低炭素製鉄プロセスの新しい予測技術 ―X線CTと粒子法を融合した、鉄鉱石の「強さ」を逆推定―

2026-10-20 東北大学

東北大学多元物質科学研究所の夏井俊悟准教授らは、Tata Steel Europe、デルフト工科大学、産業技術総合研究所と共同で、高炉内における鉄鉱石ペレットの還元・軟化・溶融挙動を予測する新たな解析手法を開発した。高炉内を模擬した高温実験と最大9 MeVの高エネルギーX線CTを組み合わせ、1300~1550℃で変化するペレット内部の構造や、充填層の変形を三次元的に観察した。その結果、金属鉄からなる硬い外殻が荷重を支える一方、内部では溶融スラグが生成し、最終的にペレットが溶融・滴下する過程が明らかになった。さらに、観察された変形状態と粒子法による数値シミュレーションを照合し、外殻の変形しにくさを表す実効降伏応力の温度依存性を逆解析によって定量化した。この技術は、従来の試験では難しかった高温材料の内部構造と力学特性の評価を可能にする。今後、水素利用などによる製鉄プロセスの低炭素化に向け、鉄鉱石原料の評価や高炉の安定操業条件の設計、エネルギー効率の改善への貢献が期待される。

低炭素製鉄プロセスの新しい予測技術 ―X線CTと粒子法を融合した、鉄鉱石の「強さ」を逆推定―
図1.高炉内の融着帯と鉄鉱石ペレットの変形過程の模式図。
鉄鉱石ペレットは還元されながら軟化・変形し、最終的に溶融・滴下する。

<関連情報>

持続可能な鉄鉱石還元・軟化・溶解のためのマルチフィジックスフレームワーク:高エネルギーX線コンピュータ断層撮影と移動粒子流体動力学 Multiphysics framework for sustainable iron ore reduction–softening–melting: high-energy X-ray computed tomography and moving particle hydrodynamics

Shungo Natsui, Allert Adema, Jan van der Stel, Yongxiang Yang, Kaede Kano, Masahiro Kondo, Miho Hayasaka, Akihisa Ito, Takayuki Iwama & Hiroshi Nogami
Scientific Reports  Published:16 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-026-74732-9  Early provide

Abstract

The steelmaking industry is one of the most difficult industrial sectors to decarbonise, with blast furnaces projected to play a dominant role in global iron production during this energy transition period. Iron ore behaviour remains largely unpredictable, given the uncertainty in the softening, deformation, and melting of iron-ore pellets in the cohesive zone, where small changes in gas permeability can significantly reduce furnace stability. Herein, we combine high-energy X-ray computed tomography, micro-chemical analysis, and moving particle hydrodynamics to link the internal transformation of reduced pellets with the mechanical collapse of a packed bed. Interrupted reduction–softening–melting experiments showed a progressive transition from a load-bearing metallic-iron shell at 1300 °C, to iron–slag coexistence and oxide enrichment in the core at 1400 °C, and finally to melting and dripping at 1550 °C. Three-dimensional tomography results quantified how the pellet-rich layer densifies and narrows, while particle simulations reproduced its displacement and collapse using a yield-stress formulation constrained by experimental data. This inverse calibration helped translate the observed deformation into a temperature-dependent shell-strength law. Our multiphysics framework converts tomographic images from static descriptors into predictive inputs for multi-scale furnace models, thereby offering a method to evaluate raw materials and operational strategies for low-carbon ironmaking.

0701鉄鋼生産システム
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