[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了广义的解析公式，用于估算钢表面氧化物 scale 在 0–1300 °C 范围内的真实密度，考虑了相变（瓦斯德、磁铁矿、赤铁矿、铁）及其随温度变化的热膨胀。该模型引入了可变的居里温度和多形相变温度，以反映微观结构的影响，预测密度范围为 5200–5600 kg/m³，由于瓦斯德分解，在约 570 °C 处出现局部最小值。

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.

研究动机与目标

• 开发一种广义方法，用于估算在宽温度范围内钢表面氧化物 scale 的真实密度。
• 考虑杂质、缺陷和加工条件引起的可变相变温度（居里温度和多形相变温度）的影响。
• 提供一种计算效率高的模型，适用于集成到钢加工的数学模拟中。
• 量化氧化物 scale 组分（瓦斯德、磁铁矿、赤铁矿、铁）的密度随温度和相组成的变化。
• 识别局部密度最小值出现的条件，例如瓦斯德的共析分解过程中。

提出的方法

• 作者基于开源数据中广义的温度依赖线性热膨胀系数，推导出各氧化物 scale 组分密度的经验公式。
• 相变温度（居里温度和多形相变温度）在模型中作为可调参数处理，以反映微观结构的可变性。
• 当输入特定临界温度时，模型可自动重新计算其他参数，实现对不同材料条件的动态适应。
• 该方法利用已知的相稳定性和热膨胀行为，计算 0–1300 °C 范围内各组分的密度。
• 通过计算示例验证了该方法，结果表现出一致的密度趋势，并在约 570 °C 处出现局部最小值。
• 该模型专为直接用于含氧化物 scale 的高温钢加工数学模拟而设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑相组成和热膨胀的情况下，氧化物 scale 的真实密度在 0–1300 °C 范围内如何变化？
• RQ2 可变相变温度对氧化物 scale 组分预测密度的影响是什么？
• RQ3 在加热或冷却过程中，氧化物 scale 中局部密度最小值出现在何处以及为何出现？
• RQ4 如何以足够高的精度估算单个氧化物相（瓦斯德、磁铁矿、赤铁矿、铁）的密度，以满足模拟需求？
• RQ5 该模型在多大程度上可通过可调相变温度来反映杂质和冷却速率等微观结构因素？

主要发现

• 氧化物 scale 的真实密度在 0–1300 °C 温度范围内预测范围为 5200–5600 kg/m³，具体取决于相组成。
• 在约 570 °C 处出现局部密度最小值，原因是瓦斯德发生共析分解为磁铁矿和金属铁。
• 该模型成功捕捉了可变相变温度对密度估算的影响，真实反映了材料行为。
• 所提出的公式与经验热膨胀数据一致，并在指定临界温度时可实现自动重新校准。
• 该方法可实现高精度、基于物理原理的密度估算，适用于高温钢加工模拟。
• 通过可调相变参数，该模型在不同材料条件下（包括杂质和冷却速率的变化）均表现出鲁棒性。