1 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 Alguns exemplos com TCC

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Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Alguns exemplos com TCC

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Cálculo da Atividade Químicado Carbono numa atmosfera de forno

Uma mistura de gases contendo carbono entra em um forno. Qual a atividade química do carbono no referencial carbono grafítico? Empregar o banco de dados de susbstâncias. Considerar somente as

fases gás e carbono grafítico Fase carbono grafítica é mantida DORMANT Entrar com as quantidades totais dos elementos presentes, não

precisa entrar exatamente com os compostos porque a premissa fundamental é que o equilíbrio termodinâmico será alcançado

Calcular o equilíbrio Definir o estado de referência como igual a carbono grafítico mostrar

a atividade (SHOW ACR(C))

Aplicações-Roberto R. de Avillez-2010 3 3


Diagrama de Predominânciapara Carbetos em Aços

0

5

10

15

10 -3

F

raçã

o e

m M

assa

CR

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010 -3

Fra çã o e m M a ssa M O

.M23C 6+M7C 3

M3C

M3C +K S I

M3C +K S I+M23C 6

.K S I+M23C 6

M23C 6

M3C +M23C 6

.M3C +M23C 6+M7C 3

.M3C +M7C 3

Objetivo: Determinar os carbetos formados para diferentes composições de Mo e Cr

Dificuldade: aço com muitos elementos de liga: 0,28%C

Solução: Fixar os principais elementos de liga e variar Mo e Cr

set-axis-variable 1 w(cr) 0 .01 0.01

Fazer o gráfico empregando:Weight-fraction (w-f)Mole-fraction (m-f)



Diagrama Predominância-Carbetos Macro 1/2

s-l-f nome-do-arquivo

go data sw tcfe3 d-e fe c cr mo rej p diamond get go pol s-c t=800 p=1e5 n=1 w(c)=0.28e-2 w(cr)=10e-3 w(mo)=5e-3 @@ graphite e diamond não podem estar presentes c-st p graphite=dormand c-e l-e SCREEN VWCS



Diagrama Predominância-Carbetos Macro 2/2

s-a-v 1 w(cr) 0 15e-3 3.75E-04 s-a-v 2 w(mo) 0 10e-3 2.5E-04 @@ adiciona pontos extras para início do cálculo add Map @@ entra no sub-módulo de preparar gráficos post s-d-a x w-f mo s-d-a y w-f cr pl SCREEN set-interactive

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Adições no vazamento de uma panela de aço

100t de aço com 600ppm de O.

Passam do forno: 1t de escória contendo 25%FeO e 10%MnO, 23% SiO2

Adições para atingir 1t de CaO, 140kg MgO, 200kg CaF2

Adição de 300kg de Si

Usar set-initial-amount!

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A macro

go d

sw-d slag3

de-e fe o si ca mg mn f

get

go p-3

s-c t=1873 p=1e5

s-i-a b(fe)=100e6 b(o)=6E4 b(feo)=250E3 b(mno)=100E3

s-i-a b(sio2)=230E3

s-i-a b(cao)=1000E3 b(mgo)=140E3 b(caf2)=200E3 b(si)=300E3

c-e

c-e

set-inter

8 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 8

DICTRA: Módulos para Operação Básica

System Database ExitDictra

Post

Ajuda em qualquer momento: comando HELP,ponto de interrogação após um comando, p. ex., help?comando INFORMATION


Dictra/Thermo-Calc: System

• BACK CLOSE_FILE• EXIT• GOTO_MODULE • HELP HP_CALCULATOR• INFORMATION LIST_FREE_WORKSPACE• MACRO_FILE_OPEN NEWS

OPEN_FILE PATCH SET_COMMAND_UNITS SET_ERROR_MESSAGE_UNIT SET_INTERACTIVE_MODE• SET_LOG_FILE SET_PLOT_ENVIRONMENT SET_TERMINAL STOP_ON_ERROR TRACE

Módulo inicial. Permite a definição de arquivos de log, terminais e condições gerais de mensagens de erro.


Dictra/Thermo-Calc: Módulos

Composto por um conjunto de módulos`GOTO_MODULE

• SYSTEM_UTILITIES• GIBBS_ENERGY_SYSTEM• TABULATION_REACTION• DICTRA• POLY_3• BINARY_DIAGRAM_EASY• DATABASE_RETRIEVAL• FUNC_OPT_PLOT• REACTOR_SIMULATOR_3• PARROT• POTENTIAL_DIAGRAM• SCHEIL_SIMULATION• POURBAIX_DIAGRAM• TERNARY_DIAGRAM


Database: Banco de Dados

Definir um banco de Dados, p.ex.: TCFE3• Switch-database

Definir os elementos, p.ex.: Fe, C• Define-elements

Eliminar as fases que não podem estar presentes, deixar somente aquelas que efetivamente participam do equilíbrio, p.ex.: bcc, fcc, liquid, cementite.• Reject, Restore

Disponibilizar os dados do Banco de dados para o programa de cálculo.• Get


Elementos e Componentes

• Elementos: definidos pelo número atômico (tabela periódico e orbitais eletrônicos)• Fração em massa, % em massa• Fração atômica, % atômica• C, Fe, Ni, S, Ar, He, H

• Componentes: substâncias com estequiometrias bem definidas que podem ser variadas de maneira independente.• Fração em massa, % em massa• Fração atômica, % atômica• C, Fe, Ni, S, Ar, He, H, O, Na, Cl• CO2, H2O, FeO, Fe2O3, H2, S2, NaCl, O2, O3


Espécies

Espécies: um agregado (aglomerado) atômico qualquer, iônico ou neutro.

• CO2, CO, O, O2, O3, C ... Espécies presentes na fase gasosa quando C e O são os únicos elementos

• H2O, H3O+1, OH-1 ... Espécies presentes na água líquida

No desenvolvimento de bancos de dados termodinâmicos, as espécies podem ser reais ou virtuais.


Fases

Fases: regiões com características físico-químicas similares.• Gasosas

• É sempre uma solução

• Líquidas• Metal líquido, óxidos líquidos, água, óleos• Formam soluções miscíveis ou imiscíveis.

• Sólidas• Dependem da estrutura cristalina e da organização dos

átomos• Sólido amorfo (líquido superresfriado)• Formam soluções e compostos


Dictra/Thermo-Calc: Database_retrieval

AMEND_SELECTION• APPEND_DATABASE• BACK DATABASE_INFORMATION• DEFINE_ELEMENTS• DEFINE_SPECIES• DEFINE_SYSTEM• EXIT• GET_DATA• GOTO_MODULE

• HELP• INFORMATION LIST_DATABASE• LIST_SYSTEM NEW_DIRECTORY_FILE• REJECT• RESTORE SET_AUTO_APPEND_DATABASE

• SWITCH_DATABASE

Módulo de definição do banco de dados, escolha dos elementos, das fases ou compostos, das espécies.


Thermo-Calc: Comandos iniciais 1/2

sys>set-log-file (s-l-f)sys>goto-module (go)TDB_TCFE3>switch-database (s-d)TDB_SSOL>define-elements (d-e)TDB_SSOL>list-system (l-s)

• ELEMENTS, SPECIES, PHASES, CONSTITUENTSTDB_SSOL>reject (rej)TDB_SSOL>restore (res)TDB_SSOL>get-data (get)TDB_SSOL>goto-module poly-3 (go pol) (somente se

for TC, caso contrário siga para próxima transparência)


Dictra: Comandos iniciais 2/2

TDB_TCFE3>append-database MOB2 (app mob2)TDB_SSOL>define-elements (d-e)TDB_SSOL>list-system (l-s)

• ELEMENTS, SPECIES, PHASES, CONSTITUENTSTDB_SSOL>reject (rej)TDB_SSOL>restore (res)TDB_SSOL>get-data (get)TDB_SSOL>goto-module dictra (go dic)


Thermo-Calc: System

• BACK CLOSE_FILE• EXIT• GOTO_MODULE • HELP HP_CALCULATOR• INFORMATION LIST_FREE_WORKSPACE• MACRO_FILE_OPEN NEWS

OPEN_FILE PATCH SET_COMMAND_UNITS SET_ERROR_MESSAGE_UNIT SET_INTERACTIVE_MODE• SET_LOG_FILE SET_PLOT_ENVIRONMENT SET_TERMINAL STOP_ON_ERROR TRACE

Módulo inicial. Permite a definição de arquivos de log, terminais e condições gerais de mensagens de erro.


Thermo-Calc: Módulos

Composto por um conjunto de módulos`GOTO_MODULE

• SYSTEM_UTILITIES• GIBBS_ENERGY_SYSTEM• TABULATION_REACTION• POLY_3• BINARY_DIAGRAM_EASY• DATABASE_RETRIEVAL• FUNC_OPT_PLOT• REACTOR_SIMULATOR_3• PARROT• POTENTIAL_DIAGRAM• SCHEIL_SIMULATION• POURBAIX_DIAGRAM• TERNARY_DIAGRAM


Database: Banco de Dados

Definir um banco de Dados, p.ex.: TCFE3• Switch-database

Definir os elementos, p.ex.: Fe, C• Define-elements

Eliminar as fases que não podem estar presentes, deixar somente aquelas que efetivamente participam do equilíbrio, p.ex.: bcc, fcc, liquid, cementite.• Reject, Restore

Disponibilizar os dados do Banco de dados para o programa de cálculo.• Get


Thermo-Calc: Database_retrieval

AMEND_SELECTION• APPEND_DATABASE• BACK DATABASE_INFORMATION• DEFINE_ELEMENTS• DEFINE_SPECIES• DEFINE_SYSTEM• EXIT• GET_DATA• GOTO_MODULE

• HELP• INFORMATION LIST_DATABASE• LIST_SYSTEM NEW_DIRECTORY_FILE• REJECT• RESTORE SET_AUTO_APPEND_DATABASE

• SWITCH_DATABASE

Módulo de definição do banco de dados, escolha dos elementos, das fases ou compostos, das espécies.

22 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Dictra_Monitor

A montagem de um programa de difusão segue um padrão muito bem definido. Se faltar alguma das etapas o programa pode não rodar, ou não convergir.

SET-CONDITION global/boundary ENTER-REGION nome_da_região ENTER-GRID nome_da_região dimensão número_de_divisões (linear, geo,

double) ENTER-PHASE active/inactive nome_da_região tipo_da_região fase … ENTER-COMPOSITION nome_da_região fase … ENTER-GEOMETRY SET-SIMULATION-TIME SET-SIMULATION-CONDITIONS SAVE SIMULATE POST

23 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012

Difusão contra um gradiente de concentração na liga Fe-Si-C

Aço 13.8 %Si0.49 %C

Açol 20.05 %Si0.45 %C

Experimento clássico de L. S. Darken (1949). Dois aços com a mesma concentração de carbono e diferentes concentrações de silício

Tratamento térmico mostrou que a difusão ocorreu contra o gradiente de concentração de carbono. “Up hill diffusion” provocada pela variação do potencial químico do carbono (atividade do carbono).

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Modelo DICTRA

5 cm

FCC

3.8% Si

0.49% C

FCC

0.05% Si

0.45% C

- Uma única região. - Fase cúbica de face centrada (FCC).- Espaçamento mais fechado no centro da região.- Perfís de composição com a função HS.- Condições globais: T=1323K, constante.- Condições de contorno: Zero-flux (or closed system).

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Uphill diffusion

Concentration-profile for Si

Concentration-profile for C Activity-profile for C

z

cD

z

cDJ

z

cDJ SiFe

CSicFe

CCC

n

j

jnkjk

1

1

”Off-diagonal” term

Can cause uphill diffusion

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Macro para o Experimento de Darken

s-m-f nome_do_arquivo sw ssol def-sp fe si c rej ph * res ph fcc get append mob2 def-sp fe si c rej ph * res ph fcc get

go dic s-cond global T 0 1323; * N enter-region aus enter-grid aus 50e-3 double 50 0.9 1.11 enter-phase active aus matrix fcc#1 enter-composition aus fcc#1 FE w-p C func 0.49-0.04*HS(X-25E-3); SI func 3.80-3.75*HS(X-25E-3); set-simulation-time 1e10 save nome_do_arquivo simulate

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