Ansys Fluentを活用した、セラミックス焼成炉の省エネ化への取り組み

美濃窯業は耐火レンガやセラミックスを主体とした事業を展開しています。
もともとは耐火物の製造販売が主な業務だったのですが、近年は耐火物の製造で培ったノウハウをもとに、焼成工程設備の設計や製造も実施しています。
セラミックプラントの一貫メーカーとしても国内外で好評いただいており、「美濃窯業の窯でしか焼けない」と言ってくださるお客様も少なくありません。
中でもファインセラミックス焼成用の燃焼炉は、国内トップのシェアがあります。
我々が所属するプラント部は、そうした設備の設計・製造を担当しています。

ファインセラミックスを焼成するには、当然ながら炉を高温（1600 〜 1800℃）にする必要があります。しかし急に温度上昇をさせると焼成中にファインセラミックスが壊れてしまいますので、非常にゆるやかに温度を上げなくてはいけません。例えば、100℃から600℃までの間は、１時間で１℃ずつ温度上昇させたりするのですが、場合によっては一定時間150℃を維持するなど、より細かい制御が必要になることがあります。
さらに焼きムラを防ぐためには、炉内のすべてのバーナーを同じ状態で維持しなくてはならず、高度な技術が求められます。当社では、特殊なバーナーと精密温度制御システムを開発することで、これらの課題を解決しました。

基本的にオーダーメードです。製品の形や大きさはお客様によって違いますので、最も効率良く製品を配置・焼成できるものを納品しています。

エネルギー効率の改善です。当社には長年のノウハウがありますので、物を焼成するだけだったら、今のままでも良い製品は作れます。しかし近年では、セラミックスの分野でも燃費が重要視されるようになってきました。このため、製品開発においても従来とは違ったアプローチが必要になっています。
燃費の改善方法で、一番効果があると考えられるのは炉の軽量化です。温めるエネルギーは重さに比例しますので、設備に使っている耐火レンガがもっと軽いものになれば、必要エネルギーも少なくて済みます。ただし、軽くすれば強度はどうしても落ちてしまいますので、どうしたら強度を維持しつつ軽量化できるか、日々研究を重ねています。

2013年より、当社はTherMAT（未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合）というプロジェクトチームに参画しており、Ansys Fluentはその活動に必要なツールとして導入しました。
TherMATは、経済産業省が2013年度から10年計画で企画・実施する「未利用熱エネルギー革新的活用技術研究開発」プロジェクトの委託先として組織された、産官学連携組織です。
近年、省エネやCO2排出量削減の一層の推進が強く求められていますが、その一方で、様々な業界で使われるエネルギーの半分以上が、実は利用されずに排熱になっています。TherMATではこの問題を解決するために、蓄熱技術、遮熱技術、断熱技術、熱電変換技術、排熱発電技術、ヒートポンプ技術、熱マネージメント技術、基盤技術という８つのテーマを設け、各社で分担して研究を進めています。
詳細：http://www.thermat.jp/
この中で、美濃窯業は断熱技術の研究開発を担当しています。具体的には、燃費性能に優れた軽くて丈夫な耐火レンガの開発がテーマです。これは当社の別部門で研究開発を行っているのですが、素材を作っただけではその効果が実証できません。そこで我々が所属するプラント部にて、新素材の耐火物を活用した設備を設計・製造しています。

成果は大であると考えています。もともとファインセラミックスの焼成炉はエネルギー効率が良くありません。例えば製品を1600 〜1700℃に加熱するには、中の製品を温めるエネルギーに加えて、その設備を温めるエネルギーが必要です。また排ガスが持ち去るエネルギーや、熱伝導で炉の表面から出ていくエネルギーなどを集約すると、実際には全体のエネルギーのほんの数%しか、セラミックスの焼成に使われていない計算になります。しかし、仮に現在のエネルギー効率が１〜２%とすると、それが3〜 4%になるだけで、使用するエネルギーは半減しますよね。少しでも改良されれば大きな効果が期待できます。将来有望な分野だと思います。
また、排出した熱をうまく回収して再利用することも、未利用熱問題の改善の糸口と考えています。ファインセラミックスの装置は高温でも使用できる熱回収装置が求められますが、1500℃もの高温の排熱に対応できるような熱回収装置は、現在わずかしか市場に出回っていません。そこで当社では、高温に耐えられる高性能な熱回収装置の研究開発も進めています。

Ansys Fluentを導入したのは、まずは炉内の状態がどうなっているのか現状を把握するためです。
高温の炉内の温度を測定することは困難なため、シミュレーションツールが必要でした。複数製品を比較検討した結果、バーナーの燃焼解析ができ、乱流モデルが充実しているAnsys Fluentに決定しました。

ガス輻射を考慮しないと熱交換器の計算はできませんので、ガス輻射がきちんとモデル化できるかどうかも重要でした。Ansys Fluentを選んで正解だったと思っています。

当社の場合、燃焼の解析ができないことには、シミュレーションする意味がありません。以前から燃焼解析は外部に委託したりしていたのですが、簡易的な解析だったので、今回は燃焼解析がきちんとできることを必須条件としました。
導入してみて、今まで勘と経験でやっていたことが数値化されたのは嬉しかったです。今まで培ってきたノウハウが理論的にも正しいことがわかり、明確な裏付けができました。

こちらは高温スーペリオキルンという、ファインセラミックス焼成用ガス燃焼炉の解析事例です。流体解析を使って、内部の対流や温度分布を評価しています（図1）。

炉内の様子を可視化できるメリットは大きいです。
我々の経験則では、おそらくこうした炉の内部では、気体は旋回しながら上まで上昇し、最後に中央から下に落ちると考えていました。そのため、ある程度以上の大きさの炉では、あえて中心には物を置かないようにして対流を促すなどの工夫をしていました。実際にそのほうが焼きムラが少なく効果があることはわかっていたのですが、Ansys Fluentで理論的な裏付けができ、よりお客様に説明しやすくなりました。
また近年では、設備を有効活用するために、炉内の対流の様子が見たいというお客様も増えています。
例えば低温時は、有機物をゆっくり揮発させながら焼成するのですが、気流によってその有機物が飽和するかしないか、均一に広がるかが決まります。これは焼きムラの原因となり、ひいては品質に直結します。
シミュレーションで内部の様子がわかっていれば、例えば対流のないところは避けて製品を配置するなどの対策ができます。こうしたアフターサービスは、お客様の満足度向上という意味でも重要だと思います。

こちらは熱交換器の解析事例です。燃焼炉から出る高温の排ガスが外気と熱交換されることで冷却されて外に出ていく様子をシミュレーションしています（図2）。
非定常性は考慮しなかったので、計算規模にはあまり苦労しませんでしたが、外気は普通の空気であるのに対して、燃焼ガスは二酸化炭素と水蒸気の割合が多く、輻射が大きいことがネックでした。
最初はガス輻射を考慮せずに解析していたため、実際の現象と合わないので苦労しましたが、サイバネットのサポートに質問をしながら、最終的には実験結果と似たような値を得ることができました。

毎回、前例のない解析テーマを実行しなければならず、サイバネットのサポートには助かっています。

あのサポートがなければ、多分何もできていないと思います。立ち上げのときも、難易度の高い解析は受託解析をお願いしました。受託解析後、シミュレーションの雛形を作成してもらったのですが、温度や数量を変えるだけで、様々な解析に応用できるので助かりました。それでもわからない点は、サポートに問い合わせて、徐々にできる範囲を広げていきました。

今は流体解析だけではなく、熱応力解析や伝熱解析、流体-構造連成解析も行っています。

省エネルギーに向けて、今後もAnsys製品を活用していきたいです。
また、実物で不具合が発生した時に、構造上問題がある形だったのか検証するためにもシミュレーションを使っています。素材も複合材料が多いですので、熱膨張やひずみの問題も避けて通れません。それが許容範囲なのか、破壊するレベルなのかも基本設計の段階で見ておく必要がありますので、今後は流体解析だけでなく、構造解析の重要度も増していくと思います。

炉材が変わることで、どれだけエネルギー効率が変わるかも評価してみたいです。ただし非定常の問題を扱うことになるので、計算規模をどう抑えるかが課題だと思っています。