anÁlise termodinÂmica computacional da produÇÃo de aÇo inoxidÁvel – fundamentos

19
ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS Nestor C.Heck, Antônio C.F.Vilela NTCm Núcleo de Termodinâmica Computacional para a Metalurgia / UFRGS LASID Laboratório de Siderurgia / UFRGS 60 o Congresso Anual da ABM 25-28 de julho de 2005, Belo Horizonte - BH

Upload: lilly

Post on 09-Jan-2016

65 views

Category:

Documents


25 download

DESCRIPTION

ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS. Nestor C.Heck, Antônio C.F.Vilela NTCm Núcleo de Termodinâmica Computacional para a Metalurgia / UFRGS LASID Laboratório de Siderurgia / UFRGS 60 o Congresso Anual da ABM - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA

PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL –

FUNDAMENTOS

Nestor C.Heck, Antônio C.F.Vilela

NTCm Núcleo de Termodinâmica Computacional para a Metalurgia / UFRGS

LASID Laboratório de Siderurgia / UFRGS

60o Congresso Anual da ABM

25-28 de julho de 2005, Belo Horizonte - BH

Page 2: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Objetivos

Curto prazo: estudar os fundamentos associados ao

processo de produção de aços inoxidáveis; simular aspectos básicos e verificar a validade do software e dados

empregados. Longo prazo:

reproduzir em laboratório pontos críticos; sugerir ações visando otimizar o processo.

Page 3: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Metodologia

Simulação: uso do aplicativo FactSage 5.2 e seus bancos

de dados (termodinâmica computacional); sistemas simples (1a fase: sem vinculação com

etapas do processo industrial). Validação:

resultados versus literatura;

Page 4: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Termodinâmica

Usada para o cálculo do equilíbrio estado final de qualquer sistema; alcançado se não houver qualquer

impedimento de ordem cinética. Sistema em equilíbrio:

propriedades são constantes no tempo; não há gradientes de nenhuma espécie;

Page 5: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

O que constitui um sistema?

Componentes: Fe-Cr-Ni-C...

Fases: ‘banho’, ‘escória’, atmosfera...

Propriedades importantes: Temperatura (constante) Pressão (constante)

Page 6: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O

Dois componentes: Fe, O Três fases: Fe(l), atm. (O2), FeO (l) Regra das Fases F + V = C + 2

Se temperatura: 1600°C Pressão = 5,58 x 10-9 [atm] Teor O = 0,225%

Page 7: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O

Page 8: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr

Três componentes: Fe, Cr, O Regra das Fases

Temperatura: 1600°C Pressão: valor constante [atm] F = C + 2 - V

Três fases: óxido(?), atm.(O2), banho

Page 9: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr

Page 10: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr

Teor de O

0.030

0.035

0.040

0.045

0.050

-11.5 -11.0 -10.5 -10.0 -9.5

Logaritmo da pressão de O2 (real) [log(p)]

Teor

de

O [%

, mas

sa]

Cr2O3

FeCr2O4

Page 11: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr

Teores de O e Cr

0.01

0.10

1.00

0.10 1.00 10.00 100.00

Teor de Cr [%, massa]

Teor

de

O [%

, mas

sa]

Cr2O3

FeCr2O4

Page 12: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr (Literatura, apud ITOH)

Teores de O e Cr

Page 13: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr (Validação)

Fases sólidas: concorda Valores de O=f(Cr):

10%Cr 20%Cr 30%Cr

ITOH <0,025 <0,04 0,05

este trab. 0,034 0,046 0,06

SJPC <0,04 0,05 0,08

Limite Cr2O3 / FeO.Cr2O3; (%Cr):SJPC 3% / este trab. ~3,7% / ITOH 7%

Page 14: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr-C

Competição pelo oxigênio:4 C + Cr2O3(s) + CO2(g) = 2 Cr + 5 CO(g)

Constante de equilíbrio (rearranjada):

Page 15: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr-C-Ni

C e Cr em função de P e CO2/CO

1600°C

~8% Ni

0.001

0.010

0.100

1.000

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Teor de Cr [%, massa]

Teo

r de

C [%

, mas

sa]

p = 1

p =0,1

p = 0,01

Page 16: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr-C-Ni-Ca-Si

Cr [kg/t] em função da massa de O Condições:

Sem adição + 15 [kg] Si + 15 [kg] Si + 30 [kg] CaO

Sistema: Temperatura: 1600 [°C] Pressão: 1 [atm]

Page 17: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr-C-Ni-Ca-Si

150

155

160

165

170

175

180

185

0 5 10 15 20 25

Massa de oxigênio no sistema [kg]

Mas

sa d

e C

r [k

g]

+15kg Si +30kg CaO

+15kg Si

Sem adição

Page 18: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Sistema Fe-O-Cr-C-Ni-Ca-Si

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

10 15 20 25

Massa de oxigênio no sistema [kg]

Mas

sa d

e m

iner

al e

de

'esc

ória

líqu

ida'

[kg]

Ca2SiO4_alpha(s3)

Escória líquida

Cr2O3(s)

Page 19: ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL – FUNDAMENTOS

www.ct.ufrgs.br/ntcm

Conclusões

A simulação reproduz as fases e o comportamento geral conhecido e descrito na literatura do sistema e subsistemas Fe-O-Cr-C-Ni;

Mostra o potencial da ferramenta Termodinâmica Computacional para a simulação de processos e fenômenos típicos produção de aço inoxidável.