび微粉炭燃焼(a) coke combustion (1980)(with Prof. Y. Xie) 15)(b) PC combustion (1986)(with Prof. J. He) 16)

Theoretical basis of PCI operation initiated in 1983 in Japan

Fig. Predicted axial-distributions of process variables in raceway
by a kinetic model( Kuwabara et al., 198015) , 1986 16) ).

高炉の二次元トータルモデルの開発

GAS FLOW
MATHEMATICAL
MODELOFBLAST FURNACEBURDEN FLOWOVERALL CONTINUITY+EQUATION OF MOTIONHEAT TRANSFERCONTINUITY OF SPECIESREACTION KINETICS

Table.

Chemical rate processes considered.

(1 3)Fe 2O 3 + CO → (2 3)Fe + CO 2
(1 3)Fe 2O 3 + H 2 → (2 3)Fe + H 2O

CO 2 + C → 2CO
H 2 O + C → H 2 + CO
H 2 O + CO → H 2 + CO 2
FeO(l ) + C(s ) → Fe(l ) + COC(s ) = C

SiO 2 + 3C = SiC + 2CO
SiO 2 + C = SiO(g ) + CO
SiC + CO = SiO(g ) + 2C
SiO(g ) + C → Si + CO

(T = Tcr )(T < Tcr )(T > Tcr )

, R1*
, R2*
, R3*
, R4*
, R5*
, R6*
, Equilibriu m, Equilibriu m, Equilibriu m, Equilibriu m, R7*

Fig. Two-dimensional model of blast furnace( Kuwabara et al., 1983 17) , 1991 18) ).

(a) gas flow(b) temperature(c) fractional reductionand Si

The first comprehensive two-dimensional model possible topredict Si content and temperature of hot metal

Fig. Typical computed results from mathematical two-dimensionalmodel ( Kuwabara et al., 1983 17) , 1991 18) ).

人生、良いことばかりは続きません！
必ず大きな試練があります。
33-43才（さらに・・）
奇病(RLH)の克服 (?)
禁煙、禁酒(?)、ソフトボールで気分転換：
1988: 公式審判員3種（日本ソフトボール協会）
1989: 公式審判員2種 （ 同上 ）名大スポーツ大会ソフトボールの部でも何度か 千種区ソフト
敢闘賞メダル
優勝、準優勝。栄光の工学部Bチーム！

そして海外体験かって声をかけていただいていた
Prof. James W. Evans のもとへ

小さな種から大きな成果を得る研究思想を学ぶ

1992 - 1993： University of California at Berkeley

新しい発想での研究とプロセス開発
例：
１．熱力学原理と反応工学によるプロセス開発
２．現象、プロセスのアナロジー的発想
３．既存プロセスの技術の限界打破

１．熱力学原理と反応工学によるプロセス開発
Mg蒸気利用-溶銑脱硫、溶鋼脱酸
Desulfurization and Deoxidation of Iron Melt by Injecting Mg-gas In-situ Produced

Mg(g) + S = MgS(s) , Mg(g) + O = MgO(s) : 安全性、操作性、効率的Mg供給

Table. Periodic table of elements.
２族元素(高反応性)

Mg(g)生成反応(吸熱):4MgO(s) + 2Al(l) =3Mg(g)+MgO･Al2O3(s) (1)3(MgO･Al2O3)(s) + 2Al(l) =3Mg(g) + 4Al2O3(s)(2)

脱硫、脱酸反応：
Mg(g) + S = MgS(s)(3)

Mg(g) + O = MgO(s)

(4)

プロセス化
(QAr)

高温ではMgOのAl熱還元が可能。生成
Mgはガス！

Heat

浸漬ノズル中の熱還元Mgを、Arガスで溶鋼中に吹込む。

Mgガスによる溶銑脱硫の検討項目
600
500[ppmS]

温度は還元反応では高く、脱硫反応では低い方が有利→ 温度制御が肝要。

1553 K
1613 K
1673 K
1773 K
Wto=1.5 g

400
300

-7

3

QAr=5.0×10 m /s

200
100
0
0

20

40

60

80 100 120

脱硫の目標に対し、最適なペレット使用量(Wto)がある。
ガス流量(QAr)や気泡径調節で脱硫効率の最適化が可能。

Time (min)

硫黄濃度の経時変化20)

特徴と効率向上化要因

楊ら19,20) ： 日本鉄鋼協会澤村論文賞受賞 (2002)化学反応速度と反応開始温度21)
Ignition Temperature for SHS Reaction
1. 2Al + Fe2O3 → 2Fe + Al2O3

Tm (Al)G as out
XYrecorder

S pring

Load cell

T herm ocouple

A C pow er
supply～L oading alum ina rod

Fig. Variation of temperatureof specimen during selfpropagating thermit reaction.
Tm (Si)

Ignition W -heater
P re-heater
S tainless steel
cham ber

G as in(A r)
C om pact (15φ × 40)
10)Fig. Experimental apparatus for SHS reaction.

2.

Mo +2 Si = MoSi2

Fig. Variation of temperatureduring SHS of molybdenum
disilicide (MoSi2).

真の反応速度推算のために微視的反応機構を観察
Top view of hot stage
6

11

4

3
7

5

8
10

9

1. Hot stage
7. Thermocouple
2. Microscope
3. Video Camera 8. Cooling water
9. Crucible
4. Video
10. Gas inlet (Ar)
5. Monitor
6. Heating unit 11. Gas outlet

2
1

PC

Fig. Experimental unit of high temperature microscope（HOMS) for observing morphology change.

アルミ熱還元反応（Alによる酸化物還元）の反応機構

Al2O3 crucible

during heating at 1773 K

Al powder

Al2O3

Al

after
beforeFig. Morphology change in aluminum powders before and after
heating up to 1773 K in Ar gas22).

50μm

50μm

1473 K (1200℃)
Enlarged to

10μm

1773 K
Alumina film
(700 nm thick)

金属Alの
表面はア
ルミナ薄
膜で覆わ
れていた。

2μm

1773 K
1773 K
Fig. SEM image of morphology change in aluminum powders
during heating up to 1773 K and after cooling down in Ar 22).
Al熱還元反応の速度は、アルミナ皮膜の破壊と周りの多孔質粉体層へのその後の溶融アルミの浸透の速度に律速されている。

Arrheniusの式 k = k 0 e
k / k0 = e−(E / R)/ T− E / RT=e

は信頼できるか？

−1 / [T / ( E / R )]=e

−1 / T *k / k 0 = e −4 ≈ 0.018であるから，
反応速度が頻度因子の１％に達することさえ至難の業23)

TR (≒12500 K での

2. 現象、プロセスのアナロジー
的理解と研究の発想

雲と凝固 - 二重拡散の話23)②Narita →Beijing(国際線)

Mt. Fuji① Nagoya → Narita(国内線)

層状の雲の成因？

T：不安定C：安定

T：stable
C：stable

T：unstable
C：unstable

T：安定
C：不安定
図．温度‐濃度レイリー数線図
上での対流様式24)

Diffusive 型と Finger 型
二重拡散の可視化実験
1. Diffusive interface
NH4Cl-H2O solution

dT/dz<0dC/dz<0

T：不安定
C：安定

Fig. Transitional change in the diffusive interfaces
visualized by the shadowgraph method 24).

2. Finger interface
dC/dz>0 C：不安定
dT/dz>0 T：安定
t=1740 s

t=1 min

t=2 min

2640 s3600 st=5 min

t=20 minFig. Transitional change in the finger interfaces
visualized by the shadowgraph method 24) .

Temperature

２元合金系でも Finger 型２重拡散に基づく線状欠陥の形成を確認

Photo. Overview of the surface ofSolidified Sn-Pb ingot.

Fig. Freckle formation in uni-directionally solidified Sn-Pb binary
alloy 24).

２元共晶合金系エンジンの一方向凝固時に発生するフレッ
クル欠陥の原因と防止策を示唆

多くの現象とプロセスは完全混合槽的？
dC
V= FC 0 − FC , I.C. : θ = 0 : C = C idθ(Time−θ / Θ
：時定数
constant), Θ =V / F
C = C 0 + (C i − C 0 ) e（系の特性時間）(C −C ) /(C −C )i0１
F (m3/s）C0∞

PF（押し出し流れ）
F

F ,C

攪拌子

(mol / m3）

0

V ,C

(a) 完全混合槽(CSTR)の操作（槽内は完全混合）FV(滞留時間はΘ)

1/ e

CM（ 完全混合）(θ=Θで63％変化)(0.37)０Θ(b) 濃度変化θ∞−θ / Θ
edθ = Θ
∫0お風呂とRH脱ガス装置23) RHでの脱ガス過程は，お風呂での湯沸し過程と等価であり，概略は完全混合槽モデルで表される．
循環加熱型浴槽
RH脱ガス装置
での昇温速度での濃度変化dT= c p ρ F (T0 − T )dθθ = 0 :T = Ti

真空ポンプ
物理的真空

cpρV

小滴
加熱器

気泡
エアリフト
ポンプ

dC
= F (C 0 − C )dθθ = 0 :C = C i

V

不活性ガス
吹込み

流量F
C

T0

C0

T

流量F

容積V
濃度C
融体

Fig. RH degassing unit.

容積V
温度T

バーナー

Fig. Bath with a recirculating heating unit.

System of interest
Transientpurificationof melt
during RH
degassing
Convective
step heating/cooling of aparticle in
fluid

Formulation

Process indices Process variation

VdC= C∞ − C Θ =Fdθθ = 0 : C = C i C ∞ = C equilibrium

Θ
F ,C∞

F ,C
V

fluid T∞solid T(ρ p ,Vp )c p ρ pV p
dT
= T∞ − T Θ =dθ
hp Apθ = 0 : T = Ti T∞ = TambientΘ(C − C ∞ ) /(C i − C ∞ )

１
1/e
=0.37
０ Θ

e −θ / Θθ(T − T∞ ) /(Ti − T∞ )１
1/ee −θ / Θ０ ΘθGravitational liquid2(v − v ∞ ) /(v i − v ∞ )
d
ρ
f
p
p
dv
accelerationb(ρ , μ )Θ= v∞ − v Θ =of a particle particle１
18 μ fθd−θ / Θ
to its terminal (ρ p , d p )efr θ = 0 : v = v
ρ d g (ρ f − ρ p )1/evelocity
i v∞ = p p
θ
18 μ ffg(Stokes Eq.)０ Θ
z = 0 : p = pi
Increase in( p − p∞ ) /( pi − p∞ )pressure of
dP
D
z
=
−
Θ
P
P
=
≈ 2D
Θ
p
１
∞
burden in a μ w kp
dz
4
k
μ
w
− z /Θ
cylindrical
dz
kp
e
1
/
e
z = 0 : P = Pi p∞ = ρ b gΘ
packed bedz
D(Janssen Eq.)
０ Θ
f

f

Fig. 完全混合槽（CSTR）と同様な挙動をするプロセスの例23) .

３．現存工業プロセス、技術の限界と新プロセスの開発

３．現存工業技術の限界と新プロセス
Solid Resourceasa physicalmixture ofphases with
impurities

Liquid Phase
Processing
withmechanochemicaltreatments

Solid Materialasa homogeneous phasewithout
impurities

Increasing issues arise to eliminate
gravitational, atmospheric, thermal constraints(Ex.) Time for 1m floatation of inclusions in molten iron:
このままで
dp=100 μm: t =4.4 min ; dp=10 μm : t =7.3 hr
は不可能！
(clean steel)(ultra-clean steel)対策１： 電磁力の応用（材料への電磁場浸透）

Bz / Bz0１1/ e

図材料への磁場浸 透に及ぼす無次元深さ
x / δ と無時限時間 ωθ = 2π (θ / T )の影響

０

™

Ｘ

Electromagnetic Field around An Induction Cold Crucible 25)

重力以外に液中に付加できる有効な外力は？
Mechanical ?

Viscous dissipation?

Thermal ?

Convection control?

Electromagnetic?
v r r( F = J×B )Direct Impositionof J and Brr
Induced J and B
by high frequency
current
Sonical ?

Vibrator ?

Conductivity σ?
Joule heating J 2/σ?
Strong magnet B?
Conductivity σ?
Joule heating J 2/σ?
Decay within skindepthδ?

No attenuation and resonance is possible

対策２： 音響放射圧の利用

1

F(Λ,σ)=(Λ+2(Λ－1)/3)/(2Λ+1)－1/(3Λσ 2)where Vp: particle volume, Eav: energy density,κ ： wave number (=2πf /c), x : distance from a node,

Λ: density ratio (=ρ1/ρ0), σ: sound velocity ratio (=c1/c0)
node
1

ｆｒｐ /(3κEavF) ( - )0Radiation force in liquid(0) acting on a particle (1) 26)
f rp = − 3V p κ E av sin (2 κ x ) ⋅ F (Λ , σ )

F>0
0

-1
0

node

loop

ｆｒｐ<0

π

ｆｒｐ>0

2π 2κxλ/4λ/2

xF>0: fｒｐ acts towards nodes.

Ultrasonic Separation of Suspended Inclusions

Vertical irradiationof ultrasound01(a) t = 0 s

10

20

p

p

dt 2
= f rp + f b + f d

frp : radiation force,
fb : buoyancy force,
fd : drag force(b) t = 10 s0(ρ V + M )

30

d2x

Arbitrarily
specified
five particles
all gather
around a
nodal plane.

t ( s)(c) t = 30 s
Fig. Transitional coagulation of suspended polystyrene particles
in aqueous sugar solution through which an ultrasound of
48.5kHz is irradiated vertically27).

Orientation of Fibers in Composite Engineering(a) without ultrasound(b) with ultrasoundFig. Behavior of polystyrene fibers in aqueous sugar solution under
the conditions with and without incidence of ultrasound 28).
(l=10mm, f=49.0kHz, hr=60mm)

The equation of motion for a fibertranslational :M
rotational :d2x
2= f rp + f b + f d

dt
d θ
I
= T rp + T b + T d2
dt2

M : mass I : inertia momentf : force T : torquesubscript
rp : radiation pressureb : buoyancy forced : drag force

Sound pressure Ps

対策３：音響キャビテーションとマイクロジェットの応用
Ps > 0 : compressio n
Ps < 0 : expansion

time

PS = − P0 cos(ωt )Nucleation

1
Pt = Ps + ρ l gh << 0GrowthCollapse

2

3
Pt > 1000 atm

Secondary sound/ Shock wave

1

Cavitation
bubbleMicro-jetFig. Schematic illustration of the generation of a cavitation
bubble and micro-jet.

2.0mm2.0cm

1/250s 250FPS

h=
5.5cm

4.7cm
node

1.8cm

antinode
3.7cm
0

2.3
Real time (s)Fig. Stereo view of cavitation multibubble in water at 42.3 kHz 29).

キャビテーションの応用１： 超音波脱ガス
P•Irradiation of US
remarkably accelerates degassing rate
due to increase in
not only effective
surface area but
also mixing intensity in the liquid.
•Decreased atmospheric pressure ispreferable.

Fig. Effect of atmospheric pressure on the rate of degassing
with or without irradiation of ultrasound 30) .

キャビテーションの応用２：Microjetによるエマルション(41.88 kHz, 50W)

(20 kHz, 1.4 kW)

Fig. SEM image of one indentation on aluminum foil
surface attacked by an acoustically induced
cavitation bubble followed by a microjet 31) .

air

14 mm

0s

0.005 sclustered cavitaion
bubblewater
16 mm

0.010 swater jetejected

0.015 sFrequency：
41.6 kHz
Water depth :interface
65 mm
U.S.P. : 50 W
A clusteredbubble can eject awater jet against
gravity.
The power isstrong enough tointerface induce micro andmacro mixing of
liquid as well as
emulsification of
two liquids.

Fig. Sequential motion of a clustered cavitation bubble near thefree surface accompanied by an ejected liquid jet 32).

Water droplets

10 mm
Tetralin
After 0.002 s
Interface

Water (0.01N-NaOH)

After 1.000 s

Micojets

Water dropletsFig. High-speed stereo view of emulsification of tetralin-water(0.01NNaOH) system 33) . (f = 41.3 kHz, U.S.P= 50 W, 500 frames/s)

キャビテーション気泡内では超臨界も可能！
supercriticalwater

Pp=226.8 atm
1 atm
d lnP Δ H
⎧ ΔH⎫
P
P
exp
=
∴
=
⎨−
⎬
∞
dT
RT 2
⎩ RT ⎭

0.006 atm

0℃

100 ℃

1000 atm
Limiting
situation ofcavitation
bubble(5000K,1000 atm)

Tc=647.5K (374.4℃)

Fig. The phase diagram of water 34) .
Limiting situation of the bubbles is considered at around 5000 K and 1000 atm.
This state should be really the supercritical fluid one in which no surface tension
exists and highly activated chemical sate would come across.

キャビテーションの応用３： 化学物質の分解
Compression ofcavitation bubble
high temperature& high pressure

Direct pyrolysis ofsubstances

Decomposed
substances

Thermal decompositionof water molecule

H2O → ･H + ･OH
2･OH → ･O + H2O
2･H→H2

Decomposition ofsubstances with･OH or H2O2

2･OH → H2O2
･O + H2O → H2O2

0 min60 min20 min40 minCi = 5.0×10-4 mol/l
V=160 ml
U.S.P = 50 W
80 mm
f = 42.0 kHz
T = 20 ℃
hwater = 125 mm

Possible reaction ?
2KMnO4+2H2O2 → 2MnO2+2KOH+H2O+5/2O2
Fig. Transitional change in color of KMnO4 solution after
irradiation of ultrasound (Decomposition of an inorganic
substance) 35) .
Action of H2O2

1.5
1.0
0.5

-5

C0=2.98× 10 mol/ lf=42.0 kHz , T=20 ℃
U.S.P=50 W
Acrylic resin vessel＋(CH3)2N

S

N(CH3)2

test tube
25 mm

0 min
60 min
120 min

80 mm

665nm

0.0
400

N

100 mmLight absorbance (-)

2.0

500

600

700

800

Wavelength (nm)Fig. Relation between light absorbance and wavelength
during irradiation of ultrasound on aqueous
methylene blue solution 33) .
Action of ･OH

キャビテーションの応用４： ナノ発泡材料の製造
Cd (mp:321℃, bp:765℃)

Cooling water
Wood’s alloy(Bi-Pb-Sn-Cd)

10μm

1.0μm

Productionof foamedmaterial
with small
grain size

Fig. SEM image of foamed structure of Wood’s alloy after
irradiation of ultrasound (20kHz, 600 W 10 s) 36).

凝固過程での硫化銅の析出形態制御による鉄中銅の無害化(a)

Cu2-xS core(or oxide,
MnS)

(b)

Shell-like sulfide

oxide
Cu2-xS shell

EDS point 200 nm

200nm

Shell-like copper sulfide

duplex oxide-sulfide(c)

100 nmPlate-like copper sulfide(low P steel)Nano-scale copper sulfides(high P steel)

車スクラップ鉄のリサイクルで濃化し、赤熱脆性の原因となる有害なCu
を、やはり、有害なSとの間で微細な硫化銅として析出させて無害化。
もう一つの有害元素Pは硫化銅を更に微細化するのに有効。

劉ら37) ： 日本鉄鋼協会澤村論文賞受賞 (2007)

正しい理解で現象はシンプルとなる！
プロセス、モデル、人生 ・・・
混沌からシンプルへ！
Simple is the best!

教育・体制に関する思い出
１．法人化元年の主任（マテリアル理工学専攻副専攻長）

２．関連大講座の呼称と研究内容の決定
材料プロセス創成工学講座
高度の物理的および化学的原理に基づく制御手段を駆使し、先進材料創製のプロセス設計、およびナノからマクロのレベルに至るまでのプロセス設計に関する研究と教育を行う。

3. 人材育成

Dr. K.Saad

Cairo

Dr. M.S.Valipour

Semnan（Iran)

謝 先生

赫 先生

Japan

瀋陽

名古屋

北京
劉 先生
武漢

上海

広州
楊 先生
金 先生

杜 先生

図．主な留学生、訪問研究者と帰国後の活躍地

謝 裕生 氏 (Prof. Y. Xie)
赫 冀成 氏（Prof. J. He）（前 北京化工冶金研究所所長）（瀋陽、東北大学校長）（中国第１期研究生）（中国第１期大学院生）( Materials Processing Symposium, June 6, 2001, 名古屋大学)

今後も国際交流・・
天安門前にて（北京, 2008, 1.25）

完成間近の首鋼技術研究院（北京, 2008, 1.24）

REFERENCES
1)

F. W. Clarke: Wikipedia as a free encyclopedia, http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%
82%AF%E3%83%A9%E3%83%BC%E3%82%AF%E6%95%B0#cite_note-0.
2) Ellingham: Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Ellingham_diagram3) I. Muchi , K. Tamura, J. Yagi and A. Moriyama: J. Jpn Inst. Metals, , 30(1966), p.1109.
4) J. Yagi, and I. Muchi: Trans. ISIJ, 10(1970), p. 392.
5) M. Kuwabara and I. Muchi: Tetsu-to-Hagane, 61(1975), pp.301-311.
6) M. Kuwabara and I. Muchi: Tetsu-to-Hagane, 61(1975), pp.787-796.
7) BRL story by Mike Muuss： “The History of Computing at BRL”, September 25, 1992,
http://ftp.arl.army.mil/~mike/comphist/hist.html.
8) M. Kuwabara, Y. Hsieh, K. Isobe and I. Muchi: Proc. Int. Blast Furnace Hearth &Raceway Sympo., Newcastle, Australia, March 3-6, 1981, pp. 7-1 – 7-11, [AIMM].
9) I. Muchi, S. Asai and M. Kuwabara: Chapter 2 in Advances in Transport Processes in
Mwtallurgical Systems, ed. by Y. Sahai and G. R. St. Pierre, 1992, pp.53-112,
Amsterdam,Tokyo, [Elsevier].
10) M. Kuwabara, E. Chikamatsu and I. Muchi: Tetsu-to-Hagane, 74(1988), pp.246-253.
11) M. Kuwabara and I. Muchi: Proc. Int. Sympo. on Blast Furnace Aerodynamics,
Wollongong, Australia, September, (1975), pp.61-67, [AIMM].
12) B. I. Kitaev and Yu. G. Yaroshenko: Thermomechanics of Blast Furnace, 1978, p.27,
Moscow, [Metallurgiya].
13) M. Kuwabara, K. Isobe, K. Mio and I. Muchi: Tetsu-to-Hagane, 74(1988), pp.1734-1741.
14) Ji-cheng He, M. Kuwabara and I. Muchi: Tetsu-to-Hagane, 72(1986), pp.2048-2055.
15) M. Kuwabara, Y. Hsieh and I. Muchi: Tetsu-to-Hagane, 66(1980), pp.1918-1927.

16) Ji-cheng He, M. Kuwabara and I. Muchi: Tetsu-to-Hagane, 72(1986), pp.1847- 1854.
17) M. Kuwabara, K. Isobe, K. Mio, K. Nakanishi and I. Muchi: Proc. Joint Sympo. of ISIJ
and AIMM, Tokyo, Oct. 13-14, 1983, pp.193-204, [ISIJ].
18) M. Kuwabara, S. Takane, K. Sekido and I. Muchi: Tetsu-to-Hagane, 77(1991), pp.15931600.
19) Jian Yang, S. Ozaki, R. Kakimoto, K. Okumura, M. Kuwabara and M. Sano: ISIJ Int.,
41(2001), pp.945-954.
20) Jian Yang, K. Okumura, M. Kuwabara and M. Sano: ISIJ Int., 41(2001), pp.965-973.
21) M. Kuwabara and M. Sano: Proc. 1st Russian-Japanese Workshop on SHS, Karlovy Vary,
Czech Republic, Oct. 30-Nov. 3, (1998), pp.35-37.
22) Jian Yang, M. Kuwabara, Zhongzhu Liu, T. Asano and M. Sano: ISIJ Int., 46(2006),
pp.202-209.
23) M. Kuwabara: ふぇらむ(Bulletin of ISIJ), 12(2007), pp.517-524.
24) K. Okumura, M. Kuwabara, K. Sassa and I. Muchi: Tetsu-to-Hagane, 75(1989), pp.618625.
25) K. Iwai, M. Kuwabara, K. Sassa and S. Asai: Trans. Mat. Res. Soc. Jpn, 9(1992), pp.228238.
26) K. Yosioka and Y. Kawasima: Acustica, 5 (1955), pp.167-173.
27) S. Hatanaka, M. Kuwabara, T. Taki, M. Sano and S. Asai: Jpn. J. Appl. Phys., 38(1999)
5B, pp.3096-3100.
28) S. Yamahira, S. Hatanaka, M. Kuwabara and S. Asai: Jpn. J. Appl. Phys., 39 (2000), pp.
3683-3687.

29) M. Kuwabara T. Kubo, Jian Yang and K.S. Abdel-Halim: Proc. 18th Int. Congress on
Acoustics (ICA 2004), Kyoto, April 4-9, (2004), V 3573-3574.
30) M. Kuwabara, N. Kawakita, K. Okumura and M. Sano: Proc. 4th Japan- Brazil Sympo.
on Dust Processing-Energy-Environment in Metallurgical Industries, Sao Paulo，Brazil,
Sep. 23-24, (2002), pp.251-262.
31) M. Kuwabara, T. Kubo, K.Kondo and J. Yang: Current Advances in Mat. Proc.(CAMPISIJ), 16(2003), pp. 894-897.
32) T. Kubo, M. Kuwabara and Jian Yang: Jpn J. Appl. Phys., 44(2005)6B, pp.4647-4652.
33) M. Kuwabara, J. Yang and T. Kubo: Proc. Sohn Int. Sympo. on Advanced Processing ofMetals and Materials: Principles, Technologies and Industrial Practice, San Diego, USA,
Aug. 27-31,( 2006), Vol. 4, pp.423-433, [TMS].
34) M. Chaplin: Water Structure and Science, http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html, 2008.
35) M. Kuwabara, K.S. Abdel-Halim, K. Kondo and Jian Yang: Proc. 10th Int. Conf. on
Information Systems Analysis and Synthesis, Orland, Florida, July 21-25, (2004), Vol. IV,
pp.229-232.
36) Y. Saiki, T. Kubo, M. Kuwabara and Jian Yang: Jpn. J. Appl. Phys. 45(2006) 5B , pp.
4793-4799.
37) Zhongzhu Liu, Y. Kobayashi, K. Nagai, Jian Yang and M. Kuwabara: ISIJ Int., 46(2006),
pp.744-753.

Fin

Thank you for your kind attention !
また、世界のどこかでお会いしましょう！