controle inteligente de processos termoquímicos com base na termodinâmica computacional

Controle inteligente de processos com base na termodinâmica computacional

Desenvolvimento de Sistema

PPGEM - Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul

2007

Adalgiso Nogueira de Castro Filho

Eng Mec, MSc, PhD

Introdução

A base científica

O método CALPHAD

Concepção formal

A ferramenta CALPHAD

Uma aplicação

Conclusões

Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul

PPGEMM

Sumário

Autor: Adalgiso Nogueira de Castro F PPGEM - Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul

Núcleo de Termodinâmica Computacional para a Metalurgia Laboratório de Metalurgia Física

Autor: Adalgiso Nogueira de Castro F PPGEM - Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul

IntroduçãoNúcleo de Termodinâmica Computacional para a Metalurgia

Tratamentos de Superfície de Metais Termoquímicos

Simulação e Controle de Processos

Ferramentas CALPHAD

Engenharia e Ciência dos Materiais

Cálculo Numérico

Termoquímica

Programação e Computação de Dados

Lógica de Processos de Tratamentos Termoquímicos

Sistemas para Controle de Processos

Introdução

Fonte: http://www.nitrex.com/english/equipment_turnkey.htm


PPGEMM

dU = Q – dW 1ª Lei

dSsis + dSviz 0 2ª Lei

d(U + PV – TS)T,P 0 (dG)T,P 0

Leis da Termodinâmica:

A base científica

Variação da energia de Gibbs


PPGEMM

6T

dT21

c2

Tb))Tln(1(T.aT.aaG

32

1olattice ----- +=

)δ(f).β1ln(.T.RGmag +=

])T(K).1n(

1)P).T(K.n1(].[dT)T(αexp[.VG

T

298

)n1

1(

0press ∫ -

--

+=

φi

ii

φm GxG ∑=

φm

φ

φGnG ∑=

φi

magφi

exφi

idφi

oφi GGGGG +++=

GGGG pressmaglattice ++=

Energia de Gibbs:

A base científica


PPGEMM

Fonte: www.elsevier.com/locate/pmatsci

Experimental and “first principles” total energy information(thermochemical and phase equilibrium data)

Select thermodynamic models for each phase

Optimize model parameters

Obtain Gibbs energy functions for each phase in the system(Thermodynamic description)

Select the experimentaldiagrams of the lower order systems,

normally binaries and ternaries (Describe known diagrams)

More importantly – extrapolate the Gibbs energies of lower order alloy phases to those of higher order alloy phases (Predict unknown higher

order multicomponent diagrams)

Método CALPHAD

O formalismo


PPGEMM

φm

φ

φGnG ∑=

ba )O,N,M()j,i(

+++++= O0

ON0

NM0

Mj0

ji0

iφm GxGxGxGxGxG

++++++ jO0

OjjN0

NjjM0

MjiO0

OiiN0

NiiM0

Mi GyyGyyGyyGyyGyyGyy

+++++ ))yln(by)yln(by)yln(by(RT))yln(ay)yln(ay(RT OONNMMjjii

+++ ν1j

1i

n

0O:j,i

ν2O

1j

1i

ν1j

1i

n

0N:j,i

ν2N

1j

1i

ν1j

1i

n

0M:j,i

ν2M

1j

1i )yy(Lyyy)yy(Lyyy)yy(Lyyy --- ∑∑∑

++ ν2N

2M

n

0j:N,M

ν1j

2N

2M

ν2N

n

0

2Mi:N,M

ν1i

2N

2M )yy(Lyyy)yy(Lyyy -- ∑∑

++ ν2O

2M

n

0j:O,M

ν1j

2O

2M

ν2O

n

0

2Mi:O,M

ν1i

2O

2M )yy(Lyyy)yy(Lyyy -- ∑∑

++ ν2O

2N

n

0j:O,N

ν1j

2O

2N

ν2O

n

0

2Ni:O,N

ν1i

2O

2N )yy(Lyyy)yy(Lyyy -- ∑∑ ∑

kk ))δ(f)β1ln(RT(x +

O modelo:

Aplicação do método CALPHAD


PPGEMM

Fórmula

∑ ∑ ∑ ∑∑ --i φ φ i

φi

φφi

φii

φm

φ

φ )1x(λ)xnn(μGnF ++=

0xμGi

φii

φm =∑-

0λnμxG

n φφiφ

i

φmφ =+-

∂

∂0μ

xG

ii

φm =-

∂

∂

ii

αm

i

φm μ...

xG

xG

===∂

∂

∂

∂

mm

αm

m

φm μ...

xG

xG

===∂

∂

∂

∂

..................................

pxx oldnew +=

)x('f)p/()x(f =

φm

φ

φGnG ∑=

0)xnn(μ φi

φ

φii =∑-

0)1x(λi

φi

φ =-∑

O esquema de solução:



PPGEMM

, ,

F.J-δ 1-=

...xΔ)x/f()x,...,x,x(f)xΔx,...,xΔx,xΔx(f 111n211nn22111 +++++ ∂∂≈

+++ nn1221 xΔ)x/f...(xΔ)x/f( ∂∂∂∂

0)x,...,x,x(fxΔ)x/f(...xΔ)x/f(xΔ)x/f( n211nn1221111 =++++ ∂∂∂∂∂∂

0)x,...,x,x(fxΔ)x/f(...xΔ)x/f(xΔ)x/f( n212nn2222112 =++++ ∂∂∂∂∂∂

0)x,...,x,x(fxΔ)x/f(...xΔ)x/f(xΔ)x/f( n21nnnn22n11n =++++ ∂∂∂∂∂∂

..........................................................................................................................................

...2/)xΔ)(x/f(2/)xΔ)(x/f( 22

22

221

21

2 ++ ∂∂∂∂=

==

0)x,...,x,x(f.......................

0)x,...,x,x(f0)x,...,x,x(f

n21m

n212

n211

solução numérica:



PPGEMM

Desenvolvimento Digital:

Num. de Componentes, Fases, Constituintes, Fases estequiométricas

Nome e massa de componentes

Nome da fase

Nome dos constituintes

Matriz elementar do constituinte

Intervalo de temperatura de validade dos dados

Coeficientes e parâmetros de energia

Seq

üên

cia

de

pro

ced

imen

tos

de

leit

ura

:

6 6 11 6 6 3 2 2 1

N H C O Ar Fe

14.007 1.0079 12.011 15.9994 39.948 55.847


PPGEMM


Leitura das condições iniciais

Procedimentos auxiliares

Procedimentos de controle

Cálculo de propriedades

Dimensionamento das matrizes

Cálculo dos elementos das matrizes

Procedimentos iterativos

Visualização de resultados

Pro

ced

imen

tos

e fu

nçõ

es:


PPGEMM

Aplicação do método CALPHAD Desenvolvimento Digital:

]N[N)21( )g(2 =

)g(2)g(3 H23]N[NH +=

2CO]C[CO2 +=

]C[CGRA =

2GRA COCCO2 +=

)g(2)g(2)g(3 H23N2

1NH +=

Aplicação da ferramenta CALPHAD A lógica de controle:

Conservaçãoda matéria


Análise comparativa

Controle Inteligente


PPGEMM

)pp(Ka

2GRA CO

2CO

C =

CC μμGRA

= oC

oC μμ

GRA=

]C[GRA aa =

0]N[)g(N μºμ)2

1(2

=

]N[2/1

)g(N aP2

=

2/1

23

H

NHN )]

P

P(K[P

2

3

2=

,

,

]N[)g(N μμ)21(

2=

SdTVdPdG -=

)aln(RTμμ ioii +=

)P/Pln(RTGG ooii =-

A lógica de controle:






PPGEMM

Aplicação da ferramenta CALPHAD

Se Composição_Atual <= Composição_Referência - X Então

Número_Verificações = Número_Verificações - Y

Calcular_Intervalo_Tempo

Senão Se Composição_Atual >= Composição_Referência + X Então

Número_Verificações = Número_Verificações + Y

Calcular_Intervalo_Tempo

Fim Se







PPGEMM







∑n

i

2i )F(t)-Y(D =

32 dtctbta)t(F +++=

0...bD

aD

===∂

∂

∂

∂

0)t(F-L =


PPGEMM



PPGEMM

A ferramenta CALPHAD Cálculo do equilíbrio de fases:

Fases presentes no arquivo; Composição (massa elementar dos componentes); Condições de temperatura e pressão e respectivas unidades; Unidades de massa, volume e energia; Visualização de resultados dos cálculos; Comandos e funcionalidades da ferramenta desenvolvida.


PPGEMM

A aplicação da ferramenta CALPHAD Controle de processos de nitretação gasosa

Parâmetros operacionais (relações entre os constituintes da fase gasosa); Dados de referência para a composição da fase gasosa; Dados de composição atual; Composição inicial do substrato; Constante de equilíbrio da reação de dissociação; Teor de umidade da fase gasosa; Temperatura e pressão dos cálculos e tempo do processo; Funcionalidades.


PPGEMM


Temperaturas de referência, ambiente e temperatura atual do processo; Número de verificações de composição atual do sistema em cada etapa do processo; Número da verificação atual e número total de verificações; Unidade de tempo entre as verificações , tempo atual e tempo previsto para a reintrodução da composição de referência; Área de visualização do desenvolvimento do processo temoquímico.


PPGEMM


Áreas de visualização de dados de composição atual da atmosfera do processo; Dados de referência utilizados no controle.


PPGEMM

Em preliminar, cabe referir, aparentemente o estudo desenvolvido preenche uma lacuna, na área da engenharia e ciência dos materiais no nosso país, em decorrência da inexistência ou ausência de notícias sobre a existência de ferramentas similares com desenvolvimento conduzido por pesquisadores nacionais.

Conclusões:


PPGEMM

1. Considerando-se os resultados produzidos nos diversos cálculos realizados com a ferramenta desenvolvida neste estudo, pode-se concluir:

a) Com base em um conjunto consistente de dados termoquímicos e um modelo desenvolvido neste estudo foi possível descrever adequadamente as propriedades de estado de todas as fases (fase gasosa, compostos condensados estequiométricos e fases soluções sólidas) normalmente presentes nos sistemas Fe-C e Fe-N;

b) Foi desenvolvida uma ferramenta CALPHAD, para cálculos de equilíbrio de sistemas multifásicos, com os recursos e funcionalidades compatíveis com o atual estágio de desenvolvimento da ferramenta;

Conclusões:


PPGEMM

Conclusões:

c) Inexiste qualquer impedimento para que a ferramenta desenvolvida possa incorporar outros modelos ou para que sejam desenvolvidas funcionalidades de pós-processamento de resultados adicionais;

d) Pode-se concluir que o sistema de controle dos processos termoquímicos desenvolvido no estudo, se aplicada na indústria, certamente terá reflexos positivos na competitividade da produção industrial, em função das vantagens inerentes à automação de processos inteligentes.

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