1 workshop aplicações da termodinamica computacional a siderurgia 2012 aplicação da...

Post on 18-Apr-2015

104 Views

Category:

Documents

0 Downloads

Preview:

Click to see full reader

TRANSCRIPT

1 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Aplicação da Termodinâmica Computacional a Siderurgia

André Luiz V da Costa e Silva, Roberto Avillez, Fernando Rizzo

Workshop 2012- PUC- UFF- ABM

2 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Roteiro

• Termodinâmica- revisão (o mínimo essencial)• A Termodinâmica Computacional• Aplicações a transformações de fases (S->L, Liquidus)• Aplicações em balanços térmicos (efeito de Fe-Ligas)• Equilíbrios em Óxidos (Refratários, Escórias)• Equilíbrios Metal-Óxido (desoxidação, etc.)• Exercícios simples de aplicação• Difusão e DICTRA• Exemplos

3 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Termodinâmica- Revisão

Termodinâmica- uma ciência macroscópica, com poder de previsão

4 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Processos expontâneos- Porque precisamos da termodinâmica

P1 P2

Pf

T1 T2

Tf

1

2

h

(b)(a) (c)

(S)

S

Potenciais TermodinâmicosT, P e

5 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Equilíbrio e Termodinâmica

• Porque é importante conhecer o estado final de um “sistema”:– Saber o que é possível quando o processamento se realiza em

determinadas condições

– Definir o processamento para obter os resultados “estáveis”

– Definir o processamento para evitar os resultados “estáveis”

– Compreender como, porque e com que velocidade as transformações ocorrem nos materiais ( a visão de Matts Hillert)

6 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

As funções termodinâmicas

pC

dTCH p

dTT

CS p

TSHG

iii

aRTGn

Gln0

SH

262

543 Tm

T

mTmmC p

32

3

65

2

431

Tm

T

mTmTmmH

2)2(ln

2

625

432

Tm

T

mTmTmmS

622)ln1(

3

65

2

4321

Tm

T

mTmTTmTmmG

7 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Conceitos “básicos” para”a Termodinâmica

• Sistema

• Estado de um sistema (descrição macro e microscópica)

• Funções ou variáveis de estado• Intensivas vs. Extensivas

Sistema inclui refratários e atmosfera Sistema metal-escória na panela Aquecimento de placa- e a atmosfera?

8 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

A base da avaliação do equilíbrio em metalurgia

• Existe uma função G (energia livre de Gibbs), que depende, para cada fase possível de P, T e composição

G g P Ti ( , )

G X G X G G P T X Xmistura A B A A B B mistura A B ( , , , )

excessm

idealmi

o

iinm GGGxxxPTG

)...,,( 11

O equilíbrio corresponde ao MíNIMO de G total do SISTEMA

9 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Termodinâmica (de Equilíbrio)

G de cada fase pode ser calculado:

),%,,%,%,(

),%,,%,%,(

),%,,%,%,(

121

121

121

n

n

n

EEETPhG

EEETPgG

EEETPfG

A Pressão e Temperatura constantes, Gtotal do sistema será mínimo.

Quais fases podem existir?

fasecadaparaE

EnEnEnn

EnEnEnn

EnEnEnn

GnGnGnG

c

ii

cccc

TOTAL

100%

%,%%

%,%%

%,%%

1

2222

1111

10 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Termodinâmica Visão #2

• Para que exista equilíbrio, os potenciais termodinâmicos tem de ser iguais em todas as fases.

• Conseqüência: Regra das fases de Gibbs. • Estas igualdades são SEMPRE obtidas, quando Gtotal é

mínimo!

nnn

bbb

aaa

PPP

TTT

...

.

.

...

...

...

...

11 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Phase rule- conditions for equilibrium

• In equilibrium, all thermodyanmic potentials must be equal in all phases (this is equivalent to a system of equations!)

nnn

bbb

aaa

PPP

TTT

...

.

.

...

...

...

...

nnnnn kzlzcybxa

kzlzcybxa

kzlzcybxa

kzlzcybxa

....

.....

....

....

....

33333

22222

11111

12 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Phase Rule - Degrees of Freedom

nnn

bbb

aaa

PPP

TTT

...

.

.

...

...

...

...

(P-1) equations

(C+

2)

lines

Number of Equations:(C+2)(P-1)=CP+2P-C-2

Number of Variables:(C-1)P composition variablesP temperaturesP pressuresCP-P+2P=CP+P variables

Variables-Equations= Degrees of FreedomCP+P-( CP-C+2P-2)=FC-P+2=F

13 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Phase rule- “Computational” viewpoint (TC Manual)

C-P+2=F

If no phase is a priori fixed (P=0), one must define C+2 condições in order to able to calculate the equilibrium state.

14 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Termodinâmica Computacional

Ajuste dos “melhores”

modelo para G s

Ajuste dos “melhores”

modelo para G sFe X

T

G0

H

Cp

f.e.m

Medidas Experimentais

Minimização de Gtotal para as condições estabelecidas

Minimização de Gtotal para as condições estabelecidas

Condições do sistema,P,T, %i s

Equilíbrio do sistema:Fases , quantidades,

%i s em cada fase.

15 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Porque o método “CALPHAD”

• Porque é necessário?– O número de sistemas binários é limitado....

– O número de sistemas ternários é imenso....

– Materiais de interesse comercial normalmente tem >4 componentes!

• Porque funciona?– ENTROPIA nos ajuda!

– Raramente uma nova fase aparece em um sistema 4-rio!

– As interações importantes provém, principalmente, dos sistemas binários.

16 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

O roteiro básico de um cálculo

• Escolher um banco de dados • Definir quais os elementos no seu sistema• Escolher quais as fases possíveis• Definir as condições termodinâmicas (até zero graus de

liberdade!)• Calcular e ver o resultado• Definir o “espaço” a ser amostrado• Apresentar os resultados – Tabela ou gráfico

NOTA: TODAS AS VARIÁVEIS TERMODINÂMICAS SÃO CALCULADAS!!

17 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Exemplos de Aplicação

Veja o manual e os exemplos!

18 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

A seqüência no TCW

19 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Cálculos de Equilíbrio

• Regra Básica: Só é possível calcular quando se tem ZERO graus de liberdade (lembrar da regra das fases de Gibbs)

– Aumente o número de condições ou

– Fixe (exija!) a presença de mais fases

• Passos Básicos:– set-conditions

– compute-equilibrium

– list-equilibrium

• Comandos tipo “DO” para repetir cálculos, variando uma (ou mais condições):– Step (só uma variável)

– Map (duas variáveis)

20 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Diagramas de Equilíbrio Binários (“o clássico”)

• Fe-Cr, “automático”• Fe-C estável• Fe-C meta-estável

21 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Exemplo: Diagrama Fe-Cr

• Use o “botão” diagramas de fases

• Use o banco de dados PBIN

22 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Escolhas “fixas” e Opções de resultados

23 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

A ordem da escolha dos elementos define o eixo X

Tie-lines= conodos

Como mudar o eixo x?

24 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Curvas de Energia Livre composição

Como identificar o estado de referência de G?

25 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Atividades

26 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Diagrama Ferro Carbono - Estável

• Elements- Escolher o banco de dados TCFE7Escolher os elementos Fe e CObservar quais as fases presentes no

banco de dados!

• Conditions- Calcular um primeiro equilíbrio1000C, 0,1%C, 1atm (1E5 Pa)

• Map/ Step Definir as condições termodinâmicasque serão variadas (para um

diagrama, %C e T, normalmente

• Nosso interesse não é apenas em diagramas de fases!

27 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Binário Fe-C - Elements

1

2

3

3

4

28 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Como ver as fases presentes no banco de dados

29 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Conditions

1

1a2

30 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Dados de entrada

Resultados calculados

Composição e atividades no sistema

Fases presentes, quantidades e composições

31 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Qual o estado de referência “default”

32 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Mudança de Fase de Referência para um Componente

33 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

A sequencia básica no TCW

34 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

MAP/STEP

35 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Diagram

36 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

E o diagrama da atividade do C no sistema?

37 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Diagrama Ferro Carbono – Meta-estável

• Elements- Escolher o banco de dados TCFE7Escolher os elementos Fe e CObservar quais as fases presentes no

banco de dados!• Meta-estável em relação a GRAPHITE e DIAMOND.

SUSPENDER estas fases, no cálculo.• Conditions- Calcular um primeiro equilíbrio

1000C, 0,1%C, 1atm (1E5 Pa)

• Map/ Step Definir as condições termodinâmicasque serão variadas (para um diagrama,

%C e T, normalmente)

• Nosso interesse não é apenas em diagramas de fases!

38 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Alterando o “status” de fases p.ex. “SUSPENDED”

39 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Como fazer o diagrama metaestável

• Status das fases: ENTERED entra no cálculoSUSPENDED NÃO entra no cálculoFIXED TEM de estar presenteDORMANT

• Mudar o STATUS das fases que não queremos que apareçam para SUSPENDED

40 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Perguntas importantes sobre o diagrama meta-estável

• O que acontece com teores de C maiores que 25% at?• Porque?

• Qual a atividade do carbono na cementita?• Porque?

41 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Algo mais complexo- como tratar?

Banco de dados TCFE7Elementos Fe, C, CrRejeitar as fases: HCP, GRA, DIACálculo inicial 1000C, 0,1%C, 18%Cr

E ainda mais complexo?Liquidus, por exemplo?

42 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Liquidus e transformações em um aço mais complexo (mais próximo a realidade)

Cr

C

T

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

TE

MP

ER

AT

UR

E_C

EL

SIU

S

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4

MASS_PERCENT C

Usar banco de dados TCFE7Definir elementos Fe, C, Cr, Ni, MnRejeitar fases indesejadasEquilibrio inicial 1000C e 0,2%C, 0,4%Cr, 0,1%Ni, 0,4%MnVariar a TGráfico de NP(*)

43 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Exemplo: Cálculo as temperaturas de transformação (A1 A3, Solidus e Liquidus de um Aço

• Composição do Aço:0,2%C, 0,4%Cr, 0,1%Ni, 0,4%Mn• Definir o MATERIAL• Escolher o banco de dados: TCFE7• Eliminar as fases indesejadas: Grafite e Diamante (rejeitar

ou suspender?)• Definir CONDIÇÕES para calcular um PRIMEIRO equilíbrio

ex: T=1000 C P=1atm N=1

• Calcular o equilíbrio• Definir o MAP/ STEP (variar a Temperatura SOMENTE)• Fazer o GRÁFICO

44 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Diagrama N (Fase) versus T

E fração volumétrica, como plotar?

45 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Exemplo: Dissolvendo o AlN

• A qual temperatura todo o AlN de um aço estará dissolvido?• Construir um diagrama NP(*) versus T para um aço

– %C=0,2 %Al=0,03….. %N=0,006

• Definir o MATERIAL• Escolher o banco de dados: TCFE6• Eliminar as fases indesejadas: Grafite e Diamante (rejeitar ou suspender?)• Definir CONDIÇÕES para calcular um PRIMEIRO equilíbrio

ex: T=1000 C P=1atm N=1

• Calcular o equilíbrio• Definir o MAP/ STEP (variar a Temperatura)• Fazer o GRÁFICO

• Cuidados:– Fases “impossíveis”– Ponto inicial?– Modelo para fases como carbonitretos?

46 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Controlando o N em aço para conformação

NormalNormal

AnormalAnormal

N mínimo

AlN

N máximo

AlN

47 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Precipitação em aço micro-ligado

• O modelo termodinâmico dos carbonitretos• Como identificar “o que” precipitou

48 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Compound Energy Formalism “Aplicado” aços

• Os carbonetos e carbonitretos de niobio, vanádio e titânio são modelados com a MESMA fase que o Fe (FCC)

Fe,Nb,V,TiC,N,Va

49 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

O modelo de duas sub-redes para o FCC (no programa)

50 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Isoterma do diagrama ternário

Exemplo: Precipitação de NbC na austenita

RTGGG

CNbMC

MNb /)(exp

%%%1,

,%1,

,0

%1,,

%1,,

0

MC

MNb

GCC

GNbNb

GNbCCNb

“Produto de Solubilidade”

51 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Os compostos de Nb, Ti, N e C em aços

Akamatsu,et al. 1994 Inoue...Ishida, 2000

52 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

“Nitretos”, Carbonetos ou Carbonitretos?

1473K

“TiN”

“Ti,NbC”

53 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Exemplo

• TCFE7• Aço contendo: C=0.05% Ti=0.02% Nb=0.04% N=50ppm

• Construir um diagrama T versus Vf(P)

54 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

AB

Um único modelo para e (Ti,Nb)(C,N)

55 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Usando a variável “SITE FRACTION: Y(fase, constituinte)”

56 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Quem é quem? (Independente da relação de sitios, 0Y1)

Y=0 ausencia do constituinte na sub-redeY=1 rede “completa por este constituinte”

57 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Partição em Dual Phase

• Fazer um gráfico mostrando a fração volumétrica de austenita e o teor de carbono da austenita para um aço Dual Phase. C=0,1% Mn=2% Si=0,5%

• Usar uma função para calcular a %C na austenita a partir de W(FCC,C) e uma tabela para plotar esta função, junto com a fração volumétrica de austenita (VPV(FCC)).

• É possível incluir uma função para calcular o Ms ou o Mf ou Bs ou Bf.

58 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Funções Auxiliares (somente as duas últimas são úteis neste problema)

PCTCA= % C na austenitaDP= tabela PCTCA e VPV(FCC)VPV é fracão volumétrica

59 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Partição em Dual Phase

60 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Modelando a solidificação “automaticamente” O Módulo Scheil

61 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Solidificação (modelos simplificados)

62 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Scheil para Fe-C-Mn-S

63 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Allow BCC->FCC ?

64 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Segregado ou não? Como é o resultado??

65 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Um exemplo clássico de Inox Duplex (SAF 2507, 1985) 25%Cr, 0,02%C, 3.6%Mo, 6.5%Ni

• Objetivo: Ajustar o N do aço para termos 50% FCC e 50%BCC na temperatura de solubilização e com PRE das duas fases “iguais”

• Conhecemos: 25%Cr, 0,02%C, 3.6%Mo, 6.5%Ni• Vamos usar uma fórmula simples para as duas fases:

PRE=w%Cr+3,3*w%Mo+16*w%N

• PREBCC=100*(W(BCC,CR)+3.3*W(BCC,MO)+16*W(BCC,N))• PREFCC=100*(W(FCC,CR)+3.3*W(FCC,MO)+16*W(FCC,N))

66 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Primeiro passo: examinando o aço “final”

• TCFE7

• 25%Cr, 0,02%C, 4%Mo, 7%Ni 0.3%Si 0.3%Mn 0.26%N

• Suspender GAS, GRA, DIA

67 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Calculando a temperatura onde temos 50% BCC

• Suspender tudo exceto BCC, FCC e SIGMA• FIXAR BCC=0.5

68 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Variando só o N de 0.1% a 0.4%

69 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Como entrar funções - efeito do N no PRE

70 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Ver os dois PREs

71 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

72 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

O exemplo clássico de Inox Duplex (SAF 2507, 1985) 25%Cr, 0,02%C, 4%Mo, 7%Ni 0.3%Si 0.3%Mn

How does %N affects T at which F(BCC)=F(FCC)

How does %N affects PRE of BCC and FCC?

How does a steel with 0,26%N looks like?

73 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Outras funções termodinâmicas

Exemplos:

-Volume

-Entalpia

74 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Trincamento de aço peritético no lingotamento contínuo

Emi and FredrikssonMaterials Science and Engineering A 413-414 (2005) 2–9

The rate of volume change is one of the KEY FACTORS for the incidence of cracks in peritectic steels in continuous casting.

CALCULAR A VARIAÇÃO VOLUMÉTRICA DE DOIS AÇOS:C=0,05% e C=0,19%

75 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Como “plotar” o volume

76 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Precisamos superpor o cálculo de 2 aços:

DESMARCAR aqui, para não apagar o cálculo anterior

77 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Variação volumétrica em dois aços 0.05%C e 0.19%C

Compare magnitude of V and T under which it happens

78 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Entalpia

Efeito da adição de “sucata de refrigeração”

Adição de Fe-Si

Adição de Fe-Si a aço não desoxidado

79 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

O “ZERO” das funções de Energia

h hm

80 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

O zero de entalpia é escolhido, normalmente, como sendo a fase mais estável da elemento puro, a temperatura de 25 oC (298.15K) e pressão de 1 atm. Este estado é chamado SER (Standard Element Reference).

H HFeSER

FeCCC K atm , . ,298 15 1 0

Assim, para o Ferro, por exemplo:

Estado de “referência” SER para os elementos puros

Dinsdale, A. T. 1991. “SGTE data for Pure Elements.” CALPHAD 15 (4): 317-425.

81 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Para as demais fases, 01,15.298,1,15.298, atmKLIQFe

atmKCFCFe HH

82 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Olhando a entalpia de todas as fases do Fe

SER

83 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Balanço térmico

• A pressão constante (1a Lei):

• Se não houver aporte de calor nem perdas:

QHH

QPVUPVU

VPQUWQU

12

1122 )(

12

12 0

HH

QHH

84 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Adição de sucata ao Ferro Líquido

Aço

1600 C

T=1600T=1600oC

1t

20kg

T=25oCiH

1600 CT=?

1,02t

H=Hi

85 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

A entalpia inicial 1E6g a 1600C e 1 atm

E a entalpia da sucata? 01,298,

1,298 atmFeSER

atmFe HH

86 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Entrando com a entalpia

DELETE T=1873K!!

87 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Nova temperatura

88 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Entalpia de Mistura

O processo de mistura pode ser exotérmico ou endotérmico

Alcool

Água

89 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Mistura de Ferro-Ligas- Efeito térmico de Fe-Si

Entalpia da corrida de aço a 1600 C sem silício1000kgFeT=1600, P=1e5Pa

Adicionar Fe-Si 75% para ter 0,3% de Si em 1000g de aço.

Entalpia da quantidade de Fe-Si a 25C a adicionar4kg Fe-Si%Si=75%T=25CP=1e5Pa

+ =

1,3488E9J

-1,139E6J

Entalpia da corrida de aço a 1600 C com SilicioPeso total 1004g%Si= 0,3%H=1,3488E9-1,139E6J= 1,34766E9P=1e5PaT=?

T=1609 C

90 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

91 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Mistura de Fe-Liga- Efeito térmico de Fe-Si- aço oxidado

Entalpia da corrida de aço a 1600 C sem silício (1t aço)999.400g Fe600g OT=1600, P=1e5Pa

Adicionar Fe-Si 75% para ter 0,3% de Si em 1000kg de aço com 600ppm O

Entalpia da quantidade de Fe-Si a 25C a adicionar4kg Fe-Si%Si=75%T=25CP=1e5Pa

+ =

1,345E9J

-1,139E6

Entalpia da corrida de aço a 1600 C com SilicioPeso total da corrida 1004gPeso Si=3kgPeso O=600gH=1,345E9-1,139E6J= 1,346E9P=1e5PaT=?

T=1623 CAço + Silicato Liquido

92 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Exemplo: Aquecendo com Al no RH

• Definir o Material: Fe-Al-O• Escolher um banco de dados: SLAG3 • Eliminar fases indesejadas (gas)• Calculo da entalpia do Aço antes de adicional oxigênio

– 1000g aço 0,8g Al , 0,02g O (20ppm) T=1600C, P=1e5Pa ou P=1atm

– Obter H do sistema (não é H em J/mol!!)

• Estabelecer a condição H constante e não T constante– Variar a quantidade de O no sistem B(O) entre 0 e 1,5kg/t O soprado

• Avaliar– Temperatura

– Oxigênio do aço

– Fases formadas no processo

Exemplo proposto pelo Eng Barão, CST

93 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Equilíbrio Gas Metal

94 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Calculo no Fe-N (qual a solubilidade do N no aço?)

• Primeira opção:– Calcular diretamente um

diagrama de fases, binário Fe-N, at 1 atm

– Database TCFE6, Elementos Fe-N

– Condição inicial T=1000 C, P=1e5 N=1

– Map %N e T

– Observe que as condições “default” do gráfico não mostram “nada”! A escala de %N (0-100) é inadequada.

95 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Fe-N Outra estratégia

• Segunda estratégia:• Todas as linhas limite de

solubilidade são linhas de “FRAÇÃO DE FASE IGUAL A ZERO”(“ZERO PHASE LINES”) linhas em que a fase está presente, mas com quantidade ZERO.

– Forcar a presença do gas com quantidade ZERO GAS, FIX=0

– (não estabelecer uma condição para %N: este é o resultado do cálculo!)

– Calcular um equilíbrio– STEP, variando T

– Um gráfico de %N vs T mostra a solubilidade do N no ferro em equilibrio com 1 atm de gás. O formato é mais comum que o anterior, mass é o mesmo gráfico.

96 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Fe-18%CrFe-18%Cr-4%Mn

Nitrogen solubility calculated

97 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Desoxidação e Equilíbrio Metal-Escória

98 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Equilibrios em sistemas Óxidos

99 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Saturação em MgO de escória

Uma escória está saturada a 1600C?%CaO=52%%SiO2=25%%FeO=1,5%%MgO=8%%Al2O3=13,5%

Investigar o efeito de TInvestigar o efeito de MgO

Database SLAG3Elementos Fe, Ca, Si, O, Mg, AlDefinir componentes FeO,CaO,SiO2

MgO, Al2O3Suspender a fase metálica líquida.

Variar (step) TVariar (step) MgO

100 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Exemplo: Avaliar a saturação em MgO de escória

• Material: Escória com Ca, Si, Fe, Mg e Al• Composição: %CaO=52, %SiO2=25, %FeO=1,5, %MgO=8,

%Al2O3=13,5• Banco de dados: SLAG3• Re-definir COMPONENTES antes das CONDIÇÕES (O será COMPO)• Eliminar a fase “metálica” Fe_Liquid dos cálculos• Estabelecer as condições T, P, N e composição (NUNCA forçar 100%)

Variar– T

– MgO

101 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Variando a composição para achar a saturação

CaO MgO

SiO2

Qual a trajetória?

102 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Exemplo: Avaliar a saturação em MgO de escória

• Material: Escória com Ca, Si, Fe, Mg e Al• Composição: %CaO=52, %SiO2=25, %FeO=1,5, %MgO=8,

%Al2O3=13,5• Banco de dados: SLAG3• Re-definir COMPONENTES antes das CONDIÇÕES (O será COMPO)• Eliminar a fase “metálica” Fe_Liquid dos cálculos• Estabelecer as condições T, P, N e composição (NUNCA forçar 100%)

Variar– T

– MgO

103 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Variando a composição para achar a saturação

104 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Controle da Escória de Conversor

Chrisóstomo, W.B., C.L. Pereira, A. Costa e Silva, COAÇO 1999.

105 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Escória de Forno Panela - e a atividade dos óxidos?

T1600 oCB 2-3

MgO 920% Al2O3

T=1590C10% Al2O3

106 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Qual a atividade da silica no forno panela?

• CaO 50%• SiO2 23%• Al2O3 20% Aço desoxidado ao alumínio• FeO 1%• MgO=7%• T =1580C

• Ou• CaO 50%• SiO2 25%• Al2O3 2% Aço sem adição de alumínio• FeO=2%• MgO=7%• CaF2=10%• T=1580C

107 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Para o aço sem Al e escória com CaF2

• Banco de dados SLAG3• Definir Ca, Al, Mg, Si, Fe, O e F• OPTIONS- CALCULATION- GLOBAL OFF• Redefine CaO Al2O3 CaF2 FeO SiO2 MgO O• Condição do O (%=1e-17 ou ac(O)=1e-17 garantem FeO)• SUSPENDER GAS E FE_L

108 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Para o aço sem Al e escória com CaF2

109 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Uma escória de Alto-Forno

Quanto MgO falta para saturar?

110 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Dados

 

Composto%

CaO 42,62

SiO2 35,63

Al2O3 12,06

MgO 5,67

S 0,83

TiO2 2,464

FeO 0,3

MnO 0,54

  

O S deve estar como CaSO SLAG2 não tem TiO2.

Converter CaO e S em CaO e CaSNormalizar o TiO2 ou transformar em SiO2

CaO 42,62SiO2 35,63Al2O3 12,06MgO 5,67S 0,83TiO2 2,464FeO 0,3MnO 0,54

100,114

Ca Ca no CaO CaOCaO 42,62 30,44286 29,405357 41,1675SiO2 35,63 35,63Al2O3 12,06 12,06MgO 5,67 Ca no CaS 1,0375 5,67S 0,83 CaS 1,8675 1,8675TiO2 2,464 0FeO 0,3 Fe 0,3MnO 0,54 0,54

100,114 96,695

111 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Condições

112 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Solidificação da escória

113 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Trocando MgO por SiO2

114 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Convertendo em PESOS na escória

115 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Efeito da quantidade de MgO adicionada a escória

116 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Fases presentes em uma pelota de minério de Ferro

• Fe2O3=97.1%• SiO2=1.2%• CaO=1%• Al2O3=0.4%• MgO=0.2%

• Acr(o2)=1?

117 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Sintering an iron ore pellet

118 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Aluminum deoxidation

Steel

Oi=600 ppm

Al

Al O

Steel

Of=6ppmAlf

54

48

Aladd

Oi

Of

Al

119 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Al deoxidation

• Calculate Al2O3 solubility (Fe-Al-O diagram)– Initial equilibrium 0,06%Al 0,04%O 1873K GLOBAL “LIGADO”

• Calculate Al2O3 “solvus” (zero fraction line)– Fix 0 moles of alumina, GLOBAL “OFF”– Initial equilibrium 0.04%Al, 1600C 1 atm N=1 (%O CANNOT be

condition)– Step %Al

• Calculate total Al to desoxidate– Calculate equilibrium with total 0,06% O and 0,04%Al in the system– Eliminate the Al condition and define as a condition the final oxygen

in the solution in the steel after deoxidation W(Fe_L,O)=6ppm– Calculation result is the total Al content in the system.

120 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Aluminum deoxidation

Fe-Al-O (C=3 F=5)T=1873 K P=1e5 W=1 ton%O in system= Oi=600 ppm%O in steel= Of=6 ppm

Result998,7 kg of steel containing %O = Of=6 ppm %Al=0.021.3 kg Al2O3875 g Al in the system

A simple way of defining the conditions:All oxygen in the ladle will stay in the system: that is W(O)We know how much oxygen we want left in solution in the steel AFTER deoxidation. That is the deoxidation objective.It is expressed as w(FE_LIQUID, O)

121 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

TUNDISH

Preventing nozzle clogging – Semi-Empirical

122 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Semi-empirical- Increasing Ca additions

Total O, S and T must be constant

Cortesia M. Barcellos

123 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Quais inclusões não-metálicas se formam com Ca?

• A steel with: 0.02%Al, 10ppm Ca, 15 ppm O, 0.01%S• Database: SLAG3• Elements: Fe, O, Al, Ca, S• Suspend (or reject) GAS• Define conditions: T, P,N=1 and steel composition• (initial T can be, for instance 1550 C)• Compute equilibrium• STEP T (1450 to 1600 C) (be careful. Too many steps can

lead to instability in SLAG calculation)

124 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Find when S+L forms (end of window)

Liquid inclusions

S+L

S

125 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Fazendo Inox

• Banco de dados SLAG3• Elementos Fe, Cr, C e O (é o mínimo possível).• Como calcular o equilíbrio Aço-Gás-Escória saturada?• Calcule um primeiro equilíbrio.• FIX as FASES: GAS e CR2O3• Variar o Cr para uma temperatura...• PARA TER AS DUAS T NO Gráfico DESMARQUE

OVERWRITE (em MAP/ STEP• Calcular para outra T ou outra P

top related