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1 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Aplicação da Termodinâmica Computacional a Siderurgia André Luiz V da Costa e Silva,

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Apresentação em tema: "1 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Aplicação da Termodinâmica Computacional a Siderurgia André Luiz V da Costa e Silva,"— Transcrição da apresentação:

1 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 PUC- UFF- ABM

2 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 3 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Termodinâmica- Revisão Termodinâmica- uma ciência macroscópica, com poder de previsão

4 4 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Processos expontâneos- Porque precisamos da termodinâmica P 1 P 2 P f T 1 T 2 T f 1 2 h (b)(a)(c) (S) S Potenciais Termodinâmicos T, P e

5 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 6 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 As funções termodinâmicas

7 7 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Conceitos básicos paraa Termodinâmica Sistema Estado de um sistema (descrição macro e microscópica) Funções ou variáveis de estado Intensivas vs. Extensivas Aquecimento de placa- e a atmosfera?

8 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 O equilíbrio corresponde ao MíNIMO de G total do SISTEMA

9 9 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Termodinâmica (de Equilíbrio) G de cada fase pode ser calculado: A Pressão e Temperatura constantes, G total do sistema será mínimo. Quais fases podem existir?

10 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.potenciais Conseqüência: Regra das fases de Gibbs. Estas igualdades são SEMPRE obtidas, quando Gtotal é mínimo!

11 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!)

12 12 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Phase Rule - Degrees of Freedom (P-1) equations (C+2) lines Number of Equations: (C+2)(P-1)=CP+2P-C-2 Number of Variables: (C-1)P composition variables P temperatures P pressures CP-P+2P=CP+P variables Variables-Equations= Degrees of Freedom CP+P-( CP-C+2P-2)=F C-P+2=F

13 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 14 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Termodinâmica Computacional Ajuste dos melhores modelo para G s FeX T G 0 H Cp f.e.m Medidas Experimentais Minimização de G total para as condições estabelecidas Condições do sistema, P,T, %i s Equilíbrio do sistema: Fases, quantidades, %i s em cada fase.

15 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 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 17 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Exemplos de Aplicação Veja o manual e os exemplos!

18 18 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 A seqüência no TCW

19 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 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 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 22 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Escolhas fixas e Opções de resultados

23 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 24 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Curvas de Energia Livre composição Como identificar o estado de referência de G?

25 25 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Atividades

26 26 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Diagrama Ferro Carbono - Estável Elements- Escolher o banco de dados TCFE7 Escolher os elementos Fe e C Observar quais as fases presentes no banco de dados! Conditions- Calcular um primeiro equilíbrio 1000C, 0,1%C, 1atm ( 1E5 Pa) Map/ StepDefinir as condições termodinâmicas que serão variadas (para um diagrama, %C e T, normalmente Nosso interesse não é apenas em diagramas de fases!

27 27 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Binário Fe-C - Elements

28 28 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Como ver as fases presentes no banco de dados

29 29 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Conditions 1 1a 2

30 30 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Dados de entradaResultados calculadosComposição e atividades no sistema Fases presentes, quantidades e composições

31 31 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Qual o estado de referência default

32 32 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Mudança de Fase de Referência para um Componente

33 33 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 A sequencia básica no TCW

34 34 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 MAP/STEP

35 35 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Diagram

36 36 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 E o diagrama da atividade do C no sistema?

37 37 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Diagrama Ferro Carbono – Meta-estável Elements- Escolher o banco de dados TCFE7 Escolher os elementos Fe e C Observar 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/ StepDefinir as condições termodinâmicas que serão variadas (para um diagrama, %C e T, normalmente) Nosso interesse não é apenas em diagramas de fases!

38 38 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Alterando o status de fases p.ex. SUSPENDED

39 39 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Como fazer o diagrama metaestável Status das fases: ENTERED entra no cálculo SUSPENDED NÃO entra no cálculo FIXED TEM de estar presente DORMANT Mudar o STATUS das fases que não queremos que apareçam para SUSPENDED

40 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 41 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Algo mais complexo- como tratar? Banco de dados TCFE7 Elementos Fe, C, Cr Rejeitar as fases: HCP, GRA, DIA Cálculo inicial 1000C, 0,1%C, 18%Cr E ainda mais complexo? Liquidus, por exemplo?

42 42 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Liquidus e transformações em um aço mais complexo (mais próximo a realidade) Cr C T TEMPERATURE_CELSIUS MASS_PERCENT C Usar banco de dados TCFE7 Definir elementos Fe, C, Cr, Ni, Mn Rejeitar fases indesejadas Equilibrio inicial 1000C e 0,2%C, 0,4%Cr, 0,1%Ni, 0,4%Mn Variar a T Gráfico de NP(*)

43 43 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Exemplo: Cálculo as temperaturas de transformação (A 1 A 3, 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 44 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Diagrama N (Fase) versus T E fração volumétrica, como plotar?

45 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 46 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Controlando o N em aço para conformaçãoNormal Anormal N mínimo AlN N máximo AlN

47 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 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,Ti C,N,Va

49 49 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 O modelo de duas sub-redes para o FCC (no programa)

50 50 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Isoterma do diagrama ternário Exemplo: Precipitação de NbC na austenita Produto de Solubilidade

51 51 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Os compostos de Nb, Ti, N e C em aços Akamatsu,et al Inoue...Ishida, 2000

52 52 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Nitretos, Carbonetos ou Carbonitretos? 1473K TiN Ti,NbC

53 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 54 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 A B Um único modelo para e (Ti,Nb)(C,N)

55 55 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Usando a variável SITE FRACTION: Y(fase, constituinte)

56 56 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Quem é quem? (Independente da relação de sitios, 0 Y 1) Y=0 ausencia do constituinte na sub-rede Y=1 rede completa por este constituinte

57 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 58 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Funções Auxiliares (somente as duas últimas são úteis neste problema) PCTCA= % C na austenita DP= tabela PCTCA e VPV(FCC) VPV é fracão volumétrica

59 59 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Partição em Dual Phase

60 60 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Modelando a solidificação automaticamente O Módulo Scheil

61 61 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Solidificação (modelos simplificados)

62 62 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Scheil para Fe-C-Mn-S

63 63 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Allow BCC->FCC ?

64 64 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Segregado ou não? Como é o resultado??

65 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 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 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 68 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Variando só o N de 0.1% a 0.4%

69 69 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Como entrar funções - efeito do N no PRE

70 70 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Ver os dois PREs

71 71 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

72 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 73 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Outras funções termodinâmicas Exemplos: -Volume -Entalpia

74 74 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Trincamento de aço peritético no lingotamento contínuo Emi and Fredriksson Materials Science and Engineering A (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 75 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Como plotar o volume

76 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 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 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 79 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 O ZERO das funções de Energia h hmhm

80 80 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Assim, para o Ferro, por exemplo: Estado de referência SER para os elementos puros Dinsdale, A. T SGTE data for Pure Elements. CALPHAD 15 (4):

81 81 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Para as demais fases,

82 82 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Olhando a entalpia de todas as fases do Fe SER

83 83 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Balanço térmico A pressão constante (1 a Lei): Se não houver aporte de calor nem perdas:

84 84 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Adição de sucata ao Ferro Líquido Aço 1600 C T=1600T=1600 o C 1t 20kg T=25 o C 1600 C T=? 1,02t H=Hi

85 85 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 A entalpia inicial 1E6g a 1600C e 1 atm E a entalpia da sucata?

86 86 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Entrando com a entalpia DELETE T=1873K!!

87 87 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Nova temperatura

88 88 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Entalpia de Mistura O processo de mistura pode ser exotérmico ou endotérmico Alcool Água

89 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 silício 1000kg Fe T=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 adicionar 4kg Fe-Si %Si=75% T=25C P=1e5Pa + = 1,3488E9J -1,139E6J Entalpia da corrida de aço a 1600 C com Silicio Peso total 1004g %Si= 0,3% H=1,3488E9-1,139E6J= 1,34766E9 P=1e5Pa T=? T=1609 C

90 90 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

91 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) g Fe 600g O T=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 adicionar 4kg Fe-Si %Si=75% T=25C P=1e5Pa + = 1,345E9J -1,139E6 Entalpia da corrida de aço a 1600 C com Silicio Peso total da corrida 1004g Peso Si=3kg Peso O=600g H=1,345E9-1,139E6J= 1,346E9 P=1e5Pa T=? T=1623 C Aço + Silicato Liquido

92 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 93 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Equilíbrio Gas Metal

94 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 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 96 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Fe-18%Cr Fe-18%Cr-4%Mn Nitrogen solubility calculated

97 97 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Desoxidação e Equilíbrio Metal-Escória

98 98 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Equilibrios em sistemas Óxidos

99 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 T Investigar o efeito de MgO Database SLAG3 Elementos Fe, Ca, Si, O, Mg, Al Definir componentes FeO,CaO,SiO 2 MgO, Al2O3 Suspender a fase metálica líquida. Variar (step) T Variar (step) MgO

100 100 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

101 101 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Variando a composição para achar a saturação CaO MgO SiO 2 Qual a trajetória?

102 102 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

103 103 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Variando a composição para achar a saturação

104 104 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.

105 105 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Escória de Forno Panela - e a atividade dos óxidos? T 1600 o C B 2-3 MgO 9 20% Al 2 O 3 T=1590C 10% Al 2 O 3

106 106 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Qual a atividade da silica no forno panela? CaO 50% SiO 2 23% Al 2 O 3 20% Aço desoxidado ao alumínio FeO 1% MgO=7% T =1580C Ou CaO 50% SiO 2 25% Al 2 O 3 2% Aço sem adição de alumínio FeO=2% MgO=7% CaF 2 =10% T=1580C

107 107 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

108 108 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Para o aço sem Al e escória com CaF2

109 109 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Uma escória de Alto-Forno Quanto MgO falta para saturar?

110 110 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Dados Composto % CaO42,62 SiO 2 35,63 Al 2 O 3 12,06 MgO5,67 S0,83 TiO 2 2,464 FeO0,3 MnO0,54 O S deve estar como CaS O SLAG2 não tem TiO2. Converter CaO e S em CaO e CaS Normalizar o TiO2 ou transformar em SiO2

111 111 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Condições

112 112 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Solidificação da escória

113 113 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Trocando MgO por SiO2

114 114 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Convertendo em PESOS na escória

115 115 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Efeito da quantidade de MgO adicionada a escória

116 116 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?

117 117 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Sintering an iron ore pellet

118 118 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Aluminum deoxidation Steel O i =600 ppm Al O Steel O f =6ppm Al f Al add OiOi OfOf Al

119 119 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Al deoxidation Calculate Al 2 O 3 solubility (Fe-Al-O diagram) –Initial equilibrium 0,06%Al 0,04%O 1873K GLOBAL LIGADO Calculate Al 2 O 3 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.

120 120 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= O i =600 ppm %O in steel= O f =6 ppm Result 998,7 kg of steel containing %O = Of=6 ppm %Al= kg Al2O3 875 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)

121 121 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 TUNDISH Preventing nozzle clogging – Semi-Empirical

122 122 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Semi-empirical- Increasing Ca additions Total O, S and T must be constant Cortesia M. Barcellos

123 123 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)

124 124 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Find when S+L forms (end of window) Liquid inclusions S+L S

125 125 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

126 126 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Descrição básica do processo

127 127 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia mmbar

128 128 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia mmbar 100 mm 900 mm

129 129 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia mmbar 300/400 mm 1500 mm

130 130 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Gás Ar / N 2


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