[논문 리뷰] 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)|2021. 10. 22.

Metallurgical Processes and Thermodynamics참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 0–1300 °C 범위에서 철산화물 스케일과 그 구성 성분(우스티트, 마그네티트, 헤마티트, 순수 철)의 열전도도에 대한 일반화된 조각별 연속 모델을 제안하며, 상전이 이동성과 임계 온도를 고려한다. 연구 결과, 금속성 철이 존재하지 않을 경우 산화물 스케일의 열전도도는 3–6 W/(m·K)의 범위를 가지며, 우스티트의 에우텍토이드 분해에 의해 철이 생성될 경우 최대 15 W/(m·K)까지 증가할 수 있다. 다공성은 효과적인 열전도도를 15–35% 감소시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 0–1300 °C 범위에서 우스티트(Fe1-xO), 마그네티트(Fe3O4), 헤마티트(Fe2O3), 순수 철의 실험적 열전도도 자료를 체계적으로 정리하고 일반화한다.
• 특히 투마르스점과 다형성 전이를 포함한 상전이의 이동성을 고려하기 위해 모델에서 임계 온도를 가변적으로 허용한다.
• 상 경계에서 함수 또는 그 도함수의 불연속성을 반영할 수 있는 물리적으로 일관된 열전도도 표현을 개발한다.
• 다공성과 금속성 철의 형성 영향까지 포함하여 산화물 스케일의 효과적 열전도도를 정확하게 예측할 수 있도록 한다.
• 스틸 제련 및 표면 처리 공정에 산화물 스케일이 존재하는 경우를 대비한 실용적인 수학적 시뮬레이션 도구를 제공한다.

제안 방법

• 우스티트, 마그네티트, 헤마티트, 순수 철에 대한 열전도도 자료를 다양한 출처에서 체계적으로 수집한다.
• 상전이에 대한 가변 임계 온도(투마르스점, 다형성 전이 포함)를 허용하는 조각별 연속 함수를 개발한다.
• 다형성 전이에서 열전도도의 유한한 불연속성을 반영하고, 기타 임계점에서는 도함수의 불연속성만 고려한다.
• 금속성 철과 복합 산화물 기반 매트릭스를 별도로 모델링하여 총 산화물 스케일의 열전도도를 계산할 수 있도록 한다.
• 모델 계산을 통해 전체 온도 범위에서의 열전도도를 추정하며, 상전이 온도에 대한 민감도를 분석한다.
• 실제 스케일의 다공성 영향을 효과적 열전도도 감소 요소(15–35%)를 통해 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0–1300 °C 범위에서 상전이 거동을 고려할 때 철산화물 스케일 및 그 구성 성분의 열전도도를 어떻게 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 예를 들어 투마르스점과 다형성 전이점과 같은 가변 임계 온도가 열전도도 함수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 우스티트의 에우텍토이드 분해에 의해 형성된 금속성 철의 존재가 산화물 스케일의 총 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 산업 조건에서 다공성이 산화물 스케일의 효과적 열전도도를 얼마나 감소시키는가?
• RQ5 스틸 제련 공정 응용 분야에서 유연한 시뮬레이션을 가능하게 하는 일반화된 해석식을 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 금속성 철이 존재하지 않을 경우 산화물 스케일의 열전도도는 0–1300 °C 범위에서 3–6 W/(m·K)이다.
• 우스티트의 에우텍토이드 분해에 의해 금속성 철이 형성될 경우 스케일의 열전도도는 최대 15 W/(m·K)까지 증가할 수 있다.
• 다공성은 흐림이 없는 밀도 있는 경우에 비해 산화물 스케일의 효과적 열전도도를 15–35% 감소시킨다.
• 모델는 다형성 전이에서 열전도도의 유한한 불연속성을 반영하고, 기타 상전이에서는 도함수의 불연속성만 고려한다.
• 제안된 공식은 임계 온도를 조정할 수 있는 일반형(가변 임계 온도)과 표준 값(우스티트 안정성: 570 °C, 마그네티트 투마르스점: 575 °C, 헤마티트: 677 °C, 철 투마르스점: 770 °C, 철 다형성 전이: 912 °C)을 사용한 특정형 모두로 제공된다.
• 결과는 스틸 제련 및 산화물 스케일이 존재하는 표면 처리 공정의 수학적 시뮬레이션에 통합될 것을 권장한다.