[论文解读] 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)|Oct 22, 2021

Metallurgical Processes and Thermodynamics参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出了铁氧化物皮损及其组分（瓦斯脱、磁铁矿、赤铁矿和纯铁）在0–1300 °C范围内的广义分段光滑热导率模型，考虑了相变迁移性和临界温度。结果表明，不含金属铁的氧化物皮损热导率范围为3–6 W/(m·K)，而当通过共析分解形成铁时，热导率可高达15 W/(m·K)，孔隙率使有效热导率降低15–35%。

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.

研究动机与目标

• 系统整理并推广0–1300 °C范围内Fe1-xO、Fe3O4、Fe2O3和纯Fe的实验热导率数据。
• 通过在模型中允许临界温度可变，考虑相变迁移性，特别是居里点和多型转变的影响。
• 建立热导率的物理解释性表示，准确捕捉相边界处函数或其导数的不连续性。
• 实现对氧化物皮损有效热导率的精确预测，包括孔隙率和金属铁生成的影响。
• 为涉及表面氧化物皮损的钢铁生产与加工过程提供实用的数学模拟工具。

提出的方法

• 系统汇编来自多个来源的瓦斯脱、磁铁矿、赤铁矿和纯铁的热导率数据。
• 开发具有可变临界温度的分段光滑函数，以描述相变，包括居里点和多型转变。
• 在多型转变处引入热导率的有限不连续性，而在其他临界点仅引入导数不连续性。
• 分别对金属铁和复合氧化物基体进行建模，以实现总氧化物皮损热导率的计算。
• 通过模型计算估算全温度范围内的热导率，评估相变温度变化的敏感性。
• 通过15–35%的有效热导率降低因子，纳入真实尺度孔隙率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在考虑相变行为的前提下，准确建模0–1300 °C范围内铁氧化物皮损及其组分的热导率？
• RQ2 可变临界温度（如居里点和多型转变点）对热导率函数有何影响？
• RQ3 通过瓦斯脱共析分解形成的金属铁如何影响氧化物皮损整体热导率？
• RQ4 在实际工业条件下，孔隙率在多大程度上降低氧化物皮损的有效热导率？
• RQ5 能否推导出广义解析表达式，以实现钢铁加工应用中热导率的灵活模拟？

主要发现

• 不含金属铁的氧化物皮损在0–1300 °C范围内的热导率介于3至6 W/(m·K)之间。
• 当通过瓦斯脱共析分解形成金属铁时，皮损热导率可提高至15 W/(m·K)。
• 孔隙率使氧化物皮损的有效热导率相比致密无孔情况降低15–35%。
• 该模型在多型转变处考虑了热导率的有限不连续性，而在其他相变点仅考虑导数不连续性。
• 所提出的公式以通用形式（临界温度可调）和特定形式（使用标准值：瓦斯脱稳定性为570 °C，磁铁矿居里点为575 °C，赤铁矿为677 °C，铁居里点为770 °C，铁多型转变点为912 °C）提供。
• 结果建议集成至涉及氧化物皮损的钢铁生产与表面处理过程的数学模拟中。