[論文レビュー] Generalized estimates for the density of oxide scale in the range from 0 C to 1300 C

Emmanuil Beygelzimer, Yan Beygelzimer|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Metallurgical Processes and Thermodynamics参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、0–1300 °Cの範囲で鉄鋼素材表面の酸化被膜の真密度を推定する一般化された解析的式を提案する。相転移（巻石、磁鉄鉱、赤鉄鉱、鉄）とそれらの温度依存的熱膨張を考慮しており、微細構造的要因を反映するため、Curie転移温度および多形相転移温度を可変パラメータとして取り入れている。その結果、5200–5600 kg/m³の予測密度範囲が得られ、巻石の分解に起因する570 °C近辺に局所的最小値が生じる。

ABSTRACT

Oxide scale formed on the surface of steel products during high-teperature processes is studied as a composite material, the main solid components of which, in general, are wustite, magnetite, hematite and metallic iron. To estimate the density of each of these components in the temperature range from 0 C to 1300 C, formulas are proposed that are consistent with the empirical functions of the coefficient of linear thermal expansion, which the authors obtained earlier by generaizing data from open sources. The Curie and polymorphic transformation temperatures are included in these generalized formulas as variable parameters, which allows one to take into account the movability of phase transitions due to impurities, crystal lattice defects, particle sizes, cooling rate, and other factors. When specifying the particular values of critical temperatures, the other parameters of the formulas are recalculated automatically. In a particular form, the proposed formulas correspond to the basic values of critical temperatures. According to the calculation examples given, the true (not including pores) density of oxide scale can be about 5200 to 5600 kg/m3, depending on the temperature and percentage of components, whereby a local density minimum may be observed in the region of 570 C due to eutectoid decomposition of wustite into magnetite and iron. The proposed methods are recommended for use in mathematical simulation of processing of steel products in the presence of oxide scale on its surface.

研究の動機と目的

• 広い温度範囲にわたる鉄鋼の酸化被膜の真密度を推定する一般化された手法を開発すること。
• 不純物、欠陥、処理条件に起因する可変な相転移温度（Curie転移および多形相転移）の影響を反映すること。
• 鉄鋼プロセシングの数学的シミュレーションへの統合に適した計算効率の高いモデルを提供すること。
• 酸化被膜成分（巻石、磁鉄鉱、赤鉄鉱、鉄）の密度変化を温度および相組成と関連づけて定量化すること。
• 例えば巻石の共晶的分解中に生じるような、局所的密度最小値が発生する条件を特定すること。

提案手法

• 著者らは、オープンソースデータから得た一般化された温度依存的線形熱膨張係数に基づき、各酸化被膜成分の密度に関する経験的式を導出する。
• Curie転移温度および多形相転移温度は、モデル内で調整可能なパラメータとして扱い、微細構造的ばらつきを反映する。
• 特定の臨界温度が入力されると、モデルは他のパラメータを自動的に再計算し、異なる材料状態に動的に適応可能である。
• 既知の相安定性および熱膨張挙動を用いて、0–1300 °Cの範囲で各成分の密度を計算する。
• 計算例を通じた妥当性評価により、一貫した密度傾向と約570 °Cにおける局所的最小値が確認された。
• 酸化被膜を伴う高温鉄鋼プロセシングの数学的シミュレーションへの直接的利用を想定してモデルが設計されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相組成および熱膨張を考慮した場合、酸化被膜の真密度は0–1300 °Cの範囲でどのように変化するか？
• RQ2 可変な相転移温度が、酸化被膜成分の予測密度に及ぼす影響は何か？
• RQ3 加熱または冷却過程において、酸化被膜内でなぜ、そしてどこに局所的密度最小値が生じるのか？
• RQ4 シミュレーション用途に十分な精度で、個々の酸化相（巻石、磁鉄鉱、赤鉄鉱、鉄）の密度をどのように推定できるか？
• RQ5 不純物や冷却速度といった微細構造的要因を、調整可能な転移温度を通じてどの程度モデルが反映できるか？

主な発見

• 酸化被膜の真密度は、相組成に依存して0–1300 °Cの範囲で5200–5600 kg/m³の間で予測される。
• 巻石の共晶的分解に起因し、570 °C近辺に局所的密度最小値が生じる。
• 可変な相転移温度の影響が密度推定に適切に反映されており、実材料挙動を再現している。
• 提案された式は経験的熱膨張データと整合しており、臨界温度が指定されると自動的に再キャリブレーションが可能である。
• 高温鉄鋼プロセシングのシミュレーションに使用可能な、物理的根拠に基づいた高精度な密度推定が可能である。
• 不純物や冷却速度の変動といった異なる材料状態に対しても、調整可能な転移パラメータにより、モデルは頑健に機能する。