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Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012
Alguns exemplos com TCC
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Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012
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
Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012
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)
Aplicações-Roberto R. de Avillez-2010 4 4
Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012
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
Aplicações-Roberto R. de Avillez-2010 5 5
Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012
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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Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012
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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Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012
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
9 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 9
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.
10 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 10
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
11 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 11
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
12 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 12
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
13 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 13
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.
14 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 14
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
15 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 15
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.
16 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 16
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)
17 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 17
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)
18 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 18
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.
19 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 19
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
20 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 20
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
21 Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012 21
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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Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012
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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Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012
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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Workshop Aplicações da Termodinamica Computacional a Siderurgia 2012
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