[論文レビュー] Thermal conductivity of oxide scale and its components in the range from 0 C to 1300 C: Generalized estimates with account for movability of phase transitions

Emmanuil Beygelzimer, Yan Beygelzimer|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2021

Metallurgical Processes and Thermodynamics参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、0–1300 °Cの範囲でフェライト酸化鉄スケールおよびその成分（巻石、マグネタイト、赤鉄鉛、金属鉄）の熱伝導率の一般化された区分的滑らかモデルを提案する。相転移の可動性および臨界温度を考慮し、酸化鉄スケールの熱伝導率は金属鉄を含まない場合3–6 W/(m·K)の範囲であり、共晶分解によって鉄が生成される場合、最大15 W/(m·K)にまで上昇する。多孔質性は有効熱伝導率を15–35%低下させる。

ABSTRACT

The data of different authors on the thermal conductivity of wustite Fe1-xO, magnetite F3O4, hematite Fe2O3 and pure iron are systematized. The generalized values are described by piecewise smooth functions containing as varying parameters the temperatures of magnetiv and polymorphic (for iron) transformations as well as the thermodynamic stability boundary (for wustite). At polymorphic transformation a finite break of the thermal conductivity function is envisaged, at othet critical points only a break of its temperature derivative is acceptable. The proposed formulas are presented in two forms: the general form that allow varying the values of critical temperatures and the particular form corresponding to their basic values: the boundary of thermodynamic stability of wustite - 570 C, the Curie points of magnetite - 575 C, hematite - 677 C, iron - 770 C and polymorphic transformation temperature of iron - 912 C. To calculate the thermal conductivity of oxide scale as a whole, it is proposed to take into account separately metallic iron and composite matrix of iron oxides. Model computations using the proposed formulas shows that the true thermal conductivity of oxide scale (without pores), depending on the temperature may be from 3 to 6 W / (m K) in the absence of metallic iron and up to 15 W / (m K) if free iron is released in the eutectoid decay of wustite. The effective thermal conductivity of oxide scale, taking into account its real porosity, may be lower by 15-35%. The obtained dependencies are recommended for use in mathematical simulation of production and processing of steel products in the presence of oxide scale on their surface.

研究の動機と目的

• 0–1300 °Cの範囲で、Fe1-xO、Fe3O4、Fe2O3、および金属鉄の実験的熱伝導率データを体系的かつ一般化すること。
• 臨界温度が可変であるモデルを用いて、特にキュリー転移および多形転移の可動性を考慮すること。
• 相転移界面における関数またはその微分の不連続性を捉える物理的に整合性のある熱伝導率の表現を確立すること。
• 多孔質性および金属鉄の生成が及ぼす影響を考慮した、酸化鉄スケールの有効熱伝導率の正確な予測を可能にすること。
• 鋼鉄の生産および処理に伴う酸化鉄スケールを含む表面プロセスの数学的シミュレーションに実用的なツールを提供すること。

提案手法

• 巻石、マグネタイト、赤鉄鉛、金属鉄の熱伝導率データを複数の出典から体系的に収集すること。
• 相転移に伴う可変臨界温度（キュリー点、多形転移点など）を考慮した区分的滑らか関数の開発。
• 多形転移における熱伝導率の有限な不連続性と、他の臨界点における微分の不連続性のみを組み込むこと。
• 金属鉄と複合酸化鉄マトリックスを別々にモデル化し、全酸化鉄スケールの熱伝導率の計算を可能にすること。
• モデル計算を用いて、全温度範囲における熱伝導率を推定し、相転移温度の感度を評価すること。
• 実スケールの多孔質性効果を、15–35%の有効熱伝導率低下係数を用いて組み込むこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相転移挙動を考慮した場合、0–1300 °Cの範囲で酸化鉄スケールおよびその成分の熱伝導率をどのように正確にモデル化できるか？
• RQ2 可変臨界温度（例：キュリー点や多形転移点）が熱伝導率関数に与える影響は何か？
• RQ3 巻石の共晶分解によって生成される金属鉄の存在が、酸化鉄スケール全体の熱伝導率に与える影響は何か？
• RQ4 実際の産業的条件下で、多孔質性が酸化鉄スケールの有効熱伝導率をどの程度低下させるか？
• RQ5 鋼鉄加工プロセスのシミュレーションに柔軟に適用可能な、一般化された解析的式を導出できるか？

主な発見

• 金属鉄を含まない酸化鉄スケールの熱伝導率は、0–1300 °Cの範囲で3–6 W/(m·K)の間で変動する。
• 巻石の共晶分解によって金属鉄が生成される場合、スケールの熱伝導率は最大15 W/(m·K)にまで上昇する。
• 多孔質性は、密な無孔洞状態と比較して、酸化鉄スケールの有効熱伝導率を15–35%低下させる。
• 本モデルは、多形転移における熱伝導率の有限な不連続性と、他の相転移における微分の不連続性のみを考慮している。
• 提示された式は、調整可能な臨界温度を有する一般形および標準値（巻石安定性：570 °C、マグネタイトキュリー点：575 °C、赤鉄鉛：677 °C、金属鉄キュリー点：770 °C、金属鉄多形転移：912 °C）を用いた特定形の両方で利用可能である。
• 結果は、酸化鉄スケールを含む鋼鉄の生産および表面処理プロセスの数学的シミュレーションへの統合を推奨する。