[論文レビュー] Heat Capacity of oxide scale 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 21, 2021

Metallurgical Processes and Thermodynamics参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、0 °C から 1300 °C の範囲で、Fe3O4、Fe2O3、Fe、および Fe1-xO の酸化物スケール成分について、不純物や処理条件による相転移のずれを考慮した一般化された温度依存の比熱モデルを提案する。可変の転移温度と区分連続関数を用いることで、酸化物スケールの比重量比熱を高精度に予測可能であり、575 °C 付近（850–1150 J/(kg·K)）では顕著な組成依存性を示すが、200 °C（750 J/(kg·K)）および 900 °C（850 J/(kg·K)）ではほぼ一定値を示す。

ABSTRACT

The known data on the heat capacity of magnetite (Fe3O4), hematite (Fe2O3) and iron (Fe) at different temperatures are approximated by formulas containing phase transition temperatures as varying parameters. This allows to take into account the effect of phase transition shifts, for example, due to impurities, lattice defects, grain sizes or high cooling rates. For this purpose, the entire target temperature range from 0 C to 1300 C is divided by phase transition temperatures into separate intervals. The conjugation of the approximating functions between the intervals at the magnetic transition point is performed without a gap, and at the point of polymorphic transformation (alpha Fe - gamma Fe) with a finite gap of heat capacity values. For wustite Fe1-xO which does not experience phase transformations, the temperature dependence of the heat capacity is approximated by a single smooth function. In combination with previously obtained formulas for the density of iron oxides and iron the proposed approximations allow us to estimate the specific mass heat capacity of oxide scale depending of its structural composition and temperature. By model calculations it is shown that at temperatures of 200 C and 900 C specific mass heat capacity of oxide scale practically does not depend on the percentage of its individual components and is approximately 750 and 850 J/(kg K) respectively. At a temperature of about 575 C, on contrary, actually possible variations in the composition of oxide scale can lead to a change in its specific heat capacity from 850 to 1150 J/(kg K). The obtained dependencies are recommended for use in mathematical modeling 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、Fe3O4、Fe2O3、Fe、Fe1-xO といった主要な鉄酸化物相の一般化された比熱モデルの構築を目的とする。
• 不純物、欠陥、冷却速度の影響による相転移温度の温度依存的可動性を考慮することを目的とする。
• 構造的組成と温度に基づいて、酸化物スケールの比重量比熱を高精度で推定できるようにすることを目的とする。
• 鋼鉄の製造および処理に伴う酸化物スケールの生成を含む数学的モデリングを支援することを目的とする。

提案手法

• Fe3O4、Fe2O3、Fe、および Fe1-xO の実験的比熱データを、相転移温度を可変パラメータとする温度依存関数で近似する。
• 相転移温度に基づいて 0–1300 °C の範囲を区間ごとに分割し、区分連続的なモデリングを可能にする。
• 磁気的転移（例：Fe3O4）では近似関数の連続性を保証し、多形的転移（例：α-Fe から γ-Fe）では有限の不連続性を許容する。
• 相転移を示さないため、一様な滑らかな関数を用いてウスタイト（Fe1-xO）に対して一貫性を確保する。
• 新規に開発した比熱モデルを、鉄酸化物および鉄の既存の密度関数と統合し、酸化物スケールの比重量比熱を計算する。
• モデル計算を実施し、特に 200 °C、575 °C、900 °C などの重要な温度における組成変動が比熱に与える感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相転移温度のずれを考慮した場合に、0–1300 °C の範囲で酸化物スケールの比熱をどのように高精度にモデリングできるか。
• RQ2 酸化物スケールの組成変動が、異なる温度における比重量比熱に及ぼす影響は何か。
• RQ3 可変の相転移温度を組み込むことで、比熱モデルの予測精度はどの程度向上するか。
• RQ4 575 °C 付近の臨界転移点付近において、酸化物スケールの比熱はその構造的組成にどの程度依存するか。
• RQ5 提案されたモデルは、鋼鉄表面の酸化物層を含む熱的プロセスシミュレーションに信頼性を持って応用可能か。

主な発見

• 200 °C における酸化物スケールの比重量比熱は約 750 J/(kg·K) であり、組成への依存性は極めて小さい。
• 900 °C では、比重量比熱が約 850 J/(kg·K) に安定化し、異なる組成間で顕著な変動を示さない。
• 575 °C 付近では、Fe3O4、Fe2O3、Fe の相対的割合に応じて、比熱は 850 から 1150 J/(kg·K) の範囲で顕著に変動する。
• 相転移の可動性を考慮するため、転移温度を可変パラメータとして扱うことで、非理想条件下でも精度が向上する。
• 提案された比熱関数は磁気的転移点で連続であり、多形的転移点では有限のジャンプを許容しており、物理的挙動を的確に反映している。
• 比熱モデルと密度データの統合により、産業的鋼鉄処理シミュレーションにおける酸化物スケールの熱的性質の信頼性ある推定が可能になった。