[논문 리뷰] Generalized estimates for the density of oxide scale in the range from 0 C to 1300 C

Emmanuil Beygelzimer, Yan Beygelzimer|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 19.

Metallurgical Processes and Thermodynamics참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 철강 표면에 형성된 산화물 스케일의 진짜 밀도를 0–1300 °C 범위에서 추정하기 위한 일반화된 해석 공식을 제안한다. 이는 온도에 따라 변화하는 열팽창을 고려한 상전이(우스티트, 마그네티트, 헤마티트, 철)를 반영한다. 모델은 불순물, 결함 및 제조 조건으로 인한 변동하는 투스티츠 전이 및 다형성 전이 온도를 반영하기 위해 조정 가능한 매개변수를 포함하며, 이로 인해 5200–5600 kg/m³의 예측 밀도 범위를 도출한다. 특히 우스티트 분해로 인해 약 570 °C 근처에서 국소 최소 밀도가 발생한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 넓은 온도 범위에서 철강 표면의 산화물 스케일 진짜 밀도를 추정하기 위한 일반화된 방법을 개발하는 것.
• 불순물, 결함 및 제조 조건으로 인한 변동하는 상전이 온도(투스티츠 전이 및 다형성 전이)의 영향을 반영하는 것.
• 철강 가공 수학적 시뮬레이션에 통합 가능한 계산 효율성이 높은 모델을 제공하는 것.
• 산화물 스케일 구성 성분(우스티트, 마그네티트, 헤마티트, 철)의 밀도 변화를 온도 및 상 조성에 따라 정량화하는 것.
• 우스티트의 등공형 분해와 같은 조건에서 국소 밀도 최소값이 발생하는 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• 저자는 개방형 소스 데이터에서 유도한 일반화된 온도 의존 선형 열팽창 계수를 바탕으로 각 산화물 스케일 성분의 밀도에 대한 경험적 공식을 유도한다.
• 투스티츠 전이 및 다형성 전이 온도는 모델 내에서 조정 가능한 매개변수로 취급되어 미세구조적 변동성을 반영한다.
• 특정 임계 온도가 입력되면 모델이 다른 매개변수를 자동으로 재계산하여 다양한 재료 조건에 동적으로 적응할 수 있도록 한다.
• 모델은 알려진 상 안정성 및 열팽창 거동을 기반으로 0–1300 °C 범위에서 성분의 밀도를 계산한다.
• 계산 예제를 통한 검증을 통해 일관된 밀도 변화 경향과 약 570 °C에서 국소 최소값을 보여주며 성능을 입증한다.
• 산화물 스케일이 포함된 고온 철강 가공 시뮬레이션에 직접 사용 가능한 모델로 설계되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상 조성과 열팽창을 고려할 때 산화물 스케일의 진짜 밀도가 0–1300 °C 범위에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 변동하는 상전이 온도가 산화물 스케일 성분의 예측 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 가열 또는 냉각 과정에서 산화물 스케일의 국소 밀도 최소값이 어디서 발생하고, 그 이유는 무엇인가?
• RQ4 모의 실험 목적을 위해 각 산화물 상(우스티트, 마그네티트, 헤마티트, 철)의 밀도를 얼마나 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ5 조정 가능한 전이 온도를 통해 모델이 불순물 및 냉각 속도와 같은 미세구조적 요인을 얼마나 잘 반영할 수 있는가?

주요 결과

• 산화물 스케일의 진짜 밀도는 상 조성에 따라 0–1300 °C 범위에서 5200–5600 kg/m³ 사이로 예측된다.
• 우스티트의 등공형 분해로 인해 약 570 °C 근처에서 국소 밀도 최소값이 발생한다.
• 모델은 변동하는 상전이 온도가 밀도 추정에 미치는 영향을 성공적으로 반영하여 실제 재료 거동을 반영한다.
• 제안된 공식은 경험적 열팽창 데이터와 일치하며, 임계 온도가 지정되면 자동 재보정이 가능하다.
• 고온 철강 가공 시뮬레이션에 사용 가능한 정확하고 물리 기반의 밀도 추정이 가능하다.
• 불순물 농도 및 냉각 속도의 변화와 같은 다양한 재료 조건에 대해 조정 가능한 전이 매개변수를 통해 모델은 뛰어난 강건성을 보인다.