[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了在 0 °C 至 1300 °C 范围内，针对 Fe3O4、Fe2O3、Fe 和 Fe1-xO 氧化物scale组分的广义温度依赖性比热容模型，考虑了杂质或加工条件引起的相变温度偏移。通过采用可变相变温度和分段连续函数，该模型能够准确预测氧化物scale的比质量热容，显示出在 575 °C 附近具有强烈的组成依赖性（850–1150 J/(kg·K)），而在 200 °C（750 J/(kg·K)）和 900 °C（850 J/(kg·K)）时则接近恒定值。

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

研究动机与目标

• 在 0–1300 °C 范围内，为关键铁氧化物相（Fe3O4、Fe2O3、Fe、Fe1-xO）开发广义比热容模型。
• 考虑由于杂质、缺陷或冷却速率引起的相变温度的温度依赖性移动性。
• 基于其结构组成和温度，实现对氧化物scale比质量热容的准确估算。
• 支持涉及钢表面氧化物scale形成的钢铁生产与加工过程的数学建模。

提出的方法

• 使用以相变温度为可调参数的温度依赖函数，对 Fe3O4、Fe2O3、Fe 和 Fe1-xO 的实验比热容数据进行近似。
• 根据相变温度将 0–1300 °C 范围划分为若干区间，以实现分段建模。
• 在磁性相变（如 Fe3O4）处强制近似函数连续，在多型相变（如 α-Fe 到 γ-Fe）处允许有限间断。
• 对不具有相变的wüstite（Fe1-xO）使用单一光滑函数，以确保一致性。
• 将新开发的比热容模型与先前建立的铁氧化物和铁的密度函数相结合，计算氧化物scale的比质量热容。
• 进行模型计算，评估在关键温度（如 200 °C、575 °C、900 °C）下比热容对组成的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在考虑相变温度偏移的前提下，准确建模 0–1300 °C 范围内氧化物scale的比热容？
• RQ2 氧化物scale的组成变化在不同温度下对其比质量热容有何影响？
• RQ3 引入可变相变温度如何提升比热容模型的预测准确性？
• RQ4 在 575 °C 等关键相变点附近，氧化物scale的比热容在多大程度上依赖于其结构组成？
• RQ5 所提出的模型能否在涉及钢表面氧化物层的热过程模拟中可靠使用？

主要发现

• 在 200 °C 时，氧化物scale的比质量热容约为 750 J/(kg·K)，对组成依赖性极小。
• 在 900 °C 时，比质量热容稳定在约 850 J/(kg·K)，在不同组成间变化极小。
• 在 575 °C 附近，氧化物scale的比热容显著变化，范围在 850 至 1150 J/(kg·K) 之间，具体取决于 Fe3O4、Fe2O3 和 Fe 的相对比例。
• 通过将相变温度作为可变参数处理，模型考虑了相变的移动性，从而在非理想条件下提升了准确性。
• 所提出的比热容函数在磁性相变处保持连续，并在多型相变处允许有限跳跃，真实反映了物理行为。
• 将比热容模型与密度数据结合，可实现对工业钢铁加工模拟中氧化物scale热性能的可靠估算。